可变窗自适应核主元分析的化工过程故障诊断算法

针对核主元分析法(KPCA)处理非线性时变化工过程故障诊断易产生误报的问题,提出一种基于可变窗技术的快速自适应核主元分析(AKPCA)故障诊断算法.该算法在过程监控中当大量的数据块来临时,分别对KPCA模型进行迭代更新和复旧处理,通过计算SPE和T2统计量来调节滑动窗的尺寸,从而实现KPCA模型的进一步更新,克服了传统的自适应KPCA方法只能够处理某个时刻的一个观察点数据的缺点,能够有效地排除异常样本影响,从而提高时变过程性能检测的准确性.将该方法应用于酮苯脱蜡过程的监控中.与KPCA、滑动窗KPCA(MWKP-CA)的监测性能进行比较,仿真结果表明该方法能够很好地降低过程故障的误报率,对非线性时变的化工过程具有更可靠的检测性能.     

KPCA-KPLS方法在pH中和过程建模中的应用

针对化工过程中的具有严重非线性、不确定性、时变性的复杂pH中和过程系统建模问题,提出一种基于核主元分析(KPCA)与核偏最小二乘(KPLS)相结合的建模方法.在高维特征空间内,该方法通过KPCA有效地提取输入数据的非线性主元,利用KPLS方法将输入变量投影在潜在变量上,再用输入与输出变量之间的协方差信息提取潜在特征建立pH中和过程模型.为验证其有效性,将KPCA-KPLS方法应用到弱酸强碱中和过程、强酸强碱中和过程实例中,并与核偏最小二乘、核主元分析_支持向量机(KPCA-SVM)、核极限学习机(KELM)、极限学习机(ELM)、最小二乘支持向量机(LSSVM)、SVM等方法进行比较.实验结果表明:KPCA-KPLS方法具有很高的动态建模精度.     

基于核状态空间ICA的非线性动态过程故障检测方法

针对工业过程的非线性和动态特性,提出一种基于核状态空间独立元分析的故障检测方法.采用核规范变量分析法将非线性动态过程数据映射到核状态空间,得到去相关的状态数据.对状态数据的各时延协方差矩阵进行加权求和得到状态数据的时序结构矩阵,进而建立ICA统计模型,从状态数据中提取独立元特征数据,并构造监控统计量检测过程故障.在Tennessee Eastman过程上的故障检测结果表明,相比于传统的基于动态核主元分析的故障检测方法,该方法更加灵敏地检测到故障的发生,提高故障检测率.     

基于核主元分析与支持向量机的监控诊断方法及其应用

为了及时反映密闭鼓风炉冶炼过程状态,实现对密闭鼓风炉炉况的监控与诊断,提出核主元分析和多支持向量机分类的相结合的过程监控与故障诊断方法.其原理是:首先,用核主元分析方法提取过程数据特征,建立核主元分析的监控模型;然后,将代表过程特征的核主元送入多支持向量机分类器中,利用"一对其余"算法对故障进行诊断与分类.实验结果表明,所提出的方法与传统的主元分析方法相比,整个样本集的可分性变大,分类正确率提高,能更准确地诊断炉子的各种故障,可有效地用于密闭鼓风炉冶炼过程的故障诊断.     

基于等距离映射的非线性动态故障检测方法

针对化工过程数据强非线性和动态性的特点,提出了一种基于动态等距离映射(Dynamic Isometric Mapping,DISOMAP)流形学习的非线性过程故障检测方法.该方法首先采用DISOMAP算法提取训练样本的子流形特征,自适应学习近邻点参数,保留了采样数据的流形结构,然后运用线性回归方法得到原空间和降维子流形空间的投影映射,从而将观测数据从原高维空间映射到低维嵌入空间,最后在变换后的低维空间构造统计量T2和SPE进行监控.TE过程的仿真结果表明,所提出的DISOMAP故障检测方法可以比核主元分析(Kernel Principle Component Analysis,KPCA)更为有效地监控过程变化,检测到故障的发生.     

基于小波去噪核主元分析和邻近支持向量机的性能监控和故障诊断

针对化工过程数据中包含噪声和强非线性的特点,提出了基于小波去噪核主元分析(De-ncdsed Kerntel Principal Component Analysis,DKPCA)和邻近支持向量机(Proximal SupportVector Machine,PSVM)的性能监控和故障诊断新方法.将样本数据用小波方法进行去噪处理,去除数据所包含的噪声,通过KPCA将降噪后的数据进行变换,在特征空间里构建T2和Q统计量来监测是否有故障发生;若发生故障,则计算数据的非线性主元得分向量,并将其作为PSVM的输入值,通过PSVM分类来确定故障的具体类型.流化催化裂化装置(FCCU)仿真试验验证了小波去噪的必要性和利用DKPCA-PSVM进行监控和故障诊断的有效性.     

基于改进核主元分析的故障检测

针对电主轴系统特点,提出基于改进核主元分析(KPCA)的故障检测方法,引入混合核函数的定义,将多项式核和径向基核的混合核方法与主元分析方法(PCA)相结合,解决采用单一核函数诊断故障时的高误诊率问题.首先对数据进行预处理,然后使用混合核函数对数据矩阵进行映射,映射到高维特征空间,使非线性数据变量变为线性数据变量,并使用PCA提取变量数据的高维空间相关特征确定主元个数,最后根据混合非线性主元特征计算出的T2和Q统计量,实现在线故障检测.该方法改进传统核函数的选取方法,充分考虑工业过程中的非线性,更精确地描述工业过程特性,可以准确、有效地检测出电主轴系统故障.对田纳西-伊斯曼(TE)过程以及电主轴系统的应用实例证明该方法的可行性.     

基于邻域保持嵌入的主多项式非线性过程故障检测

针对化工过程的变量数据维数高、非线性的问题,提出基于邻域保持嵌入(NPE)-主多项式分析(PPA)的过程故障检测算法.应用NPE算法提取高维数据的低维子流形,能够解决传统的线性降维算法不能提取局部结构信息的问题,对维数进行约减.利用PPA法时,使用一组灵活的主多项式分量来描述数据,能够有效地捕捉过程数据中固有的非线性结构.在降维后的流形空间进行主多项式分析并建立Hotelling’s T~2和平方预测误差统计量模型,同时确定控制限以进行故障检测.最后,通过一组非线性数值实例和Tennessee Eastman化工过程数据,将NPE-PPA算法与传统的核主元分析法、PPA法进行对比分析,验证所提算法的有效性及优越性.     

基于局部近邻标准化和主多项式算法的故障检测

针对工业过程的非线性和多模态特征,提出了一种基于局部近邻标准化(local neighborhood standard ization,LNS)和主多项式分析(principal polynomial analysis,PPA)结合的故障检测算法。首先,将样本数据通过局部近邻标准化(local neighbor standardization,LNS)算法,对每个样本构建k近邻数据集;然后应用k近邻数据集的均值和方差对当前样本进行标准化处理;最后使用PPA对已经标准化处理后的样本建模,计算出T2和SPE统计量,并确定控制限进行故障检测。LNS算法能够去除数据中的多模态特征,而PPA算法能够有效的处理非线性数据,因此LNS-PPA方法能够提高具有多模态非线性特征的工业过程故障检测能力。将该方法应用于多模态非线性数值例子和田纳西伊斯曼(TE)化工过程,并将测试结果与主元分析法(principal component analysis,PCA)、主多项式分析法进行对比,其结果能够有效验证LNS-PPA的优越性。     

基于SPA间歇过程故障诊断的MKNPE算法

非线性特性是工业过程的显著特性,特别是间歇过程有着更强的非线性,而且传统方法只是对数据的协方差矩阵进行分解,忽略数据高阶统计量信息,从而无法充分提取非线性过程的有效信息导致诊断效果不佳.针对以上问题,提出了基于统计量的多向核邻域保持嵌入算法.该算法首先引入统计量模式分析方法(SPA)将样本数据投影到统计量样本空间中,可以更充分地提取非线性数据的高阶统计量信息;然后在统计量空间中通过核函数将统计量样本映射到高维核空间,用以解决数据的非线性;最后在高维核空间中应用邻域保持嵌入算法充分提取数据的局部结构来对间歇过程进行监控,检测到过程故障后用变量贡献图法诊断出故障变量.通过青霉素发酵过程验证了该算法对强非线性的间歇过程故障诊断是有效的.     

Nonlinear Statistical Process Monitoring and Fault Detection Using Kernel ICA

A novel nonlinear process monitoring and fault detection method based on kernel independent component analysis (ICA) is proposed. The kernel ICA method is a two-phase algorithm: whitened kernel principal component (KPCA) plus ICA. KPCA spheres data and makes the data structure become as linearly separable as possible by virtue of an implicit nonlinear mapping determined by kernel. ICA seeks the projection directions in the KPCA whitened space, making the distribution of the projected data as non-gaussian as possible. The application to the fluid catalytic cracking unit (FCCU) simulated process indicates that the proposed process monitoring method based on kernel ICA can effectively capture the nonlinear relationship in process variables. Its performance significantly outperforms monitoring method based on ICA or KPCA.     

改进的基于数据重构的KPCA故障识别方法

核主元分析(KPCA)方法相对于主元分析(PCA)方法在非线性过程监测方面具有一定的优势,但是KPCA很难找到由特征空间到原始空间的逆映射函数,这给基于KPCA的故障诊断带来了很大的障碍.为此,在KPCA故障数据重构方法的基础上,对故障识别指标进行改进.改进后的方法既能够识别单变量引起的故障,又能识别多变量引起的故障,而且减少了指标计算过程中的运算量,避免了传统故障识别方法只能实现单变量故障追溯的缺陷.将提出的故障识别方法在田纳西过程中进行了仿真研究,结果表明所提方法的有效性.     

KPCA在凿岩台车控制系统传感器故障诊断中的应用

传感器状态对于凿岩台车的作业有着极其重要的影响,对其展开故障诊断十分必要.核主成分分析(KPCA)方法通过集成算子与非线性核函数计算高维特征空间的主元成分,有效捕捉过程变量中的非线性关系,将其用于传感器4种常见故障的诊断,先用Q统计量进行故障监测,再用T2贡献量百分比变化来识别故障.仿真和实际应用结果表明:KPCA方法具有很好的故障监测与诊断能力.     

基于高斯受限玻尔兹曼机的非线性过程故障检测

针对非线性工业过程,提出了一种基于高斯受限玻尔兹曼机(GRBM)模型的故障检测方法.该方法从海量过程数据中提取出GRBM隐层特征信息,通过隐层特征再构建出重构数据,并依据重构误差在残差空间中构建检测统计量,形成了非线性过程故障检测算法.仿真结果表明,基于GRBM的故障检测方法不仅比传统的核主元分析(KPCA)方法具有更好的故障检出率,并且针对大数据量问题具有更强的处理能力.     

基于核独立元分析的非线性工业过程故障诊断

复杂工业过程的数据具有非高斯、非线性特性,在进行故障检测时,利用核独立元分析(kernel independent component analysis, KICA)方法能有效解决这一问题。然而,由于在处理数据时使用了核函数,无法将线性的贡献图方法直接用于故障诊断,因此采用一种基于改进KICA结合非线性贡献图的方法,对非线性工业过程进行故障检测与诊断。该方法利用基于超松弛因子的FastKICA方法建立监控模型,得到检测故障信息。在发生故障后,通过非线性贡献图法诊断故障变量。最后,选用带钢热连轧工业过程实测数据进行仿真,通过与传统贡献图方法比较,结果表明此方法能够对非线性数据进行有效可靠的故障检测和故障诊断,验证了非线性贡献图的有效性。     

Application of Kernel Independent Component Analysis for Multivariate Statistical Process Monitoring

In this research,a new fault detection method based on kernel independent component analysis (kernel ICA) is developed.Kernel ICA is an improvement of independent component analysis (ICA),and is different from kernel principal component analysis (KPCA) proposed for nonlinear process monitoring.The basic idea of our approach is to use the kernel ICA to extract independent components efficiently and to combine the selected essential independent components with process monitoring techniques.I2 (the sum of the ...     

Nonlinear fault diagnosis method based on kernel principal component analysis

To ensure the system run under working order, detection and diagnosis of faults play an important role in industrial process. This paper proposed a nonlinear fault diagnosis method based on kernel principal component analysis (KPCA). In proposed method, using essential information of nonlinear system extracted by KPCA, we constructed KPCA model of nonlinear system under normal working condition. Then new data were projected onto the KPCA model. When new data are incompatible with the KPCA model,it can be concluded that the nonlinear system is out of normal working condition. Proposed method was applied to fault diagnosis on rolling bearings. Simulation results show proposed method provides an effective method for fault detection and diagnosis of nonlinear system.     

基于核独立分量分析的盲多用户检测算法

针对DS-CDMA通信系统中的盲多用户检测问题,提出了一种改进的核独立分量分析(KICA)算法.该算法首先将五阶收敛的牛顿迭代公式引入到传统的FastICA算法中,同时还引入了一种新的核函数——混合核函数来解决非线性混合信号的分离问题,从而实现了多用户信号检测.最后将所提出的算法与传统的FastICA算法和KICA算法进行仿真比较.结果表明:所提出的算法不仅收敛速度较快,而且具有较小的误码率.