Data-Driven Soft Sensing for Batch Processes Using Neural Network-Based Deep Quality-Relevant Representation Learning

软传感器 计算机科学 冗余(工程) 人工神经网络 人工智能 代表(政治) 过程(计算) 数据挖掘 质量(理念) 机器学习 模式识别(心理学) 哲学 操作系统 认识论 法学 政治 政治学
作者
Qingchao Jiang,Ziwen Wang,Shifu Yan,Zhixing Cao
出处
期刊:IEEE transactions on artificial intelligence [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:4 (4): 602-611 被引量:43
标识
DOI:10.1109/tai.2022.3145758
摘要

Soft sensors provide a means to reliably estimate unmeasurable variables, thereby playing a prevalent role in formulating closed-loop control in batch processes. In soft sensor development, enhancing quality-relevant information and eliminating quality-irrelevant information are important. This study proposes a neural network-based deep quality-relevant representation learning approach to improve the soft sensing performance in dynamic batch processes. The structure of a deep neural network is optimized in a layer-by-layer manner. First, given the generally abundant predictor variables, the maximal relevance–minimal redundancy criterion is used to optimize the input layer, select the most beneficial variables, and eliminate modeling redundancy. Second, mutual information-based quality-relevant representation selection is performed in the middle layers to enhance the quality-relevant information and eliminate the influence of irrelevant representations. Third, deep quality-relevant representations are extracted, and a soft sensor model is developed. The proposed method is tested on a fed-batch penicillin fermentation process and an industrial injection molding process. Lastly, it shows that the proposed method outperforms several state-of-the-art approaches, thereby confirming its effectiveness.

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