[發明專利]一種基于改進的倒雙譜分析的控制回路非線性檢測方法

有效

• 申請號: 201510083035.0
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104808643B
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: 謝磊;王培宇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 褚超孚

技術領域

本發明涉及控制回路的性能評估領域，尤其涉及一種基于改進的倒雙譜分析的控制回路非線性檢測方法。

背景技術

工業現場通常包含眾多控制回路，對這些控制回路進行檢查及維護是生產過程運行中一項棘手而繁重的工作。據調查，目前60％以上工業控制器中都存在性能退化問題。如何利用日常運行數據對控制回路性能進行度量，從而對其進行優化設置以獲取更多的經濟效益，已成為眾多學者探尋的熱點。近年來，控制回路性能監控與評估研究成為工業控制領域廣為關注的命題。

在實際生產中，大多數控制回路控制過程本質上都是非線性的，非線性可能來自工業過程本身、外部擾動、執行器、傳感器等，其中，執行閥作為整個控制回路中唯一可動的控制部件，是工業過程控制系統中必不可少的基本裝備之一。執行閥安裝在生產現場，常年工作在高溫、高壓、強腐蝕、易堵或易漏等惡劣情況下，不可避免會出現各種故障和異常。同時，隨著使用時間的延長，執行閥還會出現有回滯、死區、粘滯等非線性特性，所以在過程控制的性能評估、故障診斷等領域，均需要首先確定控制系統中是否具有非線性。

非線性檢測方法通常是基于統計學中的假設檢驗方法，該方法通過構造統計指標，使得該指標在“過程為線性”和“過程為非線性”兩種假設下，其估計量的概率密度函數具有較明顯的差別，從而可以根據被測過程的相應數據來決定接受哪種假設。

非線性檢測方法從統計指標的選擇上可以分為參數方法和非參數方法兩種。

參數的非線性檢測方法通過對被測過程按照線性系統進行系統辨識，得到辨識模型的預測輸出和實際輸出之間的殘差，通過判斷殘差中是否具有非線性成分來判斷被測過程是否具有非線性，該方法對被測數據的長度的要求較小，但是對辨識精度的要求較高，且運算量較大。

非參數的非線性檢測方法基于高階統計量(如雙譜、雙相干譜等)來判斷過程的非線性，這種方法只需要獲取被測過程的輸出數據就可以得到較為可靠的結果，且運算速度較快。但是為了減小計算高階譜的估計量時產生的方差，這種方法非常依賴被測信號的長度，對被測數據的長度要求較大，在數據量較小時，檢測的準確性會受到較大的影響。另外，該方法檢測弱非線性的時候準確率較低。

發明內容

本發明提供了一種基于改進的倒雙譜分析的控制回路非線性檢測方法，該檢測方法克服了傳統非參數的檢測方法對數據長度的依賴，在檢測小數據樣本時，依然能夠保證較高的穩定性。

一種基于改進的倒雙譜分析的控制回路非線性檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，在待檢測的控制回路中，采集一組過程輸出信號y_t，并引入一組與y_t長度相同的，獨立同分布的任意高斯信號作為參考擾動信號x_t；

所述過程輸出信號為控制回路中的壓力、溫度、流量或液位數據；

步驟2，分別將過程輸出信號y_t和參考擾動信號x_t切分為M個信號段，并對每一信號段進行離散傅里葉變換，得到相應的頻譜函數和

步驟3，得到頻譜函數和后，依據信號的雙譜(bispectrum)函數的直接估算法，分別計算出過程輸出信號和參考擾動信號的雙譜函數和然后依據雙相干譜(bicoherence)函數的歸一化估算方法，分別得到過程輸出信號和參考擾動信號的歸一化的雙相干譜函數和

步驟4，得到雙相干譜函數和后，依據信號的改進的倒雙譜(modified bicepstrum)的定義及估算方法，得到相應信號的改進的倒雙譜和從而得到衡量待測控制回路的改進的倒雙譜

步驟5，在控制回路為線性的前提下，根據改進的倒雙譜C_h(n₁,n₂)應滿足的特性，構造統計指標q，以置信度為α下的監控線q₀作為先驗值，由待測控制回路的改進的倒雙譜得到檢測指標將指標與q₀進行比較，從而判斷待測控制回路中是否存在非線性。

本發明提供的非線性檢測方法只需從待測控制回路采集一組過程輸出數據，并引入一組任意的符合獨立同分布的高斯信號作為參考擾動信號，分別對兩組信號進行處理，得到改進的倒雙譜函數，在控制回路為線性的前提下，根據改進的倒雙譜函數應滿足的特性，構造統計指標q，根據統計指標的概率分布，確定置信度為α的監控線q₀，將待測控制回路的檢測指標與監控線q₀進行比較，就能準確地判斷待測控制回路中是否存在非線性。