一种化学反应搅拌器在化工过程中的状态检测方法

专利主权项内容

1.一种化学反应搅拌器在化工过程中的状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、样本数据采集；等间隔采集化学反应搅拌器在化工过程中正常运行下的特征数据，特征数据包括化学反应搅拌器的电机功率、压力、反应物液位、反应物流速、生成物流速、反应温度、再循环流量和搅拌速度；记第i个时刻采集的特征数据为x，从而得到样本数据集X＝{x, x, …, x, …, x}，其中，N表示采样的时刻总数；i12iN(2)、构建基础检测器并训练；基础检测器包括孤立森林、一分类支持向量机、前馈神经网络、长短期记忆网络和时间卷积网络，共计五个检测模块；然后分别对五个检测模块进行训练，直至每个检测模块收敛；(3)、构建矩阵U；将样本数据集X中每个时刻的特征数据x输入至基础检测器，五个检测模块对应的输出定义为统计量值从而构建出矩阵U：i(4)、统计滑窗矩阵；(4.1)、设置滑动窗，窗口大小为ω×h，滑动步进为1，其中，宽度ω～[h+1, N)，长度h为矩阵U的列数减一；(4.2)、以矩阵U的第一个元素为起点，按照滑动步进利用滑动窗对矩阵U先从上至下进行滑动，在滑动过程中，如果剩余列的数量小于滑窗的长度h，则从矩阵U的第一列开始依次补齐；记录每次滑动后对应的矩阵，其中，记第j次滑动后对应的滑窗矩阵为U；j(5)、对每一个滑窗矩阵进行归一化处理；对于任意的滑窗矩阵U，先计算U中每列元素的均值，其中，U的第k列元素的均值记为u，k＝1, 2, …, h；jjjj, k将每一列的均值u组成行矩阵j, k然后按照如下公式将U归一化为均值为0、方差为1的矩阵j其中，上标T表示转置；表示长度为ω的单位矩阵，∑是U的协方差矩阵，(Σ)表示求∑的逆变换；jjj*j(6)、对每个归一化矩阵进行奇异值分解，得到奇异值向量/>(7)、将每个分解得到奇异值向量合为一个奇异值矩阵V；1(8)、在矩阵U上，从左往右将滑动步进加1，然后重复步骤(4.2)～(7)，直到遍历完了矩阵U的最后一列，滑动结束，从而得到每一列对应下的奇异值矩阵V～V；15(9)、对每个奇异值矩阵进行主成分分解，每个奇异值矩阵得到两组统计量向量；其中，第τ个奇异值矩阵V分解得到的两组统计量向量分别表示为[t, t, …, t]和[q, q, …, q]，其中，τ＝1, 2, 3, 4, 5；ττ, 1τ, 2τ, N-ω+1τ, 1τ, 2τ, N-ω+1然后将所有奇异值矩阵分解得到的统计量向量组合成统计量矩阵T和Q；(10)、将统计矩阵T和Q合并为统计矩阵O；(11)、通过迭代求解的方式获取统计矩阵；(11.1)、设置迭代次数l；(11.2)、在第一次迭代时，将矩阵O的后ω-1行接入矩阵O的最前端，整合后形成矩阵然后将矩阵沿列拼合在矩阵U的后面，得到第一次迭代时的输入矩阵/>最后利用矩阵U替换矩阵U，然后重复步骤(4)～(10)完成第一轮迭代，得到统计矩阵/>1(11.3)、在第二次迭代时，先按照步骤(11.2)计算第二次迭代时的输入矩阵利用矩阵U替换矩阵U，然后重复步骤(4)～(10)完成第二轮迭代，得到统计矩阵/>21(11.4)、以此类推，当第l次迭代后得到统计矩阵为O；l(12)、设置滑动窗，窗口大小为ω×H，滑动步进为1，其中，宽度ω～[H, N)，长度H为矩阵O的列数；l按照滑动步进从上至下对矩阵为O进行滑动，记录每次滑动后对应的矩阵，其中，记第j次滑动后对应的滑窗矩阵为K；lj(13)、对每个滑窗矩阵K进行奇异值分解，得到奇异值向量再将每个K分解得到奇异值向量合为奇异值矩阵V；jj其中，N为矩阵O的行数；ll(14)、对奇异值矩阵V进行归一化处理；计算奇异值矩阵V中每列元素的均值，其中，第k列元素的均值记为v，k＝1, 2, …, H；k将每一列的均值v组成行矩阵k将奇异值矩阵V归一化为均值为0、方差为1的矩阵其中，表示长度为N的单位矩阵，Σ为V的协方差矩阵，上标*表示求Σ的逆变换；l(15)、计算矩阵每一行的元素对应的统计量D；j取出得到行矩阵计算其对应最终的统计量D；j其中，表示矩阵/>每j行的元素，j＝1, 2, …, N，||·||表示求二范数；l(16)、对统计量进行核密度估计；其中，g(x)为估计得出的概率密度，λ为设置常数，K(·)代表高斯核函数；(17)、设置控制限Δ，Δ满足：其中，α为设置的置信水平；(18)、按照步骤(1)采集化学反应搅拌器在第N+1个时刻的特征数据x，将x输入至基础检测器，得到统计量值然后在矩阵U中添加第N+1行元素最后以添加后的矩阵为基准，重复步骤(4)～(15)，得到第N+1个时刻的最终统计量，记为D；N+1N+1N+1(19)、判断化学反应搅拌器在第N+1时刻的运行状态；比较统计量D与控制限Δ的大小，若D＞Δ，则判定化学反应搅拌器在第N+1时刻发生故障；否则，判定化学反应搅拌器在第N+1时刻正常运行。N+1N+1