[发明专利]一种基于改进局部均值分解的工业控制回路振荡检测方法

说明书

本发明公开了一种基于改进局部均值分解的工业控制回路振荡检测方法，包括如下步骤：在待检测的控制回路中，预先采集一组过程历史数据；利用相似波形匹配方法，对过程输出数据进行端点延拓；对端点延拓后过程输出数据进行改进的局部均值分解；计算各个分解子信号的自相关函数零交叉点规律性指标；判断各个规律性指标是否超过设定的阈值，根据所有判断结果得到检测结果。利用本发明方法，能够对工业控制回路的时变、多周期振荡行为进行定量检测，能对其中时变振荡、多重振荡、间歇振荡及非平稳信号等成分加以区分，同时获得各个振荡分量的规则程度和周期，为振荡行为的评价和故障源诊断提供了丰富的数据支持。

技术领域

本发明涉及工业控制中的性能评估领域，具体涉及一种基于改进局部均值分解的工业控制回路振荡检测方法。

背景技术

现代工业过程设备具有规模大、综合度高、操控复杂、变量多，且长时间运行在闭环控制下等特点。工业常见的化工生产过程，往往包含成千上万个控制回路，而且，这些控制回路由于耦合关系而互相影响。由于工业控制回路中控制器过整定、外部扰动和调节阀非线性工作等特性的普遍存在，控制回路的振荡行为时常发生，这极大地影响了工业流程设备运行的经济效益和稳定性。

对工业流程设备进行初步准确的振荡检测可以减少废品生产量，降低不合格率，提高工业流程设备运行过程中的可靠性、安全性，同时降低制造成本。许多控制器在运行初期还能保持良好的性能，但随着时间的推移，由于外部干扰因素或设备自身问题的影响，控制器的性能会逐渐降低甚至失效。具体表现为控制回路过程发生各类振荡行为，其中可能包含多重振荡、间歇振荡、非线性等成分，从而威胁到工业过程的安全稳定运行。

同时，由于实时环境中设备负载和工况经常发生变化，工业过程还表现出非平稳数据特性的一面，具体表现为过程数据的局部均值迁移现象。对于重要的控制回路，及时发现其运行过程的振荡特性有助于工程人员进行故障诊断和排查。因此，在工业控制系统性能评估过程中，设计有效的在线监控手段，及时、准确检测出控制回路中非平稳过程数据的各类振荡成分，并区分出各自不同的频率范围，对于控制器性能评估和控制回路故障诊断都有着重要意义。

现有的工业控制回路振荡检测技术，绝大多数都是基于平稳过程数据的分析方法。最近二十年中也出现了一些针对非平稳过程数据的振荡检测方法。按其主要思路可大致归纳为三种：基于过程数据时域统计的分析方法；基于过程数据的自相关函数(ACF)的分析方法；以及基于过程数据的信号分解方法(包括经验模式分解EMD和基变换分解)。

基于过程数据时域统计或自相关函数域分析的检测方法在工业应用中有三个缺点：一、该方法需要对待检测回路或过程有一定先验知识，某些参数也是按照经验确定；二、对非平稳和多振荡周期存在的工业过程，无法实现全自动无干预检测，需要设计针对性的滤波器进行数据平稳化处理和振荡成分分离；三、多数检测算法无法定量计算振荡成分的规则程度。

目前基于过程数据的信号分解方法相较上述检测方法存在进步，但是其局限性主要体现在：现有信号分解技术分解得到的子信号层数冗余繁多，导致许多子信号缺乏实际物理意义支持，不具有良好的代表性，而且这些方法对非平稳信号趋势的拟合度也比较差，计算复杂度也比较高。另外，基于分解技术的方法不能处理过程数据中间歇振荡、时变振荡等成分。

在过程振荡检测算法的实际应用中，能有效检测工业控制回路是否具有振荡行为，并定量评估振荡行为的规则度指数，且普遍适用于存在时变振荡、间歇振荡、非平稳和非线性成分的过程数据，对于准确诊断工业过程振荡的存在性有非常重要的实用意义，也有利于工业过程控制性能的定量评估。

发明内容

本发明提供了一种基于改进局部均值分解的工业控制回路振荡检测方法，能够适用于存在时变振荡、多周期振荡等行为的工业控制回路过程，检测方法普遍适用于非平稳或平稳的过程数据，只需获取常规运行数据，无需过程机理知识。

一种基于改进局部均值分解的工业控制回路振荡检测方法，包括：