一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，包括以下步骤：(1)在待测控制回路中，采集一组过程输出信号yt，并引入一组参考扰动信号xt；(2)分别将yt和xt切分为若干信号段，并对每一信号段进行离散傅里叶变换，得到频谱函数和(3)依据双相干谱函数的归一化估算方法，得到双相干谱函数和(4)依据倒双谱的估算法，得到衡量控制回路的改进的倒双谱(5)由倒双谱得到检测指标以监控线q0作为先验值，将指标与q0进行比较，判断待测控制回路中是否存在非线性。本发明专利技术只需要获取工业控制回路的输出数据，就能够对工业控制回路的非线性进行检测，并且可以克服传统非参数的非线性检测方法对数据长度的依赖性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法
本专利技术涉及控制回路的性能评估领域，尤其涉及一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法。
技术介绍
工业现场通常包含众多控制回路，对这些控制回路进行检查及维护是生产过程运行中一项棘手而繁重的工作。据调查，目前60％以上工业控制器中都存在性能退化问题。如何利用日常运行数据对控制回路性能进行度量，从而对其进行优化设置以获取更多的经济效益，已成为众多学者探寻的热点。近年来，控制回路性能监控与评估研究成为工业控制领域广为关注的命题。在实际生产中，大多数控制回路控制过程本质上都是非线性的，非线性可能来自工业过程本身、外部扰动、执行器、传感器等，其中，执行阀作为整个控制回路中唯一可动的控制部件，是工业过程控制系统中必不可少的基本装备之一。执行阀安装在生产现场，常年工作在高温、高压、强腐蚀、易堵或易漏等恶劣情况下，不可避免会出现各种故障和异常。同时，随着使用时间的延长，执行阀还会出现有回滞、死区、粘滞等非线性特性，所以在过程控制的性能评估、故障诊断等领域，均需要首先确定控制系统中是否具有非线性。非线性检测方法通常是基于统计学中的假设检验方法，该方法通过构造统计指标，使得该指标在“过程为线性”和“过程为非线性”两种假设下，其估计量的概率密度函数具有较明显的差别，从而可以根据被测过程的相应数据来决定接受哪种假设。非线性检测方法从统计指标的选择上可以分为参数方法和非参数方法两种。参数的非线性检测方法通过对被测过程按照线性系统进行系统辨识，得到辨识模型的预测输出和实际输出之间的残差，通过判断残差中是否具有非线性成分来判断被测过程是否具有非线性，该方法对被测数据的长度的要求较小，但是对辨识精度的要求较高，且运算量较大。非参数的非线性检测方法基于高阶统计量(如双谱、双相干谱等)来判断过程的非线性，这种方法只需要获取被测过程的输出数据就可以得到较为可靠的结果，且运算速度较快。但是为了减小计算高阶谱的估计量时产生的方差，这种方法非常依赖被测信号的长度，对被测数据的长度要求较大，在数据量较小时，检测的准确性会受到较大的影响。另外，该方法检测弱非线性的时候准确率较低。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，该检测方法克服了传统非参数的检测方法对数据长度的依赖，在检测小数据样本时，依然能够保证较高的稳定性。一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，包括以下步骤：步骤1，在待检测的控制回路中，采集一组过程输出信号yt，并引入一组与yt长度相同的，独立同分布的任意高斯信号作为参考扰动信号xt；所述过程输出信号为控制回路中的压力、温度、流量或液位数据；步骤2，分别将过程输出信号yt和参考扰动信号xt切分为M个信号段，并对每一信号段进行离散傅里叶变换，得到相应的频谱函数和步骤3，得到频谱函数和后，依据信号的双谱(bispectrum)函数的直接估算法，分别计算出过程输出信号和参考扰动信号的双谱函数和然后依据双相干谱(bicoherence)函数的归一化估算方法，分别得到过程输出信号和参考扰动信号的归一化的双相干谱函数和步骤4，得到双相干谱函数和后，依据信号的改进的倒双谱(modifiedbicepstrum)的定义及估算方法，得到相应信号的改进的倒双谱和从而得到衡量待测控制回路的改进的倒双谱步骤5，在控制回路为线性的前提下，根据改进的倒双谱Ch(n1,n2)应满足的特性，构造统计指标q，以置信度为α下的监控线q0作为先验值，由待测控制回路的改进的倒双谱得到检测指标将指标与q0进行比较，从而判断待测控制回路中是否存在非线性。本专利技术提供的非线性检测方法只需从待测控制回路采集一组过程输出数据，并引入一组任意的符合独立同分布的高斯信号作为参考扰动信号，分别对两组信号进行处理，得到改进的倒双谱函数，在控制回路为线性的前提下，根据改进的倒双谱函数应满足的特性，构造统计指标q，根据统计指标的概率分布，确定置信度为α的监控线q0，将待测控制回路的检测指标与监控线q0进行比较，就能准确地判断待测控制回路中是否存在非线性。在步骤1中，引入一组独立同分布的高斯信号作为参考扰动信号，扰动信号可以为任意的高斯信号，但其长度必须与所采集的过程输出信号相同。步骤2得到频谱函数和的步骤如下：步骤2-1，分别将过程输出信号yt和参考扰动信号xt切分为M个信号段，切分信号段的目的主要是用于双谱函数的估算。每段信号包含2n个信号，n取值过大会造成估算的方差增大，n取值过小会造成信号中信息的缺失，作为优选，n为6～8的整数。另外需要保证相邻信号段样本间具有一定比例的重叠；重叠的目的是增加信号段数目，减小估算方差，作为优选，M个信号段中相邻信号段的重叠率为25～75％。M根据如下公式计算然后取整数得到；步骤2-2，信号段的预处理：每个信号段的信号减去该信号段中的信号均值，然后采用汉宁窗函数处理；所述信号均值为信号加和/(除以)信号段长度；对预处理后的每个信号段进行离散傅里叶变换，得到相应的频谱函数和每个信号段的长度、汉宁窗函数的长度以及离散傅里叶变换的得到的频谱函数的长度相同，均为N，N的取值为2n，作为优选，n为6～8的整数。步骤3所述的过程输出信号和参考扰动信号的归一化的双相干谱函数和由以下步骤得到：步骤3-1，依据信号的双谱函数的直接估算法，得到过程输出信号和参考扰动信号的双谱函数和根据文献(M.J.Hinich,C.S.Clay,TheapplicationofdiscreteFouriertransformintheestimationofpowerspectra,coherence,andbispectraofgeophysicaldata.Rev.geophysicaldata,Rev.Geophys.6(1968)347-363.)，所述双谱函数的直接估算法的公式如下：其中，是信号的双谱函数；M是信号段数目；i表示第i个信号段，i＝1,2,3,…,M；f1,f2为双谱函数的频域自变量；表示离散傅里叶变换得到的频谱函数；表示的共轭函数；分别将频谱函数和代入步骤3-1的公式中即可得到过程输出信号和参考扰动信号的双谱函数和步骤3-2，依据信号的双相干谱函数的归一化估算方法，得到相应信号的归一化的双相干谱函数和根据文献(Fackwell,J.W.A.(1996).Bispectralanalysisofspeechsignals.ph.D.thesis,TheUniversityofEdinburgh,UK)所述的双相干谱的归一化估算方法公式如下：其中，是信号的双相干谱函数；是信号的双谱函数；i表示第i个信号段，i＝1,2,3,…,M；f1,f2为三阶谱函数(双谱函数和双相干谱函数)的频域自变量；表示频谱函数；表示的共轭函数。分别将过程输出信号和参考扰动信号的频谱函数和以及相应信号的双谱函数和代入步骤3-2的公式中，得到相应信号的归一化的双相干谱函数和得到的信号的双相干谱函数是一种归一化的形式，其幅值在[0,1]之间，双相干谱函数归一化可以消除被测信号的幅值对双相干谱估计量的方差的影响。步骤4所述的衡量控制回路的倒双谱由以下步骤得到：步骤4-1，利用过程输出信号和参考扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，包括以下步骤：步骤1，在待检测的控制回路中，采集一组过程输出信号yt，并引入一组与yt长度相同的，独立同分布的任意高斯信号作为参考扰动信号xt；所述过程输出信号为控制回路中的压力、温度、流量或液位数据；步骤2，分别将过程输出信号yt和参考扰动信号xt切分为M个信号段，并对每一信号段进行离散傅里叶变换，得到相应的频谱函数和步骤3，得到频谱函数和后，依据信号的双谱函数的直接估算法，分别计算出过程输出信号和参考扰动信号的双谱函数和然后依据双相干谱函数的归一化估算方法，分别得到过程输出信号和参考扰动信号的归一化的双相干谱函数和步骤4，得到双相干谱函数和后，依据信号的改进的倒双谱的定义及估算方法，得到相应信号的改进的倒双谱和从而得到衡量待测控制回路的改进的倒双谱步骤5，在控制回路为线性的前提下，根据改进的倒双谱Ch(n1,n2)应满足的特性，构造统计指标q，以置信度为α下的监控线q0作为先验值，由待测控制回路的改进的倒双谱得到检测指标将指标与q0进行比较，从而判断待测控制回路中是否存在非线性。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，包括以下步骤：步骤1，在待检测的控制回路中，采集一组过程输出信号yt，并引入一组与yt长度相同的，独立同分布的任意高斯信号作为参考扰动信号xt；所述过程输出信号为控制回路中的压力、温度、流量或液位数据；步骤2，分别将过程输出信号yt和参考扰动信号xt切分为M个信号段，并对每一信号段进行离散傅里叶变换，得到相应的频谱函数和步骤3，得到频谱函数和后，依据信号的双谱函数的直接估算法，分别计算出过程输出信号和参考扰动信号的双谱函数和然后依据双相干谱函数的归一化估算方法，分别得到过程输出信号和参考扰动信号的归一化的双相干谱函数和步骤4，得到双相干谱函数和后，依据信号的改进的倒双谱的定义及估算方法，得到相应信号的改进的倒双谱和从而得到衡量待测控制回路的改进的倒双谱步骤5，在控制回路为线性的前提下，根据改进的倒双谱Ch(n1,n2)应满足的特性，构造统计指标q，以置信度为α下的监控线q0作为先验值，由待测控制回路的改进的倒双谱得到检测指标将指标与q0进行比较，从而判断待测控制回路中是否存在非线性；步骤4所述的改进的倒双谱由以下步骤得到：步骤4-1，依据信号的改进的倒双谱的定义及估算方法，得到相应信号的改进的倒双谱和所述信号的改进的倒双谱的定义如下：其中，C(n1,n2)表示改进的倒双谱；n1,n2表示离散的时域自变量；Pz(f1,f2)表示信号的双相干谱函数；TF-1表示逆傅里叶变换；所述信号的改进的倒双谱的估算方法如下：1其中，表示改进的倒双谱的估计量；N表示离散傅里叶变换的得到的频谱函数的长度；j表示虚数单位；步骤4-2，利用过程输出信号和参考扰动信号的改进的倒双谱和得到可以衡量控制回路的改进的倒双谱公式如下：其中，n1,n2表示离散的时域自变量；f,f1,f2为双谱函数的频域自变量；每个信号段的长度、汉宁窗的长度以及离散傅里叶变换得到的频谱函数的长度均为N；N的取值为2n，n为6～8的整数。2.如权利要求1所述的基于改...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢磊，王培宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33