[發明專利]一種基于替代數據法的工業過程非線性檢測方法

有效

• 申請號: 201810015042.0
• 申請日: 2018-01-08
• 公開（公告）號: CN108345214B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 謝磊;郎恂;張志銘;吳杭天;蘇宏業
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于替代數據法的工業過程非線性檢測方法，包括如下步驟：在待檢測的工業過程中，預先采集一組控制回路的過程輸出信號；求取待檢測回路輸出信號的倒雙相干譜函數；根據LMD?RP替代數據法構造多組原信號的替代數據，仿照原信號計算各組替代數據倒雙相干譜函數；分別計算原信號和替代數據的非線性統計指標，綜合這些指標在假設檢驗的框架下判定待檢測控制回路中是否存在非線性。利用本發明方法，可以對工業過程的控制回路信號進行定性定量的非線性檢測，為性能評估和故障診斷提供數據支持，為后續的多回路非線性振蕩源定位工作奠定基礎。

技術領域

本發明涉及工業控制系統中的性能評估領域，具體涉及一種基于替代數據法的工業過程非線性檢測方法。

背景技術

隨著工業控制回路的性能評估技術迅速發展，控制回路的性能評估及故障診斷在工程研究領域備受關注。工業過程控制回路中常常出現控制性能下降的現象，其原因可能是內部元件故障、外部擾動或回路中存在非線性環節等，主要表現為過程方差增大，甚至出現振蕩現象。

在控制性能下降的過程中，控制回路的非線性現象也較為常見。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主要是基于高階統計量(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，由于這些方法大多都是采用閾值比對的方式進行非線性判別，因此這些方法檢測弱非線性的時候準確率也較低。

近年有文獻提出了一種新的檢測非線性的框架，該框架結合了高階譜分析法和替代數據法。替代數據法是由Theiler等人最先提出的，是一種廣泛應用于非線性檢驗的統計學方法。其主要思想是，對于要檢驗的原始信號的某個性質(如非線性性質)，首先提出反面假設，然后構建符合該反面假設的替代數據，通過比較替代數據和原始數據的某些特征(檢驗統計量)，從統計學意義上來證明或者證偽反面假設。

在工業過程平穩性檢測的實際應用中，能有效檢測工業控制回路是否存在非線性，并定量評估非線性程度，對于控制回路的非線性檢測具有重要意義。

發明內容

本發明提供了一種基于替代數據法的工業過程非線性檢測方法，普遍適用于高噪聲、非平穩的工業控制回路過程，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，在檢測小數據和弱非線性樣本時，依然能夠保證較高的穩定性。且該方法只需要獲取常規運行數據，無需過程機理知識。

一種基于替代數據法的工業過程非線性檢測方法，包括如下步驟：

步驟1，采集一組待檢測工業過程的回路輸出信號；

步驟2，計算信號的倒雙相干譜函數；