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专利号: 2018102335065
申请人: 宁波大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于分散式OSC-PLS回归模型的故障检测方法,其特征在于,包括以下步骤:离线建模阶段的实施过程如下所示:

步骤(1):采集生产过程正常运行状态下的样本,组成训练数据集X∈Rn×m,并对每个测量变量进行标准化处理,得到均值为0,标准差为1的新数据矩阵 其中,n为训练样本数,m为过程测量变量数,R为实数集,Rn×m表示n×m维的实数矩阵;

步骤(2):将标准化后的数据集 表示成 其中xi∈Rn×1为第i个测量变量的n数据组成的列向量,i=1,2,…,m表示变量下标号,并初始化i=1;

步骤(3):将矩阵 中第i列数据去除得到回归模型的输入矩阵 而将xi作为回归模型的输出,利用正交信号校正(OSC)方法剔除输入 与输出xi之间的正交不相关成分,从而得到新输入矩阵 其中, 为正交成分向量,ai是 的协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量,bi为计算正交成分的回归系数向量;

步骤(4):利用偏最小二乘(PLS)回归算法建立输入Zi与输出xi之间的软测量模型:xi=ZiRi+ei    (1)

上式中,ei表示第i个变量的估计误差,Ri为PLS模型的输入-输出回归向量;

步骤(5):判断是否满足条件i<m?若是,则置i=i+1后返回步骤(3);若否,则将得到的估计误差向量组成矩阵E=[e1,e2,…,em]后继续执行下一步骤(6);

步骤(6):依次计算矩阵E的均值行向量μ∈R1×m与协方差矩阵S=(E-μ)T(E-μ)/(n-1),并计算马氏距离监测统计指标D的上限 其中 表示自由度为m的卡方分布在置信水平α=99%下的取值;

在线故障检测的实施过程如下所示:

步骤(7):集新采样时刻的数据样本x∈R1×m,对其实施与步骤(1)中相同的标准化处理得到新数据向量 后,初始化i=1;

步骤(8):将行向量 中的第i个元素yi取出后得到输入向量并按照如下所示公式剔除输入 中与输出yi之间正交不相关的信号成分,从而得到新输入向量zi:步骤(9):根据公式fi=yi-ziRi得到当前监测数据中第i个测量值的估计误差;

步骤(10):判断是否满足条件i<m?若是,则置i=i+1后返回步骤(8);若否,则将得到的估计误差组成向量f=[f1,f2,…,fm]并继续执行下一步骤;

步骤(11):根据如下所示公式计算误差向量f的统计监测指标D:D=(f-μ)S-1(f-μ)T    (3)

进而根据D的具体数值实施在线故障检测,具体思路为:若D≤Dlim,则当前时刻过程对象运行正常,继续监测下一个新样本数据;若否,当前时刻运行出现异常。

2.根据权利要求1所述的一种基于分散式OSC-PLS回归模型的故障检测方法,其特征在于,所述步骤(3)中利用正交信号校正(OSC)方法剔除输入 与输出xi之间的正交不相关成分的具体实施过程如下所示:①计算 的协方差矩阵

②求解矩阵C最大特征值λ所对应的特征向量ai;

③根据公式 计算主元向量ti∈Rn×1;

④根据公式tnew=[I-xi(xiTxi)-1xiT]ti更新主元向量,这一步其实是实施正交信号提取;

⑤根据公式 计算 与tnew之间的回归系数向量bi,并计算得到主元向量的ti的更新值

⑥检验是否满足条件||ti-tnew||/||ti||<10-6?若否,重复④~⑤;若是,执行⑦;

⑦保留特征向量ai与回归系数向量bi,并根据公式 剔除 中与输出xi之间的正交不相关成分,从而得到剔除正交不相关成分后的输入数据矩阵Zi。

3.根据权利要求1所述的一种基于分散式OSC-PLS回归模型的故障检测方法,其特征在于,所述步骤(4)中利用PLS回归算法建立输入Zi与输出xi之间的软测量模型的具体实施过程如下所示:①置k=1后,初始化向量uk=xi;

②根据公式wk=Ziuk/||Ziuk||、sk=Ziwk、qk=xiTsk/(skTsk)分别计算得到系数向量wk、得分向量sk、和系数qk;

③根据公式unew=xiqk/qk2计算向量unew;

④判断是否满足条件||uk-unew||<10-6?若否,则置uk=unew后返回步骤②;若是,则执行⑤;

⑤根据公式pk=ZiTsk/(skTsk)计算得到第k个投影向量pk∈R(m-1)×1,并保留向量pk、向量wk、和系数qk;

⑥判断矩阵Yk=skpkT中的最大元素是否大于0.001?若是,根据公式Zi=Zi-skpkT更新输入矩阵Zi后执行步骤⑦;若否,则得到投影矩阵Pi=[p1,p2,…,pk]、系数矩阵Wi=[w1,w2,…,wk]、和列向量Q=[q1,q2,…,qk]T,并执行步骤⑧;

⑦判断k<m-2?若是,则置k=k+1后,返回步骤②;若否,则得到最终的投影矩阵Pi=[p1,p2,…,pk]与系数矩阵Wi=[w1,w2,…,wk];

⑧计算回归向量Ri=Wi(PiTWi)-1Q,那么输入Zi与输出xi之间的软测量模型为:xi=ZiRi+ei,其中,ei表示第i个变量的估计误差。