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1、(10)申请公布号 CN 102520708 A (43)申请公布日 2012.06.27 CN 102520708 A *CN102520708A* (21)申请号 201110313097.8 (22)申请日 2011.10.16 G05B 23/02(2006.01) (71)申请人 华东理工大学 地址 200237 上海市徐汇区梅陇路 130 号 (72)发明人 夏春明 罗巍巍 张亮 郑建荣 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人 宣慧兰 (54) 发明名称 一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位 方法 (57) 摘要 本发明涉及一种新型过程工业多回路。
2、振荡的 波动源定位方法， 该方法先采用频域独立成分分 析对工业历史过程数据进行独立成分分解， 筛选 出对波动振荡起主导作用的变量及其主导频率， 然后对筛选出的数据进行局部有向相干性分析， 用因果关系图直观表达回路变量间的因果关系， 以表征波动干扰的传播路径 ； 然后通过过程先验 知识简化因果关系图， 并通过阈值自动搜索方式 过滤掉次要的因果关系分支， 得到波动的主要传 播路径， 由此定位和识别波动源。与现有技术相 比， 本发明通过频域上的信号分析揭示多回路控 制系统振荡的本质属性， 确定振荡的波动源， 有利 于工厂工程师进行后续的故障回路的维护和修复 工作。 (51)Int.Cl. 权利要求书。
3、 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位方法， 其特征在于， 该方法包括以下步 骤 ： 1) 将过程工业控制器历史数据与控制器的设定值进行比较， 获得待处理的偏差时间序 列 ； 2)对步骤1)中的偏差时间序列进行ADF时间序列平稳性检验， 判断是否为平稳时间序 列， 若为是， 则执行步骤 4)， 若为否， 则执行步骤 3) ； 3) 对偏差时间序列进行一阶差分后， 执行步骤 2) ； 4) 对平稳时间序列进行归一化处理 ； 5。
4、) 对归一化处理后的数据进行独立成分分析， 计算其相关成分比率、 主导过程变量及 其频率 ； 6) 对步骤 5) 中的主导过程变量进行局部有向相干算法分析， 获得在主导波动频率处 的各过程被控变量间相互影响的 PDC 值 ； 7) 根据步骤 6) 中获得的 PDC 值， 构造 PDC 因果关系图 ； 8) 化简步骤 7) 中构造的 PDC 因果关系图 ； 9) 根据化简后的 PDC 因果关系图确定波动源。 2. 根据权利要求 1 所述的一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位方法， 其特征在 于， 所述的步骤 8) 中化简的具体过程为 ： 利用过程先验知识合并因果关系图中的串级回路 节点， 并采。
5、用切点阈值搜索算法自动搜索切点阈值， 切除因果关系图中量值小于切点阈值 的因果关系， 得到最简因果关系图。 3. 根据权利要求 1 所述的一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位方法， 其特征在 于， 所述的步骤 9) 中若波动源位于合并点， 则对合并点内部进行切点阈值搜索算法， 再次 进行化简， 直到找出最终的波动源。 权 利 要 求 书 CN 102520708 A 2 1/4 页 3 一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位方法 技术领域 0001 本发明涉及过程工业系统系能评价及故障检测与诊断领域， 尤其涉及一种新型过 程工业多回路振荡的波动源定位方法。 背景技术 0002 过程工业既是能。
6、源、 各种原材料的产生者， 也是能源的主要消耗者， 节能降耗至关 重要。 过程工业的综合性能除了受到设备本体性能制约外， 很大程度上取决于使设备、 装置 等正常运行的控制系统的性能， 而过程工业中基础回路的控制性能不是固定不变的， 会随 着工艺对象、 控制参数、 传感器和执行机构特性的变化而变化。生产装置本身的工艺特性 会随着运行时间而逐渐变化， 装置特性也会随着工艺改造的进行而变化。装置特性的变化 意味着基础控制回路的目标对象发生变化， 如不及时调整控制参数必然导致性能下降， 被 控的工艺指标波动增大。另外， 基础控制回路的传感器、 阀门特性也随着时间的推移、 环境 (季节、 环境温度等)的。
7、变化而变化或发生故障。 这些变化都可能导致基础控制回路的控制 性能退化。 此外， 由于多回路系统振荡的传播和耦合的存在， 大面积的控制回路性能指标下 降往往其本质原因往往是某个控制回路的故障或者干扰导致性能退化所引起的， 所以确定 多回路振荡的根源是一个极其复杂的过程。在实际生产中只有那些得到良好设计、 整定和 维护的过程控制回路才能真正为生产过程带来长期、 稳定和可靠的效益， 因此振荡根源的 定位有十分重大的现实意义。该问题的技术解决方案主要经历了两个阶段。第一个阶段针 对单回路系统建立性能评价体系， 筛选出性能退化回路进行维护与处理， 其缺点是 ： 0003 (1) 这类方法都针对单个回路。
8、进行分析， 未考虑回路间关联传递导致的厂级范围 普遍性能降低的情况， 而这类情况却普遍存在， 这就必然会产生虚假的评价 ； 0004 (2) 缺乏利用过程流程先验知识的功能， 从而在多回路出现大范围性能退化时， 无 法有效进行异常回路的准确定位。 0005 第二个阶段是对性能退化根源进行分析及相关诊断， 相关的方法有功率谱主元分 析， 协方差函数法， 非负矩阵分解方法等等， 但是这些方法的缺点在于鲁棒性不强， 并且无 法解释主导波动的传播路径， 只能在一定意义上给予工程师参考可能的故障回路。行业内 有专家提出了基于格兰杰因果检验方法的混合方法， 在时域上一定程度上解决了波动传播 路径和波动源的。
9、定位问题， 但是缺乏频域上的对比与验证。 发明内容 0006 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型过程工业 多回路振荡的波动源定位方法， 该方法通过频域上的信号分析揭示多回路控制系统振荡的 本质属性， 确定振荡的波动源， 从而有利于工厂工程师进行后续的故障回路的维护和修复 工作， 为解决装置级多回路性能降低问题提供了新的可靠途径。 0007 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 ： 0008 一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位方法， 该方法包括以下步骤 ： 说 明 书 CN 102520708 A 3 2/4 页 4 0009 1) 将过程工业控制器历史数据与控制。
10、器的设定值进行比较， 获得待处理的偏差时 间序列 ； 0010 2) 对 步 骤 1) 中 的 偏 差 时 间 序 列 进 行 ADF 时 间 序 列 平 稳 性 检 验 (AugmentedDickey-Fuller Test)， 判断是否为平稳时间序列， 若为是， 则执行步骤 4)， 若为 否， 则执行步骤 3) ； 0011 3) 对偏差时间序列进行一阶差分后， 执行步骤 2) ； 0012 4) 对平稳时间序列进行归一化处理 ； 0013 5) 对 归 一 化 处 理 后 的 数 据 进 行 独 立 成 分 分 析 (Independent component analysis， IC。
11、A)， 计算其相关成分比率 (Component-related ratio， CRR)、 主导过程变量及 其频率 ； 0014 6) 对步骤 5) 中的主导过程变量进行局部有向相干算法分析， 获得在主导波动频 率处的各过程被控变量间相互影响的 PDC 值 ； 0015 7) 根据步骤 6) 中获得的 PDC 值， 构造 PDC 因果关系图 ； 0016 8) 化简步骤 7) 中构造的 PDC 因果关系图 ； 0017 9) 根据化简后的 PDC 因果关系图确定波动源。 0018 所述的步骤 8) 中化简的具体过程为 ： 首先利用过程先验知识合并因果关系图中 的串级回路节点， 然后采用切点阈值。
12、搜索算法自动搜索切点阈值， 切除因果关系图中量值 小于切点阈值的因果关系， 得到最简因果关系图。 0019 所述的步骤 9) 中若波动源位于合并点， 则对合并点内部进行切点阈值搜索算法， 再次进行化简， 直到找出最终的波动源。 0020 与现有技术相比， 本发明整合了多种频域方法对振荡根源进行定位， 在频域观察 和分析信号有助于揭示系统的本质属性， 克服了过程工业系统性能评价单一化， 时域定位 噪声大， 求解困难等缺点， 并且采用数据驱动方式实时获得波动信息， 有利于工厂工程师实 时分析出厂级振荡最可能的根源， 从而采取措施消除， 对提高产品质量和工厂的经济效益 有十分重大的促进作用。 附图说。
13、明 0021 图 1 为本发明的流程图 ； 0022 图 2 为本发明根据 PDC 值构造的因果关系图 ； 0023 图 3 为本发明利用过程先验知识对图 2 化简得到的因果关系图 ； 0024 图 4 为本发明采用切点阈值搜索算法对图 3 化简得到的最简因果关系图。 具体实施方式 0025 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0026 实施例 0027 一种新型过程工业多回路振荡的波动源定位方法， 该方法先采用频域独立成分分 析对工业历史过程数据进行独立成分分解， 筛选出对波动振荡起主导作用的变量及其主导 频率， 然后对筛选出的数据进行局部有向相干性分析， 用因果关系图直观表达回。
14、路变量间 的因果关系， 以表征波动干扰的传播路径 ； 然后通过过程先验知识简化因果关系图， 并通过 说 明 书 CN 102520708 A 4 3/4 页 5 阈值自动搜索方式过滤掉次要的因果关系分支， 得到波动的主要传播路径， 由此定位和识 别波动源， 其具体步骤如图 1 所示， 包括 ： 0028 步骤 S1， 将过程工业控制器历史数据与控制器的设定值进行比较， 获得待处理的 偏差时间序列。 0029 步骤S2， 对步骤1中的偏差时间序列进行ADF时间序列平稳性检验， 判断是否为平 稳时间序列。若为平稳时间序列， 则执行步骤 S4， 若不是平稳时间序列， 则执行步骤 S3。 0030 步。
15、骤 S3， 对偏差时间序列进行一阶差分后， 然后执行步骤 S2， 对该时间序列再次 进行平稳性检验。 0031 步骤 S4， 对平稳时间序列进行归一化处理， 各过程变量进行归一化。 0032 步骤 S5， 对归一化处理后的数据进行独立成分分析， 首先得到相关成分比率 (component-related ratio， CRR) 和混合矩阵 (mixing matrix)。选择相关元比率值最大 的主元在混合矩阵中的对应列以及该列中系数之和超过该系列的系数总和的 95的那些 较大的系数所对应的过程变量被筛选出来进行后续分析。 同时截取出对波动影响最大的独 立成分的频率峰值， 作为多源振荡的主导过程。
16、变量的频率， 进行后续的局部有向相干分析。 0033 步骤 S6， 对步骤 S5 中的主导过程变量进行局部有向相干算法 (PDC) 分析， 获得在 主导波动频率处的各过程被控变量间相互影响的 PDC 值， 包括方向和量值。 0034 步骤 S7， 根据步骤 S6 中获得的 PDC 值， 构造 PDC 因果关系图， 如图 2 所示。图中圆 点表示回路的被控变量， 有向线表示因果关系， 其起点连接原因， 终点连接结果变量， 单向 线表示单向因果， 双向线表示互为因果， 因果关系的量值可以标注在对应线的旁边， 若因果 联系线过多， 不方便标注也可以记录在表格中， 待简化后标出。 0035 步骤 S8。
17、， 化简步骤 S7 中构造的 PDC 因果关系图。该过程分为两步 ： 0036 首先， 根据过程知识， 对串级控制回路点进行简化， 若点 A 和点 B 分别为同一串级 控制回路中的内、 外环被控变量时， 先将这两点合并为一点， 暂不考虑期间的因果关系， 而 这两点的因果关系全部整合到合并点中， 合并点与普通回路变量点的单向因果关系量值取 合并点中各个点与此普通点的单向因果关系量值中的最大值 ； 而合并点 C 与合并点 D 的单 向因果关系量值取合并点 C 中个点分别与合并点 D 中各点单向因果关系量值中的最大值。 图 2 中点 1、 2 与 3 分别为同一串级控制回路的外环被控变量和内环被控变。
18、量， 故将这两点 合并为点 A ； 同理可以将 4， 5 节点合并为点 B， 7， 8 节点合并为点 C。图 2 经过简化后如图 3 所示。 0037 然后， 采用切点阈值搜索算法自动搜索切点阈值， 切除因果关系图中量值小于切 点阈值的因果关系， 得到最简的因果关系图。切点阈值的备选值的范围为简化后的因果关 系图中的所有因果关系量值。切点阈值首先取备选值中最大值， 然后逐渐减少。切点阈值 的搜索终止条件为因果关系图 ( 不考虑路径方向 ) 从非连通图变成连通图 ( 即图中任意两 点有路径相连 )。图 3 经过自动搜索后其切点阈值确定为 0.2067. 切除图 3 量值小于此阈 值的因果关系后，。
19、 图 3 化简成为图 4。 0038 步骤 S9， 根据化简后的 PDC 因果关系图， 确定波动源。若波动源位于合并点， 则对 合并点内部进行切点阈值搜索算法， 再次进行化简， 直到找出最终的波动源。 0039 本发明整合了多种频域方法对振荡根源进行定位， 在频域观察和分析信号有助于 揭示系统的本质属性， 克服了过程工业系统性能评价单一化， 时域定位噪声大， 求解困难等 说 明 书 CN 102520708 A 5 4/4 页 6 缺点， 并且采用数据驱动方式实时获得波动信息， 有利于工厂工程师实时分析出厂级振荡 最可能的根源， 从而采取措施消除， 对提高产品质量和工厂的经济效益有十分重大的促进 作用。 说 明 书 CN 102520708 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102520708 A 7 2/3 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102520708 A 8 3/3 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 102520708 A 9 。