一种气动执行器粘滞特性的检测和评估方法

1.本发明涉及工业过程故障诊断技术领域，尤其涉及一种气动执行器粘滞特性的检测和评估方法。


背景技术：

2.执行器作为工业过程控制系统中一个重要元件，是控制介质流通的关键部件，由于它们的连续运动，往往会磨损和老化，导致执行器在生产过程中表现出严重的非线性特性。粘滞特性作为非线性的一种在气动执行器上最为常见，其造成回路震荡严重影响工业系统的控制性能。
3.气动执行器粘滞特性检测方法主要分为相关性检测法、微分检测法、面积比较法、输入输出比较法和op-pv图椭圆拟合法。相关性检测法要求控制器具有积分作用，控制对象不具有积分作用，当不满足条件时会出现错误的判断。微分检测法和面积比较法较为依赖噪声滤波效果，鲁棒性欠佳。输入输出比较法依赖于阈值的选择和噪声过滤的效果。由于外部扰动和过度调节控制器都会导致op-pv图呈现椭圆状效果，因此op-pv图椭圆拟合法不具备泛化能力。
4.在实际现场中，特别是存在干扰的条件下，上述方法并不具备可信度，更不能准确评估气动执行器粘滞特性的严重程度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1：在气动执行器存在粘滞特性的控制回路中，采集执行器数据并采用线性归一化方法对其进行归一化；
7.步骤2：根据步骤1归一化后的执行器数据绘制二维图并保存为图像；
8.步骤3：采用全局阈值法将步骤2得到的图像转换为二值图；
9.步骤4：采用区域增长算法得到二值图连通域的个数及面积；
10.步骤5：根据步骤4得到的二值图连通域的个数及面积判断气动执行器是否存在粘滞特性及粘滞特性的严重程度。
11.所述步骤1中采集的执行器数据为控制信号op(k)和过程输出信号pv(k)(k＝1,2,
…
,n)；
12.所述线性归一化方法的计算公式为：
[0013][0014]
式中，xk为采集的气动执行器控制信号和过程输出信号；k为气动执行器数据点；为气动执行器控制信号和过程输出信号归一化后得到的信号；x
max
为气动执行器控制信号和过程输出信号中最大值；x
min
为气动执行器控制信号和过程输出信号中最小值。
[0015]
所述步骤2中绘制二维图时将归一化后的pv(k)作为坐标横轴，将|op(k)-pv(k-1)|作为坐标纵轴。
[0016]
所述步骤3具体包括以下子步骤：
[0017]
步骤3.1：设置全局阈值；
[0018]
步骤3.2：读取待处理图像所有像素点的灰度值，建立灰度值矩阵；
[0019]
步骤3.3：确定当前待处理的像素点；再转到步骤3.4；
[0020]
步骤3.4：判断当前像素点的灰度值是否大于全局阈值，若否，设置当前像素点的灰度值为255；若是，设置当前像素点的灰度值为0；再转到步骤3.5；
[0021]
步骤3.5：将灰度值矩阵按左至右、上至下顺序确定下一个像素点，判断灰度值矩阵所有像素点是否均被二值化，若否，则转到步骤3.3；若是，则结束。
[0022]
所述步骤4具体包括以下子步骤：
[0023]
步骤4.1：随机选择未标记灰度值为255的像素点作为种子点；再转到步骤4.2；
[0024]
步骤4.2：遍历种子点周围邻域；再转到步骤4.3；
[0025]
步骤4.3：判断种子点周围邻域像素点的灰度值是否为255，若是，则标记该像素点并合并到种子点集合，再转到步骤4.4；若否，仅对像素点加以标记后转到步骤4.4；
[0026]
步骤4.4：判断种子点周围邻域是否有未标记像素点，若是，则转到步骤4.3；若否，则种子点集合成为新的种子点，再转到步骤4.5；
[0027]
步骤4.5：判断种子点周围邻域像素点是否均被标记且不能合并，若是，取此时种子点集合为连通域，记录连通域面积且连通域个数加1，再转到步骤4.6；若否，则转到步骤4.2；
[0028]
步骤4.6：判断图像中的点是否都被标记，若是，则结束；若否，则转到步骤4.1。
[0029]
所述步骤5中气动执行器存在粘滞特性的判据为连通域个数恰为两个；粘滞特性的严重程度判据为两个连通域包含面积越大，则气动执行器存在的粘滞特性越严重。
[0030]
本发明的有益效果在于：
[0031]
1、充分利用了控制回路的历史运行数据，无需限制过程操作条件和外部附加扰动，能够广泛适用于存在气动执行器粘滞特性的工业回路；
[0032]
2、利用图像处理技术可视化判断气动执行器粘滞特性存在和严重程度；
[0033]
3、易于内嵌在工业控制系统上位机中，运行速度快，便于实施。
附图说明
[0034]
图1为本发明一种气动执行器粘滞特性检测与评估方法的流程图；
[0035]
图2是本发明提供的全局阈值二值化图像流程图；
[0036]
图3是本发明提供的区域增长算法流程图；
[0037]
图4是本发明实施例中的斜坡停顿实验检测图；
[0038]
图5是本发明实施例中的蝶状结果图。
具体实施方式
[0039]
本发明提出一种气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0040]
图1为本发明一种气动执行器粘滞特性检测与评估方法的流程图。结合图1，本实施方式中一种气动执行器粘滞特性检测和评估方法的具体步骤如下：
[0041]
步骤1，在气动执行器存在粘滞特性的控制回路中，采集执行器数据并采用线性归一化方法对其进行归一化；
[0042]
步骤2，根据步骤1归一化后的执行器数据绘制二维图并保存为图像；
[0043]
步骤3，采用全局阈值法将步骤2得到的图像转换为二值图；
[0044]
步骤4，采用区域增长算法得到二值图连通域的个数及面积；
[0045]
步骤5，根据步骤4得到的二值图连通域的个数及其面积判断气动执行器是否存在粘滞特性及粘滞特性的严重程度。
[0046]
步骤1中，需要采集的执行器数据为控制信号op(k)和过程输出信号pv(k)(k＝1,2,
…
,n)。数据采用线性归一化方法，将不同单位的数据换算到同一尺度下便于绘制图形，线性归一化计算公式为：
[0047][0048]
式中，xk为采集的气动执行器控制信号和过程输出信号；为气动执行器控制信号和过程输出信号归一化后得到的信号；x
max
为气动执行器控制信号和过程输出信号中最大值；x
min
为气动执行器控制信号和过程输出信号中最小值。
[0049]
步骤2中，将归一化后的pv(k)作为坐标横轴并将|op(k)-pv(k-1)|作为坐标纵轴绘制二维图并保存为图像。
[0050]
步骤3中，为了便于使用图像处理方法，图像采用全局阈值法转换为二值图。图2是本发明提供的全局阈值二值化图像流程图，具体包括：
[0051]
步骤3.1、设置全局阈值；
[0052]
步骤3.2、读取待处理图像所有像素点的灰度值，建立灰度值矩阵；
[0053]
步骤3.3、确定当前待处理的像素点；再转到步骤3.4；
[0054]
步骤3.4、判断当前像素点的灰度值是否大于全局阈值，若否，设置当前像素点的灰度值为255；若是，设置当前像素点的灰度值为0；再转到步骤3.5；
[0055]
步骤3.5、将灰度值矩阵按左至右、上至下顺序确定下一个像素点，判断灰度值矩阵所有像素点是否均被二值化，若否，则转到步骤3.3；若是，则结束。
[0056]
步骤4中，根据区域增长算法得到连通域个数及其面积大小。图3是本发明提供的区域增长算法流程图，具体包括：
[0057]
步骤4.1、随机选择未标记灰度值为255的像素点作为种子点；再转到步骤4.2；
[0058]
步骤4.2、遍历种子点周围邻域；再转到步骤4.3；
[0059]
步骤4.3、判断种子点周围邻域像素点的灰度值是否为255，若是，则标记该像素点并合并到种子点集合，再转到步骤4.4；若否，仅对像素点加以标记后转到步骤4.4；
[0060]
步骤4.4、判断种子点周围邻域是否有未标记像素点，若是，则转到步骤4.3；若否，则种子点集合成为新的种子点，再转到步骤4.5；
[0061]
步骤4.5、判断种子点周围邻域像素点是否均被标记且不能合并，若是，取此时种子点集合为连通域，记录连通域面积且连通域个数加1，再转到步骤4.6；若否，则转到步骤4.2；
[0062]
步骤4.6、判断图像中的点是否都被标记，若是，则结束；若否，则转到步骤4.1。
[0063]
步骤5中，根据连通域个数及其包含的像素点数判断是否存在粘滞特性及粘滞特性严重程度。气动执行器存在粘滞特性的判据为连通域个数恰为两个；粘滞特性的严重程度判据为两个连通域包含面积越大，则气动执行器存在的粘滞特性越严重。
[0064]
对本发明提出的气动执行器粘滞特性检测和评估方法，使用基于国际阀门粘滞数据库控制回路的数据进行验证。
[0065]
如图4所示，在斜坡停顿检测实验中，气动执行器阀位设定信号从最小值10％开始，以比较小的增量增加，并在指定的位置停顿，直至设定信号的最大值，然后按设定信号减小的方向重复这个过程，设定信号从10％开始每隔5％设置停顿点。最后在采样频率为100hz条件下取30s数据，包括气动执行器阀位设定信号、阀位反馈信号和控制器输出信号。该实验在一定程度上表明气动执行器存在粘滞特性，但仍需用本文所提方法加以验证。
[0066]
如图5所示，对控制回路历史数据归一化后绘制二维图并保存为图像，根据全局阈值法将上述图像转换为二值图；根据区域增长算法得到二值图连通域个数及其包含面积大小；最后根据连通域个数及其包含面积大小判断气动执行器是否存在粘滞特性及其严重程度。
[0067]
综上所述，本发明适用于气动执行器存在粘滞特性的控制回路中，基于图像处理技术，利用工业控制回路历史数据，不受外界干扰和控制回路本身的影响，具备鲁棒性和可泛化性，研究结果表明在控制器过度调节的干扰下，本发明所提方法仍能判断出并非气动执行器粘滞特性引起回路振荡。
[0068]
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在气动执行器存在粘滞特性的控制回路中，采集执行器数据并采用线性归一化方法对其进行归一化；步骤2：根据步骤1归一化后的执行器数据绘制二维图并保存为图像；步骤3：采用全局阈值法将步骤2得到的图像转换为二值图；步骤4：采用区域增长算法得到二值图连通域的个数及面积；步骤5：根据步骤4得到的二值图连通域的个数及面积判断气动执行器是否存在粘滞特性及粘滞特性的严重程度。2.根据权利要求1所述气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，所述步骤1中采集的执行器数据为控制信号op(k)和过程输出信号pv(k)(k＝1,2,
…
,n)；所述线性归一化方法的计算公式为：式中，x
k
为采集的气动执行器控制信号和过程输出信号；k为气动执行器数据点；为气动执行器控制信号和过程输出信号归一化后得到的信号；x
max
为气动执行器控制信号和过程输出信号中最大值；x
min
为气动执行器控制信号和过程输出信号中最小值。3.根据权利要求1所述气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，所述步骤2中绘制二维图时将归一化后的pv(k)作为坐标横轴，将|op(k)-pv(k-1)|作为坐标纵轴。4.根据权利要求1所述气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下子步骤：步骤3.1：设置全局阈值；步骤3.2：读取待处理图像所有像素点的灰度值，建立灰度值矩阵；步骤3.3：确定当前待处理的像素点；再转到步骤3.4；步骤3.4：判断当前像素点的灰度值是否大于全局阈值，若否，设置当前像素点的灰度值为255；若是，设置当前像素点的灰度值为0；再转到步骤3.5；步骤3.5：将灰度值矩阵按左至右、上至下顺序确定下一个像素点，判断灰度值矩阵所有像素点是否均被二值化，若否，则转到步骤3.3；若是，则结束。5.根据权利要求1所述气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下子步骤：步骤4.1：随机选择未标记灰度值为255的像素点作为种子点；再转到步骤4.2；步骤4.2：遍历种子点周围邻域；再转到步骤4.3；步骤4.3：判断种子点周围邻域像素点的灰度值是否为255，若是，则标记该像素点并合并到种子点集合，再转到步骤4.4；若否，仅对像素点加以标记后转到步骤4.4；步骤4.4：判断种子点周围邻域是否有未标记像素点，若是，则转到步骤4.3；若否，则种子点集合成为新的种子点，再转到步骤4.5；步骤4.5：判断种子点周围邻域像素点是否均被标记且不能合并，若是，取此时种子点集合为连通域，记录连通域面积且连通域个数加1，再转到步骤4.6；若否，则转到步骤4.2；步骤4.6：判断图像中的点是否都被标记，若是，则结束；若否，则转到步骤4.1。
6.根据权利要求1所述气动执行器粘滞特性的检测和评估方法，其特征在于，所述步骤5中气动执行器存在粘滞特性的判据为连通域个数恰为两个；粘滞特性的严重程度判据为两个连通域包含面积越大，则气动执行器存在的粘滞特性越严重。

技术总结
本发明公开了属于工业过程故障诊断技术领域的一种气动执行器粘滞特性的检测和评估方法。包括以下步骤：步骤1，在气动执行器存在粘滞特性的控制回路中，采集执行器数据并对其归一化；步骤2，根据归一化后的数据绘制二维图并保存为图像；步骤3，根据全局阈值法将步骤2得到的图像转换为二值图；步骤4，根据区域增长算法得到二值图连通域个数及其包含的面积大小；步骤5，根据连通域个数及其面积大小判断是否存在粘滞特性及粘滞特性的严重程度。本发明的方法适用于气动执行器存在粘滞特性的控制回路中，基于图像处理技术，利用工业控制回路历史数据，不受外界干扰和控制回路本身的影响，具备鲁棒性和可泛化性。具备鲁棒性和可泛化性。具备鲁棒性和可泛化性。


技术研发人员：侯国莲 吕志恒 张文广
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2022/3/8