基于时频分析的工业控制过程振荡检测及诊断研究
发布时间：2020-08-02 05:29
【摘要】：现代工业流程日益规模化与集成化给自动控制技术带来了越来越多的挑战。随着“中国制造2025”计划的逐步实施,各企业也进一步提高了对工厂生产率、利润率、能耗、质量和安全标准的要求。与此同时,研究者认识到,现代工业过程控制回路性能低下是一个普遍存在且日趋严重的问题。其中振荡现象是控制器性能恶化最主要的形式。大型工业现场中往往包含成百上千的控制回路,因此,必须配套相应的振荡监控机制以确保各生产过程的安全高效运行。然而目前的研究主要集中于平稳过程时不变、线性振荡行为的检测与诊断,不能解决工业过程中普遍存在的时变、非线性和非平稳等问题。二十一世纪初,以经验模式分解(EMD)为代表的现代时频分析方法在各工程领域迅速获得有效的应用。这类方法突破了传统线性和稳态频谱分析的桎梏,极大推动了非线性、非平稳信号处理领域的发展。鉴于此,本文以现代时频分析方法为研究基础,围绕工业过程振荡现象的检测与诊断课题,进行了以下研究:·针对非平稳工业过程中的时变、多周期振荡行为,本文研究了一种基于局部均值分解(LMD)的单回路振荡检测方法。该方法首先就端点效应、监控窗口尺寸、迭代终止条件三个方面对LMD算法进行优化,再结合鲁棒Lempel-Ziv复杂度设计监控指标达到振荡检测目的。其次,针对非线性、多周期振荡行为,以及工业现场对控制性能的在线监控要求,本文研究了一种基于本质时间尺度分解(ITD)的在线振荡检测方法。该方法提出了用以消除ITD算法模式混叠效应的筛选聚类机制,设计了基于振荡特性的鲁棒性统计指标,并最终实现了快速振荡检测的目的;·针对现有多维经验模式分解(MEMD)方法计算负荷高、采样率高、过度分解的缺点,本文提出了快速多维经验模式分解(FMEMD)及噪声辅助—快速多维经验模式分解(NA-FMEMD)两种多维时频分析方法。本文首先对一维EMD的多维扩展概念作了全新定义,然后通过架构多维与一维空间的映射关系,成功将多维空间运算降至一维,极大缩短了FMEMD的运行时间。另外,本文所提出的NA-FMEMD方法既可应用于单回路振荡提取,又可实现厂级振荡检测;·针对目前多维时频分析方法匮乏的现状,本文提出了两种多维本质时间尺度分解(MITD)方法。间接法MITD与FMEMD方法类似,通过架构超定线性方程组来求解相应的多维分解产物的。直接法MITD则是将ITD方法中的几何概念和算子推广至多维。以上两种多维时频分析方法同本同源,但由于不同的实现形式而各具特色,且均能有效应用于非线性、非平稳工业过程中的厂级振荡分析;·针对目前多数振荡诊断方法要求过程平稳性这一特点,本文提出了一种通过分析原数据与替代数据自相关函数间异同并设计假设检验以实现平稳性检测的方法。另外,针对短时非平稳序列中的弱非线性振荡行为,本文开发了一种基于高阶谱与时频替代数据的振荡诊断方法。该方法首先提出倒双相干谱这一全新定义,然后结合LMD设计非平稳替代数据,最后通过假设检验实现了工业过程的非线性振荡诊断。本文立足于信号处理领域基础研究,以信息技术、工业互联网为工程应用出发点,旨在构建现代时频分析方法与工业控制过程振荡检测与诊断命题之间的桥梁。本文所开发的多维时频分析方法或将为诸如生物医学、图像信息学、设备诊断等相关产业技术领域带来新的启示与工具。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273
【图文】：
特性的变化，它们的控制器性能也会逐渐遐化［２］。国际知名自动化方案供应商ＨｏｎｅｙＷｅｌｌ逡逑公司曾针对流程工业中２６０００个控制回路进行了长达两年的性能分析与统计［３］。所得性能逡逑评估结果分布如图１．１所示。可以看到，仅有大约三分之一的回路能够长期稳定在良好的逡逑控制水平，其余回路均一定程度地表现出性能下降的问题。性能较差的控制回路会长期逡逑干扰过程的运行，增加原料和能源消耗，降低产品质量与利润率，严重时甚至影响到流程逡逑工业安全［４］。由于装置结构、技术水平、人员素质以及信息化技术等方面与国际先进水平逡逑相比还存在一定差距，国内流程工业中控制系统存在的问题其实更多［５］。若仅一味地追求逡逑产能的提速与规模的扩张，而忽略控制系统的监控与维护，其未来导向无异于涸泽而渔。逡逑控制回路性能低下的原因可能是装置特性的变化，如对象工艺指标波动、传感器故逡逑障、执行阀粘滞等；也可能是外部扰动的影响，如上游物料流波动，季节、环境温度变化逡逑等【６】。这些变化均可能影响基础控制回路的控制性能，严重时将会导致厂级范围内的工艺逡逑参数振荡。振荡现象是控制器性能恶化的首要特征
需采取一定的校正措施以恢复控制系统的健康运行。通常而言，性能不佳的控制回路逡逑可通过整定其控制器参数来提高性能。当现有的控制结构已无法达到期望的性能时，需逡逑采用其他可能会干扰系统运营的根本改进措施。图１．２给出了控制回路振荡行为评估、监逡逑控、诊断和性能改善的主要步骤［１５］。逡逑、—逦＾＾逡逑图１．２振荡检测、诊断与改善的基本步骤逡逑上图中各个环节所涉及内容均不是一朝一夕可解决的，其中囊括方法包罗万象，如逡逑时间序列分析、频谱分析、时频分析、因果分析、概率论与数理统计、信息熵、控制论、逡逑系统辨识等［１６］。受时间、精力所限，本文专注于探讨单回路振荡检测、厂级振荡检测以逡逑３逡逑
需采取一定的校正措施以恢复控制系统的健康运行。通常而言，性能不佳的控制回路逡逑可通过整定其控制器参数来提高性能。当现有的控制结构已无法达到期望的性能时，需逡逑采用其他可能会干扰系统运营的根本改进措施。图１．２给出了控制回路振荡行为评估、监逡逑控、诊断和性能改善的主要步骤［１５］。逡逑、—逦＾＾逡逑图１．２振荡检测、诊断与改善的基本步骤逡逑上图中各个环节所涉及内容均不是一朝一夕可解决的，其中囊括方法包罗万象，如逡逑时间序列分析、频谱分析、时频分析、因果分析、概率论与数理统计、信息熵、控制论、逡逑系统辨识等［１６］。受时间、精力所限，本文专注于探讨单回路振荡检测、厂级振荡检测以逡逑３逡逑
本文编号：2778221
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273
【图文】：
特性的变化，它们的控制器性能也会逐渐遐化［２］。国际知名自动化方案供应商ＨｏｎｅｙＷｅｌｌ逡逑公司曾针对流程工业中２６０００个控制回路进行了长达两年的性能分析与统计［３］。所得性能逡逑评估结果分布如图１．１所示。可以看到，仅有大约三分之一的回路能够长期稳定在良好的逡逑控制水平，其余回路均一定程度地表现出性能下降的问题。性能较差的控制回路会长期逡逑干扰过程的运行，增加原料和能源消耗，降低产品质量与利润率，严重时甚至影响到流程逡逑工业安全［４］。由于装置结构、技术水平、人员素质以及信息化技术等方面与国际先进水平逡逑相比还存在一定差距，国内流程工业中控制系统存在的问题其实更多［５］。若仅一味地追求逡逑产能的提速与规模的扩张，而忽略控制系统的监控与维护，其未来导向无异于涸泽而渔。逡逑控制回路性能低下的原因可能是装置特性的变化，如对象工艺指标波动、传感器故逡逑障、执行阀粘滞等；也可能是外部扰动的影响，如上游物料流波动，季节、环境温度变化逡逑等【６】。这些变化均可能影响基础控制回路的控制性能，严重时将会导致厂级范围内的工艺逡逑参数振荡。振荡现象是控制器性能恶化的首要特征
需采取一定的校正措施以恢复控制系统的健康运行。通常而言，性能不佳的控制回路逡逑可通过整定其控制器参数来提高性能。当现有的控制结构已无法达到期望的性能时，需逡逑采用其他可能会干扰系统运营的根本改进措施。图１．２给出了控制回路振荡行为评估、监逡逑控、诊断和性能改善的主要步骤［１５］。逡逑、—逦＾＾逡逑图１．２振荡检测、诊断与改善的基本步骤逡逑上图中各个环节所涉及内容均不是一朝一夕可解决的，其中囊括方法包罗万象，如逡逑时间序列分析、频谱分析、时频分析、因果分析、概率论与数理统计、信息熵、控制论、逡逑系统辨识等［１６］。受时间、精力所限，本文专注于探讨单回路振荡检测、厂级振荡检测以逡逑３逡逑
需采取一定的校正措施以恢复控制系统的健康运行。通常而言，性能不佳的控制回路逡逑可通过整定其控制器参数来提高性能。当现有的控制结构已无法达到期望的性能时，需逡逑采用其他可能会干扰系统运营的根本改进措施。图１．２给出了控制回路振荡行为评估、监逡逑控、诊断和性能改善的主要步骤［１５］。逡逑、—逦＾＾逡逑图１．２振荡检测、诊断与改善的基本步骤逡逑上图中各个环节所涉及内容均不是一朝一夕可解决的，其中囊括方法包罗万象，如逡逑时间序列分析、频谱分析、时频分析、因果分析、概率论与数理统计、信息熵、控制论、逡逑系统辨识等［１６］。受时间、精力所限，本文专注于探讨单回路振荡检测、厂级振荡检测以逡逑３逡逑
本文编号：2778221
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