[發明專利]一種基于自適應啁啾模態分解的過程非線性波動檢測方法

在審

• 申請號: 202111521405.6
• 申請日: 2021-12-13
• 公開（公告）號: CN114200913A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 吳夏來;張寧;林靈
• 申請（專利權）人: 湖州師范學院
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 安徽思沃達知識產權代理有限公司 34220
• 代理人: 戴曉丹

一種基于自適應啁啾模態分解的過程非線性波動檢測方法，包括：(1)采集待檢測工業過程的回路輸出信號，并初始化模態數和近似熵；(2)用VNCMD方法分解信號；(3)計算每個分解模態的近似熵，保留滿足閾值條件的模態，確定VNCMD的最佳模態數；(4)重新用VNCMD方法分解信號，獲得所需的模態和瞬時頻率；(5)計算每個分解模態的歸一化相關系數和規律性指數，保留滿足振蕩檢測指標的模態，檢測出振蕩；(6)將歸一化互相關系數最大的模態的平均振蕩周期作為基本頻率；(7)計算當前基本頻率對應模態之外的其他所有模塊的置信區間上限和下限；(8)判斷該置信區間內是否存在基本頻率的整數倍，如果存在，則認為該振蕩是由非線性問題誘發的。利用本發明，能夠自適應的確定模態數，并提供具有瞬時頻率的分解模態。

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自適應啁啾模態分解的過程非線性波動檢測方法。

背景技術

研究表明，由于非線性問題的存在，超過30％的控制回路出現振蕩。非線性誘發的振蕩可能會與其他導致故障的原因相混淆，如控制器調諧不良、多回路相互作用。此外，這種振蕩不能通過控制器的調諧或數字閥門定位器的動作完全消除。因此，檢測和分析非線性引起的振蕩是非常必要的。

近年來，信號分解方法被廣泛地應用于振蕩的檢測和分析。雖然經驗模態分解(EMD)、本征時間尺度分解和局部均值分解均被用于檢測振蕩，但這些方法不能判斷振蕩的類型。Babji等人應用 EMD檢測非線性誘發的振蕩。然而，該方法僅提供定性描述。 Aftab等人進一步提出基于EMD的測量方法來量化非線性的嚴重程度。但它受到模態混疊和端點效應的影響。以上信號分解方法都是經驗建立的，缺乏理論基礎。

變分模態分解(VMD)是基于優化的信號分解方法的先驅，一直是研究的熱點。Chen等人提出了一種改進的VMD來檢測非線性誘發的振蕩。但該方法僅適用于時不變情況，不能提供時頻信息。最近，Chen等人提出了新的時頻分析方法，稱為變分非線性啁啾模態分解(VNCMD)。VNCMD能夠處理非平穩、時變和寬帶信號。它首先通過解調技術將寬帶信號解調為窄帶信號。然后，通過估計解調信號的帶寬，建立變分目標函數。最后，提出了一種基于交替方向乘法器(ADMM)的聯合優化方案，以精確捕獲信號的模態和相應的瞬時頻率。VNCMD在早期故障檢測和多特征提取中顯示了強大的效果。但是，它要求用戶提前手動設置模態數，這在實際操作中是一個具有挑戰性的任務。如何自動設置模態數，尚未得到有效研究。

發明內容

1.一種基于自適應啁啾模態分解的過程非線性波動檢測方法，其特征在于，包括：

(1)采集待檢測工業過程的回路輸出信號，并初始化模態數和近似熵；

(2)用VNCMD方法分解信號；

(3)計算每個分解模態的瞬時頻率的近似熵，保留滿足閾值條件的模態，從而確定VNCMD的最佳模態數；

(4)重新用VNCMD方法分解信號，獲得所需的模態和瞬時頻率；

(5)計算每個分解模態的歸一化相關系數和規律性指數，保留滿足振蕩檢測指標的模態，從而檢測出振蕩；

(6)將歸一化互相關系數最大的模態的平均振蕩周期的倒數作為基本頻率；

(7)計算當前基本頻率對應模態之外的其他所有模塊的置信區間上限和下限；

(8)判斷基本頻率的整數倍是否存在該置信區間內，如果存在，則認為該振蕩是由非線性問題誘發的，如果不存在，則認為該振蕩不是由非線性問題誘發的。

2.根據權利要求1所述的基于自適應啁啾模態分解的過程非線性波動檢測方法，其特征在于，步驟(3)中，計算每個分解模態的瞬時頻率的近似熵，具體計算步驟如下：

步驟(2-1)，將步驟(2)中分解得到的模態的瞬時頻率離散化，形式如下：