基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法与流程

本公开涉及流程工业生产过程的异常工况监控技术领域，特别涉及一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

单反馈控制回路在现代流程工业系统中占有较大的比重，其异常运行将严重影响工业生产的高效运行，甚至引发重大的生产事故。工业报警系统对单反馈控制回路的安全运行发挥着至关重要的作用，该系统通过对单反馈控制回路的自动监控，有效识别出生产过程中的异常状况，进而采取针对性调整措施，使得生产过程恢复稳定运行状态，最终可以减少生产事故的发生。目前，在工业报警系统中，传统单反馈控制回路的异常检测方法是通过对比输出信号与报警阈值的大小，进而监测单反馈控制回路的运行状况，但是此类异常监测方法往往伴随着大量的干扰报警，大幅度降低了报警系统的可信度。

传统的异常检测方法主要有三种：第一种方法是设置报警延时法，当监控变量超过报警阈值的时间超过所设置的延迟时间后，才会发出报警信号；第二种方法是设置报警死区法，当监控变量超过报警阈值的幅值大于某个死区宽度后，才会发出报警信号；第三种方法是报警数据滤波法，当滤波后的监控变量超过报警阈值时，才会发出报警信号。

本公开发明人发现，上述的三种传统检测方法只是针对一般性的生产运行状况进行异常检测，对于单反馈控制回路而言，控制信号与输出信号之间存在同增同减的相互关系，而传统的异常检测方法单纯地考虑输出信号是否超出报警阈值，忽视了两个信号之间存在的这种关系，从而增加了误报警的数量，在一定程度上降低了报警系统的性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法，根据输出信号与控制信号之间的同增同减相互关系进行报警设计，在监测异常状况的同时，减少了干扰报警的次数。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法。

一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法，包括以下步骤：

获取单反馈控制回路正常运行情况下的数据，以控制信号滞后于输出信号的延迟时间作为报警持续时间的阈值；

获取单反馈控制回路的输出信号和控制信号的预设时间段的数据，采用固定长度的滑动窗口进行子时间序列的提取；

将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征；

对比两个信号的特征字符，当特征字符不一致的持续时间超过报警持续时间的阈值时触发报警。

本公开第二方面提供了一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测系统。

一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测系统，包括：

阈值确定模块，被配置为：获取单反馈控制回路正常运行情况下的数据，以控制信号滞后于输出信号的延迟时间作为报警持续时间的阈值；

子时间序列提取模块，被配置为：获取单反馈控制回路的输出信号和控制信号的预设时间段的数据，采用固定长度的滑动窗口进行子时间序列的提取；

输入输出变化方向分析模块，被配置为：将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征；

报警触发判断模块，被配置为：对比两个信号的特征字符，当特征字符不一致的持续时间超过报警持续时间的阈值时触发报警。

本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法中的步骤。

本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法中步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，充分考虑了单反馈控制回路中的输出信号与控制信号之间的同增同减关系，避免了单纯对比控制信号与报警阈值带来的误报率等报警性能指标差的问题，能够在监测异常状况的同时，有效减少干扰报警的次数。

2、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征，对子时间序列的增减进行了量化分析，提高了增减分析的效率和准确度。

3、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，通过对比两个信号的特征字符，当特征字符不一致的持续时间超过报警持续时间的阈值时触发报警，通过结合量化后的特征字符和报警持续时间的阈值，进一步的提高了报警触发的准确度，能够有效的防止干扰报警。

附图说明

图1为本公开实施例1提供的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法的流程图。

图2为本公开实施例1提供的采用相关系数确定报警持续时间阈值计算图。

图3为本公开实施例1提供的报警持续时间阈值的决定图。

图4为本公开实施例1提供的工业数据的时间趋势图。

图5为本公开实施例1提供的子时间序列报警检测结果图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对背景技术中所述的传统报警检测系统中存在的主要问题，本公开提供了一套基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法，通过应用本公开所述技术，基于单反馈控制回路正常运行状况下的控制信号与输出信号之间的同增同减关系，在有效识别异常运行状况的同时，避免了传统报警监测方法单纯对比控制信号与报警阈值而导致的干扰报警。

实施例1：

图1所示，本公开实施例1提供了一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法，包括以下具体步骤：

步骤1：通过在单反馈控制回路正常运行情况下，得到输出信号y(t)和控制信号u(t)的时间序列数据，其中t∈z⁺(正整数集)为采样时间，时间序列的总数据长度为n，则可以将y(t)和u(t)分别表示为和由于闭环控制中积分环节作用的影响，使得控制信号响应输出信号的变化存在一定的时间延迟，因此，通过计算序列与的皮尔逊相关系数得到y(t)及对应u(t)的相关性，其中t1为延迟时间，当使得相关系数r取最大值时的t1即为所求的延迟时间，并将此t1作为报警持续时间的阈值，用于后续的报警检测。

皮尔逊相关系数的计算公式如公式(1)所示：

其中，yi与ui分别是虚线框内与的时间序列，与为yi与ui的数据均值，n为yi与ui的数据长度。

步骤2：基于单反馈控制回路运行中得到的时间序列y(t)和u(t)，以长度为l的滑动窗口同时提取y(t)和u(t)的子时间序列。

以y(t)为例，得到子时间序列

步骤3：将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征。

以y(t)第一个窗口内提取的子时间序列为例，具体的，步骤3由以下步骤组成：

步骤3.1：采用自底向上趋势提取方法提取子时间序列的变化方向，首先将的相邻采样点顺次两两进行连接得到拟合数据段：{y(1),y(2)},{y(3),y(4)},...,{y(l-1),y(l)}，然后计算相邻数据段合并的拟合误差，将具有最小拟合误差的相邻两段合并为一段，不断重复该过程，直到达到设定的数据段m。

对时间序列进行分段前，需要确定最优分段数。设定分段数m的取值范围，根据公式(2)计算不同分段数m下拟合误差的损失函数值，即计算m段数据拟合误差的平方和：

其中，m表示分段数目，t表示在第i段中的时间点，yi(t)表示第i段的原始数据，表示第i段的拟合数据，最优分段数的决定函数公式如下：

最优分段数在决定函数的拐点m^*处取得，该点与相邻前后两点所连直线的夹角(拐角)最小，即拐角的补角θ3最大，由于正切函数为单调增函数，因此θ3最大时f(m)取最大，根据公式(4)得最优分段数m^*：

步骤3.2：基于得到的m^*个连续的非重叠数据段此处ti与ti+1-1分别是第i个数据段的起始时刻与终止时刻，其中i∈[1，m^*]，按照拟合误差最小的原则对窗口内m^*个数据段进行最优拟合：

或最优线性拟合：

其中，为拟合系数，定值趋势(斜率为零)数据段的一阶差分满足：

δyi(t)＝0(7)

其中，t∈[ti，ti+1-2]，因此计算第i个数据段的一阶差分：

δyi(t)＝yi(t+1)-yi(t)(8)

步骤3.3：基于得到的拟合结果，根据变化方向对第i段进行输入输出变化方向分析，首先根据第i段的拟合结果计算始末时间点ti与ti+1-1处的一阶导数及d(ti+1-1)：

或

其中，和分别代表始末两端的斜率。

步骤3.4：根据与乘积的计算结果判断第i段的方向变化，若满足公式(11)：

则证明第i段为基元趋势，得出第i段的幅值

最后根据第i段的幅值变化给出特征字符表示结果如公式(13)所示：

若满足公式(14)：

则证明第i段为组合趋势变化段，则寻找驻点t0，即一阶导数满足：

此时t∈[ti，ti+1-1]，并以驻点ti0为分段点，将第i段分为与两个基元趋势段的组合，根据公式(12)和公式(13)对第i段的两个基元趋势数据段分别用特征字符表示，得到第i段数据的变化方向，重复上述过程直到得到窗口内m^*段的特征字符组合以此表示窗口内子时间序列的变化方向，同理得到u(t)对应时刻的特征字符表示结果

步骤4：基于上述所得子时间序列与的特征字符表示结果与并根据报警持续时间阈值t1，给出如下报警信号a(t)：

若与中存在不一致的表示结果与则得出：

否则：

其中，a(t)＝1的时间段为与不一致时间超出报警持续时间的阈值t1时触发报警的时间段，a(t)＝0的时间段为正常情况下不触发报警的时间段，ts、te分别为特征字符表示结果不一致的开始、结束时间点。

重复上述步骤3中子时间序列的变化方向分析，对后续滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列以及给出字符表示结果，然后根据步骤4所提算法检测输出信号和控制信号的报警情况。

与第一个窗口子时间序列检测的不同之处为只对后续窗口提取子时间序列的后t1+1时间长度的y(t)与u(t)字符表示结果进行报警检测，采用该时间长度既保证了在大于报警持续时间阈值的时间内进行检测，降低漏报率，又避免了重复检测的时间序列过长，导致运算效率降低。

以下是本实施例所述方法在具体示例中的应用。

工业数据选用某电厂#4机组6号低压加热器水位y(t)与低压加热器正常疏水调节阀指令u(t)，由低压加热器的工艺知识及现场经验知：低压加热器水位的高低报警阈值yh、yl分别为38mm、-50mm，传统的阈值检测法即被监控变量(低压加热器水位)的幅值超过报警阈值yh、yl就触发报警，另外，u(t)的饱和上限值为100％，即达到上限值时出现饱和现象，不能继续增加。

由于工业数据中存在外部干扰情况，使得不同时刻下y(t)与u(t)的相关性并不完全一致，即报警持续时间的阈值t1不尽相同，因此，为进一步保证本实施例所提方法的准确性，正确识别真实报警，消除干扰报警，根据步骤1所述方法，对#4机组6号低压加热器2015-11月和12月两个月中550组正常运行情况下的y(t)与u(t)的工业数据分别确定报警持续时间的阈值t1，记为tx1，x∈[1，550]。如图2所示，当使得相关系数r取最大值时的t1即为所求的延迟时间，并且tx1服从正态分布，其中μ＝41.6387，σ＝9.8856，根据正态分布的3σ准则知：

p(μ-2σ<x≤μ+2σ)＝95.4％(18)

因此选取tx1的上97.7％分位数值作为该工业数据的报警持续时间的阈值t1：

t1＝μ+2σ(19)

则t1＝61.4099s，此数值为计算结果，图3为离散数据tx1下的真实取值，即p(x≤61)＝97.672％，与计算结果基本一致，因此取t1＝61.4099s，使得在保证误报率及漏报率允许的情况下，准确区分真实报警及干扰报警。

选取2015-11-16-15的低压加热器的水位y(t)与低压加热器正常疏水调节阀指令u(t)的工业数据，首先，采用长度l＝300s的滑动窗口，以步长x＝5s向前滑动提取子时间序列，如图4所示，以矩形框中第513个窗口提取的子时间序列与为例，根据所提方法进行变化方向分析，首先设置变化方向提取分段数范围为1到8段，根据公式(4)得到与的最优分段数分别为2和3，并根据所述算法对每段进行最优拟合，得到图5中的子图(a)与(c)所示的拟合结果与其中实线、虚线垂直线分别为分段点与驻点的位置。基于得到的拟合结果，根据公式(13)得到图5中的子图(b)与(d)所示特征字符表示结果以及根据步骤4报警检测算法及公式(19)报警持续时间的阈值t1，得到图5中的子图(e)的检测结果因此，此时段无触发报警的情况，且由图可知：此时段中u(t)能够正确响应y(t)的变化，单反馈控制回路处于正常工作状态，因此所提算法的检测结果满足理论分析。

实施例2：

本公开第二方面提供了一种基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测系统，包括：

阈值确定模块，被配置为：获取单反馈控制回路正常运行情况下的数据，以控制信号滞后于输出信号的延迟时间作为报警持续时间的阈值；

子时间序列提取模块，被配置为：获取单反馈控制回路的输出信号和控制信号的预设时间段的数据，采用固定长度的滑动窗口进行子时间序列的提取；

输入输出变化方向分析模块，被配置为：将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征；

报警触发判断模块，被配置为：对比两个信号的特征字符，当特征字符不一致的持续时间超过报警持续时间的阈值时触发报警。

所述系统的工作方法与实施例1提供的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法相同，这里不再赘述。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法中的步骤，所述步骤为：

获取单反馈控制回路正常运行情况下的数据，以控制信号滞后于输出信号的延迟时间作为报警持续时间的阈值；

获取单反馈控制回路的输出信号和控制信号的预设时间段的数据，采用固定长度的滑动窗口进行子时间序列的提取；

将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征；

对比两个信号的特征字符，当特征字符不一致的持续时间超过报警持续时间的阈值时触发报警。

详细步骤与实施例1中提供的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法相同，这里不再赘述。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法中的步骤，所述步骤为：

获取单反馈控制回路正常运行情况下的数据，以控制信号滞后于输出信号的延迟时间作为报警持续时间的阈值；

获取单反馈控制回路的输出信号和控制信号的预设时间段的数据，采用固定长度的滑动窗口进行子时间序列的提取；

将滑动窗口提取的输出信号和控制信号的子时间序列分别进行最优二阶多项式拟合，并对拟合结果进行变化方向分析，用特征字符表示输入输出方向变化的特征；

对比两个信号的特征字符，当特征字符不一致的持续时间超过报警持续时间的阈值时触发报警。

详细步骤与实施例1中提供的基于输入输出变化一致性的单反馈控制回路异常监测方法相同，这里不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。