專利名稱：一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過程工業(yè)系統(tǒng)系能評(píng)價(jià)及故障檢測與診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法。
背景技術(shù)：
過程工業(yè)既是能源、各種原材料的產(chǎn)生者，也是能源的主要消耗者，節(jié)能降耗至關(guān)重要。過程工業(yè)的綜合性能除了受到設(shè)備本體性能制約外，很大程度上取決于使設(shè)備、裝置等正常運(yùn)行的控制系統(tǒng)的性能，而過程工業(yè)中基礎(chǔ)回路的控制性能不是固定不變的，會(huì)隨著工藝對(duì)象、控制參數(shù)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的變化而變化。生產(chǎn)裝置本身的工藝特性會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間而逐漸變化，裝置特性也會(huì)隨著工藝改造的進(jìn)行而變化。裝置特性的變化意味著基礎(chǔ)控制回路的目標(biāo)對(duì)象發(fā)生變化，如不及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)必然導(dǎo)致性能下降，被控的工藝指標(biāo)波動(dòng)增大。另外，基礎(chǔ)控制回路的傳感器、閥門特性也隨著時(shí)間的推移、環(huán)境 (季節(jié)、環(huán)境溫度等)的變化而變化或發(fā)生故障。這些變化都可能導(dǎo)致基礎(chǔ)控制回路的控制性能退化。此外，由于多回路系統(tǒng)振蕩的傳播和耦合的存在，大面積的控制回路性能指標(biāo)下降往往其本質(zhì)原因往往是某個(gè)控制回路的故障或者干擾導(dǎo)致性能退化所引起的，所以確定多回路振蕩的根源是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。在實(shí)際生產(chǎn)中只有那些得到良好設(shè)計(jì)、整定和維護(hù)的過程控制回路才能真正為生產(chǎn)過程帶來長期、穩(wěn)定和可靠的效益，因此振蕩根源的定位有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。該問題的技術(shù)解決方案主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一個(gè)階段針對(duì)單回路系統(tǒng)建立性能評(píng)價(jià)體系，篩選出性能退化回路進(jìn)行維護(hù)與處理，其缺點(diǎn)是(1)這類方法都針對(duì)單個(gè)回路進(jìn)行分析，未考慮回路間關(guān)聯(lián)傳遞導(dǎo)致的廠級(jí)范圍普遍性能降低的情況，而這類情況卻普遍存在，這就必然會(huì)產(chǎn)生虛假的評(píng)價(jià)；(2)缺乏利用過程流程先驗(yàn)知識(shí)的功能，從而在多回路出現(xiàn)大范圍性能退化時(shí)，無法有效進(jìn)行異常回路的準(zhǔn)確定位。第二個(gè)階段是對(duì)性能退化根源進(jìn)行分析及相關(guān)診斷，相關(guān)的方法有功率譜主元分析，協(xié)方差函數(shù)法，非負(fù)矩陣分解方法等等，但是這些方法的缺點(diǎn)在于魯棒性不強(qiáng)，并且無法解釋主導(dǎo)波動(dòng)的傳播路徑，只能在一定意義上給予工程師參考可能的故障回路。行業(yè)內(nèi)有專家提出了基于格蘭杰因果檢驗(yàn)方法的混合方法，在時(shí)域上一定程度上解決了波動(dòng)傳播路徑和波動(dòng)源的定位問題，但是缺乏頻域上的對(duì)比與驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，該方法通過頻域上的信號(hào)分析揭示多回路控制系統(tǒng)振蕩的本質(zhì)屬性，確定振蕩的波動(dòng)源，從而有利于工廠工程師進(jìn)行后續(xù)的故障回路的維護(hù)和修復(fù)工作，為解決裝置級(jí)多回路性能降低問題提供了新的可靠途徑。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，該方法包括以下步驟
1)將過程工業(yè)控制器歷史數(shù)據(jù)與控制器的設(shè)定值進(jìn)行比較，獲得待處理的偏差時(shí)間序列；
2)對(duì)步驟1)中的偏差時(shí)間序列進(jìn)行ADF時(shí)間序列平穩(wěn)性檢驗(yàn) (AugmentedDickey-Fuller Test)，判斷是否為平穩(wěn)時(shí)間序列，若為是，則執(zhí)行步驟4)，若為否，則執(zhí)行步驟3)；
3)對(duì)偏差時(shí)間序列進(jìn)行一階差分后，執(zhí)行步驟2)；
4)對(duì)平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行歸一化處理；
幻對(duì)歸一化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成分分析(Incbpendent component analysis, ICA)，計(jì)算其相關(guān)成分比率(Component-related ratio, CRR)、主導(dǎo)過程變量及其頻率；
6)對(duì)步驟幻中的主導(dǎo)過程變量進(jìn)行局部有向相干算法分析，獲得在主導(dǎo)波動(dòng)頻率處的各過程被控變量間相互影響的PDC值；
7)根據(jù)步驟6)中獲得的PDC值，構(gòu)造PDC因果關(guān)系8)化簡步驟7)中構(gòu)造的PDC因果關(guān)系9)根據(jù)化簡后的PDC因果關(guān)系圖確定波動(dòng)源。
所述的步驟8)中化簡的具體過程為首先利用過程先驗(yàn)知識(shí)合并因果關(guān)系圖中的串級(jí)回路節(jié)點(diǎn)，然后采用切點(diǎn)閾值搜索算法自動(dòng)搜索切點(diǎn)閾值，切除因果關(guān)系圖中量值小于切點(diǎn)閾值的因果關(guān)系，得到最簡因果關(guān)系圖。
所述的步驟9)中若波動(dòng)源位于合并點(diǎn)，則對(duì)合并點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行切點(diǎn)閾值搜索算法， 再次進(jìn)行化簡，直到找出最終的波動(dòng)源。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明整合了多種頻域方法對(duì)振蕩根源進(jìn)行定位，在頻域觀察和分析信號(hào)有助于揭示系統(tǒng)的本質(zhì)屬性，克服了過程工業(yè)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)單一化，時(shí)域定位噪聲大，求解困難等缺點(diǎn)，并且采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)時(shí)獲得波動(dòng)信息，有利于工廠工程師實(shí)時(shí)分析出廠級(jí)振蕩最可能的根源，從而采取措施消除，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和工廠的經(jīng)濟(jì)效益有十分重大的促進(jìn)作用。


圖1為本發(fā)明的流程圖2為本發(fā)明根據(jù)PDC值構(gòu)造的因果關(guān)系圖3為本發(fā)明利用過程先驗(yàn)知識(shí)對(duì)圖2化簡得到的因果關(guān)系圖4為本發(fā)明采用切點(diǎn)閾值搜索算法對(duì)圖3化簡得到的最簡因果關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例
—種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，該方法先采用頻域獨(dú)立成分分析對(duì)工業(yè)歷史過程數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成分分解，篩選出對(duì)波動(dòng)振蕩起主導(dǎo)作用的變量及其主導(dǎo)頻率，然后對(duì)篩選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部有向相干性分析，用因果關(guān)系圖直觀表達(dá)回路變量間的因果關(guān)系，以表征波動(dòng)干擾的傳播路徑；然后通過過程先驗(yàn)知識(shí)簡化因果關(guān)系圖，并通過閾值自動(dòng)搜索方式過濾掉次要的因果關(guān)系分支，得到波動(dòng)的主要傳播路徑，由此定位和識(shí)別波動(dòng)源，其具體步驟如圖1所示，包括步驟Si，將過程工業(yè)控制器歷史數(shù)據(jù)與控制器的設(shè)定值進(jìn)行比較，獲得待處理的偏差時(shí)間序列。步驟S2，對(duì)步驟1中的偏差時(shí)間序列進(jìn)行ADF時(shí)間序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)，判斷是否為平穩(wěn)時(shí)間序列。若為平穩(wěn)時(shí)間序列，則執(zhí)行步驟S4，若不是平穩(wěn)時(shí)間序列，則執(zhí)行步驟S3。步驟S3，對(duì)偏差時(shí)間序列進(jìn)行一階差分后，然后執(zhí)行步驟S2，對(duì)該時(shí)間序列再次進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)。步驟S4，對(duì)平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行歸一化處理，各過程變量進(jìn)行歸一化。步驟S5，對(duì)歸一化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成分分析，首先得到相關(guān)成分比率 (component-related ratio, CRR)和混合矩陣(mixing matrix)。選擇相關(guān)元比率值最大的主元在混合矩陣中的對(duì)應(yīng)列以及該列中系數(shù)之和超過該系列的系數(shù)總和的95%的那些較大的系數(shù)所對(duì)應(yīng)的過程變量被篩選出來進(jìn)行后續(xù)分析。同時(shí)截取出對(duì)波動(dòng)影響最大的獨(dú)立成分的頻率峰值，作為多源振蕩的主導(dǎo)過程變量的頻率，進(jìn)行后續(xù)的局部有向相干分析。步驟S6，對(duì)步驟S5中的主導(dǎo)過程變量進(jìn)行局部有向相干算法(PDC)分析，獲得在主導(dǎo)波動(dòng)頻率處的各過程被控變量間相互影響的PDC值，包括方向和量值。步驟S7，根據(jù)步驟S6中獲得的PDC值，構(gòu)造PDC因果關(guān)系圖，如圖2所示。圖中圓點(diǎn)表示回路的被控變量，有向線表示因果關(guān)系，其起點(diǎn)連接原因，終點(diǎn)連接結(jié)果變量，單向線表示單向因果，雙向線表示互為因果，因果關(guān)系的量值可以標(biāo)注在對(duì)應(yīng)線的旁邊，若因果聯(lián)系線過多，不方便標(biāo)注也可以記錄在表格中，待簡化后標(biāo)出。步驟S8，化簡步驟S7中構(gòu)造的PDC因果關(guān)系圖。該過程分為兩步首先，根據(jù)過程知識(shí)，對(duì)串級(jí)控制回路點(diǎn)進(jìn)行簡化，若點(diǎn)A和點(diǎn)B分別為同一串級(jí)控制回路中的內(nèi)、外環(huán)被控變量時(shí)，先將這兩點(diǎn)合并為一點(diǎn)，暫不考慮期間的因果關(guān)系，而這兩點(diǎn)的因果關(guān)系全部整合到合并點(diǎn)中，合并點(diǎn)與普通回路變量點(diǎn)的單向因果關(guān)系量值取合并點(diǎn)中各個(gè)點(diǎn)與此普通點(diǎn)的單向因果關(guān)系量值中的最大值；而合并點(diǎn)C與合并點(diǎn)D的單向因果關(guān)系量值取合并點(diǎn)C中個(gè)點(diǎn)分別與合并點(diǎn)D中各點(diǎn)單向因果關(guān)系量值中的最大值。 圖2中點(diǎn)1、2與3分別為同一串級(jí)控制回路的外環(huán)被控變量和內(nèi)環(huán)被控變量，故將這兩點(diǎn)合并為點(diǎn)A ；同理可以將4，5節(jié)點(diǎn)合并為點(diǎn)B，7，8節(jié)點(diǎn)合并為點(diǎn)C。圖2經(jīng)過簡化后如圖3 所示。然后，采用切點(diǎn)閾值搜索算法自動(dòng)搜索切點(diǎn)閾值，切除因果關(guān)系圖中量值小于切點(diǎn)閾值的因果關(guān)系，得到最簡的因果關(guān)系圖。切點(diǎn)閾值的備選值的范圍為簡化后的因果關(guān)系圖中的所有因果關(guān)系量值。切點(diǎn)閾值首先取備選值中最大值，然后逐漸減少。切點(diǎn)閾值的搜索終止條件為因果關(guān)系圖(不考慮路徑方向)從非連通圖變成連通圖(即圖中任意兩點(diǎn)有路徑相連)。圖3經(jīng)過自動(dòng)搜索后其切點(diǎn)閾值確定為0.2067.切除圖3量值小于此閾值的因果關(guān)系后，圖3化簡成為圖4。步驟S9，根據(jù)化簡后的PDC因果關(guān)系圖，確定波動(dòng)源。若波動(dòng)源位于合并點(diǎn)，則對(duì)合并點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行切點(diǎn)閾值搜索算法，再次進(jìn)行化簡，直到找出最終的波動(dòng)源。本發(fā)明整合了多種頻域方法對(duì)振蕩根源進(jìn)行定位，在頻域觀察和分析信號(hào)有助于揭示系統(tǒng)的本質(zhì)屬性，克服了過程工業(yè)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)單一化，時(shí)域定位噪聲大，求解困難等缺點(diǎn)，并且采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)時(shí)獲得波動(dòng)信息，有利于工廠工程師實(shí)時(shí)分析出廠級(jí)振蕩最可能的根源，從而采取措施消除，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和工廠的經(jīng)濟(jì)效益有十分重大的促進(jìn)作用。
權(quán)利要求
1.一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)將過程工業(yè)控制器歷史數(shù)據(jù)與控制器的設(shè)定值進(jìn)行比較，獲得待處理的偏差時(shí)間序列；2)對(duì)步驟1)中的偏差時(shí)間序列進(jìn)行ADF時(shí)間序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)，判斷是否為平穩(wěn)時(shí)間序列，若為是，則執(zhí)行步驟4)，若為否，則執(zhí)行步驟3)；3)對(duì)偏差時(shí)間序列進(jìn)行一階差分后，執(zhí)行步驟2)；4)對(duì)平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行歸一化處理；5)對(duì)歸一化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成分分析，計(jì)算其相關(guān)成分比率、主導(dǎo)過程變量及其頻率；6)對(duì)步驟幻中的主導(dǎo)過程變量進(jìn)行局部有向相干算法分析，獲得在主導(dǎo)波動(dòng)頻率處的各過程被控變量間相互影響的PDC值；7)根據(jù)步驟6)中獲得的PDC值，構(gòu)造PDC因果關(guān)系圖；8)化簡步驟7)中構(gòu)造的PDC因果關(guān)系圖；9)根據(jù)化簡后的PDC因果關(guān)系圖確定波動(dòng)源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，其特征在于，所述的步驟8)中化簡的具體過程為利用過程先驗(yàn)知識(shí)合并因果關(guān)系圖中的串級(jí)回路節(jié)點(diǎn)，并采用切點(diǎn)閾值搜索算法自動(dòng)搜索切點(diǎn)閾值，切除因果關(guān)系圖中量值小于切點(diǎn)閾值的因果關(guān)系，得到最簡因果關(guān)系圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，其特征在于，所述的步驟9)中若波動(dòng)源位于合并點(diǎn)，則對(duì)合并點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行切點(diǎn)閾值搜索算法，再次進(jìn)行化簡，直到找出最終的波動(dòng)源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型過程工業(yè)多回路振蕩的波動(dòng)源定位方法，該方法先采用頻域獨(dú)立成分分析對(duì)工業(yè)歷史過程數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成分分解，篩選出對(duì)波動(dòng)振蕩起主導(dǎo)作用的變量及其主導(dǎo)頻率，然后對(duì)篩選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部有向相干性分析，用因果關(guān)系圖直觀表達(dá)回路變量間的因果關(guān)系，以表征波動(dòng)干擾的傳播路徑；然后通過過程先驗(yàn)知識(shí)簡化因果關(guān)系圖，并通過閾值自動(dòng)搜索方式過濾掉次要的因果關(guān)系分支，得到波動(dòng)的主要傳播路徑，由此定位和識(shí)別波動(dòng)源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過頻域上的信號(hào)分析揭示多回路控制系統(tǒng)振蕩的本質(zhì)屬性，確定振蕩的波動(dòng)源，有利于工廠工程師進(jìn)行后續(xù)的故障回路的維護(hù)和修復(fù)工作。
文檔編號(hào)G05B23/02GK102520708SQ20111031309
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月16日
發(fā)明者夏春明, 張亮, 羅巍巍, 鄭建榮 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)