【34页】基于统计特征的不等长间歇过程故障诊断研究本科.doc源文档全文在线看

间歇过程般有个确定的有限操作周期，该周期包括上料反应卸料个阶段。

在上料阶段，以定配比组成的多种原材料被装入到反应釜中，该阶段是整个间歇过程的初始准备阶段反应阶段是整个间歇过程的核心，它要求反应釜内的各过程变量如温度压力流量液位等按定的时间轨迹变化，而各部分内容简介二〇四年六月二十二日星期日二〇四年六月二十二日星期日第章绪论引言随着世界现代经济的快速发展和流程工业规模的不断扩大，工业过程的复杂性也随之不断的提高，生产和加工方法主要有化学反应分离混合等，涉及石油化工发电钢铁等行业。

旦发生事故，将会造成巨大的经济损失和人员伤亡。

如年月日吉林省宝源丰禽业公司爆炸事故，已造遇难湖南省邵东煤矿发生爆炸事故陕西兴化集团硝铵装置特别重大爆炸事故。

由此可见，切实保障现代复杂工业系统的可靠性与安全性，降低事故发生率，维持生产稳定，对于流程工业长期安全稳定运行具有十分重要的意义。

过程故障诊断技术就是为适应工程需要而形成和发展起来的。

过程故障诊断技术为提高复杂工业系统的可靠性开辟了条新的途径。

以自动故障检测与诊断来代替操作员的判断可增加设备运行的安全性，保证产品的质量的同时也降低了成本，尤其可以最大限度地避免严重的过程颠覆事故。

过程故障诊断技术的任务是选取方便而且有效的方法来发现过程中的异常事件，并且识别和诊断出生产过程的异常事件的根源，进而指导操作员正确地处理过程异常。

间歇反应过程具有生产灵活性产品多样性设备简单性的特点，在高分子聚合物药品生化等领域得到了广泛的应用。

间歇过程般有个确定的有限操作周期，该周期包括上料反应卸料个阶段。

在上料阶段，以定配比组成的多种原材料被装入到反应釜中，该阶段是整个间歇过程的初始准备阶段反应阶段是整个间歇过程的核心，它要求反应釜内的各过程变量如温度压力流量液位等按定的时间轨迹变化，而各参量的时间轨迹对于每个不同的间歇过程都不同卸料阶段是间歇过程的结束阶段，该阶段将反应釜内的产品排出，并对其各质量指标进行检测以判断该釜反应的最终质量情况。

般而言，间歇过程工业企业对综合自动化技术的需求主要关注四个问题安全低成本高效率以及提高竞争力。

在所有的问题中，安全始终是根本前提。

然而间歇过程工业的多样性和复杂性增大了对其故障诊断的难度，使得过程监测二〇四年六月二十二日星期日和故障诊断成为控制领域最具挑战性的研究方向之。

间歇生产过程性能监控研究现状间歇生产过程故障诊断研究进展间歇生产过程监控是现代化过程工业中的种生产方式，由于其本身所具有的灵活性，左右的过程生产都采用该生产方式。

特别是在精细化工生物制药等利润高产量小品种多的工业部门。

间歇生产过程在工业生产中越来越受重视，间歇生产过程的性能监控和故障诊断逐渐成为统计过程控制的研究热点之。

与连续生产过程相比，间歇过程具有启动频繁动态特性变化快多阶段有限生产周期等特点。

因此间歇过程的监控显得更加复杂。

在间歇生产过程中，往往同时进行着物理化学生化反应相变过程及不确定性和突变性等因素，因而使个十分复杂的工业大系统。

其特点表现在下几个方面。

多变量强耦合。

间歇过程工业的测量系统中都包含较多的过程变量，而且过程变量之间相互关联相互耦合，任何个变量的变化都可能引起其他变量的变化，从而使因果关系错综复杂。

这就增加了间歇过程故障诊断的困难程度和复杂程度。

非线性。

严格地就，所有工业过程都存在非线性。

对于非线性程度较弱的系统，在定的范围内可以当作线性系统来处理，对于非线性程度较强的系统，采用线性化的处理方法会产生很大的偏差，甚至会得出完全的结论。

对象不确定性。

在间歇工业生产过程中，往往同时进行着物理化学和生物反应，过程的内部机理十分复杂，难以用常规的工具建立精确的数学模型。

即使建立数学模型，通常也十分复杂，很难求解。

因而在间歇过程工业故障诊断中多元统计方法得到了广泛应用。

多元统计方法应用于间歇过程故障诊断如所述，间歇过程的内部机理十分程变量。

每个批次是不等长的，持续时间在秒之间变化。

随机抽取个正常批次为建模数据，其余个正常批次为校验数据。

为了消除传感器中初始的波动影响，去除开始的个样本，保留个样本以适应最短的批次。

对个等长的正常批次数据运用方法进行建模，并对个校验批次数据和个故障批次进行故障检测。

方法的检测结果如图所示。

方法检测出了故障和，然而，由于它们的数值较大，没有显示在图中。

运用基于统计特征的方法进行故障诊断，不需要数据预处理。

直接计算个不等长批次的均值方差偏度峭度和任意两个变量间的欧氏距离，并将这些统计特征组合成个等长的特征向量，然后运用进行过程监视。

本文方法的检测结果如图所示。

本文方法检测出了故障和，同样没有显示在图中。

时间二〇四年六月二十二日星期日图方法的监测图图本文方法的监测图两种方法的检测结果对比如表所示。

从表可以看出，本文方法和传统对正常批次的检测率均为本文对故障批次的故障检测率为，而传统的的检测率为。

证明运用本文方法进行检测的准确率远远高于传统的方法，大大提高了故障检测率，减少了故障的误报率和漏报率。

表监测结果对比二〇四年六月二十二日星期日方法校验批次总数检测的校验批次总数校验批次检测比例故障批次总数检测的故障批次总数故障批次检测比例本文方法表是在平台下传统和本文方法故障检测所需的时间。

由表可知，方法需要计算维的协方差矩阵，而本文方法协方差矩阵的维数仅为，减少了存储空间。

与方法相比，本文方法降低了特征向量的维数，但是故障检测时间仅比方法减少了秒。

这是由于本文方法在运用进行故障诊断之前，需要先计算统计特征向量，增加了时间。

表和本文方法故障检测对比方法特征向量大小协方差矩阵大小故障检测时间本文方法本章小结传统的方法可以有效的对等长批次生产过程中存在的故障进行检测和诊断，但是由于间歇过程具有间歇性操作的不确定性反应过程的多模态及不等长等特性，致使不能直接应用于间歇过程故障诊断。

本章提出的基于统计特征的不等长间歇过程故障诊断方法可以有效的解决这些问题，使故障检测结果更加准确。

同时，本章所介绍的算法减少了计算量和存储空间，降低了故障检测时间。

二〇四年六月二十二日星期日第四章总结和展望总结伴随着现代工业生产技术和科学的大力进步，生产装置向大型化结构复杂化的趋势变得非常明显，在这方面虽然大幅度提高了生产效率，但同时，生产过程发生事故的可能性也大大增加。

传统的控制理论中的故障诊断方法主要是建立在系统的精确模型基础上的，这对于反应机理复杂非线性时变性等扰动严重的复杂工业过程在应用中是较难实现的。

随着计算机技术的快速发展，导致及各种数字化控制设备如智能化仪表在工业过程中的广泛应用，可以采集得到大量的过程数据，通过对这些过程数据的处理，从中挖掘出过程运行的有用信息，借此提高工业过程控制的精度是目前控制领域研究的热点问题之。

本文介绍了几种基于多元统计方法的间歇过程故障诊断中能应用到的算法，如等，并着重介绍了基于统计特征的不等长间歇过程的故障诊断算法。

本文应用半导体工业实例堆腐蚀过程来对与基于统计特征的不等长间歇过二〇四年六月二十二日星期日程的故障诊断方法进行了实验验证，并且经过实验的仿真得出了理想的仿真结果。

工作展望故障诊断与预警本文研究内容偏向于故障检测，只能向使用者提供过程正常与否的通知信息。

但是用户更希望知道具体哪里有故障，什么类型的故障，甚至最好能提前知道可能会发生什么故障，这就需要故障诊断与预警工作。

基于数据驱动的故障诊断方法通过贡献图理论上能够识别出故障源。

但是过程故障的发生和传播都相当复杂，又和过程的机理密切相关，缺乏过程机理和经验指导，故障的诊断和识别很容易得出误导性的结果。

因此，如果数据驱动方法和基于知识的方法能够相互结合，取长补短，必将对提高故障诊断的可靠性有重要帮助。

基础理论研究目前，故障检测算法所用到的些数学理论基础有的尚不完善，例如，如何更好的处理全局算法和局部算法各有不足的问题，新的样本如何实现模型的递归更新问题等。

这就要求在基础数学理论研究上也要下功夫。

方法的使用范围拓展本文所讨论的方法大都建立在化工或生化平台上，但并不是说仅适用于上述范围。

基于数据驱动的故障诊断方法的通用性体现在其跨平台的可移植性上，在工业生产和生活各个领域都应当发挥其作用。

如何把该方法与新的应用领域互相融合是值得我们深入考虑的问题。

故障检测软件商品化尽管有众多新方法被不断提出，然而目前传统的方法在故障诊断软件上依然占据绝对优势。

究其原因，除新算法的快速性，鲁棒性需要增强外，积极推广使用新算法，实现商品化也是需要重视的问题。

理论只有应用于实践才能不断发现问题，解决问题，不断完善。

二〇四年六月二十二日星期日参考文献周东华，李钢，李元数据驱动的工业过程故障检测与诊断技术北京科学出版社，周东华国内动态系统故障诊断技术的些最新进展自动化博览郭金玉，赵璐璐，李元基于统计特征的不等长间歇过程故障诊断研究计算机应用研究，张云涛，龚玲数据挖掘原理与技术电子工业出版社汤双清飞轮储能技术及应用武汉华中科技大学出版社，蒋浩天，拉塞尔，布拉茨二工业系统的故障检测与诊断段建民，译北京