一種工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，包括如下步驟：在待檢測的控制回路中，預(yù)先采集所有待檢測控制回路的過程輸出信號(hào)；利用譜相關(guān)波形匹配方法，對(duì)各回路輸出信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)延拓；對(duì)端點(diǎn)延拓后過程輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓挥?jì)算各個(gè)分解子信號(hào)的零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)；判斷各個(gè)規(guī)律性指標(biāo)是否超過設(shè)定的閾值，以及同一層分解子信號(hào)中，是否存在兩個(gè)或兩個(gè)以上分解子信號(hào)存在振蕩行為。最后根據(jù)所有判斷結(jié)果得到檢測結(jié)果。利用本發(fā)明專利技術(shù)方法，能夠?qū)I(yè)過程多回路振蕩行為進(jìn)行定量檢測，同時(shí)獲得各個(gè)振蕩分量的規(guī)則程度和周期，為振蕩行為的評(píng)價(jià)和故障源診斷提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。

Method for extracting and detecting multi circuit oscillation in industrial process

The invention discloses an industrial process of multi loop oscillation extraction and detection method, which comprises the following steps: in the control loop to detect, collect all detected control loop output signal pre process; spectral correlation waveform matching method for the loop output signal for the endpoint extension of endpoint extension after the process; the output data of multidimensional improved empirical mode decomposition; calculate the zero crossing point regularity index for each decomposed signal; judging whether each regularity index exceeds a preset threshold value, and with a layer of decomposed signal, if there are two or more than two sub signal oscillation. Finally, according to the results of all the test results. By using the method of the invention can be used for quantitative detection of industrial process of multi loop oscillation, and obtain regularity and cycle of each oscillatory component, provides the data for the evaluation and diagnosis of fault source oscillation.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及工業(yè)控制中的性能評(píng)估領(lǐng)域，具體涉及一種基于改進(jìn)多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾?a title="一種工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法原文來自X技術(shù)">工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法。
技術(shù)介紹
現(xiàn)代工業(yè)過程設(shè)備具有規(guī)模大、綜合度高、操控復(fù)雜、變量多，且長時(shí)間運(yùn)行在閉環(huán)控制下等特點(diǎn)。工業(yè)常見的化工生產(chǎn)過程，往往包含成千上萬個(gè)控制回路，而且這些控制回路由于耦合關(guān)系而互相影響。由于工業(yè)控制回路中控制器過整定、外部擾動(dòng)和調(diào)節(jié)閥非線性工作等特性的普遍存在，控制回路的振蕩行為尤其是多回路振蕩時(shí)常發(fā)生，這極大地影響了工業(yè)流程設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性。對(duì)工業(yè)流程設(shè)備進(jìn)行初步準(zhǔn)確的振蕩檢測可以減少廢品生產(chǎn)量，降低不合格率，提高工業(yè)流程設(shè)備運(yùn)行過程中的可靠性、安全性，同時(shí)降低制造成本。許多控制器在運(yùn)行初期還能保持良好的性能，但隨著時(shí)間的推移，由于外部干擾因素或設(shè)備自身問題的影響，控制器的性能會(huì)逐漸降低甚至失效。具體表現(xiàn)為控制回路過程發(fā)生各類振蕩行為，其中一些強(qiáng)度較大的振蕩還可能傳播至其它耦合回路，形成多回路廠級(jí)振蕩，從而威脅到工業(yè)過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，由于實(shí)時(shí)環(huán)境中設(shè)備負(fù)載和工況經(jīng)常發(fā)生變化，工業(yè)過程還表現(xiàn)出非平穩(wěn)數(shù)據(jù)特性的一面，具體表現(xiàn)為過程數(shù)據(jù)的局部均值遷移現(xiàn)象。對(duì)于重要的控制回路，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行過程的振蕩特性有助于工程人員進(jìn)行故障診斷和排查。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)性能評(píng)估過程中，設(shè)計(jì)有效的在線監(jiān)控手段，及時(shí)、準(zhǔn)確檢測出控制回路中非平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)的各類振蕩成分，并區(qū)分出各自不同的頻率范圍，以及是否傳播影響到多個(gè)回路，對(duì)于控制器性能評(píng)估和控制回路故障診斷都有著重要意義。現(xiàn)有的工業(yè)控制回路振蕩檢測技術(shù)，絕大多數(shù)都是基于單變量數(shù)據(jù)的分析方法。無論是基于過程數(shù)據(jù)時(shí)域統(tǒng)計(jì)的分析方法，亦或是基于過程數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)(ACF)的分析方法，都不能用以處理多變量(即多回路)過程數(shù)據(jù)。盡管單變量分析方法可以分別地對(duì)多維數(shù)據(jù)中各變量進(jìn)行單獨(dú)分析，但這種方式至少有兩種缺陷。一、各回路過程數(shù)據(jù)處理與檢測結(jié)果可能不一致；二、各回路之間耦合關(guān)系被徹底打亂。最近二十年也出現(xiàn)了一些多回路振蕩的檢測方法，如基于譜主成分分析或基于譜包絡(luò)線法的多回路振蕩檢測與聚類方法。但這些方法對(duì)存在非平穩(wěn)和非線性特征的工業(yè)過程，無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無干預(yù)檢測，需要事先設(shè)計(jì)針對(duì)性的濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)平穩(wěn)化處理和振蕩成分分離。在過程振蕩檢測算法的實(shí)際應(yīng)用中，能同時(shí)處理多回路過程輸出數(shù)據(jù)，有效檢測工業(yè)控制回路是否具有振蕩行為，并定量評(píng)估振蕩行為的規(guī)則度指數(shù)，且普遍適用于存在時(shí)變振蕩、多重振蕩、非平穩(wěn)和非線性成分的過程數(shù)據(jù)，對(duì)于準(zhǔn)確診斷工業(yè)過程振蕩的存在性有非常重要的實(shí)用意義，也有利于工業(yè)過程控制性能的定量評(píng)估。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種基于改進(jìn)多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾墓I(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，能夠適用于存在時(shí)變振蕩、多周期振蕩等行為的工業(yè)控制回路過程，檢測方法普遍適用于非平穩(wěn)或平穩(wěn)的過程數(shù)據(jù)，只需獲取常規(guī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，無需過程機(jī)理知識(shí)。一種工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，包括：步驟1，采集工業(yè)過程中所有待檢測控制回路的過程輸出信號(hào)；步驟2，利用譜相關(guān)波形匹配方法，對(duì)各過程輸出信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)延拓；步驟3，對(duì)端點(diǎn)延拓后的過程輸出信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓玫椒纸庾有盘?hào)；步驟4，計(jì)算各層分解子信號(hào)的零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)；步驟5，判斷各零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)是否超過閾值，若超過閾值，則對(duì)應(yīng)的分解子信號(hào)判定為振蕩信號(hào)；步驟6，若同一層分解子信號(hào)中，存在兩個(gè)或兩個(gè)以上分解子信號(hào)被判定為振蕩信號(hào)，則判定該工業(yè)過程中存在多回路振蕩。本專利技術(shù)可以提高多維度振蕩行為的檢測準(zhǔn)確度和可靠性，且能為其他振蕩源定位方法提供數(shù)據(jù)支持，在提高經(jīng)濟(jì)效益方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。可選的，所述工業(yè)過程為化工過程，本專利技術(shù)可直接采用化工過程的可測變量作為過程輸出信號(hào)，所有待檢測過程輸出信號(hào)均通過現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集獲得，并隨著時(shí)間推移，不斷采集和更新過程輸出信號(hào)到監(jiān)控系統(tǒng)。首先對(duì)所采集到的所有過程歷史數(shù)據(jù)分別進(jìn)行端點(diǎn)延拓處理，然后利用改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾玫椒纸庾有盘?hào)集合，計(jì)算各個(gè)分解子信號(hào)對(duì)應(yīng)的零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)，從而判斷過程是否存在振蕩，進(jìn)而判斷是否存在多回路振蕩。作為優(yōu)選，步驟2中，所述端點(diǎn)延拓為如下操作：在當(dāng)前過程輸出信號(hào)的左端取一段波形，尋找該過程輸出信號(hào)中與該段波形譜相關(guān)度最高的波形的左邊波形，并利用該左邊波形對(duì)當(dāng)前過程輸出信號(hào)的左端進(jìn)行延拓；同理，在該過程輸出信號(hào)的右端取一段波形，尋找該過程輸出信號(hào)中與該段波形匹配度最高的波形的右邊波形，利用右邊波形對(duì)當(dāng)前過程輸出信號(hào)的右端進(jìn)行延拓。作為優(yōu)選，步驟3中，進(jìn)行改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈺r(shí)，采用隨機(jī)初始化加反函數(shù)置換的哈爾頓(Halton)序列作為超球面采樣的投影依據(jù)，采用雙門限的幅值波動(dòng)判定形式作為多維本征模態(tài)函數(shù)篩選過程的停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。作為優(yōu)選，步驟3中，隨機(jī)初始化加反函數(shù)置換的哈爾頓序列計(jì)算方式如下：步驟3-1、初始點(diǎn)級(jí)數(shù)展開式中初始點(diǎn)采用隨機(jī)正整數(shù)予以替代；步驟3-2、哈爾頓序列各項(xiàng)系數(shù)用以下公式計(jì)算：其中，Sp表示哈爾頓序列當(dāng)前系數(shù)值，p表示某一選定質(zhì)數(shù)，b0,b1,...,bm表示初始點(diǎn)級(jí)數(shù)展開式中各項(xiàng)系數(shù)。函數(shù)πp(bi)含義是：采用沃諾克方法計(jì)算得到最優(yōu)乘子Gp，則參數(shù)w按如下方法取值：①若Gp是質(zhì)數(shù)p的一個(gè)原根，則w取值為Gp；②若Gp不是質(zhì)數(shù)p的一個(gè)原根，則w取值為Ap。其中Ap是質(zhì)數(shù)p的原根中數(shù)值上最接近Gp的一個(gè)。所述多維本征模態(tài)函數(shù)篩選過程的停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)是指經(jīng)二范數(shù)規(guī)范化后的包絡(luò)線均-幅比σ(t)滿足一下條件：條件3-1，序列σ(t)中的絕大部分，即占比為(1-α)×100％；滿足條件σ(t)＜θ1；條件3-2，序列σ(t)中的剩余部分，即占比為α×100％；滿足條件σ(t)＜θ2；其中α＝0.05，θ1＝0.075，θ2＝0.75。作為優(yōu)選，步驟4中，計(jì)算各分解子信號(hào)的零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)的步驟如下：步驟4-1，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前分解子信號(hào)內(nèi)所有連續(xù)零交叉點(diǎn)之間的間隔并分別計(jì)算間隔的均值和標(biāo)準(zhǔn)差其中k表示分解子信號(hào)的層次編號(hào)，l表示當(dāng)前分解子信號(hào)所屬原信號(hào)在輸入過程數(shù)據(jù)中的編號(hào)；步驟4-2，利用下式計(jì)算零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)ηk,l：作為優(yōu)選，步驟5中的閾值為1。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果有：1、無需外部附加信號(hào)激勵(lì)，也不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)引入附加擾動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非侵入式的檢測與診斷。2、同時(shí)處理多回路輸出數(shù)據(jù)，可檢測廠級(jí)振蕩的存在，同時(shí)保留回路間耦合信息。3、所采用的信號(hào)分解方法實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)中非平穩(wěn)分量的自動(dòng)分離，相比于現(xiàn)有其他多變量分析技術(shù)，其可靠性更高。4、所提出的隨機(jī)初始化加反函數(shù)置換的哈爾頓序列可使超球面采樣更為均一，而所采用的雙門限幅值波動(dòng)停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噪聲、局部抖動(dòng)更魯棒。5、能夠?qū)I(yè)過程各回路的振蕩行為進(jìn)行量化指標(biāo)檢測，為待檢測回路性能的評(píng)估和故障源診斷提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。6、完全采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的方法，無需過程先驗(yàn)知識(shí)，無需預(yù)先設(shè)計(jì)濾波器，也不需進(jìn)行人工干預(yù)。附圖說明圖1為實(shí)施例中化工過程的流程示意圖；圖2為實(shí)施例中采集的各待檢測控制回路的過程輸出信號(hào)示意圖；圖3為實(shí)施例中所有待檢測的過程輸出信號(hào)經(jīng)譜相關(guān)波形匹配方法端點(diǎn)延拓后的示意圖；圖4為實(shí)施例中過程輸出信號(hào)經(jīng)改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夂蟮氖疽鈭D；圖5為本專利技術(shù)的方法本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，其特征在于，包括：步驟1，采集工業(yè)過程中所有待檢測控制回路的過程輸出信號(hào)；步驟2，利用譜相關(guān)波形匹配方法，對(duì)各過程輸出信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)延拓；步驟3，對(duì)端點(diǎn)延拓后的過程輸出信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓玫椒纸庾有盘?hào)；步驟4，計(jì)算各層分解子信號(hào)的零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)；步驟5，判斷各零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)是否超過閾值，若超過閾值，則對(duì)應(yīng)的分解子信號(hào)判定為振蕩信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，其特征在于，包括：步驟1，采集工業(yè)過程中所有待檢測控制回路的過程輸出信號(hào)；步驟2，利用譜相關(guān)波形匹配方法，對(duì)各過程輸出信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)延拓；步驟3，對(duì)端點(diǎn)延拓后的過程輸出信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓玫椒纸庾有盘?hào)；步驟4，計(jì)算各層分解子信號(hào)的零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)；步驟5，判斷各零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)是否超過閾值，若超過閾值，則對(duì)應(yīng)的分解子信號(hào)判定為振蕩信號(hào)。2.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，其特征在于，步驟2中，所述端點(diǎn)延拓為如下操作：在當(dāng)前過程輸出信號(hào)的左端取一段波形，尋找該過程輸出信號(hào)中與該段波形譜相關(guān)度最高的波形的左邊波形，并利用該左邊波形對(duì)當(dāng)前過程輸出信號(hào)的左端進(jìn)行延拓；同理，在該過程輸出信號(hào)的右端取一段波形，尋找該過程輸出信號(hào)中與該段波形匹配度最高的波形的右邊波形，利用右邊波形對(duì)當(dāng)前過程輸出信號(hào)的右端進(jìn)行延拓。3.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，其特征在于，步驟3中，進(jìn)行改進(jìn)的多維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈺r(shí)，采用隨機(jī)初始化加反函數(shù)置換的哈爾頓序列作為超球面采樣的投影依據(jù)，采用雙門限的幅值波動(dòng)判定形式作為多維本征模態(tài)函數(shù)篩選過程的停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。4.如權(quán)利要求3所述的工業(yè)過程多回路振蕩提取與檢測方法，其特征在于，步驟3中，隨機(jī)初始化加反函數(shù)置換的哈爾頓序列計(jì)算方式如下：步驟3-1、初始點(diǎn)級(jí)數(shù)展開式中初始點(diǎn)采用隨機(jī)正整數(shù)予以替代；步驟3-2、哈爾頓序列各項(xiàng)系數(shù)用以下公式計(jì)算：Sp=πp(b0)p+πp(b1)p2+...+&...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：謝磊，郎恂，鐘丹，蘇宏業(yè)，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33