基于二維動態(tài)的間歇過程貝葉斯狀態(tài)估計.pdf

1、隨著柔性化生產(chǎn)的趨勢，間歇過程在化工、食品、冶金和生物制藥中的比重逐漸增大。在間歇生產(chǎn)中，存在不可測量或測量成本較高的過程變量，這些變量關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，需要對其進行實時監(jiān)測。本文研究間歇過程狀態(tài)變量的在線估計。但間歇過程有別于連續(xù)過程的特點，估計時存在一些特殊問題。由于外界環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應條件差異等因素影響，不同批次的間歇過程的操作時長可能不等。此外，根據(jù)不同批次內(nèi)同一時刻的過程狀態(tài)是否一一對應，間歇過程又可分為操作軌線對齊和非

2、對齊（稱為“漂移”）兩種情況。有些情況下，還可能由于監(jiān)測器和傳感器故障、網(wǎng)絡阻塞、人為操作失誤等，使得觀測數(shù)據(jù)不完整或不可用。針對間歇過程狀態(tài)估計中的上述問題，本文分別進行研究，并給出相應的解決方案。
　　本文介紹了貝葉斯估計、基于貝葉斯估計的擴展卡爾曼濾波(EKF)和無跡卡爾曼濾波(UKF)的原理;接著闡述和推導了粒子濾波(PF)，PF可用于更一般的非線性非高斯對象。考慮到實際間歇過程一般在時間和批次兩個方向上都具有動態(tài)關(guān)聯(lián)，因

3、此本文將這兩個維度的動態(tài)關(guān)聯(lián)引入數(shù)學模型，以更好地反映間歇過程特點。對于操作軌線對齊的不等長情況，給出了基于二維動態(tài)的狀態(tài)空間模型，采用了基于貝葉斯狀態(tài)估計的PF算法，依據(jù)二維狀態(tài)關(guān)聯(lián)來估計等長段狀態(tài)，而非等長段狀態(tài)則依據(jù)一維狀態(tài)關(guān)聯(lián)進行估計。對于操作軌跡對齊的等長情況，也可在這個框架下進行狀態(tài)估計。此外，對于不完整觀測問題，給出了相應解決方案，即利用有效觀測和粒子權(quán)重的繼承來進行平滑。本文對一個非線性間歇過程和一個氣相反應間歇過程進行

4、仿真，結(jié)果表明了所提方法的有效性，并且，該方法對不完整觀測的敏感度也較低。
　　在間歇生產(chǎn)中，更一般的是操作軌線漂移的情況。對于這種情況，本文提出用動態(tài)時間規(guī)整(DTW)方法來匹配相鄰兩個批次的不等長狀態(tài)序列，以搜索到最優(yōu)關(guān)聯(lián)狀態(tài)。搜索結(jié)束后，得到最優(yōu)狀態(tài)關(guān)聯(lián)的狀態(tài)空間模型;接著基于該模型，在貝葉斯框架下采用PF算法進行狀態(tài)估計。對于操作軌線漂移的等長情況，也可用該方法進行狀態(tài)估計。對不完整觀測問題也給出了解決方案。最后，氣相反應