一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及控制回路的性能评估领域，尤其涉及一种基于改进的倒双谱分析的控 制回路非线性检测方法。
【背景技术】
[0002] 工业现场通常包含众多控制回路，对这些控制回路进行检查及维护是生产过程运 行中一项棘手而繁重的工作。据调查，目前60%以上工业控制器中都存在性能退化问题。 如何利用日常运行数据对控制回路性能进行度量，从而对其进行优化设置以获取更多的经 济效益，已成为众多学者探寻的热点。近年来，控制回路性能监控与评估研宄成为工业控制 领域广为关注的命题。
[0003] 在实际生产中，大多数控制回路控制过程本质上都是非线性的，非线性可能来自 工业过程本身、外部扰动、执行器、传感器等，其中，执行阀作为整个控制回路中唯一可动的 控制部件，是工业过程控制系统中必不可少的基本装备之一。执行阀安装在生产现场，常年 工作在高温、高压、强腐蚀、易堵或易漏等恶劣情况下，不可避免会出现各种故障和异常。同 时，随着使用时间的延长，执行阀还会出现有回滞、死区、粘滞等非线性特性，所以在过程控 制的性能评估、故障诊断等领域，均需要首先确定控制系统中是否具有非线性。
[0004] 非线性检测方法通常是基于统计学中的假设检验方法，该方法通过构造统计指 标，使得该指标在"过程为线性"和"过程为非线性"两种假设下，其估计量的概率密度函数 具有较明显的差别，从而可以根据被测过程的相应数据来决定接受哪种假设。
[0005] 非线性检测方法从统计指标的选择上可以分为参数方法和非参数方法两种。
[0006] 参数的非线性检测方法通过对被测过程按照线性系统进行系统辨识，得到辨识模 型的预测输出和实际输出之间的残差，通过判断残差中是否具有非线性成分来判断被测过 程是否具有非线性，该方法对被测数据的长度的要求较小，但是对辨识精度的要求较高，且 运算量较大。
[0007] 非参数的非线性检测方法基于高阶统计量（如双谱、双相干谱等）来判断过程的 非线性，这种方法只需要获取被测过程的输出数据就可以得到较为可靠的结果，且运算速 度较快。但是为了减小计算高阶谱的估计量时产生的方差，这种方法非常依赖被测信号的 长度，对被测数据的长度要求较大，在数据量较小时，检测的准确性会受到较大的影响。另 外，该方法检测弱非线性的时候准确率较低。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了 一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，该检测方 法克服了传统非参数的检测方法对数据长度的依赖，在检测小数据样本时，依然能够保证 较高的稳定性。
[0009] 一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1，在待检测的控制回路中，采集一组过程输出信号yt，并引入一组与y t长度 相同的，独立同分布的任意高斯信号作为参考扰动信号Xt;
[0011] 所述过程输出信号为控制回路中的压力、温度、流量或液位数据；
[0012] 步骤2,分别将过程输出信号yt和参考扰动信号X t切分为M个信号段，并对每一 信号段进行离散傅里叶变换，得到相应的频谱函数1^/：)和K/：);
[0013] 步骤3,得到频谱函数U/丨和;^(；/>后，依据信号的双谱（bispectrum)函数的直 接估算法，分别计算出过程输出信号和参考扰动信号的双谱函数凡.(/；./2：)和&(/^/ :),然 后依据双相干谱（bicoherence)函数的归一化估算方法，分别得到过程输出信号和参考扰 动信号的归一化的双相干谱函数Z 3, /2 >和Px (；/；, /2)丨
[0014] 步骤4,得到双相干谱函数户,(/；,/2)和/^(/；， /2)后，依据信号的改进的倒双谱 (modified bicepstrum)的定义及估算方法，得到相应信号的改进的倒双谱C,.和 ，从而得到衡量待测控制回路的改进的倒双谱;
[0015] 步骤5,在控制回路为线性的前提下，根据改进的倒双谱ChOi1, n2)应满足的特性， 构造统计指标q，以置信度为α下的监控线q(l作为先验值，由待测控制回路的改进的倒双 谱CMn ：)得到检测指标g,将指标9与％进行比较，从而判断待测控制回路中是否存在 非线性。
[0016] 本发明提供的非线性检测方法只需从待测控制回路采集一组过程输出数据，并引 入一组任意的符合独立同分布的高斯信号作为参考扰动信号，分别对两组信号进行处理， 得到改进的倒双谱函数，在控制回路为线性的前提下，根据改进的倒双谱函数应满足的特 性，构造统计指标q，根据统计指标的概率分布，确定置信度为α的监控线C ltl，将待测控制 回路的检测指标^与监控线％进行比较，就能准确地判断待测控制回路中是否存在非线性。
[0017] 在步骤1中，引入一组独立同分布的高斯信号作为参考扰动信号，扰动信号可以 为任意的高斯信号，但其长度必须与所采集的过程输出信号相同。
[0018] 步骤2得到频谱函数Γ,.?ο和不CO的步骤如下：
[0019] 步骤2-1，分别将过程输出信号yt和参考扰动信号X t切分为M个信号段，切分信 号段的目的主要是用于双谱函数的估算。
[0020] 每段信号包含2"个信号，η取值过大会造成估算的方差增大，η取值过小会造成信 号中信息的缺失，作为优选，η为6~8的整数。
[0021] 另外需要保证相邻信号段样本间具有一定比例的重叠；重叠的目的是增加信号段 数目，减小估算方差，作为优选，M个信号段中相邻信号段的重叠率为25~75%。
[0022] M根据如下公式计算然后取整数得到；
[0023]
【主权项】
1. 一种基于改进的倒双谱分析的控制回路非线性检测方法，包括以下步骤： 步骤1，在待检测的控制回路中，采集一组过程输出信号yt，