[發明專利]一種基于改進變分模態分解的工業過程非線性振蕩檢測方法

有效

• 申請號: 201811570914.6
• 申請日: 2018-12-21
• 公開（公告）號: CN109542089B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 謝磊;陳啟明;郎恂;蘇宏業
• 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: 胡紅娟

一種基于改進變分模態分解的工業過程非線性振蕩檢測方法，包括：(1)采集一組待檢測工業過程的回路輸出信號；(2)計算該回路輸出信號的頻譜和相位校正信號均值頻譜，確定模態數量和中心頻率初始值；(3)設定懲罰系數的搜索范圍和步長；(4)計算不同懲罰系數對應VMD分解得到的求和排列熵，并確定最優懲罰系數；(5)用上述確定的模態數量、中心頻率初始值和懲罰系數進行VMD分解，并挑選出有效模態；(6)計算有效模態的中心頻率之間是否存在倍數關系，判斷是否存在非線性振蕩。利用本發明，可以提高工業過程的控制回路的非線性檢測準確度和可靠性，為性能評估和故障診斷提供數據支持，為后續多回路非線性振蕩源定位工作奠定基礎。

技術領域

本發明屬于工業控制系統中的性能評估與故障診斷領域，尤其是涉及一種基于改進變分模態分解的工業過程非線性振蕩檢測方法。

背景技術

隨著工業控制回路的故障診斷與性能評估技術的迅速發展，振蕩檢測成為了控制回路的故障診斷的主要任務之一。由于控制系統回路之間的連接與耦合，在某一個回路中產生的振蕩通常會傳播到其他的回路。這些振蕩會造成能量損耗、原材料浪費和產品質量下降等問題。閥門黏滯、控制器失調以及外部擾動是造成振蕩的三個主要原因。

有文獻指出，控制系統中的非線性環節，例如閥門黏滯，可能是控制回路振蕩最主要的原因。對于生產過程的安全和產品利潤的強烈需求極大推動了控制系統非線性振蕩檢測技術的發展。非線性振蕩檢測方法大致上可以分為兩個方面，一種是基于數據驅動的，這種方法不需要研究對象的動態特性的先驗知識；另一種是方法則是要么需要詳細的過程知識，用戶交互或者了解相當精確的過程結構。

基于數據驅動的非線性振蕩檢測方法有基于形狀的黏滯檢測，例如利用MV-OP圖的相位特征法、利用PV-OP圖的雙相干和替代數據法；還有基于互相關、直方圖、面積計算、曲線擬合等方法去檢測非線性振蕩的技術。需要詳細的過程知識或者精確的過程結構的非線性振蕩檢測方法有基于模型的檢測方法，基于輸出信號頻率已知的檢測方法等。

近年來，信號分解技術發展迅猛，把這些新的信號處理技術用于處理工業控制系統數據的研究方興未艾。Bahji等人首先使用HHT變換檢測并診斷了工業過程控制系統數據的非線性。Aftab等人提出使用一種非線性指數來度量非線性的程度。最近Aftab等人把多維經驗模態分解引入了非線性振蕩檢測領域。這些基于信號分解技術的非線性振蕩檢測方法是基于非線性振蕩包含高次諧波的特性而進行的。如果一個信號分解以后，通過非線性檢測算法能夠檢測到高次諧波，那么這個信號就存在非線性振蕩。

變分模態分解(VMD)是一種新的自適應的信號分解技術，能夠將一個多分量輸入信號分解成K個模態，并得到這些模態的中心頻率。與傳統的EMD、LMD等方法相比，變分模態分解方法具有數學基礎完備、不易受端點效應和模態混疊的影響、能夠直接得到各個模態的頻率且分解精度高等優勢。但是基本的變分模態存在分解效果嚴重依賴于模態數量、中心頻率初始化值和懲罰系數的問題，目前的研究較多是使用迭代或者群體智能尋優的方法去選擇參數。

基于以上背景，針對工業控制系統中的非線性振蕩信號，找到克服基本的變分模態分解對參數依賴問題的改進方法，利用變分模態分解精度高的特點，通過分析變分模態分解所得有效模式的中心頻率的倍數關系來檢測非線性振蕩，對于準確振蕩工業過程是否存在非線性振蕩有非常重要的實用價值。

發明內容

本發明提供了一種基于改進變分模態分解的工業過程非線性振蕩檢測方法，檢測精度高，只需要獲取常規運行數據，無需過程機理知識。

一種基于改進變分模態分解的工業過程非線性振蕩檢測方法，包括以下步驟：

(1)采集一組待檢測工業過程的回路輸出信號；

(2)計算該回路輸出信號的頻譜和相位校正信號均值頻譜，確定模態數量和中心頻率初始值；