基于PCA的統(tǒng)計過程監(jiān)控研究.pdf

1、過程監(jiān)控包括故障建模、故障檢測、故障隔離、故障的診斷以及過程的恢復(fù)，用于監(jiān)視生產(chǎn)過程的運(yùn)行，及時發(fā)現(xiàn)并消除過程的異常狀況，以保證生產(chǎn)的安全性以及產(chǎn)品的高質(zhì)量?；赑CA．的過程監(jiān)控主要依賴于過程數(shù)據(jù)，并不需要建立機(jī)理模型，通用性較強(qiáng)，因此近年來成為過程控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。 本文系統(tǒng)研究了基于PCA的統(tǒng)計過程監(jiān)控中的若干問題，主要集中在基于PCA的過程建模、故障檢測性能分析以及利用PCA．獲取結(jié)構(gòu)化殘差實(shí)現(xiàn)故障的隔離，具體包括：

2、 (1)在介紹PCA基本原理的基礎(chǔ)上，提出一種PCA統(tǒng)計模型的評價方法。為分析噪聲對PCA建模的影響，該法在殘差子空間(RS)利用參數(shù)估計、在主元子空間(PCS)利用模型相似度指數(shù)(MSI)描述有噪聲時的模型對理想模型的逼近程度，另外還討論了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理對建模的影響，并把上述評價方法推廣至動態(tài)系統(tǒng)。仿真證明在噪聲較小時，PCA統(tǒng)計模型與真實(shí)模型偏差極小。 (2)在提出一種基于真實(shí)值的改進(jìn)的故障模型基礎(chǔ)上，對PCA的故障

3、檢測行為進(jìn)行了分析和改進(jìn)。首先研究了傳感器故障、執(zhí)行器故障、過程故障及工作點(diǎn)正常改變對SPE和T<'2>期望變化的影響，為以往的定性結(jié)論提供了數(shù)學(xué)依據(jù)，同時指出了一些例外情況及其物理幾何意義。為克服傳統(tǒng)統(tǒng)計量的檢測局限性，引入了一種復(fù)合式統(tǒng)計量(CRS)，對基于CRS的故障檢測行為進(jìn)行分析，并給出了故障可檢測的充分和必要條件。通過CSTR平臺上的仿真，驗證了本章結(jié)論的正確性。 (3)提出了兩種圖形化的線性靜態(tài)系統(tǒng)故障隔離方法。過

4、程中發(fā)生故障時，傳統(tǒng)Q貢獻(xiàn)圖法只能定位到一個故障子集而不能準(zhǔn)確指出發(fā)生故障的具體傳感器，本文通過分析故障的映射向量內(nèi)積，指出了這一缺陷的理論根源，并在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的加權(quán)Q貢獻(xiàn)圖故障隔離方法，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器故障的準(zhǔn)確隔離。結(jié)構(gòu)化殘差足另一種有效的故障隔離工具，本文提出一種基于故障映射向量和轉(zhuǎn)換矩陣的結(jié)構(gòu)化殘差構(gòu)造算法，以實(shí)現(xiàn)包括過程故障在內(nèi)的故障直觀識別，并討論了諸如控制限計算、映射向量方向的提取算法及控制環(huán)的影響等問題。在CS

5、TR靜態(tài)平臺上的仿真，證實(shí)了加權(quán)Q貢獻(xiàn)圖可以準(zhǔn)確地定位到發(fā)生故障的傳感器，基于映射向量的結(jié)構(gòu)化殘差可正確識別出包括過程故障在內(nèi)的各個故障。 (4)對動態(tài)系統(tǒng)尤其是閉環(huán)動態(tài)系統(tǒng)的建模和故障隔離問題進(jìn)行了研究。在建模方面，提出一種滑動窗口動態(tài)PCA(DPCA)建模方法，可以以更小的運(yùn)算規(guī)模得到更簡約的PCA統(tǒng)計模型。在故障隔離方面，結(jié)合滑動窗口DPCA和部分PCA(PPCA)，提出了部分DPCA故障隔離算法(PDPCA)，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)

6、動態(tài)系統(tǒng)的傳感器故障隔離；為解決各個部分子集中存在獨(dú)立變量的問題，引入CRS統(tǒng)計量以改進(jìn)PDPCA的故障隔離性能。通過提出多模型DPCA算法把上述方法延伸至包括控制環(huán)內(nèi)傳感器故障、過程故障在內(nèi)的動態(tài)系統(tǒng)故障隔離。通過CSTR動態(tài)平臺上的仿真，證實(shí)了上述方法的有效性。 (5)系統(tǒng)研究了基于Kernel PCA(KPCA)的非線性過程監(jiān)控。在建模階段，討論了特征空間標(biāo)準(zhǔn)化的問題；在故障檢測階段，提出了一種利用核矩陣構(gòu)造SPE統(tǒng)計量的