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《浙江大学》 2004年
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基于ICA-PCA方法的流程工业过程监控与故障诊断研究

何宁  
【摘要】:工业生产的过程监测与故障诊断一直是流程工业系统关注的主要问题之一。它通过监测生产过程的运行状态,及时检测故障发生、过程干扰以及其它的异常工况,定位并诊断引发故障的原因变量,从而保证生产过程安全运行,提高产品质量和生产效率。目前,随着流程工业CIPS(Computer Integrated Process System)的发展,大量的过程数据被及时采集和存储,因此,如何充分利用这些数据的深层次信息,提高过程监控能力,逐渐成为过程控制领域的研究重点之一。传统的多变量统计监控方法多采用主元分析PCA(Principal Component Analysis),偏最小二乘分析PLS(Partial Least Square)等方法,这些方法在假设变量独立同分布的同时,还要求变量服从正态分布,并且利用的仅是二阶统计量信息。独立成分分析方法(ICA,Independent Component Analysis)是一种基于高阶统计量的信号分解方法,将其用于流程工业的过程数据分析处理,能更有效地利用变量的概率统计特性,可以在统计独立意义下对观测变量进行分解,得到过程内在的驱动信息源,从而更本质地描述过程特征。 本文以独立成分分析ICA为基础,针对流程工业中连续和间歇两种生产方式的特点,对传统PCA监控方法进行了改进,提出了一些新的基于ICA方法的工业生产过程监控算法,具体包括以下几个方面: (1) 提出一种基于独立成分分析(ICA)的连续工业过程系统监控方法。采用非高斯最大化判据从观测变量中分解出相互独立的非高斯变量(独立成分分量),它满足统计意义下的独立特性,而不仅仅是PCA所要求的不相关。进一步,通过非高斯度排序思想确定选取的独立成分分量数,并建立相应的统计控制置信限,用于连续工业过程系统的监控。Tennessee Eastman过程的仿真研究表明,独立成分分析方法具有更好的监控能力,能够更及时地监测出故障的发生,同时对主元分析方法PCA不能发现的故障,亦有较好的监测效果。 (2) 提出一种基于字符串匹配的故障识别方法。通过ICA分解获得独立成分分量,将其在不同工况运行下的状态转换为用字符串表示,从而将故障类型的识别问题转换为字符串的匹配问题。字符串匹配方法仅由数据驱动,既不需要充足丰富的训练数据也不需要建立过程模型,实施起来简单方便。Tennessee Eastman过程的仿真结果表明 11浙江大学博士学位论文 了该方法的可行性和有效性。 (3)提出了一种步进多向主元分析的间歇工业过程系统监控方法。通过建立一 系列的MpCA模型避免了传统多向主元分析方法(Multi一w叮prineipal Component Analysis,MPCA)在线监控时需要预测过程未来输出的不足,同时所引入的遗忘因子 还可以自然扩展到多阶段间歇过程。对多阶段链霉素发酵过程的监控仿真表明,相对于 传统的MPCA,步进 MPCA能够更快地监测出过程的异常工况,同时能及时反映出操 作人员为消除异常工况所作出的调整。 (4)提出一种ICA一MPCA的间歇工业过程系统监控方法。通过将观测变量转 换为互不相关的独立成分之后,可以自然地对非正态分布的观测变量建立统计模型,以 及确定单变量和联合分布的统计控制置信限;同时,又避免了MPCA方法针对非正态 分布的多维非参数概率密度估计问题。将所提出的ICA一MPCA方法应用于间歇青霉素 发酵过程的仿真监控,结果表明了JCA一MPCA方法的可行性和优越性,有效扩展了传 统MPCA监控方法的应用场合,尤其是对过程变量不满足正态分布的情况下,能够准 确地对过程进行监控。 最后,在总结全文工作的基础上,讨论了基于数据的统计监控方法在理论及应用上 有待进一步研究的若干问题。 关键词:独立成分分析;主元分析:过程监控;故障诊断;统计过程控制;流程工业
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP277

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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2 张洪;须文波;刘飞;;基于独立分量分析的重整加热炉过程监控[J];计算机与应用化学;2009年07期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 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
2 李荣雨;基于PCA的统计过程监控研究[D];浙江大学;2007年
3 赵旭;基于统计学方法的过程监控与质量控制研究[D];上海交通大学;2006年
4 付克昌;基于结构优化PCA的传感器故障诊断方法及其应用研究[D];浙江大学;2007年
5 张洪;基于多元统计方法的连续重整装置的性能监控和优化[D];江南大学;2006年
6 张冀;基于多源信息融合的传感器故障诊断方法研究[D];华北电力大学(河北);2008年
7 董晓峰;基于RCM分析的智能化汽轮机组故障诊断系统研究[D];华北电力大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张少捷;基于工业过程数据的故障检测方法研究[D];华东理工大学;2011年
2 刘卓欣;基于核独立成分分析的边缘特征表示[D];华南理工大学;2011年
3 文道松;基于改进主元分析的工业过程故障检测与诊断[D];哈尔滨理工大学;2011年
4 施健;工业过程统计建模与监控方法研究[D];浙江大学;2006年
5 赵春晖;注塑过程监控系统的设计与监测方法的研究[D];东北大学;2006年
6 马君;基于数据驱动的流程工业过程故障检测算法研究[D];沈阳大学;2007年
7 王静;飞控系统故障诊断技术研究及软件开发[D];西北工业大学;2007年
8 杨文婧;非线性PCA方法及其在过程监控中的应用[D];北京化工大学;2008年
9 杨俊;集成化监控系统的Petri网管理与协调[D];北京化工大学;2008年
10 张晓玲;基于MICA方法的间歇过程监控研究[D];中国石油大学;2008年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 陶欣;范闻捷;徐希孺;;高光谱数据组分信息的盲分解方法[J];北京大学学报(自然科学版)网络版(预印本);2008年01期
7 肖燕彩;陈秀海;朱衡君;;改进的离散灰色模型及其应用[J];北京交通大学学报;2008年01期
8 陈明华;刘海涛;江劲勇;李东阳;冯涛;刘海峰;;贮存条件对毛刷式装药结构火箭发动机固药力的影响[J];火炸药学报;2006年04期
9 周洪煜,张坚;基于改进Elman网络的自适应预测函数控制[J];兵工自动化;2003年04期
10 沈鹏;徐景硕;杨号;;小波分析在陀螺信号检测中的应用[J];兵工自动化;2007年10期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱小六;蒋鼎国;张宇林;徐保国;;发酵过程中溶解氧智能控制系统的研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 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
3 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
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 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
7 钟伟;程良伦;;水利工程联合调度系统的设计[A];中国自动化学会中南六省(区)2010年第28届年会·论文集[C];2010年
8 郑玲红;潘玉松;;PCA故障检测方法在火电厂生产过程中的应用[A];广西电机工程学会第九届青年学术论坛论文集[C];2006年
9 高颀;付梦印;;GPS导航计算机故障检测仪的设计与开发[A];先进制造技术论坛暨第三届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2004年
10 傅小强;周杰;;料粒生产线在线监控系统的设计开发[A];南方十三省(市、区)水电学会联络会暨学术交流会论文集[C];2007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 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
5 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
6 王志颖;复杂装备智能机内测试技术研究[D];电子科技大学;2011年
7 韩晓明;基于符号有向图和支持向量机的故障诊断方法的研究[D];太原理工大学;2011年
8 刘江;基于鲁棒估计理论的列车组合定位方法研究[D];北京交通大学;2011年
9 李莲芝;汽车变速箱质量问题追溯的理论方法研究[D];吉林大学;2011年
10 岑朝辉;卫星姿态控制系统中的故障诊断研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 况清龙;基于逆变器的直流无源滤波器的优化设计及其可视化算法[D];南昌航空大学;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 王垚;液体离心机控制方案设计与实现[D];郑州大学;2010年
5 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
6 史大伟;宽频调速系统设计及精度分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 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
8 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
9 丁春辉;基于神经内模控制算法的船舶蒸汽动力装置协调控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 于兴高;聚合反应釜内温度建模与在线校正策略的研究[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 刘明;左洪福;耿端阳;蔡景;;基于RBR与CBR的维修大纲专家系统[J];北京航空航天大学学报;2006年05期
3 李青;史雅琴;周扬;;基于案例推理方法在飞机故障诊断中的应用[J];北京航空航天大学学报;2007年05期
4 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
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6 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
7 邸丽清,张杰,阳宪惠;MWMPCA方法及其在间歇过程监控中的应用[J];吉林大学学报(信息科学版);2004年04期
8 朱惠倩;聚类分析的一种改进方法[J];湖南文理学院学报(自然科学版);2005年03期
9 房方,魏乐;传感器故障的神经网络信息融合诊断方法[J];传感技术学报;2000年04期
10 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
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 胡友强;数据驱动的多元统计故障诊断及应用[D];重庆大学;2010年
2 郭元术;故障诊断中的信号分析和应用研究[D];长安大学;2000年
3 王建国;锅炉受热面污垢在线监测理论及应用[D];华北电力大学;2001年
4 王海清;工业过程监测:基于小波和统计学的方法[D];浙江大学;2001年
5 吴振锋;基于磨粒分析和信息融合的发动机磨损故障诊断技术研究[D];南京航空航天大学;2002年
6 卢学军;汽轮发电机组故障诊断系统中几个关键技术的研究[D];浙江大学;2001年
7 王志鹏;基于信息融合技术的故障诊断方法的研究及应用[D];大连理工大学;2001年
8 刘洪刚;液体火箭发动机智能故障诊断理论与策略研究[D];国防科学技术大学;2002年
9 郑海波;非平稳非高斯信号特征提取与故障诊断技术研究[D];合肥工业大学;2002年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 邹向琪;间歇式反应釜温度控制系统故障诊断研究[D];大连理工大学;2010年
2 王莹;基于PROFIBUS总线的电厂数据采集系统[D];哈尔滨工业大学;2010年
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4 杨飞;基于多元统计分析的故障诊断算法研究[D];东北大学;2009年
5 陈(羽中)伟;基于先验知识的神经元网络建模与应用[D];浙江大学;2002年
6 汤进举;注塑机微机控制系统研究[D];浙江大学;2002年
7 马曙光;多变量统计过程控制在工业生产中的应用研究[D];新疆大学;2002年
8 王勉宇;基于图论的过程故障诊断研究[D];浙江大学;2002年
9 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
10 姜喆;基于RT-Linux的嵌入式实时系统设计[D];浙江大学;2003年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 唐旭东;夏薇;王伟;廖小平;;注射成型智能监控系统的研究[J];工程塑料应用;2007年11期
2 赵德林;王社伟;吴云靖;;基于相对主元分析的飞控系统故障诊断[J];四川兵工学报;2010年11期
3 张丽萍;黄飞群;田丽玲;林心光;;基于PCA的火电厂湿法烟气脱硫系统的传感器故障诊断[J];福州大学学报(自然科学版);2011年02期
4 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
5 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
6 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
7 吴迪;;基于独立元分析算法的过程故障检测方法[J];广东化工;2012年06期
8 王瑞;常波;吕明;魏青;;机载传感器数据信息融合技术初探[J];硅谷;2011年09期
9 郑育平;张丽萍;;基于核主元分析的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);2013年03期
10 石晋明;姚竹亭;;基于加权D-S证据理论与共轭梯度下降BP神经网络结合的柴油机故障诊断[J];电子世界;2013年16期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈非;基于过程信息融合的旋转机械信息(火用)故障诊断研究[D];华中科技大学;2010年
2 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
3 李玉凯;无线传感器网络高能效可靠数据传输理论及应用研究[D];华北电力大学(北京);2011年
4 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
5 陈非;基于过程信息融合的旋转机械信息(火用)故障诊断研究[D];华中科技大学;2010年
6 许洁;基于统计理论的工业过程性能监控与故障诊断研究[D];南京航空航天大学;2010年
7 付克昌;基于结构优化PCA的传感器故障诊断方法及其应用研究[D];浙江大学;2007年
8 张冀;基于多源信息融合的传感器故障诊断方法研究[D];华北电力大学(河北);2008年
9 杨燕;基于主分量和独立分量分析的结构信号处理和损伤识别研究[D];武汉理工大学;2008年
10 文耀锋;一种实时的跌倒姿态检测和心率监护系统的研究[D];浙江大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胡雅馨;基于粗糙集与证据理论的瓦斯传感器故障诊断技术的研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
2 丰云秀;主成分分析方法在白车身焊装误差监控方面的应用研究[D];沈阳理工大学;2010年
3 张少捷;基于工业过程数据的故障检测方法研究[D];华东理工大学;2011年
4 熊亚飞;大型高炉生产过程的质量控制与改进[D];武汉科技大学;2010年
5 杨亮;基于智能信息融合的模拟电路故障诊断技术研究[D];西安电子科技大学;2011年
6 赵旭东;基于GrC&SDG的实时故障预测诊断专家系统的设计[D];太原理工大学;2011年
7 张静;基于粒度熵的故障模型约简与SDG推理方法研究[D];太原理工大学;2011年
8 刘艳红;基于粒计算的蒸汽锅炉系统SDG故障诊断研究[D];太原理工大学;2011年
9 尹雪岩;因子分析多元统计方法在过程监控中的应用研究[D];江南大学;2011年
10 杨辰曜;600 MW火电机组单耗分布及敏度分析研究[D];华北电力大学(北京);2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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7 王锦标;现场总线和现场总线控制系统[J];化工自动化及仪表;1997年02期
8 徐湘元,毛宗源;过程控制的发展方向——智能控制[J];化工自动化及仪表;1998年02期
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 朱红路;常太华;田亮;;主元分析理论在火电厂过程监测中的应用[J];东北电力技术;2007年04期
3 于萧榕;;基于SQL Server的任务管理系统的应用[J];现代计算机(专业版);2011年14期
4 王一竹,刘飞;主元分析及数据重构在过程监控中的应用[J];江南大学学报(自然科学版);2004年01期
5 王华忠;俞金寿;;基于核函数PCA的非线性过程实时监控方法[J];华东理工大学学报;2005年06期
6 徐晓峰;张浩;贾晨辉;陆剑峰;;开放式监控平台及其实时中间件性能研究[J];制造业自动化;2006年01期
7 张洪;须文波;刘飞;;基于主元分析的多变量统计理论在过程监控中的应用[J];微计算机信息;2006年07期
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9 刘永新;张忠仁;;铝电解槽控制设备通信故障及对策[J];中国设备工程;2009年06期
10 苏金明;李春富;孙如田;侯平智;王建中;;递推PLS方法及其在过程监控中的应用[J];机电工程;2010年03期
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7 张大超;;我国优秀游泳运动员训练过程监控系统研究[A];第八届全国体育科学大会论文摘要汇编(一)[C];2007年
8 杨细中;;基于PLC的高炉干式除尘煤气降温自动化监控系统[A];全国冶金自动化信息网2009年会论文集[C];2009年
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7 王一竹;基于MSPC的化工吸附分离过程监控与诊断[D];江南大学;2005年
8 杨前进;设备维护与过程监控的集成信息系统应用技术研究[D];机械科学研究院;2003年
9 谌彦;工业过程监控组态软件的研究与开发[D];华中科技大学;2004年
10 凌国厚;天线罩充压筛选设备的研制[D];大连理工大学;2005年
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