基于矩值的聚合物分子量分布建模与控制研究

【摘要】本文针对基于矩值的聚合物分子量分布(MWD)建模与控制方法展开研究,论文取得了如下创新性成果：1、提出聚合物分子量分布灰箱建模的组合神经网络模型结构,论证其权向量与MWD矩值之间的等价关系及约束条件,实现了网络参数与MWD矩值的等价相关,为实施MWD准确预测和形状控制提供新的解决途径。作为二元分布对象,对MWD进行建模时采用在时间(输入变量)和形状(聚合度)上的分解建模。组合神经网络采用前向基函数网络与递归网络的结合,利用正交多项式基函数前向神经网络(OPNN)实现MWD对聚合度的描述,利用递归网络实现MWD对输入变量的函数表达。递归网络输出作为前向网络权值,二者链接实现MWD二元对象的动态拟合。对OPNN而言,利用正交多项式的性质,提出了网络权值一步学习法,推导得出网络权值与MWD矩值之间存在的线性映射关系,通过转换矩阵实现二者线性变换。由此,权值可直接由MWD矩值替代,且前向网络隐层节点数与MWD相关矩值最高阶次相当。网络隐层节点数和网络权值均变为有物理意义的对象参数,为确定网络结构提供了理论依据,实现了网络模型的灰箱化。提出了满足网络灰箱化条件的正交多项式基函数约束条件,并举出了两种基函数(Legendre多项式和离散正交多项式(DOP)),推导了两种基函数所对应的转换矩阵。在实验中验证了利用正交多项式基函数神经网络实现MWD形状建模的可行性,并对两种满足约束条件的基函数神经网络建模能力进行了对比。2、提出一种输出模型为仿射非线性方程的SNARX-OPNN网络,用于MWD建模。这种模型学习速度快、可实现全局逼近,并易于进行控制策略设计。为实现对MWD的动态跟踪,针对NAR×网络进行两项改进：针对NARXNN前向网络部分,提出一种新的网络结构–单隐层正交多项式网络作为前向网络,该网络利用正交多项式序列可以逼近连续函数的能力,以正交多项式序列代替常用的sigmoid型激励函数,可以实现输入层的常数映射,不需进行权值训练,在保证网络全局逼近能力的前提下,提高了网络学习速度,将网络结构简记为NARX-OPNN;针对NARX-OPNN网络,利用低阶正交多项式函数为线性映射的特点,在不改变网络总体结构的前提下,仅切断当前输入变量与输出变量之间的非线性链接,最终得到仿射非线性模型,易于进行控制策略设计,从而实现MWD的动态逼近,得到的网络结构称为SNARX-OPNN。3、提出基于有限阶矩值对MWD曲线形状进行部分反馈控制的解决方案,推导出被控矩向量的降维准则。利用灰箱模型可以直接将矩值自MWD中分离出来的特点,提出以矩值做为直接被控对象进行MWD形状跟踪的方法,并进行证明。将控制对象由分布函数变为一组向量,在保证MWD精细控制效果的基础上降低了任务难度。针对被控矩向量自身的相关性,对矩值自由度与分布函数参变量个数之间的相等关系进行证明,提出被控矩向量的降维准则,进一步降低了控制系统设计难度,为实现MWD精细控制提供了理论依据。4、针对以矩值为直接被控对象的聚合反应系统,提出H∞算法实现MWD的跟踪控制,提高了控制系统的鲁棒性。在采用输出反馈和最优控制实现MWD控制的基础上,考虑到基于神经网络模型的控制策略设计将面临不确定扰动和模型失配等问题,将H∞控制算法用于MWD的控制中。为应用该控制算法,将SNARX-OPNN的标量差分方程形式转换为扩展的离散状态方程形式,并提出网络权值学习的约束最小二乘算法,以保证模型满足控制器设计需要。利用线性不等式方法推导得出状态反馈控制策略,可以保证系统在受到有限能量的不确定扰动时,可以跟踪给定分布,保证闭环系统渐进稳定。上述建模与控制算法均通过实验室规模的苯乙烯聚合反应过程的仿真研究与实验,证明所提出方法的可行性和优越性,为MWD建模与控制提供了新的研究思路和解决方案。
【作者】吴海燕；
【导师】曹柳林；
【作者基本信息】北京化工大学，控制理论与控制工程，2012，博士
【关键词】聚合反应；分子量分布；组合神经网络；正交多项式神经网络；矩向量；灰箱建模；最优控制；输出反馈控制；H_∞控制；

【参考文献】
[1]张洪星.电动汽车电动助力转向系统的研究[D].辽宁工程技术大学,车辆工程,2012,硕士.
[2]刘建立,王彦辉,于澎涛,程丽莉,熊伟,徐丽宏,杜阿朋.六盘山叠叠沟小流域典型坡面土壤水分的植被承载力[J].植物生态学报,2009,06:1101-1111.
[3]甘伟.不同级配常温沥青混合料的性能及应用研究[D].重庆交通大学,道路与铁道工程,2012,硕士.
[4]张远勤.基于LMI和MRD的建筑结构振动控制研究[D].福州大学,固体力学,2004,硕士.
[5]蒋红梅.王书臣教授扶正祛邪法治疗造血干细胞移植后并发闭塞性细支气管炎的经验总结[D].北京中医药大学,中医内科,2014,硕士.
[6].中国版本图书馆月度CIP数据精选[J].全国新书目,2013,11:82-300.
[7]朱晶.门户网站科技频道研究[D].南京师范大学,新闻学,2012,硕士.
[8]庞庆超.以陕北民歌为素材创作作品的研究[D].西安音乐学院,作曲和声,2013,硕士.
[9]梁贺存.杰克伦敦的两部动物小说的生态主义解读[D].河北师范大学,英语语言文学,2012,硕士.
[10]姚钰鹏.矿山电力设备数字化综合保护系统技术研究[D].鲁东大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[11]吴婷.新媒体视域下的政府危机管理研究[D].华中师范大学,地方政府学,2014,硕士.
[12]曹乔华.论抵押物出资及其法律规制[D].湖南师范大学,法学理论,2004,硕士.
[13]张娜1,2,方志耕1,朱建军1.基于Orness测度约束的多阶段灰色局势群决策模型[J].控制与决策.
[14]陈越.海洋平台三维建模CAD系统的开发研究[D].天津大学,港口、海岸与近海工程,2004,硕士.
[15]安静.立足国情的现代精神[D].天津大学,建筑设计及其理论,2004,硕士.
[16]刘坦.实时在线分拣和称重系统研究[D].上海海洋大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[17]马小东.GNSS-R反射信号特征分析及仿真[D].北京化工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[18]刘明.武汉市入境旅游客源市场预测研究[D].湖北大学,人文地理学,2011,硕士.
[19]曹江涛,李平,刘洪海.一种改进的区间二型模糊控制器设计[J].控制与决策,2009,10:1597-1600.
[20]李海彦.人民币汇率失调的测算及其对国际资本流动影响的研究[D].山东大学,金融（专业学位）,2013,硕士.
[21]刘达铭.管理层收购（MBO）本土化实践中的问题及改善[D].东北财经大学,金融学,2003,硕士.
[22]尹萍.O_2/CO_2燃烧技术下烟气辐射特性研究[D].华北电力大学,热能工程,2012,硕士.
[23]张良.中国失业问题调节机制统计研究[D].河北经贸大学,统计学,2014,硕士.
[24]安彦明.城市扩展特征及其驱动力分析[D].湖北大学,地图学与地理信息系统,2012,硕士.
[25]李学军.图书馆服务内涵的转变——由文献服务到文献信息服务[J].情报杂志,2001,03:69-70.
[26]李茂宇.妊娠期糖尿病患者血清同型半胱氨酸水平测定及临床意义[D].浙江大学,妇产科学,2013,硕士.
[27]张润珍.行政程序违法的法律责任研究[D].兰州大学,行政管理,2013,硕士.
[28]叶忱,张胜利,刘博.后缘锯齿襟翼对翼型气动特性影响的研究[J].飞行力学.
[29]邱大伟.团体社会工作方法在高职院校思想政治教育中的应用研究[D].西南大学,思想政治教育,2012,硕士.
[30]王子涵.D级轿车磁流变半主动悬架分层协调控制研究[D].吉林大学,车辆工程,2014,硕士.
[31]陈灿.FDI对我国产业政策安全的影响研究[D].北京交通大学,2014.
[32]王佩.明代地方官学生员日常生活研究[D].华中师范大学,教育史,2014,硕士.
[33]陈辉,黄琳.鲁里叶系统鲁棒输入输出稳定性的H_∞范数摄动界[J].自动化学报,1998,04:24-32.
[34]张立权,邵诚.基于模糊预测器模型的混沌时间序列预测[J].信息与控制,2005,06:660-664.
[35]史方方.我国农村留守妇女政治参与问题研究[D].西安科技大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[36]杨涛.文化建筑综合体交往空间设计策略研究[D].华南理工大学,建筑学（专业学位）,2012,硕士.
[37]王璇.商业银行供应链金融风险控制研究[D].武汉理工大学,会计学,2012,硕士.
[38]王闪闪,王全杰,曲家乐.化学还原法制备石墨烯的研究进展[J].西部皮革,2013,02:29-33.
[39]张少杰.无线网络中的多信道MAC协议和带宽自适应技术研究[D].国防科学技术大学,军事通信学,2012,硕士.
[40]李芳芳.二亚胺系列催化剂催化丙交酯的开环聚合研究[D].西安工业大学,材料学,2014,硕士.
[41]刘素芹,何潮观,仝兆岐.在频率—波数域实现波动方程基准面校正[J].石油地球物理勘探,2009,01:49-52+130+4.
[42]刘媛媛.合同诈骗罪疑难问题研究[D].沈阳师范大学,法律,2014,硕士.
[43]吴祥标.基于模糊随机理论的交通平衡分析理论研究[D].西南大学,运筹学与控制论,2013,硕士.
[44]段金龙.哑铃图的代数连通度[D].湖南师范大学,计算数学,2013,硕士.
[45]聂春晓.场地动力特性的地形效应研究[D].西南交通大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[46]周益辉.集成情境的商业智能平台的研究与开发[D].浙江理工大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[47]梅胜军.中国汽车整车企业零部件采购物流体系研究[D].武汉理工大学,国际贸易学,2012,硕士.
[48]康佳梁.提升县级政府地质灾害应急管理能力的对策研究[D].湖南师范大学,行政管理,2013,硕士.
[49]李敏.t-PA、PAI-1在高血压脑出血血肿周围脑组织表达及机制的研究[D].青岛大学,神经外科学,2013,硕士.
[50]刘斌,王常虹,李伟.间隙度量与跟踪系统中的鲁棒控制器设计[J].控制与决策,2010,11:1713-1718.