利用回声状态网络建立管式聚合反应的灰箱模型-论文.pdf

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1、第31卷第9期计算机与应用化学Vo1．3l，No．92014年9月28日ComputersandAppliedChemistrySeptember28，2014利用回声状态网络建立管式聚合反应的灰箱模型秦松，曹柳林(北京化工大学信息科学与技术学院，北京，100029)摘要：提出一种利用回声状态网络(echostatenetwork，ESN)建立复杂分布参数系统模型的灰箱建模方法。此建模方法可以充分利用已知机理模型的结构信息和回声状态网络的逼近能力，可更好地描述和解释出系统各变量之间的因果关系，使模型的“灰箱”化程度更高。首先，根据系统方程和先验知识将初始系统特征团引入ESN储备池中，赋予网

2、络节点实际物理意义，并以此建立结构逼近神经网络模型；然后，通过逐步回归分析方法，结合递归最小二乘算法选择最优系统特征团，并对网络结构进行优化，建立起描述系统特性关系的灰箱模型。本文以实验室规模的管式聚合反应过程作为实验对象，建立以温度分布为输出的数学模型，结果表明所提出的灰箱建模方法行之有效。关键词：灰箱建模；ESN；管式聚合反应；结构逼近神经网络中图分类号：TQ015．9：TP391．9：0639文献标识码：A文章编号：1001—4160(2014)09—1096—1100DoI：10．11719／com．app．chem201409161引言1中，通过计算机控制2个计量泵2，反应液体经

3、泵2被送入管式聚合反应器头部的混合头3中。这2种不同的目前神经网络技术在复杂系统的建模、非线性系统液体在反应器中混合且发生聚合反应，在反应过程中会的预测等领域已经得到了广泛的应用。回声状态网络是随反应进程发出热量，沿反应设备的管长方向生成所需由Jeager教授2001年提出的一种新型的递归神经网络，与通常的递归神经网络不同，ESN内部的状态可任意连要的温度分布，管壁上安装的热电偶装置测量其温度分接，连接权值随机产生，输入至输出的映射关系仅需训布。聚合产物最后由反应器尾部流入储备池6中。实验练输入、状态与输出变量之间的连接权值即可实装置见图1。根据文献l】，将已建立的该装置的数学模现]。本文

4、正是考虑到ESN储备池的权值可任意连型作为本文的研究对象，获取样本数据，每次采样，沿接，且其内部线性、非线性元素可灵活组合的特点才利管长取40个温度数据构成温度分布。用ESN建模，这不仅可充分融合系统先验知识的结构信息，而且可应用回声状态网络的逼近能力，更好地解释和描述系统各变量间的因果关系，使模型的“灰箱”化程度更高。回声状态网络大多应用于时间序列，却很少涉及化工领域圳。已有人将ESN应用于某CSTR浓度建模中，提出了回声状态网络的在线训练算法l5】。本文在此基础上，对此进行了延伸和扩展：首先建模对象是更复杂的分布参数系统_6]，模型的输出是管式聚合反应的温度分1反应、顾储槽：2泵；3混

5、合头；4管式反应器；布，它随二维维度、即时间轴f和位置轴z变化；其次提5热电偶；6聚合物储槽出一种利用ESN建立复杂非线性系统模型的灰箱建模方Fig．1Thestructureofthepolymerizationexperimenta1．法J，利用ESN储备池权值可任意连接的特点，将结图1聚合反应实验装置图合系统特性构建结构逼近神经网络灰箱模型。温度分布如图5所示。由文献可知，管式聚合反应的温度分布是管式聚合反应的重要参数，在一定程度上2工艺介绍能反映出反应的程度和历程。因而，温度分布与其不可本文是以实验室规模的管式聚合反应过程为研究背即时测量的最终聚合产物的分子量有着密切关系¨“。本景

6、。其反应所采用的是包有隔热绝缘层的螺旋式管文研究利用ESN对聚合反应温度分布建立灰箱模型，是状反应设备，长535cm、直径1．27cm。有着实际意义的，最终可期望实现对聚合产物质量的控具体实验中，单体和引发剂放在2个不同的储存器制。收稿日期：2014—04—21：修回日期：2014—05—30基金项目：国家自然科学基金资助项H(61174128)作者简介：秦松(1989)，男，安徽人，硕士研究生，E—mail：qinsong_elf@126．com联系人：曹柳林(195l一)，女，山西人，博士，教授，博士生导师，E-mail：cao11@mail．buct．edu．cn2014，31(9)

7、秦松，等：利用回声状态网络建立管式聚合反应的灰箱模型10973基于先验知识构建的ESN灰箱模型统特性的特征团，并将它表达为最基本的函数形式。可知的先验知识有：该聚合反应为一个放热反应，其聚合3．1ESN灰箱建模反应的速率常数与反应温度满足阿累尼乌斯方程，基于ESN建立的温度模型，其输入为聚合反应的单为的倒数指数函数；最终测量参数温度f，z)是一个连体与引发剂浓度之比u(O，输出为温度分布z)(f表示续变化的参数，和其前一