基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 發(fā)明屬于煮糖結(jié)晶過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶 過(guò)程控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煮糖結(jié)晶過(guò)程最為關(guān)鍵的一個(gè)階段就是養(yǎng)晶階段。根據(jù)煮糖的工藝要求，在養(yǎng)晶 階段需要把糖膏當(dāng)中的細(xì)小晶粒培養(yǎng)成大顆粒，實(shí)現(xiàn)的方法就是在蒸煮過(guò)程中給煮糖結(jié)晶 罐輸送低濃度的糖漿，通過(guò)蒸汽加熱促使罐內(nèi)糖膏吸收低濃度糖漿的糖分，從而將細(xì)小晶 粒煮成符合規(guī)格的白砂糖顆粒。經(jīng)過(guò)工程師多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可知養(yǎng)晶階段相當(dāng)于是將煮 糖罐內(nèi)的糖膏鍵度濃縮至更高的鍵度，同時(shí)又要求糖膏的液位跟隨鍵度同步上升到一個(gè)高 度，如圖2所示。
[0003] -般來(lái)說(shuō)，在制糖生產(chǎn)車間中是由現(xiàn)場(chǎng)的煮糖工人控制低濃度糖漿的進(jìn)給速率， 也即控制糖漿入料流量，來(lái)實(shí)現(xiàn)糖膏液位與鍵度的同步上升。由于糖罐內(nèi)的細(xì)小晶粒數(shù)目 相對(duì)來(lái)說(shuō)是平穩(wěn)的，運(yùn)就說(shuō)明細(xì)小晶粒長(zhǎng)大成大晶粒所需的養(yǎng)分是一定量的，不能過(guò)多也 不能過(guò)少，運(yùn)就要求外部的物料進(jìn)給量要根據(jù)罐內(nèi)晶粒的狀況所決定，并非片面地通過(guò)輸 送物料來(lái)實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)液位的上升。同時(shí)，細(xì)小晶粒吸收糖分是需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程的，并不是說(shuō) 低濃度的糖漿輸送到位后細(xì)小晶粒就能夠馬上吸收長(zhǎng)成大晶粒。晶粒的吸收情況要根據(jù)當(dāng) 時(shí)環(huán)境下你所進(jìn)給的物料量來(lái)定，物料進(jìn)給過(guò)少，糖分不夠，影響了晶粒的吸收，會(huì)造成晶 粒群體的成長(zhǎng)參差不齊，最終會(huì)使得白砂糖成品率低。物料進(jìn)給過(guò)多，糖分供大于求，那么 多出來(lái)的糖分會(huì)在罐內(nèi)高溫的環(huán)境下自行結(jié)晶成長(zhǎng)為崎形晶粒，俗稱偽晶，運(yùn)對(duì)正常晶粒 群來(lái)說(shuō)是致命的，因?yàn)槠樾尉Я?huì)時(shí)時(shí)刻刻跟正常晶粒群搶奪糖分，但崎形晶粒不會(huì)長(zhǎng)大， 只會(huì)越來(lái)越多，最終會(huì)造成整個(gè)晶粒群被偽晶吞隧，從而引起生產(chǎn)事故。
[0004] 由W上的分析可知，要想成功地把細(xì)小晶粒養(yǎng)成符合規(guī)格的大晶粒就需要嚴(yán)格地 按照工藝曲線的要求去操作養(yǎng)晶階段。圖2所示的工藝曲線根據(jù)走向分成了 5個(gè)階段，運(yùn)就 意味著在每一個(gè)階段中都必須驅(qū)使罐內(nèi)的糖膏液位跟鍵度上升到該階段所要求的點(diǎn)，到達(dá) 后才能進(jìn)入下一個(gè)階段。而現(xiàn)存的自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)工藝曲線跟隨運(yùn)一階段的效果并不 理想，主要原因是罐內(nèi)的糖膏環(huán)境非常復(fù)雜，難W建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，只能通過(guò)階段性的 模糊控制方法進(jìn)行工藝曲線逼近。模糊控制的思路就是先讓罐內(nèi)糖膏液位首先到達(dá)階段性 要求的點(diǎn)，再而關(guān)閉閥口通過(guò)蒸煮來(lái)實(shí)現(xiàn)糖膏鍵度上升，接著交替重復(fù)該動(dòng)作實(shí)現(xiàn)每一個(gè) 階段的工藝曲線逼近。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)上述控制方法的不足，提出基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程控制 方法，建立煮糖結(jié)晶過(guò)程的序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的在線學(xué)習(xí)機(jī)制，形成滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制，建立跟隨 自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)煮糖結(jié)晶過(guò)程的自動(dòng)蒸煮。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程控制方法，包括W下步驟：
[0008] (1)、將煮糖結(jié)晶過(guò)程的工藝曲線分為多個(gè)階段，為每一階段的鍵度和液位分別設(shè) 定控制目標(biāo)；
[0009] (2)、W入料流量和進(jìn)給時(shí)間作為輸入量，糖膏的液位變化量和鍵度變化量作為輸 出量，構(gòu)建基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程工藝參數(shù)的控制模型；
[0010] (3)、采用最小二乘法構(gòu)建步驟（1)控制模型的輸出量與對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)之間的目 標(biāo)函數(shù)；
[0011] (4)、采用粒子群優(yōu)化算法求解步驟(2)的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化最佳的入料流量和進(jìn)給 時(shí)間，并作用于系統(tǒng)；
[0012] (5)、實(shí)時(shí)采集煮糖結(jié)晶過(guò)程的輸入量和輸出量，判斷本階段的鍵度和液位是否均 達(dá)到對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)，如果未達(dá)到，則重復(fù)執(zhí)行步驟(2)至(4)，建立序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的在線 學(xué)習(xí)機(jī)制，形成滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制，建立跟隨自適應(yīng)控制；如果達(dá)到，則進(jìn)入下一階段，W下一階 段的控制目標(biāo)重復(fù)執(zhí)行步驟(2)至(5)。
[0013] 所述步驟(1)基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程工藝參數(shù)的控制模型的構(gòu)建方 法，包括如下步驟：
[0014] Stepl:由序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)假設(shè)系統(tǒng)的輸出可得下式來(lái)表示：
[0015]
(1)
[0016] 式（1)中，N為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，W1為輸入層權(quán)重矩陣，X為系統(tǒng)輸入矩陣，β為輸入層 偏置向量，G(.)為激活函數(shù)，W2為輸出層權(quán)重矩陣。
[0017] W入料流量和進(jìn)給時(shí)間作為輸入向量，糖膏的液位和鍵度作為輸出向量，因此，輸 入層和輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)都為2，
[001引隨機(jī)生成輸入層權(quán)重矩陣W1和輸入層偏置向量β，得：
[0019]
[0020] 其中Ν為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，需根據(jù)數(shù)據(jù)的非線性復(fù)雜度而定；
[0021] Step2: W入料流量V和進(jìn)給時(shí)間Δ t作為輸入向量，糖膏液位Δ 1和糖膏鍵度Δ Β作 為輸出向量，分別構(gòu)建輸入樣本矩陣X和輸出樣本Y，樣本數(shù)為No，得：
[0022]
[0023] Step3:按式（2)分別對(duì)輸入樣本矩陣X和輸出樣本矩陣Y的行向量進(jìn)行歸一化處 理，得到歸一化后的輸入樣本矩陣義和輸出樣本矩陣
[0024]
(2)
[0025] Step4:計(jì)算隱含層輸出矩陣Ho:
[0026] 假設(shè)隱含層的激活函數(shù)為G( ·)，則隱含層的輸出矩陣為：
[0027]
(3)
[002引5*6口5:計(jì)算輸出層權(quán)重矩陣％《.^
[0029] 由Step4得出隱含層的輸出矩陣與輸出樣本矩陣F之間的關(guān)系，如式(4)所示：
[0030]
(4)
[0031] 通過(guò)線性辨識(shí)的手段即式（5)來(lái)擬合出隱含層的輸出矩陣與目標(biāo)矩陣之間的關(guān) 系，即極限學(xué)習(xí)機(jī)的輸出層權(quán)重矩陣為：
[0032]
(5)
[0033] 式(5)可改寫為式(6)的形式：
[0034]
(61
[00對(duì)式(6)中，其中由To來(lái)表示，始由w:。來(lái)表示，(/?/'y為H0T的Moore-Penrose廣義 逆矩陣，
[0036]
(7)
[0037] No為訓(xùn)練集樣本個(gè)數(shù)，N為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，win為輸入層權(quán)重矩陣W1的第η行，xn為第η 個(gè)樣本的數(shù)據(jù)，βι為偏置向量β的第1行，=4馬馬f f。
[0038] 所述步驟(1)基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程工藝參數(shù)的控制模型的構(gòu)建方 法，還包括所述控制模型的在線更新方法，包括W下步驟：
[0039] steps:實(shí)時(shí)采集煮糖結(jié)晶過(guò)程的輸入量和輸出量，設(shè)為％W)和乃馬邱，并根據(jù) Step3進(jìn)行歸一化處理，得到新的訓(xùn)練樣本：
[0040]
[0041] St邱7:將新的訓(xùn)練樣本(；(乂。+1)，；^。+1>)代入式(3)，得出新的隱含層輸出向量出：
[0042]
[0043] steps:將隱含層輸出向量化與Step4得到的化代入式(6)，得到更新的輸出權(quán)重矩 陣4,
[0044] 新訓(xùn)練方程表示為：
[0045]
腳
[0046] 根據(jù)新的訓(xùn)練樣本片乂川)石^+。)與原訓(xùn)練樣本玄巧^^，求得輸出層權(quán)重矩陣更新 為：
[0049] Step9:根據(jù)式(9)與式（10)就得到極限學(xué)習(xí)機(jī)在線學(xué)習(xí)過(guò)程的輸出權(quán)重矩陣W2的 在線更新方程為：
[0052] St邱10:重復(fù)Step6-Step9，實(shí)時(shí)在線更新所述控制模型。
[0053] 本發(fā)明的顯著進(jìn)步在于：
[0054] 與W往的數(shù)據(jù)建模只能在離線的條件下進(jìn)行建模相比，本發(fā)明的方法先在離線的 情況下建立一個(gè)基本的數(shù)據(jù)模型，然后在線即實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集最新的數(shù)據(jù)去調(diào)整 模型參數(shù)，建立序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的在線學(xué)習(xí)機(jī)制，形成滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制，建立跟隨自適應(yīng)控 審IJ。本發(fā)明的方法能夠在線檢測(cè)煮糖結(jié)晶過(guò)程液位和鍵度的變化速率，并根據(jù)實(shí)時(shí)誤差進(jìn) 行入料流量的自適應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)液位與鍵度同步上升的工藝要求，具備了很強(qiáng)的可行 性，能夠代替手工操作去實(shí)現(xiàn)煮糖結(jié)晶過(guò)程的自動(dòng)蒸煮。
【附圖說(shuō)明】
[0055] 圖1是基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程控制方法的流程圖。
[0056] 圖2煮糖結(jié)晶過(guò)程的工藝曲線示意圖。
[0057] 圖3是序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)在線學(xué)習(xí)能力中液位隨時(shí)間的變化關(guān)系示意圖。圖中，a代 表真實(shí)液位，b代表序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的液位輸出，C代表極限學(xué)習(xí)機(jī)的液位輸出。
[0058] 圖4是序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)在線學(xué)習(xí)能力中鍵度隨時(shí)間的變化關(guān)系示意圖。圖中，a代 表極限學(xué)習(xí)機(jī)的鍵度輸出，b代表序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的鍵度輸出，C代表真實(shí)鍵度。
[0059] 圖5控制算法優(yōu)化得出的最佳控制量示意圖。
[0060] 圖6液位隨時(shí)間的變化示意圖。
[0061 ]圖7鍵度隨時(shí)間的變化示意圖。
[0062] 圖8液位與鍵度的變化關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保 護(hù)范圍并不受【具體實(shí)施方式】的限制。
[0064] 如圖1和圖2所示，基于序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)的煮糖結(jié)晶過(guò)程控制方法，包括W下步驟：
[0065] (1)、將煮糖結(jié)晶過(guò)程的工藝曲線分為多個(gè)階段，為每一階段的鍵度和液位分別設(shè) 定控制目標(biāo)；
[0066] (2)、W入料流量和進(jìn)給時(shí)間作為輸入量，糖膏的液位變化量和鍵度變化量作為輸 出