基于数据的铅锌熔炼过程自适应在线监控与故障诊断

论文摘要

密闭鼓风炉铅锌熔炼过程是一个复杂的物理化学变化过程,具有多变量、非线性、强耦合、大滞后和不确定性等特点,由于机理反应复杂,原料成分多变及工作环境恶劣,导致铅锌熔炼过程工况频繁变化、多工作点运行、数学描述困难和故障时常发生,从而影响铅锌的产量和质量。目前,铅锌熔炼过程在线监控与故障诊断主要凭人工经验进行判断,无法及时发现和诊断故障,难以保证生产过程持续稳定运行。因此,研究铅锌熔炼过程在线监控与故障诊断新技术,对于保证生产安全稳定运行,提高企业经济效益具有重要的现实意义。本文针对铅锌熔炼过程工况频繁变化和多工作状态切换的特点,利用生产现场采集的大量工况数据,研究了基于过程工况数据的自适应在线监控与故障诊断新方法。针对铅锌熔炼过程在线监控与故障诊断存在的问题,提出了基于一阶扰动的递归动态主元分析方法、基于潜空间变换的自适应建模方法、基于多模型切换的自适应在线监控方法、基于奇异值分解的故障二次分离方法和基于极大似然估计的故障辨识方法。并将其应用于铅锌熔炼过程实际生产中,取得了较好效果。主要工作和创新点包括以下几个方面：(1)针对铅锌熔炼过程机理反应复杂、工况频繁变化和多工作状态频繁切换的问题,将铅锌熔炼过程每个加料周期划分为三个子过程,包括初始阶段,过渡阶段和稳定阶段。然后根据三个子过程工况变化的不同特点,采用静态主元分析方法建立正常工况下铅锌熔炼过程初始阶段静态监控模型,采用动态主元分析方法建立过渡阶段动态监控模型,提出一种基于潜空间变换的自适应建模方法提取稳定阶段正常工况变化的模型特征,建立稳定阶段自适应监控模型。(2)针对传统监控统计变量(如SPE)阈值计算不精确和在线计算复杂的问题,提出两个改进的监控统计量。首先深入分析传统监控统计量存在的问题,构造两个改进的监控统计量。然后比较各个监控统计量的故障敏感度,从理论上证明了改进的统计量具有更强的故障检测能力,同时在线计算方法简单、阈值确定更精确。(3)针对铅锌熔炼过程多工作状态运行和工况频繁变化引起的系统故障误报警的问题,提出了一种基于动态递归主元分析和多模型切换方法的铅锌熔炼过程自适应在线监控策略。采用基于标准主元分析的在线监控方法对铅锌熔炼过程初始阶段工况实行在线监控。然后提出一种基于一阶扰动的动态递归主元分析方法实时跟踪过渡阶段工况的缓慢变化,实现过渡阶段工况自适应在线监控。最后提出一种基于正常工况变化模型(工况漂移,工况扩大和工况突变模型)的多模型切换方法,实现稳定阶段工况自适应在线监控。实验结果表明,本文提出的白适应在线监控策略能有效跟踪铅锌熔炼过程工况的正常变化,消除系统故障误报警并有效检测故障。(4)针对铅锌熔炼过程不同类型故障引起相同状态变量异常而导致系统故障误诊断的问题,提出了一种基于奇异值分解的铅锌熔炼过程故障二次分离方法。首先根据异常状态变量和故障类型的对应关系,提出一种基于奇异值分解的故障分离方法初步确定故障类型。然后根据异常状态变量与故障类型的特殊对应关系实现故障的二次分离。实验结果表明,该方法能够有效分离故障,减少系统故障误诊断的发生。(5)针对铅锌熔炼过程故障辨识困难的问题,提出了一种基于极大似然估计和奇异值分解的故障辨识策略,实现故障发生程度的评价。首先从理论上将故障分为均值故障和方差故障两大类,然后采用多元正态分布均值和协方差假设检验方法判断故障类别(均值故障或方差故障)。最后采用极大似然估计方法辨识均值故障的大小,采用奇异值分解的方法辨识方差故障的大小。实验结果表明,本文提出的故障辨识策略能有效辨识均值故障和方差故障的大小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 复杂工业过程故障诊断的主要方法及现状
• 1.2.1 基于模型的方法
• 1.2.2 基于信号处理方法
• 1.2.3 基于知识的方法
• 1.2.4 基于数据的方法
• 1.3 铅锌熔炼过程在线监控和故障诊断技术研究现状
• 1.4 本论文的研究内容和结构安排
• 第二章 铅锌熔炼过程工况及故障分析
• 2.1 铅锌熔炼工艺及特点
• 2.2 铅锌熔炼过程故障分析
• 2.3 铅锌熔炼过程在线监控与故障诊断系统框架
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于主元分析的铅锌熔炼过程离线建模
• 3.1 基于主元分析的铅锌熔炼过程离线建模框架
• 3.1.1 铅锌熔炼子过程划分
• 3.1.2 铅锌熔炼过程离线建模框架
• 3.2 基于静态主元分析方法的铅锌熔炼过程初始阶段建模
• 3.2.1 主元分析建模方法
• 3.2.2 铅锌熔炼过程初始阶段建模
• 3.3 基于动态主元分析方法的铅锌熔炼过程过渡阶段建模
• 3.4 基于潜空间变换方法的铅锌熔炼过程稳定阶段建模
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于递归主元分析与多模型切换的铅锌熔炼过程自适应在线监控
• 4.1 铅锌熔炼过程自适应在线监控框架
• 4.2 基于静态主元分析的初始阶段在线监控
• 4.2.1 传统统计变量
• 4.2.2 改进的统计变量
• 4.2.3 故障灵敏度分析
• 4.2.4 铅锌熔炼过程初始阶段在线监控策略
• 4.3 基于递归主元分析的过渡过程自适应在线监控
• 4.4 基于多模型切换的稳定阶段自适应在线监控
• 4.5 实验结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于奇异值分解与极大似然估计的铅锌熔炼过程故障诊断
• 5.1 铅锌熔炼过程故障诊断框架
• 5.2 基于奇异值分解的铅锌熔炼过程故障二次分离
• 5.2.1 基于故障重构的故障分离方法
• 5.2.2 基于奇异值分解的故障分离方法
• 5.2.3 铅锌熔炼过程故障二次分离策略
• 5.3 基于极大似然估计的铅锌熔炼过程故障辨识
• 5.3.1 多元正态分布参数的假设检验
• 5.3.1.1 多元正态分布均值假设检验
• 5.3.1.2 多元正态分布协方差假设检验
• 5.3.2 故障分类和判断
• 5.3.3 故障辨识
• 5.3.4 铅锌熔炼过程故障辨识策略
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果