微生物发酵过程优化控制技术进展

微生物发酵过程优化控制技术是发酵工程的重要技术。综述了近年来微生物发酵过程优化控制技术的研究现状,讨论了机理分析建模、黑箱建模、混合建模等发酵过程建模方法,对基于模型的优化控制策略进行了分析。指出了基于混合模型和多目标优化策略建立动态优化控制器,是微生物发酵过程优化控制的有效方法,并给出了实现优化控制需要解决的关键问题。     

局部最小二乘支持向量机回归在线建模方法及其在间歇过程的应用

当间歇生产切换于不同的工艺条件时，由于新工况下的样本一般很少，且批次间存在着不确定性（由于原材料波动或过程动态特性波动等），基于全局学习的建模方法（如最小二乘支持向量机回归，LSSVR）建立的模型泛化性能不强。将局部学习融入LSSVR中，提出一种局部LSSVR（local LSSVR, LLSSVR）的间歇过程在线建模方法。结合前一批次离线优化后的LSSVR参数，针对待预测新样本在线选择与之相关的近邻样本集并基于此进行建模。以建立青霉素发酵过程的菌体浓度为例，验证了LLSSVR算法能够从过程的第2个生产批次开始在线建立较准确的预报模型，较LSSVR有着更好的推广能力、适应性和鲁棒性。     

在线自适应波长选择方法及其在汽油调和过程中的应用

近红外光谱分析技术作为一种非侵入性的分析手段在工业上得到了广泛应用。然而,大多数近红外模型的波长选择方法是离线建立的,无法有效跟踪过程特性的变化。提出了一种新的在线自适应波长选择方法——在线自适应区间高斯过程回归波长选择方法（adaptive interval Gaussian process regression, AIGPR）,并用于汽油调和过程中的近红外模型的建立。该方法可以根据待测样本的特性对波长结构进行调整。为了降低在线应用的计算成本,该方法分为离线和在线两个部分,离线部分将光谱分割成若干个波长区间,并在每个波长区间上建立局部模型,为在线应用做准备;在线部分中根据划分规则将采样得到待测样本光谱进行分割并代入相应的局部模型中计算波长区间重要性指标,获得最优波长区间。在汽油辛烷值的光谱数据上证明了该方法的有效性。与重要变量投影法和改进的相关系数法相比,该方法具有更好的性能。     

基于光纤光栅的管道应力监测系统

提出了一种基于光纤光栅传感技术的管道应力监测系统,在分析硬件和软件两大系统组成的基础上,开发了基于应力在线预警和离线数据统计相结合的综合分析方法.重点介绍了在线预警软件的功能及关键参数设置方法,离线评估软件将实时保存的文本数据文件转换为SQL Server数据库,并具有曲线显示、统计分析等功能模块.系统能够实现管道运行时全天候实时监测及后续趋势分析等要求,可推广应用到其他重要结构的应力在线监测.     

过程工业软测量中的多模型融合建模方法

对多模型融合建模方法在过程工业软测量中的研究进展进行了系统总结。根据整体模型中子模型的不同,多模型融合建模方法主要可分成数据驱动融合建模方法和半参数建模方法。详细介绍了数据驱动融合建模方法和半参数建模方法的设计思想和国内外研究现状,分析了各类方法的优缺点,并提出了相应的改进方向。根据过程数据处理方法的不同,将数据驱动融合建模方法分为集成学习和聚类分析。根据模型结构形式的不同,将半参数建模方法分为串联结构和并联结构。最后对多模型融合建模方法的未来研究方向进行了展望,期望今后的研究工作能在改进数据驱动模型融合技术、提高半参数模型外推能力和解决双率数据问题等方面取得突破性进展,并指出采用多模型融合建模方法建立基于多源信息融合的软测量模型是实现过程工业中难测变量在线估计的有效方法。     

化工过程的智能混合建模方法及应用

随着人工智能技术和配套数据系统的快速发展,化工过程建模技术达到了新的高度,将多个机理模型和数据驱动模型以合理的结构加以组合的智能混合建模方法,可以综合利用化工过程的第一性原理及过程数据,结合人工智能算法以串联、并联或者混联的形式解决化工过程中的模拟、监测、优化和预测等问题,建模目的明确,过程灵活,形成的混合模型有着更好的整体性能,是近年来过程建模技术的重要发展趋势。本文围绕近年来针对化工过程的智能混合建模工作进行了总结,包括应用的机器学习算法、混合结构设计、结构选择等关键问题,重点论述了混合模型在不同任务场景下的应用。指出混合建模的关键在于问题和模型结构的匹配,而提高机理子模型性能,获取高质量宽范围的数据,深化对过程机理的理解,形成更有效率的混合建模范式,这些都是现阶段提高混合建模性能的研究方向。     

基于多数据空间全潜结构映射的化工过程性能评估方法

针对化工过程运行状态在线评估的问题,提出多数据空间全潜结构映射（multi-space total projection to latent structures,MsT-PLS）性能评估方法。该方法采用“离线建模,在线评估”的评估策略。首先对历史多数据输入空间进行全面分解,结合多数据空间基向量提取方法,剔除多数据输入空间中与质量变量无关信息的干扰。在与质量变量相关的多数据输入空间上,建立不同运行性能等级的离线数据网络分类模型,实现“离线建模”。“在线评估”阶段,以数据滑动时间窗为评估单元,将过程性能分为稳定和过渡性能等级,把在线数据与历史性能等级进行相似度匹配。利用过程变量相对贡献度,对性能变化起决定性影响的过程变量进行识别和贡献度分析,为系统性能劣化原因的识别提供了参考。最后,应用到乙烯裂解过程在线性能评估中,说明了本评估方法可以对系统进行准确的在线性能评估。     

基于多数据空间全潜结构映射的化工过程性能评估方法

针对化工过程运行状态在线评估的问题,提出多数据空间全潜结构映射(multi-space total projection to latent structures,Ms T-PLS)性能评估方法。该方法采用"离线建模,在线评估"的评估策略。首先对历史多数据输入空间进行全面分解,结合多数据空间基向量提取方法,剔除多数据输入空间中与质量变量无关信息的干扰。在与质量变量相关的多数据输入空间上,建立不同运行性能等级的离线数据网络分类模型,实现"离线建模"。"在线评估"阶段,以数据滑动时间窗为评估单元,将过程性能分为稳定和过渡性能等级,把在线数据与历史性能等级进行相似度匹配。利用过程变量相对贡献度,对性能变化起决定性影响的过程变量进行识别和贡献度分析,为系统性能劣化原因的识别提供了参考。最后,应用到乙烯裂解过程在线性能评估中,说明了本评估方法可以对系统进行准确的在线性能评估。     

工业共沸精馏塔软测量建模方法的研究与应用

针对某一工业共沸精馏塔成分估计问题,利用基于支持向量机技术的软测量建模方法,建立了恰当的工业软测量模型。利用滑动时间窗技术实时更新建模数据集,并根据预估精度决策在线优化和模型更新,提高工业软测量模型的在线估计精度。研究结果表明,基于滑动时间窗的LS SVM软测量建模方法,是一种有效的软测量建模方法。     

基于多动态核聚类的间歇过程在线监控

针对传统的多元统计监测方法不能有效检测工业过程中由于初始条件波动较大所引发的弱故障问题,提出一种基于多动态核聚类的核主元分析(DKCPCA)监控策略,实现多阶段间歇过程的弱故障在线监控.该方法首先针对过程中各阶段每一批次数据结合自回归移动平均时间序列模型(ARMAX)和核主成分分析(KPCA)方法分别建立动态核PCA模型,然后根据各批次模型间载荷的相似性采用分层次聚类方法进行聚类,最后将聚在一起的批次数据进行展开重新再建立动态核PCA模型,随着聚类数目的不同从而建立多个类模型.当在线应用时给出了多模型选择策略,以提高监测精度.将此方法应用于青霉素发酵过程的监控中,监测结果表明此方法取得了比DKPCA和MKPCA更好的监测性能.     

轴径向型氨合成塔的数学模型及工艺优化研究

运用氨合成化学反应本征动力学方程,建立了轴径向型氨合成塔拟均相一维的催化床层内氨浓度和反应温度分布的数学模型。利用正常生产运行的操作数据反算得到了各段催化床层的催化剂活性系数;逐一对单元工艺操作条件进行了优化,模拟计算出系统压力随氨合成塔工艺操作条件变化的情况,从中确定出一组工艺操作条件的优化值;通过实际生产运行,对优化前后氨合成塔工艺操作数据进行了对比,结果实明,生产操作工况良好。     

基于改进的GSO算法和BP神经网络的氨合成塔出口氨含量软测量模型(英文)

The ammonia synthesis reactor is the core unit in the whole ammonia synthesis production. The ammonia concentration at the ammonia converter outlet is a significant process variable, which reflects directly the production efficiency. However, it is hard to be measured reliably online in real applications. In this paper, a soft sensor based on BP neural network (BPNN) is applied to estimate the ammonia concentration. A modified group search optimization with nearest neighborhood (GSO-NH) is proposed to optimize the weights and thresholds of BPNN. GSO-NH is integrated with BPNN to build a soft sensor model. Finally, the soft sensor model based on BPNN and GSO-NH (GSO-NH-NN) is used to infer the outlet ammonia concentration in a real-world application. Three other modeling methods are applied for comparison with GSO-NH-NN. The results show that the soft sensor based on GSO-NH-NN has a good prediction performance with high accuracy. Moreover, the GSO-NH-NN also provides good generalization ability to other modeling problems in ammonia synthesis production.     

基于AHP及可拓理论的合成氨系统的安全评价

合成氨作为化工产业的支柱之一,合成氨系统的安全评价对于装置的稳定和安全运行具有十分重要的意义。文章运用层次分析法和可拓理论相结合的方法,建立了合成氨系统的安全评价的数学模型。最后,并对合成氨系统某一工段的安全状况进行分析,模型可以推广到其他化工系统的安全评价。     

基于过程神经网络的BOD在线检测仪研究

为了实现污水处理过程中BOD的在线检测,提出了具有权函数动量项和自适应学习速率权值的新的过程神经网络改进算法,并利用该算法建立了BOD软测量模型,设计了基于ATMEGA1280单片机的系统主控制器,采用模块化软件设计理念,利用AVR Studio开发环境,编程实现数据采集、软测量、液晶显示、数据存储、打印驱动等功能。此仪表已在工业现场得到应用,平均相对预测误差小于4.1%。     

苯氯化反应与精馏过程的模拟与实时监控系统

以反应与精馏集成生产氯化苯过程为研究对象,依据化工机制模型和动态特性,采用化工流程模拟HYSYS软件建立苯氯化反应与精馏集成过程流程模拟系统。采用Visual Basic语言编写通讯模块,实现WINCC集成监控系统和模拟系统数据之间的实时通信。构建了苯氯化反应与精馏集成过程的实时监控平台。实现了模拟过程动态显示、PID控制器参数整定、历史数据查询、报表显示与打印、实时报警等多项集成功能。     

基于智能集成优化的合成塔入口氨含量软测量

文化算法主要由种群空间和信念空间构成,两个空间共同进化来模拟人类文化的进化过程。提出一种智能集成优化算法,将遗传算法、粒子群优化算法应用到文化算法框架中,并与神经网络相结合,构造一种智能集成网络模型,并将其应用到合成塔入口氨含量软测量建模。结合实际工艺,对所建软测量模型进行仿真研究。研究结果表明,该模型的性能优于传统BP神经网络模型、遗传神经网络模型和粒子群神经网络模型,具有较高的精度和良好的应用前景。     

Nonlinear state estimation for fermentation process using cubature Kalman filter to incorporate delayed measurements☆

State estimation of biological process variables directly influences the performance of on-line monitoring and op-timal control for fermentation process. A novel nonlinear state estimation method for fermentation process is proposed using cubature Kalman filter (CKF) to incorporate delayed measurements. The square-root version of CKF (SCKF) algorithm is given and the system with delayed measurements is described. On this basis, the sample-state augmentation method for the SCKF algorithm is provided and the implementation of the proposed algorithm is constructed. Then a nonlinear state space model for fermentation process is established and the SCKF algorithm incorporating delayed measurements based on fermentation process model is presented to implement the nonlinear state estimation. Finally, the proposed nonlinear state estimation methodology is applied to the state estimation for penicillin and industrial yeast fermentation processes. The simulation results show that the on-line state estimation for fermentation process can be achieved by the proposed method with higher esti-mation accuracy and better stability.     

Empirical strategies for open-loop on-line optimization

Two empirical strategies for open-loop on-line optimization are developed as alternatives to the use of mechanistic process models. These strategies are based on on-line identification of dynamic multi-input single-output (MISO) and multi-input multi-output (MIMO) models. The steady state gain of these models provides information for steady state optimization. Desirability functions, originally developed for multi-objective optimization, are utilized as objective function modifiers for constrained on-line optimization. The integration of dynamic model identification and desirability functions results in an on-line optimizer which combines fast optimizing speed with the ability to predict future encroachments on constraint boundaries. Corrections to the search direction are based on these predictions, reducing the probability of actual constraint violation. The optimization strategies are tested by simulation on nonlinear multivariable interacting systems at two levels of complexity: a CSTR supporting a multiple reaction and a fluid catalytic cracker. Both methods were effective in avoiding violation of constraints but the MIMO strategy required fewer steps to reach an optimum and was less prone to generate a nonfeasible optimization step.     

双套管逆流式氨合成塔的计算机模拟研究

利用模拟技术研究并建立了双套管逆流式氨合成塔的数学模型,开发设计了相应的计算机模拟软件,利用该软件对物定生产规模的合成氨生产过程进行了模拟,模拟结果与实际工业生产过程吻合得很好。     

Promaxion四级杆质谱仪在合成氨装置中设计与应用

在线质谱仪在监控合成氨系统的产品质量、液氨合成率、装置的安全运行启着至关重要的作用,结合promaxion四级杆质谱仪在国内煤化工行业的首次应用。通过对合成氨装置质谱仪分析系统的设计:包括四级杆质谱仪工作原理、取样预处理系统选择、样气回路响应时间计算、现场校验方法的设置,论述质谱仪分析系统在合成氨装置中的应用。