[發明專利]工業過程間歇故障的檢測方法

有效

• 申請號: 201910030835.4
• 申請日: 2019-01-14
• 公開（公告）號: CN109739214B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 盛立;高晗;高明;周東華
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）;山東科技大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 青島清泰聯信知識產權代理有限公司 37256
• 代理人: 徐艷艷

1.一種工業過程間歇故障的檢測方法，其特征在于，含有以下步驟：

(一)采集工業過程正常操作工況下的數據進行標準化處理后作為訓練數據集，對訓練數據集建立規范變量分析模型，并計算狀態空間投影矩陣和殘差空間投影矩陣

(二)根據規范變量分析模型和投影矩陣，計算得到訓練數據的規范變量并分解為狀態空間矩陣X和殘差空間矩陣E兩部分，給定滑動時間窗口寬度，分別計算狀態空間平均數據矩陣和殘差空間平均數據矩陣

(三)對狀態空間平均數據矩陣和殘差空間平均數據矩陣建立主元分析模型，并計算狀態空間協方差矩陣和殘差空間協方差矩陣進行特征值分解，得到由特征向量組成的狀態空間負載矩陣、由特征向量組成殘差空間負載矩陣、由特征值構成的狀態空間對角陣和由特征值構成的殘差空間對角陣；

(四)給定顯著性水平α，假設變量服從正態分布，根據主元分析模型計算故障檢測指標的控制限

(五)采集工業過程的實時數據進行標準化處理后作為測試數據，根據規范變量分析模型計算測試數據的規范變量并分解為狀態空間和殘差空間兩部分，給定與步驟(二)中同等寬度的滑動時間窗口，分別計算狀態空間信息均值和殘差空間信息均值

(六)計算測試數據的狀態空間故障檢測指標和殘差空間故障檢測指標將狀態空間故障檢測指標或/和殘差空間故障檢測指標與步驟(四)中的控制限進行比較，若狀態空間故障檢測指標或/和殘差空間故障檢測指標超過控制限則認為發生故障。

2.如權利要求1所述的工業過程間歇故障的檢測方法，其特征在于，步驟(一)中，采集工業過程正常工況下的數據進行標準化處理，構造歷史數據矩陣和未來數據矩陣，其具體步驟為：工業過程中工業系統的輸入表示為輸出表示為構造過去信息向量和現在與未來信息向量其中，k表示當前樣本時刻，p表示歷史觀察窗口寬度，f表示未來觀察窗口寬度，fp，通過AIC準則確定最優的p；收集N個觀測樣本后，得到歷史數據矩陣和未來數據矩陣P＝[p_k,p_k+1,...,p_k+N-1]^T，F＝[f_k,f_k+1,...,f_k+N-1]^T。

3.如權利要求2所述的工業過程間歇故障的檢測方法，其特征在于，步驟(一)中，建立規范變量分析模型并計算狀態空間投影矩陣和殘差空間投影矩陣的具體步驟為：通過公式(1)計算歷史數據矩陣P和未來數據矩陣F的協方差矩陣和互協方差矩陣，公式(1)表示為：

式中，Σ_pp為過去信息向量p_k的Hankel矩陣的協方差矩陣，Σ_ff為現在與未來信息向量f_k的Hankel矩陣的協方差矩陣，Σ_pf為過去信息向量的Hankel矩陣和現在與未來信息向量f_k的Hankel矩陣的互協方差矩陣；

通過公式(2)進行奇異值分解，公式(2)表示為：

式中，U和V為酉矩陣，S為規范相關系數矩陣，是一個塊對角矩陣；

通過公式(3)計算狀態空間矩陣X和殘差空間矩陣E，公式(3)表示為：

式中，X∈R^N×l，U_l為狀態空間負載矩陣，由U的前l列組成，l為保留的狀態個數，采用累計方差百分比的方法確定；為殘差空間負載矩陣，為剩余殘差的個數。

4.如權利要求3所述的工業過程間歇故障的檢測方法，其特征在于，步驟(二)中，根據公式(4)計算訓練數據的規范變量并分解為狀態空間矩陣X和殘差空間矩陣E兩部分，公式(4)表示為：

式中，x_k為規范變量的狀態空間信息，e_k為規范變量的殘差空間信息；

構建一個寬度為W的滑動時間窗口，在每一個滑動時間窗口內根據公式(5)求解狀態空間數據均值和殘差空間數據均值公式(5)表示為：

式中，t為滑動時間窗口內樣本時刻，k為滑動時間窗口內當前樣本的時刻；

進而計算得到狀態空間平均數據矩陣和殘差空間平均數據矩陣