一種基于改進(jìn)局部均值分解的工業(yè)控制回路振蕩檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)控制中的性能評(píng)估領(lǐng)域，具體涉及一種基于改進(jìn)局部均值分解的 工業(yè)控制回路振蕩檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代工業(yè)過程設(shè)備具有規(guī)模大、綜合度高、操控復(fù)雜、變量多，且長時(shí)間運(yùn)行在閉 環(huán)控制下等特點(diǎn)。工業(yè)常見的化工生產(chǎn)過程，往往包含成千上萬個(gè)控制回路，而且，這些控 制回路由于耦合關(guān)系而互相影響。由于工業(yè)控制回路中控制器過整定、外部擾動(dòng)和調(diào)節(jié)閥 非線性工作等特性的普遍存在，控制回路的振蕩行為時(shí)常發(fā)生，這極大地影響了工業(yè)流程 設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性。
[0003] 對(duì)工業(yè)流程設(shè)備進(jìn)行初步準(zhǔn)確的振蕩檢測(cè)可以減少廢品生產(chǎn)量，降低不合格率， 提高工業(yè)流程設(shè)備運(yùn)行過程中的可靠性、安全性，同時(shí)降低制造成本。許多控制器在運(yùn)行初 期還能保持良好的性能，但隨著時(shí)間的推移，由于外部干擾因素或設(shè)備自身問題的影響，控 制器的性能會(huì)逐漸降低甚至失效。具體表現(xiàn)為控制回路過程發(fā)生各類振蕩行為，其中可能 包含多重振蕩、間歇振蕩、非線性等成分，從而威脅到工業(yè)過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0004] 同時(shí)，由于實(shí)時(shí)環(huán)境中設(shè)備負(fù)載和工況經(jīng)常發(fā)生變化，工業(yè)過程還表現(xiàn)出非平穩(wěn) 數(shù)據(jù)特性的一面，具體表現(xiàn)為過程數(shù)據(jù)的局部均值迀移現(xiàn)象。對(duì)于重要的控制回路，及時(shí)發(fā) 現(xiàn)其運(yùn)行過程的振蕩特性有助于工程人員進(jìn)行故障診斷和排查。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)性 能評(píng)估過程中，設(shè)計(jì)有效的在線監(jiān)控手段，及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)出控制回路中非平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)的 各類振蕩成分，并區(qū)分出各自不同的頻率范圍，對(duì)于控制器性能評(píng)估和控制回路故障診斷 都有著重要意義。
[0005] 現(xiàn)有的工業(yè)控制回路振蕩檢測(cè)技術(shù)，絕大多數(shù)都是基于平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)的分析方 法。最近二十年中也出現(xiàn)了一些針對(duì)非平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)的振蕩檢測(cè)方法。按其主要思路可大 致歸納為三種:基于過程數(shù)據(jù)時(shí)域統(tǒng)計(jì)的分析方法;基于過程數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)(ACF)的分 析方法；以及基于過程數(shù)據(jù)的信號(hào)分解方法(包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸釫MD和基變換分解）。
[0006] 基于過程數(shù)據(jù)時(shí)域統(tǒng)計(jì)或自相關(guān)函數(shù)域分析的檢測(cè)方法在工業(yè)應(yīng)用中有三個(gè)缺 點(diǎn):一、該方法需要對(duì)待檢測(cè)回路或過程有一定先驗(yàn)知識(shí)，某些參數(shù)也是按照經(jīng)驗(yàn)確定;二、 對(duì)非平穩(wěn)和多振蕩周期存在的工業(yè)過程，無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無干預(yù)檢測(cè)，需要設(shè)計(jì)針對(duì)性的 濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)平穩(wěn)化處理和振蕩成分分離;三、多數(shù)檢測(cè)算法無法定量計(jì)算振蕩成分的 規(guī)則程度。
[0007] 目前基于過程數(shù)據(jù)的信號(hào)分解方法相較上述檢測(cè)方法存在進(jìn)步，但是其局限性主 要體現(xiàn)在:現(xiàn)有信號(hào)分解技術(shù)分解得到的子信號(hào)層數(shù)冗余繁多，導(dǎo)致許多子信號(hào)缺乏實(shí)際 物理意義支持，不具有良好的代表性，而且這些方法對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)趨勢(shì)的擬合度也比較差， 計(jì)算復(fù)雜度也比較高。另外，基于分解技術(shù)的方法不能處理過程數(shù)據(jù)中間歇振蕩、時(shí)變振蕩 等成分。
[0008] 在過程振蕩檢測(cè)算法的實(shí)際應(yīng)用中，能有效檢測(cè)工業(yè)控制回路是否具有振蕩行 為，并定量評(píng)估振蕩行為的規(guī)則度指數(shù)，且普遍適用于存在時(shí)變振蕩、間歇振蕩、非平穩(wěn)和 非線性成分的過程數(shù)據(jù)，對(duì)于準(zhǔn)確診斷工業(yè)過程振蕩的存在性有非常重要的實(shí)用意義，也 有利于工業(yè)過程控制性能的定量評(píng)估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種基于改進(jìn)局部均值分解的工業(yè)控制回路振蕩檢測(cè)方法，能夠適 用于存在時(shí)變振蕩、多周期振蕩等行為的工業(yè)控制回路過程，檢測(cè)方法普遍適用于非平穩(wěn) 或平穩(wěn)的過程數(shù)據(jù)，只需獲取常規(guī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，無需過程機(jī)理知識(shí)。
[0010] -種基于改進(jìn)局部均值分解的工業(yè)控制回路振蕩檢測(cè)方法，包括：
[0011] 步驟1，采集一組待檢測(cè)控制回路的過程輸出信號(hào)；
[0012] 步驟2,利用相似波形匹配方法，對(duì)過程輸出信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)延拓；
[0013] 步驟3,對(duì)延拓后的過程輸出信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)的局部均值分解，得到分解子信號(hào)； [0014]步驟4,計(jì)算各分解子信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)（Regularity of auto-covariance function zero-crossing intervals)；
[0015] 步驟5,判斷各自相關(guān)函數(shù)零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)是否超過閾值，若超過閾值，則控 制回路對(duì)應(yīng)的分解子信號(hào)中存在震蕩。
[0016] 若所采集的過程輸出信號(hào)中有多個(gè)分解子信號(hào)存在振蕩行為，則判斷該控制回路 存在多周期振蕩行為。
[0017] 本發(fā)明可以提高時(shí)變、多周期振蕩等行為的檢測(cè)準(zhǔn)確度和可靠性，在提高經(jīng)濟(jì)效 益方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。
[0018] 本發(fā)明直接采用化工過程的可測(cè)變量作為過程輸出信號(hào)，該過程輸出信號(hào)通過現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)時(shí)采集獲得，即并隨著時(shí)間推移，不斷采集和更新過程輸出信號(hào)到監(jiān)控系統(tǒng)。首先對(duì)所 采集到的過程歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行端點(diǎn)延拓處理，然后利用改進(jìn)的局部均值分解得到分解子信號(hào) 集合{X k}，計(jì)算各個(gè)分解子信號(hào)Xk對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)nk，n k的計(jì)算復(fù)雜 度極小，對(duì)大批量的多組數(shù)據(jù)也可以同時(shí)進(jìn)行。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟2中，在過程輸出信號(hào)的左端取一段波形，尋找過程輸出信號(hào)中與 該段波形匹配度最高的波形的左邊波形，利用左邊波形對(duì)過程輸出信號(hào)的左端進(jìn)行延拓； 在過程輸出信號(hào)的右端取一段波形，尋找過程輸出信號(hào)中與該段波形匹配度最高的波形的 右邊波形，利用右邊波形對(duì)過程輸出信號(hào)的右端進(jìn)行延拓。
[0020] 作為優(yōu)選，步驟3中，進(jìn)行改進(jìn)的局部均值分解時(shí)，采用自適應(yīng)的窗口尺寸選擇策 略進(jìn)行滑動(dòng)窗口平均，采用二范數(shù)的判定形式作為純頻率調(diào)制信號(hào)的判定標(biāo)準(zhǔn)。
[0021] 自適應(yīng)的窗口尺寸選擇策略是指，在每次迭代過程中，窗口尺寸均可以依據(jù)當(dāng)前 過程輸出信號(hào)的特征予以調(diào)整，該策略允許對(duì)較長時(shí)序進(jìn)行批處理，優(yōu)選地，自適應(yīng)的窗口 尺寸計(jì)算公式如下：
[0022]
[0023]其中，W表示滑動(dòng)平均的窗口尺寸，Ti表示過程輸出信號(hào)中所有連續(xù)極值點(diǎn)的時(shí)間 間隔，，々分別表示T,的均值，％表示T,的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)前過程輸出信號(hào)的 數(shù)據(jù)長度，的數(shù)量級(jí)，C為一個(gè)常數(shù)。C默認(rèn)值為3。
[0024] 迭代過程中純頻率調(diào)制信號(hào)的判定標(biāo)準(zhǔn)是指，對(duì)于迭代η次后的調(diào)制信號(hào)Skn(t)， 判定其作為純頻率調(diào)整信號(hào)的條件，優(yōu)選地，步驟3中，純頻率調(diào)制信號(hào)的判定標(biāo)準(zhǔn)為s kn(t) 的局部包絡(luò)函數(shù)滿足以下不等式：
[0025]
[0026] 其中，Skn(t)為迭代η次后的調(diào)制信號(hào);ak(n+i)為Skn(t)的局部包絡(luò)函數(shù)，norm{ · } 表示取二范數(shù)，length{x(t)}為當(dāng)前過程輸出信號(hào)x(t)的數(shù)據(jù)長度，δ為常數(shù)，取值范圍是δ = 0.001 ~0.01。
[0027] 作為優(yōu)選，步驟4中，計(jì)算各分解子信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)的步驟 如下：
[0028] 步驟4-1，計(jì)算各分解子信號(hào)#的自相關(guān)函數(shù)，k為分解子信號(hào)的編號(hào)；
[0029] 步驟4-2,統(tǒng)計(jì)自相關(guān)函數(shù)內(nèi)所有連續(xù)零交叉點(diǎn)之間的間隔#，分別計(jì)算間隔Zf 的均值/4,和標(biāo)準(zhǔn)差
[0030] 步驟4-3,利用下式計(jì)算自相關(guān)函數(shù)零交叉點(diǎn)規(guī)律性指標(biāo)Tlk:
[0031]
[0032] 作為優(yōu)選，步驟5中的閾值為1。
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果：
[0034] 1、無需外部附加信號(hào)激勵(lì)，也不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)引入附加擾動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非侵入式 的檢測(cè)與診斷。
[0035] 2、計(jì)算復(fù)雜度低，便于操作，算法編寫簡易，利于在現(xiàn)有的DCS工作站或控制系統(tǒng) 上位機(jī)上實(shí)施。
[0036] 3、所采用的信號(hào)分解方法實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)中非平穩(wěn)分量的自動(dòng)分離，相比于現(xiàn)有 其他分解技術(shù)，分解效率更高，計(jì)算復(fù)雜度更低。
[0037] 4、所提出的滑動(dòng)平均窗口尺寸選擇策略具有自適應(yīng)的特性，同時(shí)改進(jìn)過后的迭代 終止條件更適合于過程控制回路振蕩檢測(cè)。
[0038] 5、能夠?qū)I(yè)控制回路的時(shí)變、多周期振蕩行為進(jìn)行量化指標(biāo)檢測(cè)，為待檢測(cè)回 路性能的評(píng)估和故障源診斷提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。
[0039] 6、完全采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的方法，無需過程先驗(yàn)知識(shí)，無需預(yù)先設(shè)計(jì)濾波器，也不需 進(jìn)行人工干預(yù)。
【附圖說明】
[0040] 圖1為實(shí)施例中化工過程的流程示意圖；
[0041] 圖2為實(shí)施例中采集的一組加熱爐出口溫度控制回路的過程輸出信號(hào)；
[0042] 圖3為實(shí)施例中過程輸出信號(hào)經(jīng)相似波形匹配方法端點(diǎn)延拓后的數(shù)據(jù)；
[0043] 圖4為實(shí)施例中過程輸出信號(hào)經(jīng)局部均值分解后的示意圖；
[0044] 圖5為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面以國內(nèi)某大型石化企業(yè)延遲焦化生產(chǎn)過程中主加熱爐的性能評(píng)估為例，對(duì)存 在控制閥粘滯特性的化工過程的時(shí)變振蕩行為檢測(cè)方法做詳細(xì)描述。
[0046] 如圖1所示，石化過程加熱爐是生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)和主要能耗單元之一，爐出 口溫度的平穩(wěn)控制對(duì)于提高產(chǎn)品品質(zhì)和降低能耗有著重要意義。
[0047] 加熱爐通過瓦斯氣供應(yīng)取熱，瓦斯量根據(jù)上游油性變化而波動(dòng)，需要控制空氣進(jìn) 風(fēng)量使瓦斯氣充分燃燒以獲取最大熱量，同時(shí)應(yīng)保證一定的空氣余量，但過多的低溫空氣 會(huì)帶走爐內(nèi)熱量，造成燃料浪費(fèi)，損失經(jīng)濟(jì)效益，因此，以加熱爐出口溫度作為被控變量，燃 料瓦斯氣開度作為操作變量進(jìn)行回路控制，同時(shí)過程存在隨機(jī)擾動(dòng)。
[0048] 瓦斯氣開度調(diào)節(jié)閥（控制閥）屬于該控制回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)一 定的非線性特性，由于控制器過整定等原因，控制回路容易出現(xiàn)持續(xù)振蕩行為。而且，外部 擾動(dòng)也可以通過耦合回路引入該回路，導(dǎo)致回路產(chǎn)生其他頻率振蕩。
[0049] 如圖5所示，一種基于改進(jìn)局部均值分解的工業(yè)控制回路振蕩檢測(cè)方法，包括：
[0050] 步驟1，采集一組待檢測(cè)控制回路的過程輸出信號(hào)。
[0051] 采集過程輸出信號(hào)的方法為，在預(yù)設(shè)的每個(gè)采樣間隔內(nèi)記錄下待檢測(cè)的控制回路 中的過程數(shù)據(jù)，且每個(gè)采樣間隔內(nèi)采集到的過程數(shù)據(jù)都添加在先前所采集的過程數(shù)據(jù)末 端。
[0052] 采樣間隔是指性能評(píng)估系統(tǒng)的采樣間隔。過程數(shù)據(jù)隨著時(shí)間推移不斷更新，每經(jīng) 過一個(gè)采樣間隔的時(shí)間長度，均有新的過程數(shù)據(jù)添加到先前采集的過程數(shù)據(jù)的末端。性能 評(píng)估系統(tǒng)的采樣間隔一般與工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制周期相同，也可以選擇為控制周期的整 數(shù)倍，具體根據(jù)性能監(jiān)控和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性要求和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量限制來確定。
[0053] 本實(shí)施例所采集的過程輸出信號(hào)為瓦斯氣調(diào)節(jié)閥粘滯情況下，又有間歇的外部擾 動(dòng)引入時(shí)加熱爐出口溫度數(shù)據(jù)。經(jīng)過中心化后的加熱爐出口溫度數(shù)據(jù)如圖2所示，圖2中橫 坐標(biāo)為采樣點(diǎn)序數(shù)，單位為Samp 1 e (1個(gè)Samp 1 e對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)的采樣間隔），縱坐標(biāo)為經(jīng)過中 心化