專利名稱：一種自動的步進式有序時段劃分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于間歇過程統(tǒng)計監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種針對多操作時段間歇生產(chǎn)過程可以進行自動時段劃分的方法。
背景技術(shù)：
作為工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的生產(chǎn)方式，間歇過程與人們的生活息息相關(guān)，已被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、生物制藥、食品、聚合物反應(yīng)、金屬加工等領(lǐng)域。近年來，隨著現(xiàn)代社會對多品種、多規(guī)格和高質(zhì)量產(chǎn)品更迫切的市場需求，工業(yè)生產(chǎn)更加倚重于生產(chǎn)小批量、高附加值產(chǎn)品的間歇過程。間歇生產(chǎn)的安全可靠運行以及產(chǎn)品的高質(zhì)量追求已成為人們關(guān)注的焦點?；跀?shù)據(jù)的多元統(tǒng)計分析技術(shù)因其只需要正常工況下的過程數(shù)據(jù)來建立模型，同時它們在處理高維、高度耦合數(shù)據(jù)時具有獨特的優(yōu)勢，越來越受到研究人員和現(xiàn)場工程師的青睞。間歇過程的統(tǒng)計建模、在線監(jiān)測、故障診斷及質(zhì)量預(yù)測已成為廣泛的研究課題。但是，多向主元分析(MPCA)和多向最小偏二乘回歸(MPLS)的統(tǒng)計分析方法將一次間歇操作的所有數(shù)據(jù)當(dāng)做一個整體來對待，不能反映變量的相關(guān)性在時間方向上的變化。此外，在線應(yīng)用時必須要預(yù)估未知測量數(shù)據(jù)，因此很難實現(xiàn)在線實施，阻礙了其在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。經(jīng)過研究人們發(fā)現(xiàn)間歇操作過程具有時段特性。間歇操作中的過程變量相關(guān)關(guān)系并非隨時間時刻變化，而是跟隨過程操作進程或過程機理特性的變化發(fā)生規(guī)律性的改變，呈現(xiàn)分段性。在不同時段中，每個時段具有不同的過程變量軌跡、運行模式以及相關(guān)性特征，變量相關(guān)性有顯著差異。在同一時段中，不同采樣時刻過程變量的相關(guān)關(guān)系卻近似一致?？紤]到間歇過程的多時段特性，人們期望能夠?qū)⒄麄€間歇過程劃分為不同時段，從而可以建立基于時段的多個模型，并用于在線過程監(jiān)測，從而能夠及時有效的檢測故障發(fā)生，確保工業(yè)生產(chǎn)安全。以一個典型的多時段間歇生產(chǎn)過程-注塑成型-為例。注塑過程是一個典型的間歇工業(yè)過程，也是本專利中所提出的時段劃分方法的具體應(yīng)用背景過程。這里簡單介紹一下注塑機的構(gòu)造以及注塑過程的基本工作原理。注射成型是熱塑性或熱固性塑料制件的主要成型方法之一。我們生活中的塑料制品大約有1/3都是通過注塑過程制造出來的。一臺通用的注塑機主要由注射裝置、合模裝置、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。作為一個典型的多操作階段間歇過程，一個完整的注塑過程由閉模、注射座前進、注射、保壓、塑化、冷卻、開模、制件頂出等程序組成，而注射段、保壓段和冷卻段是決定制件品質(zhì)的最重要的三個操作階段。在注射段，液壓系統(tǒng)推動螺桿將塑料粘流體注入模腔中，直至模腔被流體充滿。過程處于保壓段時，仍有少量的粘流體被高壓擠進模腔中，以補償塑料粘流體在冷卻和塑化時造成的體積收縮。保壓階段一直持續(xù)到模腔的澆口凍結(jié)，過程進入冷卻階段。在冷卻階段模腔內(nèi)流體固化的同時，機桶中的塑料顆粒在機桶外的加熱裝置以及螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切熱的作用下實現(xiàn)其物理狀態(tài)的變化，變成塑料粘流態(tài)并被運送到螺桿的頭部。當(dāng)螺桿頭部熔料逐漸增多，其壓力大于注射油缸的背壓時，螺桿后退同時開始容積計算。頭部熔料達到一定的注射量后，螺桿停止后退和轉(zhuǎn)動，這段時間的過程狀態(tài)也稱為塑化階段。隨著模腔中熔體的繼續(xù)冷卻，塑料從粘流態(tài)恢復(fù)到玻璃態(tài)而定型。當(dāng)塑件完全固化，模具打開，塑件被頂出，從而完成一個工作循環(huán)。如何將一個間歇過程合理地劃分成不同的子時段是后續(xù)基于時段進行統(tǒng)計建模和實時故障檢測的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，直接關(guān)系著過程監(jiān)測的精度和可信度。前人對此已經(jīng)作了相應(yīng)的研究與探討，基于不同的角度提出了相應(yīng)的時段識別辦法。歸納起來有如下三種:(a)依據(jù)過程機理知識和專家經(jīng)驗的方法(b)特征信號變量分析方法(C)自動識別方法。上述幾種時段識別方法各有各的適用場合與優(yōu)缺點。聚類方法是比較常用的時段自動劃分方法，側(cè)重于分析追蹤過程相關(guān)特性的變化。但是，基于聚類的時段劃分方法，并沒有考慮到時段的時序性。若僅僅考慮過程的相似特性，不同時間區(qū)域內(nèi)的采樣時刻會被誤劃入同一個子時段中，而同一個時間區(qū)域內(nèi)中的時間點亦會被劃分到不同時段中，這將導(dǎo)致劃分結(jié)果錯綜復(fù)雜，很難理解。此外，這些時段劃分方法并沒有考慮到時段間的過渡特征，而將時間片嚴(yán)格地劃分到某個時段中。在過程相關(guān)性發(fā)生變化的過渡區(qū)域，如果屬于這段時間內(nèi)的過程模式被硬性地劃分到了兩個子類中，有可能導(dǎo)致“誤分類”。一方面過渡模式包含在子時段中會影響子時段模型的準(zhǔn)確性；另一方面，過渡模式被湮沒在子時段中，在線監(jiān)測時段過渡區(qū)域時會增加第一類檢測誤差的概率。可以說，之前的時段自動化分方法都沒有考慮過程運行的時序性與時段過渡性，從而直接或間歇影響了后續(xù)的過程建模精度和監(jiān)測性倉泛。本發(fā)明的內(nèi)容深入考慮了間歇過程潛在特性的時變性和實際過程運行的時序性以及時段劃分結(jié)果對于之后監(jiān)測性能的影響，提出了一種新的子時段自動劃分方法。到目前為止，尚未見到與本發(fā)明相關(guān)的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有針對間歇生產(chǎn)過程的時段劃分技術(shù)的不足，提供一種自動的步進式有序時段劃分方法。該方法能自動地按照間歇生產(chǎn)過程運行次序捕捉潛在過程特性的發(fā)展變化，確定時間方向上的局部時間塊，即子時段和過渡模式，基于該時段劃分結(jié)果建模，能夠改進模型精度和提高在線過程監(jiān)測性能，并最終可應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，確保間歇生產(chǎn) 的安全可靠運行以及產(chǎn)品的高質(zhì)量追求。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種自動的步進式有序時段劃分方法，該方法包括以下步驟:步驟1:獲取過程分析數(shù)據(jù):設(shè)一個間歇操作具有J個測量變量和K個采樣點，則每一個測量批次可得到一個KXJ的矩陣，重復(fù)I批次的測量步驟后，得到的數(shù)據(jù)可以表述為一個三維矩陣
權(quán)利要求
1.一種自動的步進式有序時段劃分方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:步驟1:獲取過程分析數(shù)據(jù):設(shè)一個間歇操作具有J個測量變量和K個采樣點，則每一個測量批次可得到一個KXJ的矩陣，重復(fù)I批次的測量步驟后，得到的數(shù)據(jù)可以表述為一個三維矩陣XU X./X A:.)，其中測量變量為溫度、速度、壓力、位移等批次運行過程中可被測量的狀態(tài)參數(shù)； 步驟2:數(shù)據(jù)預(yù)處理:將三維矩陣X按照采集批次方向展開，即將一個操作批次內(nèi)的各采樣點上的變量按照時間順序排開得到二維矩陣X (I XKJ)，由K個時間片矩陣Xk (I X J)組成，其中，下標(biāo)k為時間指標(biāo)； 設(shè)二維矩陣Xk內(nèi)任意一點的變量為xk,,, j對該變量進行減均值、除以標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中，下標(biāo)i代表批次，j代表變量，標(biāo)準(zhǔn)化處理的計算公式如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述自動的步進式有序時段劃分方法，其特征在于，所述步驟I中，所述測量變量為以下9個:壓力閥開度、流量閥開度、螺桿行程、螺桿速度、注射壓力、噴嘴溫度、機桶頭部溫度、機桶中間溫度和機桶尾部溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動的步進式有序時段劃分方法，該方法可以將一個多操作步驟的間歇過程根據(jù)過程特性的變化自動劃分為不同的子時段，每個時段具有相似的過程特性可以用同一模型來表示，而不同時段具有不同特性，需要建立不同的模型，大大簡化了模型數(shù)量和復(fù)雜度。本發(fā)明直接采用在線監(jiān)測指標(biāo)作為時段劃分的判斷依據(jù)，改進了時段模型的精度，并大大提高了后續(xù)的過程在線監(jiān)測性能。該方法簡單易于實施，在注塑成型過程中得到了成功應(yīng)用，不僅有利于對具體過程特性的了解，而且增強了實際在線過程監(jiān)測的可靠性和可信度，有助于工業(yè)工程師對過程運行狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，及時發(fā)現(xiàn)故障，從而保證實際生產(chǎn)的安全可靠運行和產(chǎn)品的高質(zhì)量追求。
文檔編號G05B19/048GK103116306SQ20131004643
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者趙春暉, 李文卿 申請人:浙江大學(xué)