基于PCA与KPCA的TE过程故障检测应用研究.pdf

《基于PCA与KPCA的TE过程故障检测应用研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、基于PCA与KPCA的TE过程故障检测应用研究赵小强，等基于PCA与KPCA的TE过程故障检测应用研究ResearchonFaultDetection．ofTennesseeEastmanProcessBasedonPCAandKPCA赵J琵1互新母月2互迎1(兰州理工大学电气工程与信息工程学院1，甘肃兰州730050；甘肃省肿瘤医院2，甘肃兰州730050)摘要：针对传统主元分析法(PCA)应用于复杂非线性的化工过程故障检测时存在性能差的问题，提出利用核主元分析法(KPCA)来进行故障检测的思想。从而将输入

2、空间中复杂的非线性问题转化为特征空间中的线性问题。将上述方法应用于TennesseeEastman(TE)化工过程模型，仿真结果表明，KPCA方法在复杂非线性化工过程敝障检测方面的应用明显优于普通的PCA方法。关键词：故障检测过程监控非线性鲁棒性信噪比中围分类号：TP277文献标志码：AAbstract：Forcomplexandnonlinearchemicalindustryprocesses。theperformanceoffaultdetectionisverypoorwhentraditionalp

3、rincipalcomponentanalysis(PCA)isused．Thustheconceptofusingkernelprincipalcomponentanalysis(KPCA)toconductfaultdetectionispro·posed。whichwillmakethecomplexnonlinearproblemininputspaceconvertintolinearprobleminfeaturespace．ThismethodisappliedinTennesseeEastma

4、n(TE)chemicalindustryprocess．ThesimulationresultshowsthatKPCAmethodisobviouslybetterthancommonPCAmethodinfaultdetectionforcomplexnonlinearchemicalprocess．Keywords：FanltdetectionProcessmonitoringNonlinearityRobustnessSignaltonoise0引言化工生产工艺复杂多变，原材料及产品具有易燃易爆、有

5、毒有害和腐蚀性等特点，且生产装置呈现出大型化和连续化。因此，在化工生产过程中存在着潜在的危险因素，这些危险因素在一定条件下会转变为故障，甚至引发事故，破坏正常生产，危及人们的生命安全，并带来严重的环境污染，造成极大的经济损失。所以，对化工过程进行故障诊断研究显得非常重要。主元分析PCA法(principalcomponentanalysis)是一种目前广泛应用于过程监控的数据驱动方法，但PCA是一种线性变换方法，不适用于非线性过程。对此，出现了各种不同的非线性PCA，其中Schislkopf等人提出的核主元分

6、析法KPCA(kernelprincipalcomponentanaly-sis)是一种很有效的非线性过程故障诊断方法¨’，它具有线性PCA的简单性，极具实用价值。TE(TennesseeEastman)过程是由美国Eastman化学公司的Downs和Vogel提出的用来开发、研究和评价过程控制技术和监控方法的现实化工过程模型。许多国内外学者、专家均引用它作为数据源，以进行控制、优化和故障诊断等研究阻川。本文通过rIE过程的应用实例，说明了KPCA方法的有效性。1基于PCA的故障检测1．1PCA算法PCA实质

7、上是一种以获取数据的变化度为最优的线性降维技术H。6J。其基本方法是构造原变量的线性组合，以产生一系列互不相千的新变量，从中选取几个新变量，使它们含有尽可能多的信息。PCA确定的一系列相互正交的向量称为负荷向量，这些负荷向量按照在负荷向量方向的方差大小来排序。给定一个训练集，它有r／,个观测值、m个过程变量，写成如式(1)中矩阵x(XER“。)的形式，则负荷向量可通过求解式(2)最优化问题的稳态点来计算。甘肃省自然科学基金资助项目(编号：0809RJZA005)；X2甘肃省科技支撑计划资助项目(编号：090G

8、KCA034)。修改稿收到日期：2010—05—17。第一作者赵小强，男，1969年生，2006年毕业于浙江大学控制科学与工程专业，获博士学位，副教授；主要从事生产调度与故障诊断方面的研究。茗llX12⋯戈Im"qf21算22⋯髫2m菇nI菇砣⋯菇Mmaxv#O(雩)mI——彳一l、l，1l，，(1)(2)8PROCESSAUTOMATONINSTRUMENTATIONV01．32No．1Janua