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《浙江大学》 2001年
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工业过程监测:基于小波和统计学的方法

王海清  
【摘要】: 保障生产安全和减小产品质量波动一直是过程工业的两个主题。只有密 切地监督生产过程的运行状态,不断地检测过程的变化和故障信息,才能有 效防止灾难性事故的发生,同时减少产品质量的波动,提高产品的竞争力。 而流程工业具有规模大、结构复杂,以及现场环境恶劣等特点,使得过程监 测的理论研究与实践成为过程控制领域中最具挑战性的热点课题之一。虽然 基于精确数学模型的过程监测方法在理论上比不依赖数学模型的方法更成 熟,但是由于流程工业的上述特点,使得前者难以在实际工程中应用。因此, 本文研究的是不依赖数学模型的监测方法,此类方法一般均为“数据驱动” 或“基于知识”的。 本文所采用的两个主要分析工具,即小波和统计学理论,都是从不依赖 于数学模型的角度来实现对过程的监测。其中小波是从信号处理和函数逼近 的角度来处理过程数据;而多元统计分析则用于建立过程监测模型,这是通 过对过程数据的统计分析来实现的。这两种方法相互配合,在整个过程监测 系统中承担着不同的任务。本文的主要内容包括如下几个方面: ①系统地介绍了过程监测的基本概念和内容,对基于数学模型和不依 赖于数学模型的故障诊断方法进行了比较,指出了后者在流程工业监测中的 优越性。 ②针对过程变量的多率采样问题,提出了一种基于小波多尺度分析理 论的误差递阶补偿算法,实现对高频采样信号的重构。并给出了算法的精度 分析。此算法具有能克服噪声影响、重构精度高和物理意义明确的特点。 ③指出了过程数据滤波的特点及要求,阐述了小波阈值滤波和鲁棒小 波分解的思想。对数据在线多尺度分解中的关键技术进行了研究,给出了平 移不变小波分解和区间小波分解的算法实现。 ④采用小波阈值密度估计器研究了过程数据的概率密度函数逼近问 题。给出了适合工业应用的估计器网格结构、平滑参数和系数阈值的确定方 法。提出利用Q-Q图迭代检验以消除粗差数据对密度估计的影响。 Xll 浙江大学博士学位论文 ⑤对PCA监测方法的特点及其内涵进行了研究。通过分别导出户和 SPE统计量均值与过程数据统计参数之间的关系,分析了影响PCA检测行 为的因素,以及工况变化与故障在PCA下的不同被检测行为。指出了通常 关于PCA检测行为的一些不正确的结论。 ③提出了一种改进的PCA方法(MPCA),采用主元相关变量残差统 计量(Pop)代替通常的平方预测误差SPE统计量,用于对工业过程的监测。 MPCA避免了SPE统计量检验的保守性,能够提供更详细的过程变化信息, 从而有效识别正常工况改变与过程故障引起的户图变化。此外在主元子空间 和残差子空间中分别讨论了故障可检测性的充分和必要条件。采用故障临界 幅值的概念对故障在MPCA下的被检测行为进行了分析,并给出了一种新的 主元确定方法。 ①基于MPCA监测方法,对故障的重构、识别以及分离等重要问题进 行了系统和定量的分析。给出了MPCA在主元空间中故障的可重构性、可分 离性,以及识别的充分和必耍条件。利用获得的结果对双效蒸发过程进行了 仿真监测,研究了传感器故障的重构与识别问题。 ③从过程监测的角度出发,阐述了化工过程有向图模型的基本概念, 归纳了已有的各种传感器设置方法。并结合故障子空间方法的特点,定性地 研究了考虑故障可观性与分辨率时的传感器网络设置问题。 ③研究了过程趋势的暂态事件定义和三角形原语描述,以及过程信号 的多尺度特征提取的实现方法。提出了一个针对过程工业实际情况的、集成 的过程监测系统框架体系,并阐述了其中各主要模块的功能。 最后对过程监测中的方法论进行了讨论,阐述了作者在该问题上的观 点。并对未来的研究课题进行了展望。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TP277

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 张晓东;胡明;张振中;;基于主元分析和聚类的船舶机电设备性能变化趋势的提取[J];机电设备;2006年01期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 叶鲁彬;工业过程运行安全性能分析与在线评价的研究[D];浙江大学;2011年
2 王跃宣;先进控制策略与软件实现及应用研究[D];浙江大学;2003年
3 李成;基于提升小波的数据处理及过程监测研究[D];浙江大学;2005年
4 曹文亮;基于符号有向图的热力系统故障诊断方法研究[D];华北电力大学(河北);2006年
5 牛征;基于多元统计分析的火电厂控制系统故障诊断研究[D];华北电力大学(河北);2006年
6 李荣雨;基于PCA的统计过程监控研究[D];浙江大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 陈勇;基于多元统计分析的生产过程故障诊断研究[D];浙江大学;2003年
2 董胜利;基于PLS/STATIS方法的间歇过程统计性能监控研究[D];浙江大学;2006年
3 赵标;基于小波变换的化工过程数据实时压缩算法及应用研究[D];浙江大学;2006年
4 王绪振;基于自适应提升小波的过程数据的压缩研究[D];山东大学;2007年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 章维一,侯丽雅,渡边嘉二郎;线性分类-重构网及其在化工过程早期故障诊断中的应用[J];化工学报;1999年06期
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6 解怀仁;走向21世纪的石油化工自动化技术[J];化工自动化及仪表;1998年06期
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10 叶昊,王桂增,方崇智;小波变换在故障检测中的应用[J];自动化学报;1997年06期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 王晓辉;蔡树煌;;MMB-1412精密外圆磨床动态性能测试与分析[J];安徽工学院学报;1989年01期
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9 周其生;关于Neumann不等式的两点注记[J];安庆师范学院学报(自然科学版);1996年03期
10 陆蓉,周其生;关于Bellman不等式的注记[J];安庆师范学院学报(自然科学版);1997年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张端金;张爱玲;;基于观测器的Delta算子系统故障检测[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 刘士荣;何文波;;基于强跟踪粒子滤波器的非线性系统故障诊断[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 董国华;贺汉根;胡德文;;非负矩阵谱半径一个严格不等式及其概率证法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 胡文金;周东华;;基于输入等价干扰的DC-DC变换器自适应控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 谭琳;文成林;;一种基于多模式的故障检测方法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 邬文帅;寇纲;;城市环境治理能力评估:一种基于熵权的动态组合评价方法[A];经济全球化与系统工程——中国系统工程学会第16届学术年会论文集[C];2010年
7 雷勇;陈桂英;吴志真;;小型靶机地面振动试验模态分析[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
8 刘军;云斌;赵长冰;李堂堂;;环境激励下结构振动效应预测方法研究[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
9 陶建武;高玉宝;常文秀;;基于知识的故障诊断模型的建立及应用[A];第十届全国信号处理学术年会(CCSP-2001)论文集[C];2001年
10 李建林;曹鸣;;多变量统计过程控制技术在火电厂设备故障检测中的应用[A];2005年全国自动化新技术学术交流会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 夏全喜;车载组合导航系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李高云;大型船舶航向/航迹智能容错控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 魏浩征;高压直流输电系统可听噪声预测系统的研究[D];合肥工业大学;2010年
5 吕宁;基于数据驱动的故障诊断模型及算法研究[D];哈尔滨理工大学;2009年
6 周子冠;电网多数据源在线诊断方法研究[D];中国电力科学研究院;2010年
7 杨红;污水生化处理的智能建模与优化控制策略应用研究[D];华南理工大学;2010年
8 郝艳召;中观层次路网机动车排放动态量化评价研究[D];北京交通大学;2010年
9 荆燕飞;线性方程组迭代法与预条件技术及在电磁散射计算中的应用[D];电子科技大学;2010年
10 任志刚;预条件算法及在电磁场数值模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 余波;惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究[D];中国工程物理研究院;2010年
2 蒲锰;非侵入式矿井提升机PLC电控系统实时故障诊断方法的研究[D];山东科技大学;2010年
3 宋清华;Delta算子描述的不确定时滞系统鲁棒容错控制[D];郑州大学;2010年
4 赵培君;奇异系统的故障诊断和最优容错控制[D];郑州大学;2010年
5 朱明;基于信息熵的导航传感器故障诊断技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 栾厚斌;综合舰桥系统信息集成处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 邵光辉;受障板影响的矢量声信号高倍频谱细化分析方法的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 郭冲冲;边界条件下矢量噪声场的时空相关特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 张宇飞;加稀疏约束的非负矩阵分解[D];大连理工大学;2010年
10 马欢;对偶内点法求解随机线性二次最优控制问题[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐波,唐海龙,李行善;基于DTW的涡扇发动机气路故障定量诊断方法[J];北京航空航天大学学报;2004年06期
2 马立玲,王军政,宋月;Multi-PCA模型过程监测方法[J];北京理工大学学报;2004年01期
3 陈亚华,蒋丽英,郭明,王树青;基于多向Fisher判据分析的间歇过程性能监控[J];吉林大学学报(信息科学版);2004年04期
4 黄孝彬,牛征,牛玉广,刘吉臻;利用主元方法进行传感器故障检测的行为分析[J];传感技术学报;2003年04期
5 理华,徐春广,肖定国,黄卉,郑军,季皖东,郭浩;滚动轴承声发射检测技术[J];轴承;2002年07期
6 陈艾;倪远平;;自动控制系统的故障检测与诊断技术[J];电工技术;1999年11期
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8 曹文亮,王兵树,张冀,高建强,马良玉,佟鹏;基于混合结构模型的电厂厂级监控信息系统[J];电力系统自动化;2004年12期
9 李洪刚,吴乐南;基于任意小波的提升格式的设计[J];东南大学学报(自然科学版);2001年04期
10 马良玉,王兵树,高建强,马永光,佟振声;大旁路布置高压给水加热器系统故障模糊知识库及其神经网络的诊断研究[J];动力工程;2002年01期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吕立华;复杂工业系统基于小波网络与鲁棒估计建模方法研究[D];浙江大学;2001年
2 王德康;分布式先进控制软件技术与应用[D];浙江大学;2001年
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4 陈国金;工业过程监控:基于主元分析和盲源信号分析方法[D];浙江大学;2004年
5 郭明;基于数据驱动的流程工业性能监控与故障诊断研究[D];浙江大学;2004年
6 蒋鹏;小波理论在信号去噪和数据压缩中的应用研究[D];浙江大学;2004年
7 马良玉;结合仿真技术的电站热力系统故障智能诊断研究[D];华北电力大学(河北);2004年
8 翟永杰;基于支持向量机的故障智能诊断方法研究[D];华北电力大学(河北);2004年
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10 侯军虎;基于多参数的风机状态监测与故障诊断的研究[D];华北电力大学(河北);2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王勉宇;基于图论的过程故障诊断研究[D];浙江大学;2002年
2 陈勇;基于多元统计分析的生产过程故障诊断研究[D];浙江大学;2003年
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4 周杰;BP神经网络在电厂制粉系统故障诊断中的应用研究[D];重庆大学;2003年
5 袁雄俊;锅炉给水泵状态监测与故障诊断试验系统的研究[D];华北电力大学(河北);2003年
6 牛征;热工控制系统在线分析与故障诊断系统的研制[D];华北电力大学(河北);2003年
7 唐凯;基于多元统计过程控制的故障诊断技术[D];浙江大学;2004年
8 李军;改进的BP算法在汽轮机热力系统故障诊断与预测中的应用研究[D];重庆大学;2004年
9 王丽舫;基于小波分析和主元分析的连续工业过程的故障诊断[D];北京化工大学;2004年
10 沈翠霞;SDG建模与HAZOP故障模式研究[D];北京化工大学;2005年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张利;于宏波;黄顺如;;基于PID算法的TNT液位自动控制系统[J];四川兵工学报;2011年10期
2 徐岩;吴丹;张亚刚;;基于判别分析方法的电网故障元件定位方法[J];电力自动化设备;2010年08期
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4 侯岩松;颉刚;张敏;刘亚儒;;软测量建模软件的设计与开发[J];电脑知识与技术;2011年04期
5 张丽萍;黄飞群;林心光;田丽玲;;基于鲁棒PCA的火电厂湿法烟气脱硫系统的故障诊断[J];福州大学学报(自然科学版);2011年04期
6 田丽玲;张丽萍;;一种数据驱动的湿法烟气脱硫系统的故障诊断方法[J];福州大学学报(自然科学版);2012年01期
7 黄克;赵炯;周奇才;熊肖磊;;基于多变量统计过程监控的盾构机故障诊断[J];中国工程机械学报;2012年02期
8 郝勇生;于冲;吴波;;先进控制算法在热工控制中的关键问题研究[J];发电设备;2013年02期
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10 揭其良;牟长信;;基于多变量统计技术故障诊断方法的研究[J];东北电力技术;2007年08期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邵纪东;非线性过程监测中的数据降维及相关问题研究[D];浙江大学;2010年
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3 张进春;气流床煤气化工艺性能稳健优化与控制研究[D];中南大学;2011年
4 陈立生;基于支持向量机的木材干燥预测控制技术[D];东北林业大学;2011年
5 万娇娜;基于有限精度求解的非线性预测控制算法研究[D];浙江大学;2011年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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10 徐新海;基于层次SDG的航空发动机故障诊断方法研究[D];南京航空航天大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 李银河;浪漫骑士·行吟诗人·自由思想家──悼小波[J];新闻出版交流;1998年06期
4 管亮,冯新泸;基于小波变换的信号消噪效果影响因素研究及其Matlab实践[J];自动化与仪器仪表;2004年06期
5 江铭炎,袁东风;基于小波多尺度阈值的维纳滤波新方法[J];山东大学学报(理学版);2005年02期
6 李冬辉,周巍巍;基于小波神经网络的传感器故障诊断方法研究[J];电工技术学报;2005年05期
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7 翁得河;王慧贤;宋涛;;基于小波和模糊集的磁共振图像增强[A];第六届全国计算机应用联合学术会议论文集[C];2002年
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6 腾非 索娜;两少年的“非正常”成长[N];南方周末;2004年
7 永亮 记者 王连生;梅河公安千里解救受骗群众[N];北方法制报;2005年
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7 张玉璘;小波自适应控制系统及其在噪声主动控制中的应用研究[D];重庆大学;2002年
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7 解春燕;小波与分形技术在图像压缩方面的研究与应用[D];河北工业大学;2003年
8 汪源;基于PLS的连退机组带钢质量预报及过程监测系统设计与实现[D];东北大学;2009年
9 黄俊煌;芯片毛细管电泳信号的小波消噪[D];大连理工大学;2005年
10 涂奕松;基于小波和数学形态学的视频编码[D];南京航空航天大学;2005年
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