【摘要】：隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新和系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大,工業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜,運(yùn)行過(guò)程中的任何異常都有可能帶來(lái)難以預(yù)估的安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的來(lái)臨,生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都將信息數(shù)據(jù)化和高效智能化,如何有效地利用與系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,對(duì)故障做出快速準(zhǔn)確的檢測(cè)是本文的研究重點(diǎn)。目前,傳統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控和故障診斷方法存在著諸多的限制:實(shí)際系統(tǒng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)難以達(dá)到理想的分布狀態(tài),生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)難以保持恒定,還有其他復(fù)雜因素的影響如物理環(huán)境變量、傳感器測(cè)量誤差等。結(jié)合上述研究背景和需求,本文在對(duì)各種故障檢測(cè)與診斷方法進(jìn)行調(diào)研后,主要圍繞基于自編碼器的故障檢測(cè)算法展開(kāi)研究,并對(duì)已有算法進(jìn)行改進(jìn),引入了正交性限制和降噪措施,提出了改進(jìn)的自編碼器算法,并在該算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷。本文以化工過(guò)程Tennessee Eastman仿真平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)背景,對(duì)提出的故障檢測(cè)與診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證。本文的具體工作有:1)提出基于降噪正交自編碼器的故障檢測(cè)算法大型系統(tǒng)的故障診斷是一個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù),由于傳統(tǒng)的故障診斷方法存在許多限制,只通過(guò)傳統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷方法的檢測(cè)效果是非常有限的。針對(duì)數(shù)據(jù)本身存在的冗余和噪聲,本文在自編碼器的基礎(chǔ)上引入正交性以及降噪措施,提出基于降噪正交自編碼器的故障檢測(cè)算法(Denoising Orthogonal Auto-Encoder,DQAE)來(lái)克服自編碼器算法的缺點(diǎn)并且提升對(duì)關(guān)鍵特征的提取和學(xué)習(xí)能力。在Tennessee Eastman過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用該算法進(jìn)行故障檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法相比,有更低的誤報(bào)率和漏檢率,驗(yàn)證了該方法的有效性和優(yōu)越性。2)提出基于多故障降噪正交自編碼器的故障診斷算法隨著系統(tǒng)的復(fù)雜化與大型化演變,不僅其故障帶來(lái)的后果非常嚴(yán)重,對(duì)于故障的維修難度以及成本也非常高。實(shí)時(shí)在線的故障診斷功能對(duì)系統(tǒng)越來(lái)越重要,同時(shí)對(duì)故障檢測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性和快速性的要求也越來(lái)越高。本文針對(duì)故障診斷問(wèn)題,提出以DQAE算法作為特征提取子模型,針對(duì)每個(gè)故障種類(lèi)訓(xùn)練并融合成多故障降噪正交自編碼器的故障診斷算法(Multi-fault Denoising Orthogonal Auto-Encoder,MDQAE)。通過(guò)對(duì)模型輸出的統(tǒng)計(jì)量及其閾值進(jìn)行歸一化,將測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量與閾值進(jìn)行比較判定故障種類(lèi),從而提升故障診斷的可信度與準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方案對(duì)大部分故障都有較低的誤報(bào)率和漏檢率,同時(shí)降低了其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,運(yùn)行時(shí)間較短,為在線進(jìn)行故障診斷提供了可能性,易于在工程中的應(yīng)用與普及。
【圖文】：

1 研究背景及意義伴隨著工業(yè) 4.0 時(shí)代的來(lái)臨，為了能夠滿(mǎn)足快速更新迭代的需求，現(xiàn)代工系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都將進(jìn)行信息數(shù)據(jù)化和高效智能化的轉(zhuǎn)變，，建立具有高度、個(gè)性化與靈活性的生態(tài)模式。與此同時(shí)，現(xiàn)代工業(yè)的制造流程越來(lái)越復(fù)密，運(yùn)行過(guò)程中的任何異常都可能引發(fā)故障，造成無(wú)法估計(jì)的損失。近年來(lái)越多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)由機(jī)械取代人力，形成自動(dòng)化生產(chǎn)流程。雖然生產(chǎn)率得并且人力成本下降，但由于缺少人工的操作和監(jiān)控，如果系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)對(duì)行檢測(cè)，無(wú)法及時(shí)察覺(jué)系統(tǒng)故障并采取有效的解決措施，可能會(huì)引起嚴(yán)重和損失。由于工藝流程的工況環(huán)境多為高溫高壓，化工用品通常具有易燃易爆的屬此，化工行業(yè)中的重大事故尤為觸目驚心。2017 年 10 月，美國(guó) TennesseeEas學(xué)總部發(fā)生大型爆炸，經(jīng)事故調(diào)查得知，事故起因是由于過(guò)量的硫化氫被空氣中從而引發(fā)了大規(guī)模的爆炸。圖 1-1 中即為事故發(fā)生當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的狀況。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文能力來(lái)提高自身的安全性和可維護(hù)性。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者投身于故障檢測(cè)與診斷理論與應(yīng)用領(lǐng)域的研究。20 世紀(jì)中期，美國(guó)麻省理工學(xué)院 Beard 教授提出了一種故障的診斷方法：通過(guò)將硬件冗余用解析冗余取代，使系統(tǒng)自組織閉環(huán)穩(wěn)定，比較觀測(cè)器的輸出來(lái)獲取與故障有關(guān)的信息，標(biāo)志著故障檢測(cè)與診斷相關(guān)研究的開(kāi)端。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步大大促進(jìn)了生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展，如風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)、高速列車(chē)和機(jī)床等。圖 1-2 中給出了一些常見(jiàn)的故障診斷系統(tǒng)對(duì)象。機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件，由于重載、高溫、高速等復(fù)雜而惡劣的條件，不可避免地會(huì)產(chǎn)生不同程度的不同故障。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)通常是基于系統(tǒng)模型的方法，面臨復(fù)雜系統(tǒng)和環(huán)境時(shí)有很多限制。一方面，在實(shí)際環(huán)境中的物理環(huán)境變量、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、傳感器測(cè)量誤差等多種因素的共同影響下，復(fù)雜的控制系統(tǒng)難以通過(guò)對(duì)其建立精準(zhǔn)的物理模型進(jìn)行監(jiān)控。另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟，生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及工況數(shù)據(jù)(如硬件狀態(tài)參數(shù)、負(fù)載和作業(yè)環(huán)境等)得以自動(dòng)被采集和保存。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP212;TP277;TN762

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2625828