1.一种基于自相关特征分解的动态过程监测方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤(1):采集生产过程正常运行状态下的样本,组成训练数据矩阵X∈Rn×m,并计算矩阵X中各列向量的均值μ1,μ2,…,μm以及标准差δ1,δ2,…,δm,对应组成均值向量μ=[μ1,μ2,…,μm]T与标准差向量δ=[δ1,δ2,…,δm],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,上标号T表示矩阵或向量的转置;
步骤(2):根据如下所示公式对矩阵X实施标准化处理得到矩阵n×m T
上式(1)中,U∈R 是由n个相同的均值向量μ组成的矩阵,即U=[μ,μ,…,μ] ,对角矩阵 中对角线上的元素由标准差向量δ组成;
步骤(3):以 为新训练数据矩阵,设置自相关样本的个数为A,按照如下所示公式构建A+1个数据矩阵X1,X2,…,XA+1:Xa=[xa,xa+1,…,xn-A+a-1]T (2)其中,下标号a=1,2,…,A+1、xi∈Rm×1为矩阵 中的i个样本数据、i=1,2,…,n;
步骤(4):根据如下所示的步骤(4.1)至步骤(4.5)求解得到m个特征向量w1,w2,…,wm,且保证各特征向量wj都满足条件wjTXA+1TXA+1wj=1,其中j=1,2,…,m;
步骤(4.1):初始化向量w=[1,1,…,1]T,并根据公式 更新向量w;
步骤(4.2):根据公式β=(YTY)-1YTXA+1w计算向量β,其中矩阵Y=[XAw,XA-1w,…,X1w];
步骤(4.3):求解广义特征值问题:Φ1w=λΦ2w,计算最小特征值所对应的特征向量w,其中,矩阵Φ1=XA+1TXA+1-XA+1TZ-ZTXA+1+ZTZT、矩阵Z=β1XA+β2XA-1+…+βAX1、矩阵Φ2=XA+
1TXA+1;
步骤(4.4):根据公式 计算向量wnew,并判断是否满足收敛条件:||w-wnew||<10-8?若否,则置w=wnew后,返回步骤(4.2);若是,则输出收敛后的向量β;
步骤(4.5):求解广义特征值问题:Φ1w=λΦ2w,可得到m个特征值,按大小进行升序排列为λ1≤λ2≤…≤λm,对应的特征向量为w1,w2,…,wm,值得注意的是,这里的特征向量w1,w2,…,wm都需根据公式 进行处理;
步骤(5):设置自相关特征成分个数K后,可利用投影变换矩阵W=[w1,w2,…,wK]从训练数据 中分解出相应的自相关特征成分 并将其余的特征向量组成矩阵步骤(6):初始化k=1,并根据如下所示步骤(6.1)至步骤(6.3)计算得到K个最小二乘系数向量B1,B2,…,BK;
步骤(6.1):设置列向量s为矩阵S中的第k列,并将向量s中第a个元素至第n-A+a-1个元素组成列向量sa,由于a可取值1,2,…,A+1,依次可得到A+1个列向量s1,s2,…,sA+1;
步骤(6.2):根据公式计算Bk=(S0TS0)-1S0TsA+1计算最小二乘回归系数向量Bk∈RA×1,其中矩阵S0=[sA,sA-1,…,s1];
步骤(6.3):判断是否满足条件k<K?若是,则置k=k+1后,返回步骤(6.1);若否,则保留得到的K个最小二乘系数向量B1,B2,…,BK;
步骤(7):根据公式 与公式 分别计算监测统计量D与Q的控制上限Dlim与Qlim,其中 表示自由度为K的卡方分布在置信度α(一般取99%)下的取值, 表示自由度为m-K的卡方分布在置信度α下的取值,可通过查询概率统计表获取;
离线建模阶段包括上述步骤(1)至步骤(7),需保留如下所示的模型参数以便实施在线监测时调用:步骤(1)中均值向量μ、步骤(2)中的对角矩阵 步骤(5)中的投影变换矩阵W与矩阵 步骤(6)中的K个最小二乘系数向量B1,B2,…,BK,和步骤(7)中的控制上限Dlim与Qlim;
步骤(8):采集当前时刻的数据样本xt∈R1×m,引入其前A个采样时刻的样本xt-1,xt-2,…,xt-A,其中t表示当前采样时刻;
步骤(9):根据公式 对样本数据xt,xt-1,…,xt-A实施标准差处理对应得到样本数据 其中,下标号d指代t,t-1,…,t-A;
步骤(10):根据公式 分解出自相关特征向量yt,yt-1,…,yt-A;
步骤(11):初始化k=1后,根据如下所示步骤(11.1)至步骤(11.3)消除自相关特性以得到残差向量e;
步骤(11.1):将向量yt,yt-1,…,yt-A中第k个元素分别记录为 并将其组成一个行向量
步骤(11.2):根据公式 计算向量yt中第k个元素消除自相关性后的残差ek;
步骤(11.3):判断是否满足条件k=K?若是,则置k=k+1后返回步骤①;若否,则将得到的K个误差e1,e2,…,eK组成一个行向量e=[e1,e2,…,eK];
步骤(12):根据公式 计算模型残差向量f后,再根据公式D=eeT与公式Q=ffT分别计算监测统计指标D与Q;
步骤(13):判断是否满足条件:D≤Dlim且Q≤Qlim?若是,则当前样本采集自正常工况,返回步骤(8)继续实施对下一时刻采样数据的监测;若否,则当前采样数据为故障样本数据。