1.一种基于分散式AR-PLS模型的动态过程监测方法,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,并按照如下形式构造增广型矩阵Xa∈R(N-d)×m(d+1):N×m
其中,N为训练样本数,m为过程测量变量数,R为实数集,R 表示N×m维的实数矩阵,xn∈R1×m为第n个采样时刻的样本数据,下标号n=1,2,…,N,d为引入的延时测量值的个数;
步骤(2):对增广型矩阵Xa中每列实施标准化处理,得到均值为0,标准差为1的新数据矩阵 后初始化i=1;
步骤(3):将新数据矩阵 中第i列数据 取出作为自回归(Auto Regression,AR)模型的输出,新数据矩阵 中剩余的列则作为AR模型的输入矩阵 再利用偏最小二乘(Partial Least Squares,PLS)算法训练得到 与输出 之间的AR模型:其中,bi为输入-输出回归向量,ei表示第i个变量的预测误差;
步骤(4):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估计误差矩阵E=[e1,e2,…,em]∈R(N-d)×m后继续执行下一步骤(5);
步骤(5):将估计误差矩阵E作为新的训练数据矩阵,对其中的每一列实施标准化处理,得到均值为0,标准差为1的矩阵步骤(6):对矩阵 实施奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD),即:步骤(7):根据公式 计算监测统计量的控制上限Dlim,并保留参数集Θ={V,Λ,Dlim}以备在线监测时调用,其中 表示自由度为r的卡方分布在置信度α=99%下的取值;
在线过程监测阶段的实施过程如下所示:
步骤(8):收集新采样时刻的数据样本xt∈R1×m,引入其前d个采样时刻的样本得到增广向量xa=[xt,xt-1,…,xt-d],其中t表示当前采样时刻;
步骤(9):对xa实施与步骤(2)同样的标准化处理得到 并初始化i=1;
步骤(10):将行向量 中的第i个元素yi取出后作为AR模型输出,而将向量 中其余元素组成AR模型输入 并根据步骤(3)中训练得到的AR模型计算yi的预测误差fi:
步骤(11):判断是否满足条件i<m;若是,则置i=i+1后返回步骤(10);若否,则将得到的误差组成向量f=[f1,f2,…,fm]并继续执行下一步骤(12);
步骤(12):对f实施与步骤(5)中相同的标准化处理得到新向量 调用步骤(7)中保存的参数集Θ对 进行转换得到向量μ,即:
T
步骤(13)根据公式D=μμ计算监测统计指标D,判断是否满足条件D>Dlim;若否,则当前样本为正常工况采样;若是,则当前采样数据来自故障工况。
2.根据权利要求1所述的一种基于分散式AR-PLS模型的动态过程监测方法,其特征在于,所述步骤(3)中利用PLS算法训练得到 与输出 之间的AR模型的具体实施过程如下所示:①置k=1与 后,初始化向量
②根据公式wk=Ziuk/||Ziuk||、sk=Ziwk、 分别计算得到系数向量wk、得分向量sk、和系数qk,其中||Ziuk||表示计算向量Ziuk的长度;
③根据公式 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(d+1)-1]×1,并保留投影向量pk、系数向量wk、和系数qk;
⑥判断矩阵Yk=skpkT中的最大元素是否大于0.01;若是,根据公式Zi=Zi-skpkT更新矩阵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(d+1)-1;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bi=Wi(PiTWi)-1Q,那么输入矩阵 与输出xi之间的AR模型为:其中,ei表示第i个变量的预测误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于分散式AR-PLS模型的动态过程监测方法,其特征在于,所述步骤(6)中对 实施奇异值分解的具体实施过程如下所示:①设置r=1与 后,初始化列向量tr为矩阵 中的第一列;
②根据公式vr=FTtr/(trTtr)计算得到向量vr;
③根据公式tnew=Fvr/(vrTvr)计算向量tnew;
④判断是否满足条件||tnew-tr||<10-6;若是,则执行下一步骤⑤;若否,则置tr=tnew后返回步骤②;
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⑤根据公式 与μr=trλr 分别计算得到第r个奇异值λr与向量μr,并根据公式F=F-trvrT更新F;
⑥判断是否满足条件λr≤10-3;若否,则设置r=r+1与向量tr为矩阵F中的第一列后返回步骤②;若是,则将所有得到的奇异值λ1,λ2,…,λr组成对角矩阵Λ∈Rr×r,将所有得到的向量μ1,μ2,…,μr组成矩阵U=[μ1,μ2,…,μr],再将所有的向量v1,v2,…,vr组成矩阵V=[v1,v2,…,vr]。