检索结果-内蒙古大学图书馆

控制理论与应用 2008年第6期25卷 1099-1104页

作者：李荣雨荣冈南京工业大学信息科学与工程学院江苏南京210009 工业控制技术国家重点实验室、浙江大学先进控制研究所浙江杭州310027

在基于主元分析(PCA)的多变量统计过程监控中,现有方法很难直观有效地完全实现故障的隔离与诊断.本文通过分析各类故障的数学模型,提出一种基于结构化残差和故障映射向量的隔离方法,并推导出PCA模型下过程故障映射向量方向的提取算法,... 详细信息

在基于主元分析(PCA)的多变量统计过程监控中,现有方法很难直观有效地完全实现故障的隔离与诊断.本文通过分析各类故障的数学模型,提出一种基于结构化残差和故障映射向量的隔离方法,并推导出PCA模型下过程故障映射向量方向的提取算法,进而实现了传感器/执行器故障和过程故障的故障隔离,在CSTR仿真上的研究进一步验证了该法的有效性.

关键词：主元分析故障隔离过程故障结构化残差映射向量

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基于凸优化的分层控制系统性能评估

基于凸优化的分层控制系统性能评估

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作者：傅若玮浙江大学

学位级别：博士

随着过程工业生产规模的不断扩大化和被控对象的复杂化,直接控制层加约束控制层的分层控制方案以其灵活的组态结构和更强的鲁棒性等优势在过程工业中广泛应用,保障了过程运行中安全、平稳、高效等不同层面的需求。分层控制策略中把扰动... 详细信息

随着过程工业生产规模的不断扩大化和被控对象的复杂化,直接控制层加约束控制层的分层控制方案以其灵活的组态结构和更强的鲁棒性等优势在过程工业中广泛应用,保障了过程运行中安全、平稳、高效等不同层面的需求。分层控制策略中把扰动抑制、设定值跟踪、经济性能优化等各个方面的控制任务分配给各层次的子系统来完成。由于控制目标相互关联,所以该系统各方面控制性能的实现程度相互影响且难以被直观评判。如何实时、准确、全面地评估分层控制系统的控制性能具有十分重要的意义。为了解决分层控制系统的性能评价问题,本文基于凸优化理论提出了一整套关于控制性能基准建模、评估与优化的研究框架。位于直接控制层的PID控制器受到结构限制,给控制性能优化问题引入了非凸约束,给问题求解带来较大困难。在充分考虑控制器结构约束的基础上,本文将关于控制器参数的最优可达性能基准非凸优化问题重新描述为更清晰的数学结构形式,设法将带有非凸约束的优化问题近似为易于求解的凸优化问题,降低了求解算法的复杂度。本文的主要工作包括以下方面： 1.针对直接控制层中由PID(Proportional-Integral-Derivative)控制的单变量线性时不变系统,在设定值恒定时,提出一种以最小可达输出方差为调节性能基准的性能评价框架。单变量线性时不变PID控制系统最小可达输出方差的估计问题被归结为一个带有非凸约束的凸优化问题。为求解该问题,将非凸约束线性化,采用罚函数法处理,并设计出一种全新的低计算复杂度的迭代凸规划求解算法。从而建立起PID控制回路的调节性能基准。该方法适用于受PID控制的连续过程调节性能评估。 2.针对直接控制层中由PID控制的单变量线性时不变系统,在设定值受约束控制层影响出现跳变时,提出一种以最小可达调节误差方差为调节性能评估基准,以最小绝对跟踪误差积分为跟踪性能评估基准,并以调节／跟踪性能折中曲线作为均衡性能基准的性能评估框架。将线性时不变系统PID控制器的最小可达调节误差方差估计问题重新归结为一个带有双线性矩阵不等式约束的二次型规划问题,将最小绝对跟踪误差积分估计问题归结为一个带有双线性矩阵不等式约束的线性凸规划问题,再通过目标函数加权和的形式,把调节／跟踪性能均衡最优化问题构造为一个关于PID参数的带有双线性矩阵不等式约束的二次型优化问题。采用通用的序列二次规划算法求解上述问题,建立起受单一PID控制的多目标性能基准。该方法适用于直接控制层的调节／跟踪综合性能评估。 3.针对由PID控制的单变量线性时变间歇过程,考虑一个完整批次包含多个运行阶段,提出一种基于最小可达结构化残差的性能基准建模与求解方法。为了简化线性时变系统的分析与综合,使基于线性时不变系统PID控制性能评估的方法可移植到线性时变系统中,建立了线性时变系统的时变脉冲响应矩阵模型。根据设定值的动态特性将一个批次划分为调节与跟踪阶段,通过阶段的权重矩阵辅助建立关于各运行阶段和完整批次的结构化残差,线性时变系统PID控制的最小可达结构化残差方差的估计问题被归结为一个非凸优化问题。分析了引入的结构化矩阵对该优化问题求解的影响,分别针对相应的带有秩一约束的凸优化问题和带有双线性矩阵不等式约束的二次型规划问题设计了相应的求解算法。仿真实验表明该优化问题变型大幅提高了求解效率。该方法适用于受PID控制的间歇过程综合性能评估。 4.针对分层控制系统中约束控制层的经济性能评估问题,提出了一种基于最优-最差经济性能区间的评估方法。通过分析分层控制的直接控制、约束控制和实时优化三层垂直结构的信息交互方式,阐述了基本控制性能与总体经济性能的关联关系。通过计算该控制系统的最优-最差经济性能区间,给出了一种面向经济性能的评估基准。提出一种根据过程开环模型和直接层控制器参数计算约束控制层中模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)广义对象模型的方法,有效减少模型与真实对象失配引起的控制性能下降。给出了实时监测和评估分层控制系统经济效益的步骤方法,对Shell重油分馏塔模型的仿真结果表明了该方法的有效性。

关键词：分层控制系统性能评估调节跟踪结构化残差间歇过程

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基于PCA的统计过程监控研究

基于PCA的统计过程监控研究

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作者：李荣雨浙江大学

学位级别：博士

过程监控包括故障建模、故障检测、故障隔离、故障的诊断以及过程的恢复，用于监视生产过程的运行，及时发现并消除过程的异常状况，以保证生产的安全性以及产品的高质量。基于PCA的过程监控主要依赖于过程数据，并不需要建立机理模型... 详细信息

过程监控包括故障建模、故障检测、故障隔离、故障的诊断以及过程的恢复，用于监视生产过程的运行，及时发现并消除过程的异常状况，以保证生产的安全性以及产品的高质量。基于PCA的过程监控主要依赖于过程数据，并不需要建立机理模型，通用性较强，因此近年来成为过程控制领域研究的热点。本文系统研究了基于PCA的统计过程监控中的若干问题，主要集中在基于PCA的过程建模、故障检测性能分析以及利用PCA获取结构化残差实现故障的隔离，具体包括：（1）在介绍PCA基本原理的基础上，提出一种PCA统计模型的评价方法。为分析噪声对PCA建模的影响，该法在残差子空间（RS）利用参数估计、在主元子空间（PCS）利用模型相似度指数（MSI）描述有噪声时的模型对理想模型的逼近程度，另外还讨论了数据标准化预处理对建模的影响，并把上述评价方法推广至动态系统。仿真证明在噪声较小时，PCA统计模型与真实模型偏差极小。（2）在提出一种基于真实值的改进的故障模型基础上，对PCA的故障检测行为进行了分析和改进。首先研究了传感器故障、执行器故障、过程故障及工作点正常改变对SPE和T2期望变化的影响，为以往的定性结论提供了数学依据，同时指出了一些例外情况及其物理几何意义。为克服传统统计量的检测局限性，引入了一种复合式统计量（CRS），对基于CRS的故障检测行为进行分析，并给出了故障可检测的充分和必要条件。通过CSTR平台上的仿真，验证了本章结论的正确性。（3）提出了两种图形化的线性静态系统故障隔离方法。过程中发生故障时，传统Q贡献图法只能定位到一个故障子集而不能准确指出发生故障的具体传感器，本文通过分析故障的映射向量内积，指出了这一缺陷的理论根源，并在此基础上提出一种改进的加权Q贡献图故障隔离方法，从而实现了传感器故障的准确隔离。结构化残差是另一种有效的故障隔离工具，本文提出一种基于故障映射向量和转换矩阵的结构化残差构造算法，以实现包括过程故障在内的故障直观识别，并讨论了诸如控制限计算、映射向量方向的提取算法及控制环的影响等问题。在CSTR静态平台上的仿真，证实了加权Q贡献图可以准确地定位到发生故障的传感器，基于映射向量的结构化残差可正确识别出包括过程故障在内的各个故障。（4）对动态系统尤其是闭环动态系统的建模和故障隔离问题进行了研究。在建模方面，提出一种滑动窗口动态PCA（DPCA）建模方法，可以以更小的运算规模得到更简约的PCA统计模型。在故障隔离方面，结合滑动窗口DPCA和部分PCA（PPCA），提出了部分DPCA故障隔离算法（PDPCA），实现了闭环动态系统的传感器故障隔离；为解决各个部分子集中存在独立变量的问题，引入CRS统计量以改进PDPCA的故障隔离性能。通过提出多模型DPCA算法把上述方法延伸至包括控制环内传感器故障、过程故障在内的动态系统故障隔离。通过CSTR动态平台上的仿真，证实了上述方法的有效性。（5）系统研究了基于Kernel PCA（KPCA）的非线性过程监控。在建模阶段，讨论了特征空间标准化的问题；在故障检测阶段，提出了一种利用核矩阵构造SPE统计量的方法以便故障检测更易实现；在故障隔离阶段，提出了部分KPCA算法，把基于结构化残差的故障隔离方法推广到非线性系统。CSTR非线性平台上的仿真同样证实了该法的有效性。最后在总结全文的基础上，对未来的研究课题和工作进行了展望。

关键词：统计过程监控主元分析故障的检测故障的隔离结构化残差

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基于结构优化PCA的传感器故障诊断方法及其应用研究

基于结构优化PCA的传感器故障诊断方法及其应用研究

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作者：付克昌浙江大学

学位级别：博士

在工业系统中，控制器和操作人员需要得到准确的测量值以便了解过程的状态，传感器读数在估计系统状态中起着关键的作用。系统的安全性、可靠性和整个生产的效能很大程度上取决于传感器的精度和可靠性。然而，传感器比系统中的其它部分... 详细信息

在工业系统中，控制器和操作人员需要得到准确的测量值以便了解过程的状态，传感器读数在估计系统状态中起着关键的作用。系统的安全性、可靠性和整个生产的效能很大程度上取决于传感器的精度和可靠性。然而，传感器比系统中的其它部分更容易出现故障。如果不能及时识别故障源并采取正确的策略将导致昂贵的和不必要的系统停机，或者更严重的安全事故，从而危及生命财产安全。因此，研究如何及时发现、快速诊断传感器故障具有十分重要的意义。本文旨在通过结构优化提高基于主元分析(PCA)方法的传感器故障诊断的快速性和准确性，并设计和开发了传感器故障诊断系统。所取得的研究成果主要包括： 1)针对标准核主元分析(KPCA)的不适合大样本量的缺点，提出了一种基于特征子空间的核主元分析(FS KPCA)方法，该方法通过构建具有较小维数的特征子空间上的正交基，优化样本在特征空间中的结构表示，以降低KPCA的计算复杂性。经过结构优化的FS KPCA算法解决了在大量样本下KPCA的建模问题，提高了基于核主元分析方法的实用性。 2)推导了基于FS KPCA的信号重构算法，在此基础上，提出了基于FS KPCA的传感器故障检测与诊断方法。和传统的基于KPCA的故障诊断方法相比，该方法具有更高计算效率和只需较小的计算机存储空间。而与线性PCA相比，FS KPCA具有能正确描述系统的非线性特性的优点。通过非等温连续反应釜过程的故障检测与诊断的应用实例，说明了基于具有优化结构的FS KPCA信号重构传感器故障诊断方法的快速性和有效性。 3)针对一种基于结构化残差PCA的传感器故障诊断方法，即：基于具有最大敏感性结构化残差(SRAMS)的传感器故障检测与诊断方法，在设计影响矩阵时只考虑故障编码的可分离性，而没有考虑故障诊断的快速性和灵敏性的缺点，提出了故障敏感度和故障诊断灵敏度等指标，并给出了两种影响矩阵(Incidence Matrix)结构的优化设计算法，从而提高传感器故障诊断的快速性和准确性。将本文方法应用于田纳西-东人(TE)模型反应器中的传感器故障检测与诊断，仿真结果说明基于结构优化SRAMS的故障诊断方法较原有的SRAMS方法能更快更准确地分离出传感器故障。 4)提出了一种基于结构化KPCA的非线性系统传感器故障诊断方法。该方法根据影响矩阵确定各个KPCA子模型的变量子集并进行KPCA分析，根据各KPCA子模型归一化能量指标的超限情况并结合影响矩阵的列(故障编码)进行传感器故障的诊断。为了提高故障诊断的快速性和对故障的灵敏性，对故障敏感度灵敏度指标和故障诊断灵敏度进行了非线性扩展，并推导了求解方法；在此基础上，得出基于结构化KPCA传感器故障诊断的影响矩阵结构的优化设计方法。针对非绝热连续反应过程的传感器故障诊断的仿真结果，说明对于非线性过程，该方法能显著提高传感器故障诊断的快速性和准确性。 5)根据催化裂化过程及炼油厂实时信息系统的特点，设计和实现了基于结构优化SRAMS方法的催化裂化过程的仪表故障诊断系统。通过在某炼油厂现场的试运行，说明了设计系统的有效性。该系统目前已经在某炼油厂投入运行，达到设计目标。最后在总结全文的基础上，指出了传感器故障诊断中有待深入研究的若干问题。

关键词：传感器故障诊断结构优化主元分析结构化残差信号重构催化裂化

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基于融合模型的柴油机空气管理系统故障诊断

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科学技术与工程 2020年第25期20卷 10280-10286页

作者：王英敏中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院北京100040 北京理工大学机械与车辆学院北京100080

柴油机作为重要的动力机械,其性能监测和故障诊断得到重视。而柴油机空气管理系统故障包括进气系统漏气、堵塞和废气再循环(EGR)阀卡涩等,故障将会导致排放恶化和经济性下降。针对空气管理系统具有较强的非线性,无法建立精确的数学模型... 详细信息

柴油机作为重要的动力机械,其性能监测和故障诊断得到重视。而柴油机空气管理系统故障包括进气系统漏气、堵塞和废气再循环(EGR)阀卡涩等,故障将会导致排放恶化和经济性下降。针对空气管理系统具有较强的非线性,无法建立精确的数学模型等问题,建立了基于数学模型和数据驱动模型的融合模型,针对进气歧管漏气、中冷器堵塞,EGR阀卡滞等故障进行诊断研究。采用机理建模的方法建立EGR流量模型、充气系数模型和基于数据驱动建模的方法建立充气系数模型、进气压力波动幅值模型,利用奇偶方程法进行残差生成器的设计并生成三个残差信号,通过仿真分析可得到故障和残差值之间的映射矩阵,最后,采用模糊推理的方法进行故障诊断。研究结果表明:所构建的故障诊断系统能准确地诊断出空气管理系统的漏气直径为5 mm、堵塞至进气流量减少10%和EGR阀卡滞故障在关闭状态。

关键词：空气管理系统数学模型数据驱动融合模型奇偶方程结构化残差故障诊断

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结构化混合注意力网络的图像超分辨率重建

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计算机科学 2023年第S1期50卷 352-356页

作者：喻九阳张德安戴耀南胡天豪夏文凤湖北省绿色化工装备工程技术研究中心武汉430205 武汉工程大学机电工程学院武汉430205

针对现有图像超分辨模型存在特征提取能力弱、模型参数量较复杂等问题,提出了一种结构化混合注意力网络的图像超分辨率重建模型,该模型在提高图像超分辨率重建效果的同时降低了模型的参数量。首先,对编码器进行结构化处理,通过通道数量... 详细信息

针对现有图像超分辨模型存在特征提取能力弱、模型参数量较复杂等问题,提出了一种结构化混合注意力网络的图像超分辨率重建模型,该模型在提高图像超分辨率重建效果的同时降低了模型的参数量。首先,对编码器进行结构化处理,通过通道数量的不同来提取更多的图像特征。其次,对编码器的输出特性进行注意力网络混合重组,从而加强图像的特征特性。最后,采用残差方式将输入的浅层图像特征直接与强化特征相混合,降低网络的参数量。实验结果表明,在公共数据集及不同放大倍率的前提下,文中构建模型的PSNR值和SSIM值基本是最优的,且网络结构的参数量较低,较好地平衡了图像超分辨率重建过程中性能和参数复杂度间的关系。

关键词：图像处理超分辨率结构化残差混合注意力低模型参数

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部分PCA在非线性故障隔离中的应用

部分PCA在非线性故障隔离中的应用

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第五届全球智能控制与自动化大会会议

作者：李荣雨荣冈浙江大学工业控制技术国家重点实验室浙江大学工业控制技术国家重点实验室

主元分析(PCA)是复杂过程故障检测的重要工具,但故障识别的能力却很差。部分PCA 利用结构化残差的思想很好地解决了这一问题。由于流程工业中存在着使PCA 不能实现的严重非线性,本文结合部分PCA 和非线性PCA(NPCA),引入PNPCA 来解决非... 详细信息

主元分析(PCA)是复杂过程故障检测的重要工具,但故障识别的能力却很差。部分PCA 利用结构化残差的思想很好地解决了这一问题。由于流程工业中存在着使PCA 不能实现的严重非线性,本文结合部分PCA 和非线性PCA(NPCA),引入PNPCA 来解决非线性系统中的故障识别,同时给出了该法具体实现步骤,并通过在TE 过程上的仿真检验,证明其具有较好的效果。

关键词：故障隔离结构化残差非线性主元分析部分 PCA

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