趙春暉、陸寧云編著的《間歇過程統計監(jiān)測與質 量分析》第1章首先介紹了間歇生產的重要背景和地 位,然后從分析間歇 過程特點與數據特征出發(fā),引出其多時段特性,揭示 多時段分析的重要性。第2章綜述了過程監(jiān)測技術的基礎,重點闡述以主成 分分析、偏最小二乘等 為核心的多元統計分析方法。第3章介紹了應用于間 歇過程的傳統多元統 計分析技術,分析了其發(fā)展現狀及未來發(fā)展趨勢。第 4~9章主要介紹了針 對間歇過程多時段特性的分析與劃分方法,以及基于 時段的過程監(jiān)測與故 障診斷算法。這一部分包含了作者近幾年的一系列研 究成果,即對多時段 間歇過程中的實際具體問題的分析與解決方法。第10 ~12章主要介紹了 基于多時段分析的質量預測與控制算法,具體涉及基 于時段的在線質量預 測、離線質量分析與在線質量控制等,書中主要基于 偏最小二乘模型對該問 題進行了研究。
本書可作為自動控制或信息科學等相關專業(yè)研究 生的教學參考書,同 時對從事自動化系統研究、設計、開發(fā)和應用的廣大 工程技術人員也具有一 定的參考價值。
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趙春暉、陸寧云編著的《間歇過程統計監(jiān)測與質量分析》第1章首先介紹了間歇生產的重要背景和地位,然后從分析間歇過程特點與數據特征出發(fā),引出其多時段特性,揭示多時段分析的重要性。第2章綜述了過程監(jiān)測技術的基礎,重點闡述以主成分分析、偏最小二乘等為核心的多元統計分析方法。第3章介紹了應用于間歇過程的傳統多元統計分析技術,分析了其發(fā)展現狀及未來發(fā)展趨勢。第4~9章主要介紹了針對間歇過程多時段特性的分析與劃分方法,以及基于時段的過程監(jiān)測與故障診斷算法。這一部分包含了作者近幾年的一系列研究成果,即對多時段間歇過程中的實際具體問題的分析與解決方法。第10~12章主要介紹了基于多時段分析的質量預測與控制算法,具體涉及基于時段的在線質量預測、離線質量分析與在線質量控制等,書中主要基于偏最小二乘模型對該問題進行了研究。
《間歇過程統計監(jiān)測與質量分析》可作為自動控制或信息科學等相關專業(yè)研究生的教學參考書,同時對從事自動化系統研究、設計、開發(fā)和應用的廣大工程技術人員也具有一定的參考價值。
第1章間歇過程概述
目前被業(yè)界廣泛認可的間歇生產是指在有限的時間內、按照預先設計好的工序流程將原材料加工生產成符合質量要求的一個(或一批)產品,并通過過程重復獲得更多同種產品的加工過程。作為現代制造業(yè)中一種重要的生產方式,間歇工業(yè)過程與現代人的生活息息相關,被廣泛應用于精細化工、生物制藥、食品、聚合物反應、金屬加工等領域,具有舉足輕重的地位和作用。間歇過程生產的安全可靠運行以及產品的高質量追求已成為人們關注的焦點。本章將對間歇過程生產方式進行重點介紹,分析其潛在過程特性,探討其中隱含的科學問題。1.1引言
按生產的連續(xù)程度劃分,連續(xù)生產與間歇生產是制造業(yè)的兩種重要生產類型。上道工序生產出一單位的中間品即向下轉移的生產方式,稱為連續(xù)生產[1],在制造業(yè)中稱為流水作業(yè),而在化工生產中稱為連續(xù)生產。在連續(xù)生產類型中,單一產品的生產永不停止,機器設備一直運轉。連續(xù)生產的產品一般是企業(yè)內部其他工廠的原材料。產品基本沒有客戶化。此類產品主要有石化產品、鋼鐵、初始紙制品。連續(xù)生產可以大幅提高生產效率,降低生產成本,但一旦其中一道工序出現故障,將導致整個流程的停產。與之不同的是,間歇生產中出現某一工序故障情況時,對整個流程的影響有一定彈性。20世紀90年代以來,為適應經濟全球化和信息化發(fā)展要求,小批量、定制化的間歇過程現已成為現代制造業(yè)中一種重要的生產方式。目前被業(yè)界廣泛認可的間歇生產過程是指在有限的時間內、按照預先設計好的工序流程將原材料加工生產成符合質量要求的一個(或一批)產品,并通過過程重復獲得更多同種產品的加工過程。隨著生產力的發(fā)展和生產工具的演進,制造業(yè)中的兩種主要生產方式也一直在發(fā)生演變。19世紀30年代以前,生產方式以手工小批量生產為主。1830年隨著大規(guī)模工業(yè)生產的興起,自動化連續(xù)生產占主導地位。這種生產方式以機械化、裝配流水線的生產過程大規(guī)模地制造標準化產品。隨著大規(guī)模、標準化的產品市場趨于飽和,生產者面臨的是消費者日益挑剔的、不斷變化的需求市場。為了滿足消費者多樣化、個性化、高品質的市場需求,從20世紀70年代中期起,全球的生產組織開始發(fā)生重大轉變,具體表現為小批量生產多樣化、高質量的產品,通過有效地控制和協調減少對時間和資源的浪費。間歇過程作為制造業(yè)的重要生產方式之一,與現代人的生活息息相關,被廣泛應用于精細化工、生物制藥、食品、聚合物反應、金屬加工等領域。如圖1-1所示,目前,間歇過程在制造業(yè)生產中占了很大的比例。例如,在醫(yī)藥生產中占了高達80%的比例。近年來,現代社會瞬息萬變的市場對多品種、多規(guī)格和高質量產品提出了更迫切的需求,使得現代過程工業(yè)更加倚重于生產小批量、高附加值產品的間歇過程。如圖12所示,對間歇過程在各領域中未來發(fā)展前景進行了預測。預計到2015年,間歇生產過程在精細化工領域中的產值將達到16萬億元,在醫(yī)藥領域的產品產值將達到世界第一或第二。圖1-1間歇過程在制造業(yè)生產中的地位
圖1-2間歇過程在各領域中未來發(fā)展前景預測
《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》指出,必須積極發(fā)展形成高效、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)的新型制造工藝。間歇過程作為制造業(yè)的重要生產方式之一,其高效運行是推進制造業(yè)整體實力、維持經濟可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)先主題。在追求個性、多變的現代社會,市場競爭日趨激烈,新產品從設計到供貨的時間越來越短,這對生產過程的高效性提出了很高的要求。高效,即生產要在更短的時間內消耗更少的資源更好地完成。生產過程的高效運行與其自動化程度密不可分。自動控制技術是保證生產過程高效運行的基本手段。間歇過程控制的研究起步較晚,遠遠落后于連續(xù)過程控制。目前,大多間歇生產過程都直接借用連續(xù)過程的成熟控制方法,并沒有較好地分析和利用間歇過程自身的特性,因此無法保證高性能控制,其運行效率也較低。相比于連續(xù)過程,間歇過程具有多階段、重復運行、產品變化頻繁等特性,為保證間歇生產能夠快速、精準、高效的運行,有必要緊緊圍繞這些過程特性進行針對性的自動控制技術研究,從而用于保障生產過程的安全可靠運行以及獲得連續(xù)穩(wěn)定的產品質量。因此,間歇過程建模、在線監(jiān)測、故障診斷及質量控制已成為科研人員一個迫切且必要的研究課題。一系列完善可行的間歇過程建模、監(jiān)測、診斷和質量改進算法必將推動整個間歇工業(yè)過程的長足進步和繁榮發(fā)展,為社會提供高質量產品的同時,還可排除安全隱患、保障生命和財產安全、節(jié)約資源、保護環(huán)境,提供更加重要的無形的社會財富。1.2間歇過程特性間歇生產過程的生產環(huán)境及其動態(tài)特性與連續(xù)過程有明顯的區(qū)別,頻繁地改變生產的產品和工藝操作條件是間歇生產過程的正;顒臃绞剑2]。連續(xù)過程中原料連續(xù)地加入,產品連續(xù)地輸出,物料流是連續(xù)的;間歇過程一般先將原料以離散的批量方式加入,而后生產過程中按預先設定的軌跡或方案對相關生產參數進行控制最終產品成批地輸出。與連續(xù)生產過程通常運行在穩(wěn)定工作狀態(tài)下不同,間歇生產過程無穩(wěn)態(tài)工作點,往往從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉為另一個穩(wěn)定狀態(tài),或者根本沒有穩(wěn)定狀態(tài),因而可能存在多種狀態(tài)的組合。間歇過程呈現強非線性、時變特性,其操作復雜度遠遠大于連續(xù)過程,產品質量更容易受到如原材料、設備狀況、環(huán)境條件等不確定性因素的影響。為了提高工業(yè)生產過程與控制系統的可維護性和安全性,并同時提高產品的質量,迫切地需要建立過程監(jiān)控系統對生產過程進行在線監(jiān)測、故障診斷及質量控制。與連續(xù)工業(yè)生產過程相比,間歇生產的過程特性更為復雜。多操作階段是許多間歇過程的一個固有特征[38]。同一批次運行周期內又分成多個時段,過程變量的運行軌跡隨著時間不斷變化,在不同的時段中呈現出不同的過程相關特性。例如,注塑過程可以劃分為注射、保壓和冷卻三個主要的操作階段[9];發(fā)酵過程按細菌的生長周期也可大致分為停滯期、指數生長期、靜止期等階段[10]。顯然,為了獲得理想的產品質量,每個操作階段都有其特定的控制目標和控制方案,有不同的主導操作變量,運行軌跡具有不同的動態(tài)特征。舉例來說,注塑過程是一個典型的多時段間歇過程[5,6]。注射段、保壓段和冷卻段是決定制件品質的最重要的三個時段。在注射段,液壓系統推動螺桿將塑料黏流體注入模腔中,直至模腔被流體充滿。過程處于保壓段時,仍有少量的黏流體被高壓擠進模腔中,以補償塑料黏流體在冷卻和塑化時造成的體積收縮。保壓段一直持續(xù)到模腔的澆口凍結,過程進入冷卻時段。在冷卻時段模腔內流體固化的同時,機桶中的塑料顆粒變成塑料黏流態(tài)。當螺桿頭部熔料逐漸增多,達到一定的注射量后,螺桿停止后退和轉動,這段時間的過程狀態(tài)也稱為塑化段。隨著模腔中熔體的繼續(xù)冷卻,塑件完全固化,模具打開,塑件被頂出,從而完成一個工作循環(huán)。其中,注射與保壓時段均與注塑產品重量有密切關系。在注射時段,影響最終產品重量變動的主導變量是注射速度和機桶溫度?傮w看來,機桶溫度越高,產品重量越低;注射速度上升的越快則熔體注入量越多,產品重量越大。在保壓子時段,注塑制品重量主要決定于噴嘴壓力、油缸壓力和模腔壓力,壓力越大重量越大;模腔溫度與機桶溫度兩個溫度變量也影響制品的重量,溫度越低重量越大。此外,對注塑制品的濺射質量來說,在注射時段,壓力變量(如噴嘴壓力、油缸壓力)、螺桿行程、注射速度以及機桶溫度均與其成正相關關系,即注射子時段中注射速度越快、壓力越大、溫度越高的間歇操作越容易出現制品濺射現象。因此,對多操作階段間歇過程的有效監(jiān)控不僅僅要分析過程的整體運行狀況是否正常,更應該深入分析過程的每一個操作階段是否正常,不同操作階段之間的過渡是否正常,以及各操作階段和最終產品質量具有什么樣的內部關聯。13間歇過程的數據特征間歇過程單個運行周期有限而工作循環(huán)往復進行從而獲得批量產品,這決定了其測量數據是按照三維數據形式構建的,這是與連續(xù)過程最明顯的區(qū)別?紤]一個具有J個測量變量的間歇過程,它在一次間歇操作周期內,對每個過程變量采集K個測量數據。這樣,一次間歇操作的數據可以組成一個二維數據陣X(K×J),即每一行由某個采樣時刻的所有過程變量測量值組成,而每一列則是某個過程變量在一次間歇操作內不同采樣時刻的運行軌跡,這也是連續(xù)過程中測量數據單元的構建形式。假定有I次正常的間歇操作,則得到了I個二維矩陣Xi(K×J)(i=1,…,I)。如圖1-3所示,所有這些數據組成了間歇過程典型的三維數組表示形式——X(I×J×K),其三個維數分別表示間歇操作周期(i=1,…,I)、過程變量個數(j=1,…,J)以及每一次間歇操作中測量點的個數(k=1,…,K)。相比之下,間歇過程的產品質量通常是在一次間歇操作結束后離線測定。假定有Jy個產品質量指標,一次間歇操作得到的質量數據可以組成一個列向量y=[y1,y2,…,yJy]T,I次正常批次最后得到了一個二維的質量數據陣Y(I×Jy)。因此,間歇過程測量數據的典型形式是一個三維的過程變量數組X(I×J×K)和一個二維的質量變量矩陣Y(I×Jy)。圖1-3間歇過程的三維數據表示
鑒于間歇生產過程本身反應的復雜性,除了測量數據單元具有三維結構形式外,變量之間的耦合相關特性也更為錯綜復雜,同時也蘊含了內容更為豐富的統計特性與規(guī)律。如何有效發(fā)掘和利用這一座座高維、高度耦合的數據信息“金礦”,成為間歇過程監(jiān)測、故障診斷與質量控制成功實施的關鍵所在。1.4間歇過程的典型例子——注塑成型工藝過程塑料工業(yè)是國民經濟中的一個非常重要的行業(yè)。由于塑料的機械性能和加工性能優(yōu)良,而且具有質量輕、耐腐蝕、電絕緣、性能好、強度高等優(yōu)點,引起了人們的關注,獲得了迅速的發(fā)展,在汽車、家電、儀器儀表、建筑裝飾等領域得到了廣泛的應用,并有以塑代鋼、以塑代木的趨勢[9]。注塑成型是根據金屬壓鑄成型原理發(fā)展而來的塑料制品的主要加工方法,是一種注射兼模塑的成型方法。注塑成型的優(yōu)點是可以經濟地制造數量無限多卻只需做少量或完全無需修整的成型件[11]。注塑機是實現注塑加工成型的設備。一臺通用的注塑機主要由注射系統、鎖模系統、液壓系統和電氣控制系統組成。注射系統的主要作用是將料筒里的高分子粒料或粉料經塑化后熔融為機筒前部的高分子熔體,然后在高壓和高速下將熔體注入模腔,并在隨后的保壓階段提供保持壓力,使聚合物繼續(xù)進入模腔以填補由于冷卻而造成的收縮。鎖模系統的作用是通過動模板做啟閉模運動從而開啟或鎖緊模具。液壓系統是注塑機的油路供應和循環(huán)系統,為注塑機的各執(zhí)行機構提供壓力和速度回路。電氣控制系統負責注塑機的各種程序,主要對注塑機的各種動作,以及注塑過程的各種過程變量進行控制,包括時間、位置、壓力、速度和轉速等。圖1-4為一臺往復螺桿式注塑機的簡化結構示意圖及其主要的過程變量測量點[12]。圖14往復螺桿式注塑機的結構示意圖以及其主要的過程變量測量點
注塑過程是一個典型的多操作時段間歇過程。一個完整的注塑過程主要由閉模、注射座前進、注射、保壓、塑化、冷卻、開模、制件頂出等程序組成,而注射時段、保壓時段和冷卻時段是決定制件品質的最重要的三個操作時段。下面簡單地介紹一下各時段的過程工藝特性[13]。1) 注射時段工藝特性在注射段,模具閉合,熔體在壓力的驅動下注入模腔。注射時間、熔體溫度、流動速率是影響最終制品質量的重要因素。注射時間直接影響到注射壓力,注射時間短,熔體需要以較高的體積流率流入型腔,則注射壓力就大。而當注射時間過長時,由于熔體在冷模壁的作用下溫度降低,黏度增大,使流動阻力變大,則注射壓力又變大。熔體溫度對最終制品的質量特性也有重要的影響,熔體溫度影響著熔體的黏度,決定了熔體的流動阻力。溫度低,黏度就高,則熔體流動性就差,充模困難。反之,溫度升高會降低熔體的黏度,使充模容易。充填速率決定著制品充入模腔的速度及速度沿厚度方向的曲線分布。速度曲線對剪切速率、分子取向有重要的影響,從而影響制品質量和性能。2) 保壓時段工藝特性當模具被完全充滿后,螺桿在原位置保持一定的時間,使得熔體繼續(xù)充入型腔,這個時間就稱為保壓時間,在這個時段,額外的熔體注入型腔以彌補冷卻引起的收縮。隨著冷卻的進行,尺寸較小的澆口凝固,此時,模具內的熔體仍然保持很