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基于调节阀粘滞特性的回路振荡检测与诊断方法

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基于调节阀粘滞特性的回路振荡检测与诊断方法

作者：孔杰中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

工业过程控制回路由于控制器参数整定不当、调节阀粘滞特性以及外部周期性干扰等因素的存在而导致振荡现象的发生,这种现象会产生产品质量下降、能耗增加以及设备寿命缩短等问题,从而最终影响企业的经济效益。因此,控制回路的振荡检测... 详细信息

工业过程控制回路由于控制器参数整定不当、调节阀粘滞特性以及外部周期性干扰等因素的存在而导致振荡现象的发生,这种现象会产生产品质量下降、能耗增加以及设备寿命缩短等问题,从而最终影响企业的经济效益。因此,控制回路的振荡检测与诊断对过程控制具有重要的意义。本文的主要工作如下:针对工业生产过程常见的振荡现象,本文采用基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和自相关函数(Auto-correlation Function,ACF)的方法对控制回路进行振荡检测。首先,利用EMD将待检测信号分解为不同频率的本征模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF),能够对多个振荡信号的叠加进行辨识;然后分别对所得IMF信号的ACF计算振荡指标,得到振荡周期和振荡幅值等特征参数。仿真实验结果表明该方法可以准确可靠地对振荡进行检测。调节阀粘滞特性是导致工业过程中控制回路振荡的主要原因之一。现有的调节阀粘滞特性检测方法大多都以特定假设为前提,只适用于特定的范围。针对面积峰值法仅适用于自衡对象的限制,本文给出一种基于改进的形状分析法,用于检测自衡对象和积分对象的调节阀粘滞特性。首先,针对振荡回路的偏差信号计算其二阶导数信号;然后,构造相应的粘滞检测指标对该二阶导数信号与原信号的形状差异性进行区分,从而进行粘滞特性检测。该方法克服了面积峰值法只适用于特定范围的局限性。通过仿真研究验证了该方法的有效性。针对控制回路中常见的多重振荡源引起的回路振荡现象,本文给出一种基于EMD和闭环测试的振荡诊断方法。首先,利用EMD将控制器输出数据以及系统输出数据分解为不同频率的IMF;然后,分别对所得振荡的IMF信号进行闭环测试,通过对回路叠加测试信号来判别对应振荡信号的振荡源。从而解决了由多重振荡源导致的回路振荡诊断问题。在连续搅拌混合过程上的仿真实验验证了该方法的有效性。

关键词：粘滞特性振荡检测振荡诊断经验模态分解闭环测试

催化裂化分馏系统的厂级振荡检测及根源分析研究

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催化裂化分馏系统的厂级振荡检测及根源分析研究

作者：刘品逸华中科技大学

学位级别：硕士

催化裂化分馏系统是生产粗汽油、轻柴油等制造业和运输业主要燃料的重要过程控制系统,随着网络化、数字化的发展,系统在逐渐转向开放互联的同时,也面临越来越多的信息安全问题。由于系统中控制回路之间存在物料及能量的耦合,当某一控制... 详细信息

催化裂化分馏系统是生产粗汽油、轻柴油等制造业和运输业主要燃料的重要过程控制系统,随着网络化、数字化的发展,系统在逐渐转向开放互联的同时,也面临越来越多的信息安全问题。由于系统中控制回路之间存在物料及能量的耦合,当某一控制回路遭受攻击时,可能引发过程变量的振荡并在系统内大范围传播,形成厂级振荡,进而导致严重的生产安全事故。厂级振荡检测及根源分析是防范厂级振荡的重要环节,对于降低厂级振荡的危害具有重要意义。然而,催化裂化分馏系统厂级振荡异常工况具有噪声来源多、振荡波形复杂等特点,现有方法在此种复杂条件下厂级振荡检测及根源分析效果较差,因此本文提出了一种面向催化裂化分馏系统的厂级振荡检测及根源分析方法。具体来说,本文的主要研究内容如下:为解决催化裂化分馏系统的真实振荡数据难以获取的问题,对催化裂化分馏系统进行仿真模拟,并对仿真模型施加篡改攻击以模拟厂级振荡异常工况。由模拟结果可知,厂级振荡模拟产生的振荡数据能够真实反映催化裂化分馏系统厂级振荡异常工况的特点,为厂级振荡检测及根源分析研究提供数据支撑。针对现有厂级振荡检测方法在噪声环境下检测精度不高、实时性较差等问题,提出了噪声辅助的连续多变量变分模态分解厂级振荡检测方法。该方法利用噪声辅助数据分析方法激发连续多变量变分模态分解算法的滤波器组特性,以提升对噪声的鲁棒性;同时该方法采用递归式的信号分解的方式,收敛性较好。实验结果表明,相比于其他方法,该方法具有更好的抗噪性能且计算复杂度更低。针对现有厂级振荡根源分析方法构建的振荡传播因果模型中错误的因果关系较多的问题,提出了融合时间模式注意力机制与格兰杰因果分析的厂级振荡根源分析方法。该方法利用时间模式注意力机制的数据周期性特征提取能力,可有效减少振荡传播因果模型中错误的因果关系。该方法的有效性在催化裂化分馏系统的两个厂级振荡异常工况实验中得到了验证。

关键词：催化裂化装置分馏系统厂级振荡振荡检测根源分析

基于CEEMDAN的过程控制回路非线性振荡检测方法

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基于CEEMDAN的过程控制回路非线性振荡检测方法

等频段多通道信号跟踪和筛选的中高频振荡快速检测方法

第31届中国过程控制会议（CPCC2020）

作者：韩文法高一鸣王宇红黄德先中国石油大学(华东)控制科学与工程学院清华大学自动化系

现代工业过程控制回路性能低下是一个普遍存在且日趋严重的问题,其中振荡现象是导致控制器性能低下,影响生产效益的主要原因之一。针对当前工业生产过程中控制回路普遍存在的振荡问题,本文提出了一种基于自适应完备集合经验模态分解(CEE... 详细信息

现代工业过程控制回路性能低下是一个普遍存在且日趋严重的问题,其中振荡现象是导致控制器性能低下,影响生产效益的主要原因之一。针对当前工业生产过程中控制回路普遍存在的振荡问题,本文提出了一种基于自适应完备集合经验模态分解(CEEMDAN)的非线性振荡检测方法,结合改进后的振荡监测指标对控制回路进行振荡检测。该方法不仅解决了经验模态分解(EMD)的模态混叠问题,还具备对噪声与干扰的鲁棒性强、检测多重振荡、自适应强、处理非平稳信号等特点。仿真结果表明,所提算法能够更好地处理非平稳特征信号,且改进后的振荡监测指标能够有效地提高振荡检测的准确率。

关键词：振荡检测自适应完备集合经验模态分解(CEEMDAN) 控制性能监测信号分析

来源： cnki会议评论

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中国电机工程学报 2023年第18期43卷 7030-7042页

作者：杜东冶郭春义杨硕彭意赵成勇新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206

“双高”系统中多电力电子设备所引起的中高频振荡问题日益显著,传统振荡检测方法难以兼顾中高频振荡检测的准确性与灵敏性,已无法满足中高频范围内的振荡检测新需求。为此,文中提出一种等频段多通道信号跟踪和筛选的中高频振荡快速检... 详细信息

“双高”系统中多电力电子设备所引起的中高频振荡问题日益显著,传统振荡检测方法难以兼顾中高频振荡检测的准确性与灵敏性,已无法满足中高频范围内的振荡检测新需求。为此,文中提出一种等频段多通道信号跟踪和筛选的中高频振荡快速检测方法,包括工频陷波环节、等频段多信号跟踪筛选通道、阈值判断环节。首先,待检测信号通过工频陷波环节实现基频信号的消除;然后,进入等频段多信号跟踪筛选通道,每个通道通过锁相环和低通滤波器实现特定频率范围内振荡信号的快速追踪,最终由多个通道共同作用覆盖中高频范围;最后,各通道输出经过阈值判断环节实现中高频振荡的快速检测。针对所提快速检测方法,提出等频段多通道信号跟踪和筛选的中高频振荡快速检测方法中,工频陷波环节、等频段多信号跟踪筛选通道、阈值判断环节的参数设计原则和方法。在中频和高频数值信号、模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)系统的高频振荡、MMC系统的中频振荡案例中对所提出方法的有效性进行了对比验证,结果表明,所提检测方法可实现对中高频振荡频率与幅值的快速追踪,且振荡频率检测误差可通过通道数设置进行主动控制,对于中高频振荡的检测具有良好的准确性和灵敏性,满足中高频振荡预警及抑制的检测需求。

关键词：中高频振荡振荡检测多信号跟踪筛选通道模块化多电平换流器

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基于EMD和卡尔曼滤波的振荡信号检测

电测与仪表 2015年第24期52卷 60-64页

作者：许峰李开成王可华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉430074

针对振荡信号,可以定量计算振荡信号的参数,同时定位振荡发生的起始时刻。振荡的随机性使其常常叠加于基波信号之上,EMD分解能将叠加于基波信号上的振荡信号提取出来,从而使得卡尔曼状态空间方程简化而可靠。在建立卡尔曼状态空间时,利... 详细信息

针对振荡信号,可以定量计算振荡信号的参数,同时定位振荡发生的起始时刻。振荡的随机性使其常常叠加于基波信号之上,EMD分解能将叠加于基波信号上的振荡信号提取出来,从而使得卡尔曼状态空间方程简化而可靠。在建立卡尔曼状态空间时,利用Z变换建立迭代关系,使得含指数变化项的振荡信号的状态更新变得简单。利用该方法可以快速精确地检测出振荡的频率和衰减指数,最后利用振荡发生起始点处的采样值可以快速确定振荡的最大幅值。卡尔曼滤波能容纳一定程度的噪声,可以利用卡尔曼滤波将噪声的影响有效降低,通过仿真实验可以看到该方法能有效检测振荡信号的实时参数,并确定振荡的有效区间,误差均较小。最后通过比较几种检测振荡信号的方法,证明了本方法的优势。

关键词： EMD 卡尔曼滤波振荡检测

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基于增强慢特征分析的控制系统振荡智能检测

实验室研究与探索 2022年第11期41卷 18-22页

作者：韩涛姚维浙江大学电气工程学院杭州310027

针对传统振荡检测方法在处理非线性关系时准确率低的问题,提出了一种增强慢特征分析算法。在离线建模阶段,该算法对传统慢特征分析方法的权重系数进行解析来识别非线性信号,并采用神经网络拟合非线性信号,将拟合结果作为增强特征纳入原... 详细信息

针对传统振荡检测方法在处理非线性关系时准确率低的问题,提出了一种增强慢特征分析算法。在离线建模阶段,该算法对传统慢特征分析方法的权重系数进行解析来识别非线性信号,并采用神经网络拟合非线性信号,将拟合结果作为增强特征纳入原信号,从而将非线性关系转变为线性关系。在线检测阶段,根据正常数据的变化速率设定检测阈值,将超过该阈值的样本判定为振荡。设计仿真实验对提出算法进行验证;与传统方法相比,误报率平均降低0.625%,检测精度平均提高36.7%。结果表明,该算法不仅实现了非线性信号的自动识别与拟合,完成系统的线性化,同时能有效提升模型对非线性系统的振荡检测能力。

关键词：慢特征分析特征增强振荡检测控制系统

输电系统SVC电压调节器增益自适应控制方法

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电力系统保护与控制 2018年第3期46卷 61-66页

作者：李兰芳南瑞集团公司(国网电力科学研究院) 江苏南京211106 中电普瑞科技有限公司北京102200

静止无功补偿装置(State Var Compensator,SVC)电压调节器的增益影响其响应速度和稳定性。在详细调研国内外输电系统SVC应用背景和技术路线基础上,重点研究了输电系统复杂变化对SVC电压调节器的影响,分析和总结了适用于输电系统SVC电压... 详细信息

静止无功补偿装置(State Var Compensator,SVC)电压调节器的增益影响其响应速度和稳定性。在详细调研国内外输电系统SVC应用背景和技术路线基础上,重点研究了输电系统复杂变化对SVC电压调节器的影响,分析和总结了适用于输电系统SVC电压调节器增益控制方法,提出一种基于闭环积分控制的增益自适应控制方法。增益自适应控制能够在系统运行方式变化或电压调节器输出持续振荡时对电压调节器的增益进行适当调整。通过RTDS仿真试验验证了该方法的有效性。该方法具有便于实现、快速抑制振荡、优化增益改善动态响应特性及适用范围广等优越性。

关键词：电压调节器增益自适应控制次同步振荡振荡检测稳定监视

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多回路振荡定位与传播分析

计算机与应用化学 2012年第9期29卷 1135-1138页

作者：郜旭凯谢磊王树青浙江大学智能系统与控制研究所浙江杭州310027

化工过程的回路众多、关系复杂,一个回路的振荡可能会波及其他回路,多个回路的异常往往只由一个故障点引起。因此分析多回路的振荡传播路径并找到故障根源对于消除故障十分重要。流程工业普遍存在的低频噪声会干扰一般振荡检测方法的准... 详细信息

化工过程的回路众多、关系复杂,一个回路的振荡可能会波及其他回路,多个回路的异常往往只由一个故障点引起。因此分析多回路的振荡传播路径并找到故障根源对于消除故障十分重要。流程工业普遍存在的低频噪声会干扰一般振荡检测方法的准确性,本文以TE过程为例,用频域滤波后的自相关函数(ACF)解决低频干扰严重且频率非单一的振荡检测问题,通过对多回路过程输出的功率谱提取主元,并根据主元相似性对回路聚类,分析振荡的传播路径,最后借助双相干等非线性检测方法定位厂级振荡的根源。同时本文基于上述方法开发了振荡检测与诊断工具箱,对多回路系统的数据进行自动分析。

关键词：振荡检测故障诊断传播分析

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控制器振荡性能监测方法及应用

控制器振荡性能监测方法及应用

作者：严晓婷浙江大学

学位级别：硕士

现代工业过程不断往更大规模、更高集成化发展,给PID控制回路性能的检测诊断领域带来了挑战,运行过程中时常会出现控制性能不良的问题。性能不良的控制回路若无法及时得到改善,将会增加原材料的消耗及能耗,影响工业产品的产量与品质,甚... 详细信息

现代工业过程不断往更大规模、更高集成化发展,给PID控制回路性能的检测诊断领域带来了挑战,运行过程中时常会出现控制性能不良的问题。性能不良的控制回路若无法及时得到改善,将会增加原材料的消耗及能耗,影响工业产品的产量与品质,甚至对工业过程的安全运行造成影响。控制性能下降的一个重要表现是控制回路产生振荡行为。由于工业过程的耦合和集成,单个振荡可能会在整个系统内广泛地传播,增加了系统的不稳定风险,因此,对控制回路的振荡行为进行检测诊断是至关重要的。本文围绕工业过程中控制回路振荡的检测、诊断以及健康管理问题开展了研究,主要的研究工作如下:1)面向工业现场实际,本文提出了一种基于自相关函数（ACF）的单频振荡检测改进方法。相比于现有ACF方法,该方法采用控制回路所有的自相关系数进行计算,更充分地利用了数据信息。该方法在抗噪能力上表现出一定的优越性,提高了在工业有噪环境下振荡检测的准确性和可靠性。2)针对由多个振荡源叠加而形成的多个不同频率、不同振幅的多频振荡检测问题,本文在单频振荡检测的基础上,提出了一种基于自相关函数（ACF）+经验小波变换（EWT）的多频振荡检测改进方法。利用EWT对多频振荡信号在特定频率区间进行分解重构,并结合改进的ACF计算实现了对多频振荡的检测。该方法可以提供所有分量振荡的信息,通过振荡能量占比,可以给出在回路中最显著分量的频率区间及该振荡分量的振荡周期,为现场操作人员后期进行回路维护提供了优先级推荐。该方法旨在解决多个频率振荡混杂对振荡检测及诊断影响的问题,能够有效地提高多频振荡检测的准确性。3)针对工业过程中PID回路的健康管理问题,设计开发了一个控制回路健康管理软件,实现了控制回路的性能评估、检测和诊断。该软件能够为所监测的每个回路提供投运率、饱和率、调节指数、振荡指数、粘滞指数、非线性指数六维度量化评估结果,并给出优、良、中、差的回路评级。同时,本文提出了一套振荡诊断流程,以确定引起回路振荡的设定值振荡、阀门粘滞、外部扰动三种不同的根源,为现场控制回路维护人员准确判断振荡根源并及时进行处理维护提供了依据。4)将开发的控制回路健康管理软件与振荡检测诊断方法应用于两个工业过程:某空分装置（8个回路）和某化工过程装置（25个回路）,利用实际的工厂数据,首先实现了多个工业回路性能的监测和评估,其次对评估的振荡回路进行了分析和溯源诊断,验证了本文提出方法的有效性、可靠性和实用性。

关键词：控制回路性能振荡检测单频振荡多频振荡控制回路健康管理