一种基于小波分析的工业生产过程故障诊断系统及方法

摘要

一种基于小波分析的工业生产过程故障诊断系统，包括与工业过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机，所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成；智能仪表、DCS系统、上位机依次相连，所述的上位机包括标准化处理模块、小波分解模块、主元分析功能模块、小波重构功能模块、支持向量机分类器功能模块以及故障判断模块。以及提出了一种故障诊断方法。本发明提供一种同时考虑工业过程数据的复共线性、非线性特性和多尺度特性、能够得到良好的诊断效果的基于小波分析的工业生产过程故障诊断系统及方法。

主权项

1、一种基于小波分析的工业生产过程故障诊断系统，包括与工业过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机，所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成；智能仪表、DCS系统、上位机依次相连，其特征在于：所述的上位机包括：标准化处理模块，用于对数据进行标准化处理，各变量的均值为0，方差为1，得到输入矩阵X，采用以下过程来完成：1)计算均值：$\overline{\mathrm{TX}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}T{X}_i,---\left(6\right)$2)计算方差：${\sigma }_x^2=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}({\mathrm{TX}}_i-\overline{\mathrm{TX}}),---\left(7\right)$3)标准化：$X=\frac{\mathrm{TX}-\overline{\mathrm{TX}}}{{\sigma }_x},---\left(8\right)$其中，TX为训练样本，N为训练样本数；小波分解功能模块，用于采用Mallat塔式分解算法将原始信号分解为一系列近似信息和细节信息，采用以下步骤来实现：①将原始信号空间V₀可以分解为一系列逼近空间V_J与细节空间W_j，其中J是最粗的尺度，也称为分解的尺度；②计算逼近空间V_J。空间V_J由尺度函数张成，采用下式来计算：③计算细节空间W_j。细节空间W_j由小波函数{ψ_j，k(t)，j＝1，...，J，k∈Z}张成，采用下式来计算：W_j＝{ψ_j，k(t)|ψ_j，k(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-k)}    (10)其中j是尺度因子，k是平移因子；④从而得到原始信息的分解信息，采用下式进行计算：其中，第一项代表近似信息，第二项为细节信息，逼近因子a_J，k与细节因子d_j，k采用Mallat算法计算；所述的近似信息A_Jf(t)与细节信息D_jf(t)(j＝1，2，...，J)，定义如下：$D_{j}f\left(t\right)=\underset{k\in Z}{\Sigma }{d}_{j,k}{\psi }_{j,k}\left(t\right)---\left(13\right)$主元分析功能模块，用于进行主元分析提取主成分，采用协方差奇异值分解的方法，采用以下步骤来实现：①计算X的协方差阵，记为∑x；②对∑x进行奇异值分解，得到特征根λ₁，λ₂，...，λ_p，其中λ₁≥λ₂≥...≥λ_p，对应的特征向量矩阵为U；③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率，按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值；④选取特征向量矩阵U的前k列，作为变换系数矩阵T；⑤计算主元：F＝T×X；小波重构功能模块，用于进行小波重构，根据小波理论，将各尺度下得到的主元相加，即得到总的主元；支持向量机分类器功能模块，用于核函数采用径向基函数K(x_i，x)＝exp(-‖x-x_i‖/σ²)，将训练过程化为如下二次规划求解问题：$\omega \left(\alpha \right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\alpha }_i-\frac{1}{2}\underset{i,j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\alpha }_i{\alpha }_j{y}_i{y}_{j}K(x_i,x_j)---\left(14\right)$得到分类函数，即如下函数的符号函数：$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{y}_i{\alpha }_{i}K(x_i,x)+b---\left(15\right)$定义当f(x)>＝0，数据样本处于正常状态；当f(x)<0时，处于异常状态；信号采集模块，用于设定每次采样的时间间隙，采集现场智能仪表的信号；待诊断数据确定模块，用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中，在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中，得到最新的变量数据作为待诊断数据VX；故障诊断模块，用于对待诊断数据VX用训练时得到的TX和进行标准化处理，并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入，用训练时相同的参数对输入数据进行小波分解，得到的系数作为中主元分析模块的输入；用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换，变换后矩阵输入到小波重构模块；将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分，并将所得到的主成分输入到支持向量机分类器模块；将输入代入训练得到的判别函数，计算判别函数值，判别过程的状态。