摘要化工生产过程是复杂的动态系统,该生产过程一般是在高温高压、低温真空、有毒或腐蚀性等极端条件下进行的,生产系统和设备一旦发生故障，将会造成经济损失，甚至造成人员伤亡和环境污染。
利用故障诊断技术提高系统的可靠性和安全性，已经引起了企业和学术界的高度重视，并在该研究领域取得了丰富的研究成果。
本文主要对田纳西－伊斯曼过程(Tennessee - Eastman Process,TEP)进行了模拟与仿真研究。
首先在查阅文献基础上对故障诊断方法进行了概述。
并对TE过程中的五大操作单元进行了研究。
其中包括反应器、冷凝器、汽/液分离器、压缩机及汽提塔五大操作单元。
在此基础上，对主元分析的故障诊断法的原理和算法进行了研究，并以TE过程为背景,调用其化工过程数据，编写MATLAB程序实现T2图、Q图以及贡献图，采用主元分析法对TE过程进行了仿真实验研究，证明主元分析方法的有效性。
关键词：TE过程;故障诊断;模拟;T2统计;Q统计AbstractThe chemical production process is a complex dynamic system .The process is generally carried out under the extreme environment which may have high temperature, high pressure,low-temperature vacuum ,poison or corrosiveness etc.. When the industrial production devices result in fault,it will bring economical loss or even cause human injuries and environmental problems .Improving the dependability and security depending on fault diagnosis technology is paid attention by companies and researchers ,lots of achievements have been obtained in fault diagnosis field.This thesis mainly imitate and studied the Tennessee - Eastman process(Tennessee - Eastman Process, TEP). Then described that five big operation elements in TE process. In which including reactor, condenser, steam, fluid separator, compressor and stripper five big operation unit.Method has carried out classification on TE process and the malfunction diagnose.In this foundation，studied the principal component analysis method. Taking the TE process as an application background ,we programmed the MATLAB algorithm of PCA, drawed the T2 statistic 、Q statistic and contribution map ,proved the validity of the method.Keywords: TE pross; Fault diagnosis; imitate; T2statistic; Qstatistic目录1 绪论 (1)1.1课题的意义和研究现状 (1)1.2计算机模拟方法及故障诊断方法 (3)1.2.1 计算机模拟方法 (3)1.2.2 故障诊断方法 (4)1.3本文的主要研究工作 (5)2 TE过程 (6)2.1TE过程简介 (6)2.2反应器 (6)2.2.1 工业反应器的类型 (7)2.2.2 釜式反应器的结构 (9)2.2.3 反应釜的操作方式 (10)2.2.4 连续釜式反应器数学模型及最佳操作 (11)2.3冷凝器 (12)2.3.1 冷凝器的分类 (13)2.3.2 水冷式冷凝器主要数学模型 (15)2.4分离器 (15)2.4.1 气/液分离器 (16)2.4.2气/液旋流分离器 (16)2.5压缩机 (18)2.5.1 压缩机的种类 (18)2.5.2离心式压缩机 (18)2.6汽提塔 (21)2.6.1 汽提塔的主要部件 (21)2.6.2 管式汽提塔 (22)3 TE过程的模拟与仿真实验研究 (24)3.1TE过程模拟 (24)3.2TE过程仿真研究 (29)3.2.1 TE过程模拟图 (29)3.2.2 仿真实验 (30)3.3本章小结 (33)4 TE过程的故障诊断方法研究 (34)4.1主元分析的故障诊断法原理 (34)4.2主元分析的故障诊断算法 (36)4.2.1 正常过程主元模型的获得 (36)4.2.2 Q统计量 (36)4.2.3 T2统计量 (37)4.2.4 贡献图 (37)4.3仿真结果分析 (38)4.3.1 故障0的研究 (38)4.3.2 故障7的分析 (39)4.4本章小结 (41)5 结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录A 英文原文 (45)附录B 汉语翻译 (50)附录C 程序代码 (55)1 绪论1.1 课题的意义和研究现状过程控制工程以过程工业生产的“安、稳、长、满、优”为研究任务,所研究的对象是工业生产过程,如炼油、化工、造纸等。
这类生产过程一般具有多样性、复杂性和危险性的特点。
如何将设计的控制策略、优化算法等放在一个具有普遍性的实验对象进行研究和测试是研究人员必须考虑的一个问题。
因为在实验室研究和测试之前,将这些算法直接安装在工业实际装置或流程上运行是不可能的，所以计算机过程模拟仿真就成了主要的研究和测试手段。
Tennessee-Eastman（简称TE）过程是一个用来开发、研究和评价过程控制技术的化工过程模型。
TE过程第一次出现于1990年在芝加哥举行的美国化工学会（AICHE）上，它是由美国Eastman化学公司的过程控制小组的Downs和V ogel提出的，这个案例很适合于研究过程控制技术。
尽管这个案例提出时已经修改了其中的构成、过程和操作条件以保护这个过程的所有权，但这并不影响到它的性能和价值，因而在他们提出这个模拟案例后，引起了过程控制学术界的广泛关注。
此后许多学者、研究员等对这个案例的过程控制进行了深入广泛的研究并给出了相应的控制策略，T.J.Mcavoy等人给出的Base Control控制策略在仿真研究等领域被广泛采用，而Manabu Kano等人研究了TE过程故障诊断的多元统计分析方法。
可以说TE过程具备了复杂工业生产过程所具备的特点，因此使用TE过程对提出算法的有效性进行验证是具有代表性的。
石油炼制、化工、电力、水泥、炼钢、冶金、热能等行业的生产过程中，它们的生产过程往往处于高温、高压等极端条件下，生产过程产生异常，从而导致生产中断甚至爆炸、泄漏毒气等危险情况发生，一旦出现生产故障不仅会给工厂带来不小的经济损失，甚至严重威胁着人身安全。
化工过程故障诊断是解决化工生产过程系统可靠性、安全性、科学决策问题的关键技术之一。
我们目前所说的故障诊断技术一般都是指以软件冗余(或解析冗余)为主的故障诊断技术,是本世纪70年代初期以来首先从美国发展起来的。
这项技术诞生以后逐渐引起了学术界的关注,并且在近十年来得到了迅速的发展,已取得了许多应用成果。
促进故障诊断技术迅猛发展的一个主要动力是市场的迫切需求。
70年代初以来,随着计算机科学的发展,人们所建造的自动化装置的规模越来越大,投资也越来越高,如:现在一套大型乙烯装置上就有成百上千的控制回路,整套装置的投资一般都在数十亿人民币以上。
某些微小故障若不能及时排除,就有可能造成巨大的灾难。
原苏联切尔诺贝利核电站的泄漏事故,中国运载火箭的连续数次失事就说明了这一点。
因此,在这种情况下,系统的安全性就显得极其重要。
提高系统可靠性和安全性的方法有多种,其中一个重要的方法就是采用故障诊断技术。
国内现有监控软件主要采用单变量过程监控技术，多变量监控技术在理论和工程应用方面都处于研究中。
国内的清华大学、浙江大学、华东理工大学、华南理工大学等在过程监控方面都作了大量的研究，浙江大学在研究传统的统计监控方法如主元分析(PCA)法、偏最小二乘分析(PLS)法等基础上，目前重点研究独立成分分析(ICA)、盲源信号分析(BSA)等高阶统计量的信号统计方法在化工过程监控中的应用。
所谓故障诊断，就是确定哪一种故障发生了，换句话说，就是确定所看到的故障状态原因。
即确定故障的类型、位置、量级和时间[1]。
化工过程故障诊断的任务，可分为以下四个方面的内容[1]:故障检测:确定故障是否发生。
故障分离:在故障检测之后确定故障的种类，故障发生的部位。
故障评价：将故障对系统性能指标、功能的影响等做出判断和估计，给出故障等级。
故障决策:根据故障检测的信息和故障评价的等级做出故障诊断决策，针对不同的工况，对系统做出报警、修改操作或控制，甚至停机进行维修等决定，避免故障扩大。
这部分主要方法有数学分析、控制理论、系统辨识、人工智能和模式识别等。
评价一个故障诊断系统的性能指标主要有:故障检测的及时性；早期故障检测的灵敏度；故障的误报率和漏报率；故障定位和故障评价的准确性；故障检测和诊断系统的鲁棒性。
下图为一个完整的故障诊断系统示意图[2]：图1.1 故障诊断过程示意图1.2 计算机模拟方法及故障诊断方法1.2.1 计算机模拟方法计算机模拟方法分机理分析法和系统辨识等多种方法，下面对机理分析法和系统辨识法进行介绍。
1、机理分析法机理分析法需要分析过程的运动规律，运用一些已知的规律、定理和原理，如牛顿三定律、生物学定律、能量平衡方程、物料平衡方程、化学动力学原理等，才能建立起过程的数学模型的方法。
2、系统辨识法系统辨识是根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型。
通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变。