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专利号: 2017109538526
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-03-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种裂解反应炉温度的主成分分析建模方法,其特征在于该方法具体是:步骤1、采集过程的实时运行数据,建立过程对象神经网络模型,具体步骤如下:

1-1.根据建立模型,综合主成分分析方法,得到给定子集p的最优解如下形式:其中,S为数据的协方差矩阵,S2协方差矩阵的平方,SP中选定S中p个变量组成的p×p子阵; 为求矩阵的逆矩阵,tr()求括号中矩阵的迹;

将其转换为最小化问题表示为J1,形式如下:

J1=1/f1

1-2.将输入输出数据与预测输出 之间的映射关系,即模型结构表示为如下形式:其中,x(k)=[y(k-1),…,y(k-n),u(k-1),…,u(k-m)]是被控对象观测输入,y(k-

1),…,y(k-n)分别是k-1,…,k-n时刻被控对象输出;

u(k-1),…,u(k-m)分别是k-1,…,k-m时刻选取的干扰;n和m分别是输出和输入的最大阶次,f表示模型的映射关系;

1-3.引入隐藏神经元,模型预测输出 表示为如下形式:

其中, 是连接隐藏神经元到输出层的权值,

nh是隐藏节点的个数;φi(||x(k)||)是隐层中第i个神经元输出,形式如下:||x(k)-ci||是x与ci之间的欧几里德距离,||x||为x的模, 与σi∈R分别是高斯函数的中心向量和宽度,exp是指数函数;

1-4.给出N1个训练数据样本,Y1=[y1(1),…,y1(N1)],U=[u(1),…,u(N1)],通过递归方法计算权重系数:其中,Y1是训练数据,U是主成分分析方法所选取的干扰,0<μ<1是遗忘因子,P(k)、P(k-1)是k,k-1时刻的正定的协方差矩阵,P(0)=α2I,I是一个(n+m)×(n+m)单位矩阵,α是一个足够大的实数;设置为105,ω(0)=ε,ε是一个充分小的n+m的实矩阵,设置为10-3,K(k)是一个权重矩阵,fi(k)是第i个神经元k时刻训练输出,ωi(k-1)是第i个神经元k-1时刻训练权重,T是转置符号;

1-5.训练建立的模型,其建模精度通过使用训练和测试数据根据数学误差处理进行评估:其中,J2是经数学处理误差目标,y1(k)是训练数据,k=1,…,N1, 是其预测输出;y2(k)是测试数据,k=1,…,N2, 是其预测输出;

步骤2、基于改进的遗传算法的变量选择和神经网络建模,具体步骤如下:

2-1.初始化种群大小Np、最大世代G、算子概率Pc、Pm,首先对神经网络模型参数进行编码,将输入层中的n被设置为2,将一个输入变量的m设置为1;隐藏层中的神经元数nh及其高斯函数参数ci,σi,i=1,…,nh被优化,1≤nh≤H,H是隐层的最大隐藏层数;设计不同变量选择的编码和改进的神经网络,并导出第i条染色体Ci,形式如下所示:其中1≤i≤Np,Np是群体大小;

2-2.根据矩阵知识导出[1,nh]行中的元素,如下所示:

σj=rwmax 1≤j≤nh

其中r在[0.01,1]中随机产生的系数,umax和umin是最大和最小输入,ymax和ymin是最大和最小输出,wmax是高斯基函数的最大宽度,设置为umax、ymax的较大值;

最后一行Ci代表3-8列被选择,其有效位为[3-8];一旦Ci获得,确定了改进的神经网络的结构和参数,然后通过步骤1-4使用训练数据获得权值ω;

2-3.改进的遗传算法并选择算子

在改进的遗传算法中使用排序算法,得到排序和拥挤距离;排第一的个体被视为精英,被选为父母;为了保持群体的多样性,具有相同值的J1和J2的个体被认为是一个个体;排第1的个体选择到父母群体中,直到超过群体规模;通过下降排序比较当前前面的拥挤距离,并且将具有较大拥挤距离的个体选择到父母群体中;如果大小仍然小于设定的群体规模,在改进算法的基础上,来选择J1和J2剩余群体数的一半;在选定的群体中通过优化的遗传方法,产生后代;

2-4类染色体联会过程,产生遗传算法的算子,在Ci行和Ci′行之间执行概率为pc的算子,其中,在Ci和Ci′之间在1,9之间随机生成交叉位置;基函数的参数发生变化,后代中所选择的变量也发生了变化;但是隐藏节点的数量不能改变;

2-5.步骤2-1中的元素以概率Pm突变;当实现变异算子时,根据步骤2-2生成元素,其中的元素执行逻辑非运算,即1到0和0到1得到新的结构,然后获得改进的神经网络模型和不同的变量;

2-6.延长剪切算子

如果隐藏神经元的数目小于2,则随机添加神经元新元素[1,H-2]之间的随机数,并根据步骤2-2计算新神经元的元素;在Ci中只有一个不为零的神经元将被剪切,并且隐藏的神经元的数量减少;

2-7.循环重复优化搜素,依照步骤1-1到2-6,直到达到允许的最大进化代数结束优化搜索计算,得到优化后的遗传算法优化后的染色体,经解码后得到优化后的神经网络模型的参数。