摘要
随着对自动化设备的安全性、可靠性以及有效性要求的提高，故障诊断技术受到人们的重视，已成为国内外自动化控制界的热点研究方向之一。故障诊断是对控制系统进行故障检测与诊断，并对故障的原因、故障的频率、故障的危害程度及故障的趋势预测等内容进行分析判断，为确诊故障点、及早采取维修、防护等补救措施提供科学的决策依据。
随着科学技术进步，过程工业生产装置的结构日趋复杂，逐渐从单变量系统发展到以多变量系统为主，通常具有非线性、时变性、强耦合性及结构和参数的不确定性，这类系统和设备一旦发生故障，排除的时间增长，不仅造成巨大的经济损失，甚至造成人员伤亡和环境污染，因此传统的故障诊断方法已无法满足要求。
由于大多数过程工业难以建立精确的数学模型，基于数学模型的故障诊断方法在实际应用中遇到了较大的困难。多元统计过程控制的故障检测与诊断方法不依赖于系统的数学模型，因此该方法更具实用性。基于主元分析的工业过程故障诊断方法，由于充分利用了主元分析算法在处理线性数据时可对其降维的作用，使得对多变量生产过程的监测可在低维变量空间实现。本文对基于主元分析的故障诊断方法进行了系统、深入的研究。
关键字：故障诊断；主元分析；过程工业
Abstract
With the increasing requirement on safety, reliability and effectiveness of automation devices, study on the problem of fault diagnosis has received great attention and been one of the most active research topics. Fault diagnosis is doing fault monitoring and diagnosis for monitor and control system. It also analyzes fault source, frequency, severity, tendency etc., and provides scientific decision-making basis in order to confirm fault, take remedies, such as timely maintenance and defense.
With the development of science and technology, the process industrial production installment's structure is getting more and more complex, and develops gradually from the single variable system to the many-variable system primarily. Since it is usually highly nonlinear, time-varying, seriously coupling and its structure parameters are uncertain, traditional fault diagnosis method can’t satisfy the demand. Once this kind of system and equipment comes about malfunction, it will take a long time to be solved and lead to a large amount of economic loss, even human injuries or environmental problems.
It is difficult to found precise math-model in many industry processes, the fault detection method base on math model has much more difficulty actually application. The method of fault detection and diagnosis based on MSPC (Multivariate Statistics Process Control) doesn’t depend on the math model of system. The method of fault detection based on PCA (Principal Component Analysis) making full use of PCA algorithm well and it has the function of declining the dimension while handing line related data. It can make the monitor process carrying out from multivariate space into the low dimension. The main purpose of this thesis is to make further study on the fault diagnosis based on PCA.
Keywords: Principal Component Analysis; Fault detection; Process Industry
目录
1 引言 (1)
1.1故障诊断技术的研究背景 (1)
1.1.1故障诊断技术概述 (1)
1.1.2 故障诊断技术的研究对象 (1)
1.1.3 故障诊断技术研究的必要性 (2)
1.2 国内外基于主元分析的故障诊断技术研究进展 (3)
1.2.1 基于主元分析的故障诊断技术的研究历史 (3)
1.2.2 基于主元分析的故障诊断技术发展趋势 (4)
1.3 本次设计主要工作内容 (7)
2 故障诊断方法研究 (8)
2.1 基于解析模型的方法 (8)
2.1.1 状态观测法 (8)
2.1.2 参数估计法 (8)
2.1.3 等价关系法 (9)
2.2 基于知识的方法 (9)
2.2.1 专家系统 (9)
2.2.2 人工神经网络 (9)
2.2.3 因果分析法 (10)
2.2.4 模糊理论 (10)
2.3 基于数据分析的方法 (10)
2.3.1 主元分析法 (10)
2.3.2 偏最小二乘法 (11)
2.3.3 Fisher判别分析法 (11)
2.3.4 规范变量分析法 (11)
2.4.5 子空间法 (12)
2.4.6小波变换法 (12)
3 基于主元分析的故障诊断技术研究 (13)
3.1 主元分析的研究背景 (13)
3.2 主元分析的数学思想 (13)
3.3 主元分析的实现方法 (14)
3.3.1 主元分析的分解方法 (14)
3.3.2 主元得分向量的计算方法 (15)
3.3.3 确定主元个数的方法 (16)
3.3.4 主元模型的建立 (17)
3.3.5 主元分析的统计量 (18)
3.4 基于主元分析的故障诊断流程 (19)
4 基于主元分析的故障诊断技术应用仿真研究 (21)
4.1 应用仿真环境 (21)
4.1.1 田纳西--伊斯曼过程 (21)
4.1.2 田纳西--伊斯曼过程工艺流程 (21)
4.2 仿真研究 (22)
4.2.1 基于主元分析的故障诊断步骤 (22)
4.2.1 仿真概述 (23)
4.2.3 仿真结果 (24)
结论 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
附录A：英文原文 (32)
附录B：汉语翻译 (39)
1 引言
1.1故障诊断技术的研究背景
1.1.1故障诊断技术概述
故障诊断是指通过系统的解析冗余，完成工作情况的分析，对生产是否正常、什么原因引起故障、故障的程度等问题进行相关的分析、判断，并最终得出结论的过程[1]。利用解析冗余这种故障诊断技术是20世纪70年代初，首先于美国发展起来。系统的解析冗余代替了解析硬件冗余，并通过系统的自动作使系统闭环稳定，通过比较观测器的输出从而得到系统的故障信息。
故障诊断的主要任务，从低级到高级，可以分为以下四个方面的内容[5]：
(1)故障检测：当稳定运行的系统的输出偏离了预期目标范围，或影响系统的输出的过程参数，过程状态或者特征量发生了变化并且超出预定范围时，诊断系统应能够及时检测的出来。但是通常任何故障检测系统都不能完全正确的检测出控制系统的故障，因此如何提高故障的正确检测率，降低故障漏报率和误报率一直都是故障检测领域的前沿课题。
(2)故障分离：从所检测到的特征信号中提取信息，即信号处理与特征变换，根据检测到的故障信息，寻找故障源，确定故障类型及大小。故障源可能是元件，组件，也可以是子系统。该过程主要依靠数学工具，目前常用的方法如：小波变换、主元分析、神经元网络等。
(3)故障评价：将故障对控制系统性能指标以及功能的影响做出相应判断和估计，并评价出出故障等级。同时，计算出故障的程度及故障发生的时间等参数。
(4)故障决策：根据故障检测所得到的信息和故障评价的等级进行故障定位，作出故障诊断决策，针对不同的工作情况，做出报警、修改等操作，甚至停机进行维修等决定，避免故障扩大。
1.1.2 故障诊断技术的研究对象
所谓故障，是指系统中至少一个重要变量或特性出现了较大偏差，偏离了正常范围。从广义上来看，故障可以理解为系统的任何异常现象，使系统表现出所不期望的特性[6]。系统故障通常是指系统在使用或者运行过程中发生的功能型异常变化，即在一定时间内
系统主要功能指标超出规定的范围。
美国麻省理工学院的Beard R. V首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，并通过系统的自组织使系统闭环稳定，通过比较观测器的输出得到系统故障信息的新思路，标志着这门技术的诞生。过程监控与故障诊断包括两方面的内容：故障检测与故障诊断。故障检测的任务是依据预处理后的过程信息或借助直接从测量数据中提取的反映过程异常或系统故障特征的信息，判断系统运行过程是否发生了异常变化，并确定异常变化或系统故障发生的时间。通常，依据处理方式和处理时限不同，故障检测可区分为在线检测和离线检测两大类。提高故障的正确检测率，降低故障的漏报率和误报率一直是故障检测领域的前沿课题。故障诊断包括故障分离和故障识别，是指通过足够数量测量设备(例如传感器)观测到的数据信息、过程异常变化的征兆与过程系统故障之间的内在联系等，对系统的运行状态进行分析和判断，查明故障发生的原因，寻找故障源，确定故障类型及人小。
故障诊断技术的主要研究对象是过程运行时出现的异常变化和系统部件非先天性功能故障[17]。故障诊断所研究的系统往往是相当复杂的工业过程，这些过程具有如下的特性：
(1)数量大，集散控制系统(DCS)所采集的数据点多，其数据存储系统可以连续不断地保存数据，从而使数据库变得十分庞大；
(2)维数高，过程的行为通常是由大量相互关联的变量来体现，因此，要采用降维的方法才能有效地显示过程的行为；
(3)过程的不确定性和噪音，这就要求要有去噪性能好的数据处理方法，对原始过程数据进行预处理；
(4)动态性；
(5)过程变量问的相关性复杂；
(6)测量数据冗余。随着过程工业的发展，对过程的高端应用也越来越高，而过程的复杂特性增加了对过程监控与故障诊断的性能要求，必须不断改善过程监测技术的性能来适应这些不断增加的复杂要求。
1.1.3 故障诊断技术研究的必要性
随着先进控制技术在过程工业中的广泛应用，生产系统的复杂程度逐渐加大，系统中出现的某些微小故障如果不能够及时的诊断并排除，就有可能导致整个生产系统的失
效、瘫痪，甚至造成灾难性的后果。
现代工业及科学技术的迅速发展，特别是计算机技术的发展，使得现代设备的结构越来越复杂，自动化系统的规模越来越大。一个大型的设备系统往往由大量的工作部件组成，不同的部件之间互相联系，紧密耦合。这一方面提高了系统的自动化水平，为生产带来了可观的经济效益；另一方面，由于影响系统运行的因素骤增，使其产生故障或失效的潜在可能性越来越大。一个部件的故障常常会引起链式反应，导致整个系统甚至各个生产过程不能正常运行乃至瘫痪。现代设备系统运行的安令性和可靠性已成为人类必须解决的刻不容缓的问题。切实保障现代复杂系统的安全性和可靠性，具有十分重要的意义，得到了广泛的高度重视。而过程监控和故障诊断技术则为提高系统的安全性和可靠性开辟了一条新的途径。
从实际应用方面看，系统的安全性和可靠性已成为保障经济效益和社会效益的一个关键刚素，得到了广泛高度的重视；从学科理论的发展方而看，故障诊断具有很强的学科交叉性，现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策化、人工智能等学科领域近20年米的迅速发展，为解决复杂系统的故障检测与诊断问题提供了强有力的理论基础。从安全生产和降低成本的角度来看，现代制造设备具有规模大、复杂性高、变量多，并在闭环控制下运行的特点。对这些设备进行早期的和准确的故障检测与诊断可以减少停产时间，增加设备运行的安全性，并减少制造成本，可以使企业避免人员和财产的巨大损失，给企业带来可观的经济效益。故障检测与诊断技术在近十几年来的发展中取得了许多成果，应用领域也在不断扩大，由最先的航天、航空领域及核电站的诊断迅速扩展到输油管线、大型电网系统、汽车、船舶发电机、冶金设备、石化设备、家用电器等各个领域，并创造了巨大的经济效益。
1.2 国内外基于主元分析的故障诊断技术研究进展
1.2.1 基于主元分析的故障诊断技术的研究历史
多元统计分析方法在生产过程中得到了广泛的研究与成功的应用。其中有关主元分析的理论研究和应用较多。主元分析(PCA)作为一种不依赖于过程精确机理模型的监测方法，在化工过程监测方面的研究始于20世纪80年代初。在此之前PCA作为一种多元统计分析技术，已在信号处理、经济学、地质学等领域得到广泛的应用[7]。
一般情况，设某生产过程有m个变量，若过程的差异可以由变量的k(k 元分析提取少数几个能体现原过程绝大多数信息的新变量，通过监视新变量的变化来判断生产过程运行是否正常，主元分析在故障诊断中得到了较好的应用。由于主元分析主要用来分析过程变量问线性、稳态关系，它在复杂过程系统的应用受到了一定的限制。 研究学者针对这些局限性提出了一些改善方法，如：Barkshi结合小波分析能有效消除变量的自相关性、主元分析能消除变量间的互相关性的特点，提出了多尺度主元分析(Multi. scale PCA)来提高常规PCA在时-频域的局部分析能力[2]；以及非线性主元分析(Nonlinear PCA)结合神经网络来提高处理非线性的能力，进一步改善了常规PCA难于处理测量变量间非线性关系的局限；分块主元分析(Multi. block PCA)将大规模过程分成若干个子过程，针对各个子过程分别进行主元分析，从而改善了常规PCA在处理大系统过程的分析精度；多向主元分析(Multi. way PCA)用来处理批次过程。除此之外还有：动态主元分析(Dynamic PCA)用来改善常规PCA的动态性能；移动丰元分析(Moving PCA)通过分析各个主元方向的变化程度，改善常规PCA的过程监测性能等。 经过近70年在全世界范围的实践，统计过程控制获得了长足的发展，其与计算机技术的结合日益紧密，在过程工业中已经得到了广泛的应用。但是由于连续生产过程的特点及其相关处理的复杂性，使得多变量统计过程控制无论在理论方法或是实际应用方面中，都还有许多的问题有待研究解决。 1.2.2 基于主元分析的故障诊断技术发展趋势 就基于主元分析（PCA）的故障诊断方法而言，首先对生产过程中采集到的正常数据进行主元分析，建立主元模型，然后将过程中新得到的数据向量投影到两个正交的子空间(主元子空间和残差子空间)上，并分别在相应空间上使用Hotelling统计量和甲方预测误差SPE统计量，来进行假设检验，如果检验到数据偏离正常统计模型，就可以判断有故障发生，然后可以借助贡献图分析每个过程变量对SPE统计量和2 T统计量的贡献大小，确定是哪些过程变量引起了过程变化或故障，根据以前积累的工程经验，来判断故障原因。 标准多元统计分析的PCA方法在其推导过程中，作了如下假定：(1)各个变量都服从高斯正态分布；(2)过程处于稳态，不存在序列相关性；(3)过程参数不随时问变化；(4)过程是线性的[16]。以上假设限制了PCA在实际过程中的应用，导致大量的错报和误报。因此针对PCA的上述假定，不少学者提出了各种PCA的改进算法。 (1)动态方面的改进 标准PCA是以“样本观测相互独立”作为假设前提条件，没有考虑到时间序列相关性的影响，因此标准PCA从其本质上说，是一种静态建模技术。对于大多数工业过程而言，都存在动态特性，测量变量并不是序列无关的，当前时刻的测量变量与过去若干时刻的测量变量都有关系。为此，探讨适合序列相关数据的动态PCA方法是非常必要的。动态PCA建模是在原来时间序列数据块的基础上对每个变量进行增广，在增广矩阵基础上建模。由学者将PCA和时间序列模型ARMAX相结合提出了动态主元分析DPCA，有效的去除了测量变量时间序列的自相关关系。DPCA模型与传统PCA方法相比较，去除相关性能力更强。动态PCA和静态PCA在故障诊断中的实际应用表明在动态系统，动态PCA方法的效果明显优于静态PCA方法。动态主元分析DPCA虽然较好地解决了数据的动态性问题，但仍是一种线性化的建模方法。 (2)非线性方面的改进 多元统计分析方法作为一种线性化的技术，在提取大型复杂、非线性系统主元特征时存在以下两个问题：(1)线性分解方法压缩和提取不充分；(2)线性方法监视结果不可靠。这是由于较小的主元中可能包含重要的非线性信息，如果舍弃该主元，会导致重要信息的丢失；如果保留该主元，会造成模型复杂。所以有必要使用非线性技术提取大型复杂系统非线性统计特征。 常用的非线性多元统计分析方法有以下几种： ①广义PCA：该方法由Gnanadesikian提出，其基本思想是将m维原始向量进行扩充，使新向量包含某些成员变量的非线性函数，然后对这个增广的新向量进行线性主元分析。但是，由于事先并不确切知道变量间存在什么样的非线性函数关系，因此该方法难以在实际中得到很好的应用。 ②主元曲线方法：1989年，Hastie和Stuetzle提出了主元曲线和主元曲面(Principal Curve＆Principal Surface)的概念，所谓主元曲线，实际上是通过对样本数据进行非线性特征提取而得到的一条光滑曲线，曲线的形状由数据的结构所决定，当曲线为直线时，即为线性PCA的主元曲线，Hastie等给出了主元曲线的近似求解算法，由于该方法计算复杂，因此这种非线性主元还不易于实际使用。 ③神经网络PCA方法:在主元分析基础上融入神经网络方法是解决多元统计分析方法线性化问题的另一有效途径。Kramer提出一种自联想神经网络(Autoassociate Neural Network)结构来处理非线性主元分析。这种自联想神经网络的缺点在于，当神经网络隐 层数较多时，学习训练能力下降。1995年，Tan和Mavrovouniotis提出用输入训练(Input Training，简称IT)神经网络进行非线性主元分析。IT神经网络特点在于神经网络输入没有给出，学习样本只有输出数据，所以其内部权值和输入都需要学习调整。 (3)自适应方法 在实际工业生产中，由于原料性质的改变、外界环境的变化、过程负荷的改变、设备的磨损等因素，导致工业过程的操作条件是多变的，但是传统的多变量统计方法假定在所考虑的时间尺度上，数据都是静态不变的。所以，有必要对传统的算法做进一步改进以克服系统的非静态特性，以达到自动调整诊断模型，实现故障诊断的准确性和实时性。系统的漂移可以分成两种情况，一种是变量的均值和方差发生了变化，而变量之间的定性关系仍保持不变，第二种情况是除了均值和方差发生变化之外，变量之间的关系也发生了变化。在第一种情况下，Rosen和Lennox提出通过更新数据的归一化参数的方法来适应均值和方差的变化比。第二种情况比第一种情况要复杂一些，Dayal和MacGregor,Qin等采用了递归的方法。这些基于递归的方法的基本原理是将新的测量数据以一定的权值包含到待处理的数据矩阵中，这些权值一般是指数减小的，也就是说，随着过程的进行，历史数据对当前数据矩阵的影响是逐渐减小的，当前时刻的数据具有最大的权值，而离当前时刻越远的时刻的数据具有越小的权值。基于递归的自适应算法也在一定程度上克服了非线性的影响，因为递归模型可以看成是系统在不同操作点的线性化模型。 (4)多尺度方法 传统的多元统计方法没有考虑到频率特性，即数据信息的提取和压缩都是在同一时间尺度上完成的。PCA方法对测量变量的时间序列进行建模，建模过程中仅仅考虑了采样间隔这一尺度，因此该模型是单尺度的。单尺度模型仅适合于在一个时间尺度上有贡献的数据。但是由于多种原因，在单一尺度上建立的模型对于某些尺度上的事件并不灵敏。小波分析为解决多尺度问题提供了可能性。测量信号通过小波分析被分解为不同尺度上的信号，信号的高频信息被包含在高尺度上，而低频信息被包含在低尺度上。Bakshi 提出的多尺度PCA( Multiscale PCA，MSPCA)，利用小波变换将每一信号分解为多个尺度上的信号，在每一尺度上分别建立相应的模型。 (5)层次和多块主元分析方法 对于大型的化工联合企业而言，每一生产流程都涉及大量的化工装置，总的测量变量个数也极为庞大，因此，在建立统计过程模型时，对模型中变量之间相互关系的解释 极为复杂，使模型难以实际应用。一种有效的方法就是建立一种层次模型，将整个装置分为若干等级，每一等级都建立相应的模型。Wangen，Kowalshi和MacGregor等研究者分别阐述了多块或多层次PCA的思想，使模型的解释能力大为增强。层次PCA或多块PCA将数据分层次组织起来，下一等级的得分被用于构造上一等级的PCA模型。每一模型都相对比较简单，与单一的PCA模型相比，这种建模方法具有更好的解释能力，特别是对于流程工业而言，测量数据可能来自同一流程不同的过程装置或过程单元，对每一过程装置或单元的测量数据分别建立相应的统计模型，然后从每一模型中抽取出主元，构建出上面一层的模型。这一思想实质上是一种将大系统层层分解简化的方法，对于最底层的模型而言，由于模型中的测量变量都是来自于同一过程单元，变量之问的相互关系相对比较明确，模型的解释能力比较强。因此，基于层次或多块思想的建模方法相比传统的单一PCA模型，具有更好的解释能力和故障诊断能力。 (6)间歇生产过程的监控方法 以上方法主要应用于连续工业生产过程的故障诊断，作为工业生产中另一种重要的生产方式之一的间歇生产过程，与连续生产过程相比，具有启停频繁、动态特性变化快、时序操作严格、多阶段、有限生产(以批次为周期的生产)等特点，间歇生产过程的故障诊断更为复杂。不同于连续过程的二个维度，其测量数据包括时间、变量、批次三个维度。Nomikos和MacGregor提出了基于复合主元分析(Multiway Principal ComponentAnalysis，MPCA)的过程监控方法。该方法通过将三维矩阵按时间进行切片，展开成二维矩阵，从而利用主元分析对其进行监控。 1.3 本次设计主要工作内容 本文通过查阅相关资料文献，通过对多种故障诊断方法的研究，选取基于主元分析（PCA）的方法作为本文设计故障诊断系统的基础。本文主要研究了基于主元分析的数学原理和实现过程，并使用田纳西--伊斯曼过程TEP (Tennessee Eastman Process)平台产生仿真数据，利用MATLAB软件建立故障检测与诊断模型。通过2T和Q(或SPE)统计量与其阈值的判断，并通过贡献率图对系统进行故障诊断。实验表明，基于PCA的故障诊断方法能够对过程的非正常变化做出反应，也能较正确地找出发生故障的原因以及相应环节。 2 故障诊断方法研究 系统故障是指系统中的重要变量或特性出现了较大偏差，在一定时间内系统主要功能指标超出规定的范围。从广义上来看，故障可以理解为系统的任何异常现象，使系统表现出所不期望的特性。故障诊断技术是一门综合性的技术，涉及到多门学科，如现代控制理论、可靠性设计、数理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别、人工智能等。 故障诊断技术所使用的方法目前尚未有一个统一的分类标准，常见的分类方式将其分为三类：基于解析模型的方法、基于知识的方法、基于数据分析的方法[12]。 2.1 基于解析模型的方法 基于解析模型的方法又称为解析冗余法。该方法以系统的数学模型为基础，利用状态观测器、卡尔曼滤波器、参数估计辩识、等价空间方程等方法产生残差，然后基于某种准则或阈值对残差进行分析与评价，实现故障诊断。由于该方法能与系统的机理模型紧密结合，可以方便地实现监控、容错控制、故障重构等。根据残差的产生方式可细分为状态观测法、参数估计法和等价关系法等。 2.1.1 状态观测法 当故障与执行器、传感器或状态变量的变化密切相关时，状态观测法是一种比较合适的故障检测与诊断方法。使用状态观测法或卡尔曼滤波器重构被控过程的状态，与可测变量相比较构成残差序列，通过统计检验对残差进行分析，当残差超过了设定的阈值，就可以确认检测到故障的发生。根据状态对应的物理意义，可进一步对故障进行辨识及决策。用状态观测法进行故障检测与诊断需要一个合适准确的系统机理模型，该模型的建立对故障的辨识过程极为有利。但是对于某些大型的工业工程来说，建立一个准确的系统模型并非轻而易举的事情。 2.1.2 参数估计法 如果过程故障是和模型参数的变化密切联系的，并且恰当准确的数学模型容易得到，则用参数估计法进行故障诊断比较合适。使用该方法时，首先建立被控过程的输入输出参数模型，然后根据系统的输入输出序列计算出模型参数，由模型参数估计过程物理参数，将它与过程中的实际物理参数相比较得到残差序列。最后根据残差序列的变化检测故障是否发牛，当确定有故障发生时，再根据参数的变化进行故障分离、估计及决 策。一种强跟踪滤波器理论可用于非线性系统的在线故障诊断。用参数估计法进行故障诊断需要对系统的机理有深入的了解，这样才能在检测到故障的同时，迅速地对故障原因进行分析。 2.1.3 等价关系法 该方法是要检查系统数学模型和系统运行状态的一致性。用广义残差方程来观测系统的残差，通过设计合适的传递函数，使得残差与未知输入(故障)解耦。当无故障时，未知输入为零，系统的输入输出与系统数学模型一致，广义残差超出预计的统计阈值。当故障发生时，系统的广义残差超出预设的统计阈值。由于传递函数已经对未知输入进行了解耦，因此可以通过对残差的分析来分离故障。 2.2 基于知识的方法 基于解析模型的方法要求有一个精确的定量数学模型。对于大型的工业生产系统，这样的模型可能无法得到，但是现场工作的专家和操作工程师可以提供许多过程的定性描述，这些定性描述加上从过程机理得到的深层次知识，形成了基于知识的方法，如专家系统、神经网络、因果分析等。这些方法，需要一个定性的模型，通过对系统的定性描述来进行故障诊断。 2.2.1 专家系统 专家系统是基于知识的技术，是对人类思维方式的功能模拟。它将专家的经验以规则的形式用公式表达出来，这些规则可以与系统的机理描述相结合，对系统的运行状态进行逻辑推理从而达到故障诊断的目的。专家系统的基本组成包括知识库、推理机和人机接口。知识库可以含有浅知识和深知识，前者是启发性知识和专家论述，后者是根据对象的结构、机理获得深层次知识。这些知识的表示方案有产生式规则、框架、语义网络。推理机利用知识库和用户信息按照一定的推理策略进行推理，对系统的运行状态做出结论，推理机的设计应考虑推理方法、推理策略和搜索方向。人机界面是用户和专家系统进行交互的窗口，将用户信息转化为计算机语言，将系统结论转化为用户可认知的形式。 2.2.2 人工神经网络 人工神经网络是近年来发展起来的一门交叉学科，是对人脑的生理模拟，它能够描 述复杂的非线性关系。神经网络在用于故障检测与诊断时，常用的做法是：过程变量作为人工神经网络的输入层，输出层的每个神经元分别对应着不同类型的已知故障，用已知的过程数据对神经元网络进行训练，描述过程的正常状态和故障状态。在理论上，人工神经网络可以完美地描述系统行为，但是由于过程的复杂性，人工神经网络在进行训练时往往会遇到较大的困难。 2.2.3 因果分析法 因果分析法使用的是故障症状关系的因果模型，有符号定向陶(signed directed graph，SDG)和症状树模型方法(symptom tree model，STM)。SDG是一种显示过程变量间因果关系的图，它反映了过程的特性及系统的拓扑结构，使用SDG进行故障诊断的目标是，通过观察到的症状，定位代表系统故障的根节点。基本的SDG存在一些缺陷，对其改进后可以更好地进行故障诊断，STM与SDG相似，是一种将故障与症状关联起来的故障树模型的实时形式，在STM中，故障的根本原因是通过求取隶属于所观察症状的各种原凶的交叉点来确定的。 2.2.4 模糊理论 模糊理论是1965年Zadeh提出的，它是处理广泛存在的不确定、模糊时间的理论工具，为复杂系统的故障诊断提供了重要的理论方法。模糊逻辑系统的优点是一个适当设计的模糊逻辑系统可以在任意精度上逼近某个给定的非向性甬数。利用专家知识米构造模糊规则库，可以充分利用专家系统的推理规则。模糊理论和人工神经网络相结合，构成模糊神经网络用于故障诊断。模糊神经元与人工神经元相似，其特别之处在于它的部分参数或者全部参数通过模糊逻辑进行描述。 2.3 基于数据分析的方法 基于数据分析的方法，也称为基于信号处理的方法。该方法的思想是对过程的输入输出数据进行信息处理和特征提取，从而监控过程的状态变化[14]。该方法回避了过程建模的问题，适用于大型工业系统的过程监控，已经成为近年来的研究热点。 2.3.1 主元分析法 主元分析(principal component analysis，PCA)是一种有效的数据降维和特征提取方法，该方法可以最大可能地提取数据的主要变化，使用于大型的工业过程故障检测与诊 断。PCA用于诊断诊断的基本思想是：对正常稳态数据进行PCA处理，得到数据的主要变化，进而建立统计模型，新的实时数据与统计模型进行比较，计算统计量SPE和2 T，两个统计量中有一个超出统计阈值，就说明可能有故障产生。PCA是一种线性变换的方法，而且只考虑了变量问的相关性。系统的非线性和变量的时序相关性，严重影响了PCA故障诊断的灵敏性。许多学者对此进行了更进一步的研究，考虑到数据的时序相关性，先后提出了动态主元分析(Dynamic PCA，DPCA)、基于主元曲线和神经网络NPCA(nonlinear PCA，NPCA)和基于核函数的KPCA(kernel PCA，KPCA)处理过程的非线性以及PCA的递推算法用于过程的自适应监控，主元分析法和其他方法的相结合可以更加有效地进行故障诊断。 2.3.2 偏最小二乘法 偏最小二乘法又称为部分最小二乘法(partial least squares，PLS)和特征结构投影法(projection to latent structure，PLS)。它是一种将预测矩阵和被预测矩阵的协方差最大化的降维技术，该技术常用于软传感器的设计。应用PLS的故障诊断方法与PCA类似，选择被预测矩阵作为产品质量变量数据，选择预测矩阵包含所有的其他变量。 2.3.3 Fisher判别分析法 PCA包含了一定的优化特性，但是PCA没有考虑类之间的信息。Fisher判别分析(fisher discriminant analysis，FDA)考虑了各类之间的信息，在故障辨识方面比PCA更有优势¨引。通过对正常数据类的定义，FDA同样可以应用于故障检测。利用FDA进行故障诊断时，首先需要采集正常数据和各种故障数据，定义为不同的数据类。FDA是一种将各类数据进行最大程度分离的线性降维技术，它确定的一系列线性变换向量将使得类之间的离散度最大，类内的离散度最小。 2.3.4 规范变量分析法 规范变量分析法(canonical variate analysis，CV A)是一种多元统计分析的降维技术。对于两个变量集，CV A寻找一种线性变换使得两个变量集相关性最大。CV A算法用于故障检测与诊断时，两个变量集的定义是过去向量集和未来向量集。通过对CV A分析，可以获取过去向量集的最优线性变换，变换后的向量互不相关且与未来向量集的相关度最大，这组变换后的向量类似于状态向量，称为记忆向量(memory vectors)。在记忆向量 的基础上，CV A算法通常定义3个统计量来监控过程的变化，诊断过程故障。 2.4.5 子空间法 子空间算法是一种模型辩识方法，该方法利用过程的输入输出数据来辨识过程的状态空间模型。CV A方法就可以看作是一种子空间算法。某些子空间算法在噪声情况下给出模型结构的一致性估计，从而可以更加准确地监控过程状态的变化。 2.4.6 小波变换法 小波变换是20世纪80年代中期形成的新的数学理论，在信号处理、模式识别、图象处理等领域有着广泛的应用。它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，被誉为信号分析的显微镜。动态系统故障通常会导致系统的观测信号发生突然性变化。利用连续小波变换检测信号的奇异点，就可以检测出系统故障。再利用小波变换提取故障的特征，就可以进行故障的辩识。此外还可以将小波变换和神经网络结合，形成小波神经网络，这种网络具有良好的非线性逼近功能。小波变换和PCA相结合，充分利用了信号内在的信息，能够更加有效地进行故障检测。 3 基于主元分析的故障诊断技术研究 3.1 主元分析的研究背景 主元分析研究多维随机变量总体，总体的每一个个体都可以用 p 项指标来刻画。指标多固然有其描述详尽、刻画细腻的一方面；但指标太多，也容易造成主次不清，难以对所考察对象获得一个直观清晰的把握 [19] 。譬如，要分析比较若干个地区的经济发展 状况，对每一个地区都可以统计出数十项与经济状况有关的指标，这数十项指标虽然详尽地反映了一个地区的经济发展状况，但若要据此对不同地区的发展水平进行评价、比较、排序，则因指标太多、主次不明而显得过于复杂，也很难做到客观公正。另一方面，这数十项指标中，有些是主要的，有些是次要的，甚至有些指标间还有一定的相关性。鉴于此，一个自然的想法是：能否用较少的几项指标来代替原来较多的指标，而这较少的几项指标仍然能基本上反映出原来较多的指标所反映的信息。这就是提出主元分析方法的客观背景和实际需要。 然而主元分析方法不是去分析、比较各项指标的重要性，将那些不太重要的指标简单地去掉了事，而是通过全面分析各项指标所携带的信息，从中提取出一些潜在的综合性指标(称为主成分)，用这不多的几项综合性指标替代原来较多的可观测指标去刻画每一个个体。既然分析的目的是减少指标的个数，所以也希望这不多的几项综合性指标每一个都能独立的反映某一方面的综合信息。因此从概率的角度可以要求这几项综合性指标相互间是不相关的。归纳起来，主成分分析的目的是通过分析原来较多可观测指标所反映的个体信息，提取出较少的几项综合性指标。它们互不相关，并且能最大限度地反映出原来较多指标所反映的信息，进而用这较少的几项综合性指标来刻画个体。 3.2 主元分析的数学思想 主元分析(PCA)是多变量统计方法，采用把高维信息投影到低维子空间，并保留主要过程信息的方法，该方法又被称为主成分分析。它在有一定相依关系的m 个参数的n 个样本值所构成的数据阵列n m X 的基础上，通过建立较小数目的综合变量，使其更集中的反映原来m 个参数中所包含的变化信息 [4，5] 。其基本方法是根据数据变化的方差大小 来确定变化方向的主次地位，按主次顺序得到各个主元。这些主元彼此之间是相互独立的。以二维的情况来做直观的说明。设某生产过程只有两个参数1x 和2x 。根据这两个变量参数的变化，将第二章统计过程控制理论基础中参数的数据点绘在二维平面上，如图 3-1所示。样本点间的差异显然是由1x 和2x 的变化引起的，从图上看1x 和2x 变化范围相差都不大，但如果将坐标轴进行旋转，不难看出样本点的差异主要体现在1y 轴上，1y 所体现的差异占了大部分，譬如 85%以上，那么可将2y 忽略，只考虑1y ，这样两个变量就缩减为一个，问题也就相对的简化了。 一般情况，设某生产过程有m 个变量，若过程的差异可以由变量的k 个主元(k 图3.1 数据分布图 3.3 主元分析的实现方法 3.3.1 主元分析的分解方法 从数学角度讲，PCA 分解实质上是求数据协方差的特征值和特征向量。求协方差矩阵特征值和特征向量方法很多，主要有谱分解和奇异值分解两种方法[9] 。实际上，协方 差矩阵未知，由似然估计法得到协方差的估计值1T n X X -=∑。 （1）协方差矩阵的谱分解 PCA 方法作为一种有效的数据压缩和信息抽取的手段，其压缩过程实质上 x 2 x 1 y 1 y 2 .. .. .. . . . . 是数据矩阵X 协方差矩阵的谱分解过程。 1 ()(1) ()T i i COV X m X X - -=--∑ （3.1） ()i i i COV X p p λ= （3.2） 式(3-2)中：()COV X 是X 的协方差矩阵；i p 是协方差矩阵的特征向量；i λ是按降序排列的特征值；PCA 方法信息抽取实质上是选择几个有代表性的主元来解释数据中大部分变化。其数学表达式如下： 1122...k k k X t p t p t p E =++++ m i n {,}k m n ≤ (3.3) 约束条件： 0,,i j p p i j =≠ 1,,i j p p i j == （3.4） 0,,i j t t i j =≠ 1,,i j t t i j == （3.5） 式(3.5)中，i t 是系统主元得分向量，提取不同采样关联信息；i p 是主元负载向量，提取变量间关联信息；k 是模型保留的主元个数。残差矩阵 E 提取随机噪声和模型误差信息。X 的第一个主元1t 表征数据块中最大方差变化信息。第二个主元表征数据块中第二大方差变化信息，以此类推，X 的第i 个主元表征数据块中第i 个方向数据变化信息。 （2）协方差的奇异值分解(SVD ) PCA 谱分解与数据矩阵的奇异值分解存在一定联系。X 的奇异值分解：T X U V =∑,其中：U 的列为T XX 标准特征向量；V 由T XX 标准特征向量构成；∑是对角矩阵，对角线元素是T XX 矩阵按降序排列的特征值的正平方根。基于前面 PCA 谱分解的定义，对比协方差矩阵的谱分解和奇异值分解方法，可以得出两种方法之间存在的联系。当P =V ,T =U ∑时，两者等价。 （3）迭代算法 由主元分析方法可知，仅仅前几个主元就足以解释数据中大部分变化信息,所以并不要求计算数据矩阵的全部主元。迭代算法仅仅计算数据矩阵前几个主元,大大节省了计算时间。特别是主元维数远远小于变量维数时，迭代算法比谱分解和奇异值分解更快速、有效。变量维数较大时采用迭代算法。 3.3.2 主元得分向量的计算方法 设某生产过程中有m 个变量。主元分析的过程实际上是对原坐标系进行旋转变换， 基于matlab的毕业论文题目参考 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。以下是基于matlab的毕业论文题目，供大家参考。 基于matlab的毕业论文题目一： 1、基于遗传算法的小麦收割机路径智能优化控制研究 2、零转弯半径割草机连续翻滚特性参数化预测模型 3、基于MATLAB的PCD铰刀加工硅铝合金切削力研究 4、基于状态反馈的四容水箱控制系统的MATLAB仿真研究 5、基于Matlab软件的先天性外耳道狭窄CT影像特点分析 6、Matlab仿真在船舶航向自动控制系统中的研究与仿真 7、基于MATLAB的暂态稳定措施可行性仿真与分析 8、基于MATLAB的某专用越野汽车动力性能分析 9、基于MATLAB的电力系统有源滤波器设计 10、基于MATLAB和ANSYS的弹簧助力封闭装置结构分析 11、基于Matlab的液力变矩器与发动机匹配计算与分析 12、运用MATLAB绘制接触网下锚安装曲线 13、基于MatlabGUI的实验平台快速搭建技术 14、基于MATLAB的激光-脉冲MIG复合焊过程稳定性评价 15、测绘数据处理中MATLAB的优越性及应用 16、基于MATLAB柴油机供油凸轮型线设计 17、基于MATLAB语言的TRC加固受火后钢筋混凝土板的承载力分析方法 18、MATLAB辅助OptiSystem实现光学反馈环路的模拟 19、基于MATLABGUI的电梯关门阻止力分析系统设计 20、基于LabVIEW与MATLAB混合编程的手势识别系统 21、基于MATLAB的MZ04型机器人运动特性分析 22、MATLAB在煤矿巷道支护参数的网络设计及仿真分析 23、基于MATLAB的自由落体运动仿真 24、基于MATLAB的电动汽车预充电路仿真 25、基于Matlab的消弧模型仿真研究 26、基于MATLAB/GUI的图像语义自动标注系统 27、基于Matlab软件GUI的机械波模拟 28、基于Matlab的S曲线加减速控制算法研究 29、基于Matlab和Adams的超速机柔性轴系仿真 30、基于Matlab与STM32的电机控制代码自动生成 31、基于Matlab的相机内参和畸变参数优化方法 32、基于ADAMS和MATLAB的翻转机构联合仿真研究 33、基于MATLAB的数字图像增强软件平台设计 34、基于Matlab的旋转曲面的Gif动画制作 35、浅谈Matlab编程与微分几何简单算法的实现 毕业设计用matlab仿真 篇一：【毕业论文】基于matlab的人脸识别系统设计与仿真(含matlab源程序) 基于matlab的人脸识别系统设计与仿真 第一章绪论 本章提出了本文的研究背景及应用前景。首先阐述了人脸图像识别意义；然后介绍了人脸图像识别研究中存在的问题；接着介绍了自动人脸识别系统的一般框架构成；最后简要地介绍了本文的主要工作和章节结构。 1.1 研究背景 自70年代以来.随着人工智能技术的兴起.以及人类视觉研究的进展.人们逐渐对人脸图像的机器识别投入很大的热情，并形成了一个人脸图像识别研究领域，.这一领域除了它的重大理论价值外，也极具实用价值。 在进行人工智能的研究中，人们一直想做的事情就是让机器具有像人类一样的思考能力，以及识别事物、处理事物的能力，因此从解剖学、心理学、行为感知学等各个角度来探求人类的思维机制、以及感知事物、处理事物的机制，并努力将这些机制用于实践，如各种智能机器人的研制。人脸图像的机器识别研究就是在这种背景下兴起的，因为人们发现许多对于人类而言可以轻易做到的事情，而让机器来实现却很难，如人脸图像的识别，语音识别，自然语言理解等。 如果能够开发出具有像人类一样的机器识别机制，就能够逐步地了解人 类是如何存储信息，并进行处理的，从而最终了解人类的思维机制。 同时，进行人脸图像识别研究也具有很大的使用价依。如同人的指纹一样，人脸也具有唯一性，也可用来鉴别一个人的身份。现在己有实用的计算机自动指纹识别系统面世，并在安检等部门得到应用，但还没有通用成熟的人脸自动识别系统出现。人脸图像的自动识别系统较之指纹识别系统、DNA鉴定等更具方便性，因为它取样方便，可以不接触目标就进行识别，从而开发研究的实际意义更大。并且与指纹图像不同的是，人脸图像受很多因素的干扰:人脸表情的多样性;以及外在的成像过程中的光照，图像尺寸，旋转，姿势变化等。使得同一个人，在不同的环境下拍摄所得到的人脸图像不同，有时更会有很大的差别，给识别带来很大难度。因此在各种干扰条件下实现人脸图像的识别，也就更具有挑战性。 国外对于人脸图像识别的研究较早，现己有实用系统面世，只是对于成像条件要求较苛刻，应用范围也就较窄，国内也有许多科研机构从事这方而的研究，并己取得许多成果。 1.2 人脸图像识别的应用前景 人脸图像识别除了具有重大的理论价值以及极富挑战 毕业设计论文 基于MATLAB的PID控制器设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 毕业设计 [论文] 题目：基于MATLAB的人脸识别系统设计 学院：电气与信息工程学院 专业：自动化 姓名：张迎 指导老师：曹延生 完成时间：2013.05.28 摘要 人脸识别是模式识别和图像处理等学科的一个研究热点，它广泛应用在身份验证、刑侦破案、视频监视、机器人智能化和医学等领域，具有广阔的应用价值和商用价值。人脸特征作为一种生物特征，与其他生物特征相比，具有有好、直接、方便等特点，因此使用人脸特征进行身份识别更易于被用户所接受。 人脸识别技术在过去的几十年得到了很大的发展，但由于人脸的非刚性、表情多变等因素，使得人脸识别技术在实际应用中面临着巨大的困难。本文针对近年来国内外相关学术论文及研究报告进行学习和分析的基础上，利用图像处理的matlab实现人脸识别方法，这种实现简单且识别准确率高，但其缺点是计算量大，当要识别较多人员时，该方法难以胜任。 利用MATLAB实现了一个集多种预处理方法于一体的通用的人脸图像预处理仿真系统，将该系统作为图像预处理模块可嵌入在人脸识别系统中，并利用灰度图像的直方图比对来实现人脸图像的识别判定。 关键词：图像处理, Matlab, 人脸识别, 模式识别 ABSTRACT Human face recognition focuses on pattern recognition ,image processi ng andother subjects.It is widely used in authentication,investigation,video surveillance,intelligent robots,medicine and other areas.Facerecognition ha s wide application and business value.Facial feature asabiological character istic,compared with others is direct,friendly andconvenient.Facial featuree mployed in authentication are user-friendly. The technology of face recognition in the past few years obtained the v ery big development, but due to the face of nonrigid, expression and chang eablefactors, the face recognition technology in practical application are fa cing great difficulties. This paper aimed at home and abroad in recent year s the relevant papers and researchreports on study and on the basis of the a nalysis, some units within the data sensitivity places need to enter personne l to carry out limitation design and develop a set of identity verification ide ntification system, the system uses PCA face recognition method, therealiza tion is simple and the accuracy rate of recognition is high,but itsdrawback i s that a large amount of calculation, when to identify more staff,this metho d is difficult to do. The realization of a set of various pretreatment methods in one of the generic face image preprocessing simulation system based on MATLAB, the system is used as the image preprocessing module can be embedded in a face recognition system, and using the histogram matching gray image to realize the recognition of human face images to determine. 创新实践报告 二 O 一四年十月十五日 论文（设计）题目： 基于MATLAB的数字图像处理系统设计 姓名宋立涛 学号２０１２１１８６７ 学院信息学院 专业电子与通信工程 年级２０１２级 ２０１３年６月１６日 基于MATLAB的数字图像处理系统设计 摘要 MATLAB 作为国内外流行的数字计算软件，具有强大的图像处理功能，界面简洁，操作直观，容易上手，而且是图像处理系统的理想开发工具。 笔者阐述了一种基于MATLAB的数字图像处理系统设计，其中包括图像处理领域的大部分算法，运用MATLAB 的图像处理工具箱对算法进行了实现，论述了利用系统进行图像显示、图形表换及图像处理过程，系统支持索引图像、灰度图像、二值图像、RGB 图像等图像类型；支持BMP、GIF、JPEG、TIFF、PNG 等图像文件格式的读，写和显示。 上述功能均是在MA TLAB 语言的基础上，编写代码实现的。这些功能在日常生活中有很强的应用价值，对于运算量大、过程复杂、速度慢的功能，利用MATLAB 可以既能快速得到数据结果，又能得到比较直观的图示。 关键词：MATLAB 数字图像处理图像处理工具箱图像变换 第一章绪论 1.1 研究目的及意义 图像信息是人类获得外界信息的主要来源，近代科学研究、军事技术、工农业生产、医学、气象及天文学等领域中，人们越来越多地利用图像信息来认识和判断事物，解决实际问题，由此可见图像信息的重要性，数字图像处理技术将会伴随着未来信息领域技术的发展，更加深入到生产和科研活动中，成为人类生产和生活中必不可少的内容。 MATLAB 软件不断吸收各学科领域权威人士所编写的实用程序，经过多年的逐步发展与不断完善，是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。MATLAB 语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言来编写程序，比Basic、Fortan、C 等高级语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用MATLAB 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题一样。它编写简单、编程效率高并且通俗易懂。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 国内在此领域的研究中具有代表性的是清华大学研制的数字图像处理实验开发系统TDB-IDK 和南京东大互联技术有限公司研制的数字图像采集传输与处理实验软件。 TDB-IDK 系列产品是一款基于TMS320C6000 DSP 数字信号处理器的高级视频和图像系统，也是一套DSP 的完整的视频、图像解决方案，该系统适合院校、研究所和企业进行视频、图像方面的实验与开发。该软件能够完成图像采集输入程序、图像输出程序、图像基本算法程序。可实现对图像信号的实时分析，图像数据相对DSP独立方便开发人员对图像进行处理，该产品融合DSP 和FPGACPLD 两个高端技术，可以根据用户的具体需求合理改动，可以分析黑白和彩色信号，可以完成图形显示功能。 南京东大互联技术有限公司研制的数字图像采集传输与处理实验软件可实现数字图像的采集、传输与处理。可利用软件及图像采集与传输设备，采集图像并实现点对点的数字图像传输，可以观察理解多种图像处理技术的效果和差别， 基于MATLAB的PID控制器设计 摘要 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID 参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MA TLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真；冷却机； Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid c ontroller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid controller design method, design a pid controller of temperature control system and observe the output waveform while input step signal through virtual oscilloscope after system completed. Keywords: PID parameter setting ；PID controller；MATLAB simulation；cooling machine 优秀论文审核通过 未经允许切勿外传 摘要 数字图像处理是一门新兴技术，随着计算机硬件的发展，数字图像的实时处理已经成为可能，由于数字图像处理的各种算法的出现，使得其处理速度越来越快，能更好的为人们服务。数字图像处理是一种通过计算机采用一定的算法对图形图像进行处理的技术。数字图像处理技术已经在各个领域上都有了比较广泛的应用。图像处理的信息量很大，对处理速度的要求也比较高。MATLAB强大的运算和图形展示功能，使图像处理变得更加的简单和直观。本文介绍了MATLAB 语言的特点,基于MATLAB的数字图像处理环境，介绍了如何利用MATLAB及其图像处理工具箱进行数字图像处理，并通过一些例子来说明利用MATLAB图像处理工具箱进行图像处理的方法。主要论述了利用MATLAB实现图像增强、二值图像分析等图像处理。关键词：MATLAB，数字图像处理，图像增强，二值图像 Abstract Digital image processing is an emerging technology, with the development of computer in various areas on the processing speed requirement is relatively ），线性量化（liner quantization ），对数量化，MAX 量化，锥形量化（tapered quantization ）等。 3. 采样、量化和图像细节的关系 上面的数字化过程，需要确定数值N 和灰度级的级数K 。在数字图像处理中，一般都取成2的整数幂，即: (2.1) (2.2) 一幅数字图像在计算机中所占的二进制存储位数b 为: *log(2)**()m N N b N N m bit == (2.3) 例如，灰度级为256级(m=8)的512×512的一幅数字图像，需要大约210万个存储位。随着N 和m 的增加，计算机所需要的存储量也随之迅速增加。 由于数字图像是连续图像的近似，从图像数字化的过程可以看到。这种近似的程度主要取决于采样样本的大小和数量(N 值)以及量化的级数K(或m 值)。N 和K 的值越大，图像越清晰。 2.2 数字图像处理概述 2.2.1 基本概念 数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响：一是计算机的发展；二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善)；三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 基于MATLAB的QPSK仿真设计与实现 一.前言 1.1QPSK系统的应用背景简介 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。在19世纪80年代初期,人们选用恒定包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求,不足之处是其频谱利用率低于线性调制技术。19世纪80年代中期以后,四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。 1.2 QPSK实验仿真的意义 通过完成设计内容，复习QPSK调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法。了解QPSK的实现方法及数学原理。并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。 理解QPSK调制解调的基本原理，并使用MATLAB编程实现QPSK信号在高斯信道和瑞利衰落信道下传输，以及该方式的误码率测试。复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。在完成要求任务的条件下，尝试优化程序。 通过本次实验，除了和队友培养了默契学到了知识之外，还可以将次实验作为一种推广，让更多的学生来深入一层的了解QPSK以至其他调制方式的原理和实现方法。可以方便学生进行测试和对比。足不出户便可以做实验。 1.3 实验平台和实验内容 1.3.1实验平台 本实验是基于Matlab的软件仿真，只需PC机上安装MATLAB 6.0或者以上版本即可。 （本实验附带基于Matlab Simulink （模块化）仿真，如需使用必须安装simulink 模块） 1.3.2实验内容 1.构建一个理想信道基本QPSK仿真系统,要求仿真结果有 a.基带输入波形及其功率谱 b.QPSK信号及其功率谱 c.QPSK信号星座图 2.构建一个在AWGN（高斯白噪声）信道条件下的QPSK仿真系统，要求仿真结果有 毕业论文 基于MATLAB的扩频通信系统仿真 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： - 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 摘要 语音识别主要是让机器听懂人说的话，即在各种情况下，准确地识别出语音的内容，从而根据其信息执行人的各种意图。语音识别技术既是国际竞争的一项重要技术，也是每一个国家经济发展不可缺少的重要技术支撑。本文基于语音信号产生的数学模型，从时域、频域出发对语音信号进行分析，论述了语音识别的基本理论。在此基础上讨论了语音识别的五种算法：动态时间伸缩算法(Dynamic Time Warping，DTW)、基于规则的人工智能方法、人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)方法、隐马尔可夫(Hidden Markov Model，HMM)方法、HMM和ANN的混合模型。重点是从理论上研究隐马尔可夫(HMM)模型算法，对经典的HMM模型算法进行改进。 语音识别算法有多种实现方案，本文采取的方法是利用Matlab强大的数学运算能力，实现孤立语音信号的识别。Matlab 是一款功能强大的数学软件，它附带大量的信号处理工具箱为信号分析研究，特别是文中主要探讨的声波分析研究带来极大便利。本文应用隐马尔科夫模型(HMM) 为识别算法，采用MFCC(MEL频率倒谱系数)为主要语音特征参数，建立了一个汉语数字语音识别系统，其中包括语音信号的预处理、特征参数的提取、识别模板的训练、识别匹配算法；同时，提出利用Matlab图形用户界面开发环境设计语音识别系统界面，设计简单，使用方便，系统界面友好。经过统计，识别效果明显达到了预期目标。 关键词：语音识别算法；HMM模型；Matlab；GUI ABSTRACT Speech Recognition is designed to allow machines to understand what people say,and accurately identify the contents of voice to execute the intent of people.Speech recognition technology is not only an important internationally competed technology,but also an indispensable foundational technology for the national economic development.Based on the mathematical model from the speech signal,this paper analyze audio signal from the time 安徽工业大学毕业设计（论文）说明书… … ………………………………………………装………………订………………线………………………………………………………………… 安徽工业大学 毕业设计(论文)任务书 课题名称基于MATLAB的数字图像处理 学院电气信息学院 专业班级通信工程092班 姓名 学号 毕业设计(论文)的主要内容及要求： 1. 掌握数字图像处理的基本概念，了解数字图像处理的特点及其应用，了结图 像的文件格式。 2. 掌握MATLAB仿真软件的基本知识和编程方法。 3. 掌握主要的图像处理方法及其原理（如图像增强，二值图像处理等），并通过 MATLAB设计图像处理的程序来实现图像处理。 4. 翻译5000字英文资料。 5. 撰写毕业论文，并进行毕业答辩。 指导教师签字： 安徽工业大学毕业设计（论文）说明书… … ………………………………………………装………………订………………线………………………………………………………………… 摘要 图像信息是人类获取信息的重要来源及利用信息的重要手段，图像处理科学技术是科学研究、社会生产及人类生活中不可缺少的强有力工具。在信息社会中，数字图像处理科学在理论或实践上都存在着巨大的潜力。 数字图像处理是一种通过计算机采用一定的算法对图形图像进行处理的技术。数字图像处理技术已经在各个领域上都有了比较广泛的应用。图像处理的信息量很大，对处理速度的要求也比较高。MATLAB强大的运算和图形展示功能，使图像处理变得更加的简单和直观。 本文介绍了MATLAB软件，基于MATLAB的数字图像处理环境和如何利用MATLAB 及其图像处理工具箱进行数字图像处理。主要论述了利用MATLAB实现二值图像分析、图像增强、图像复原等图像处理。 关键词：MATLAB，数字图像处理，图像增强，二值图像，图像复原 目录 摘要 (1) Abstract (1) 1、绪论 (2) 1.1课题开发背景 (2) 1.1.1 图像融合的定义 (2) 1.1.2 手动配准与图象融合 (2) 1.1.3 图象融合研究的发展现状和研究热点 (3) 1.2课题设计要求 (4) 2、MATLAB程序设计 (5) 2.1 MATLAB软件简介 (5) 2.2 MATLAB软件窗口环境 (7) 2.3 M语言编程 (8) 3、图像融合算法 (9) 3.1 图象融合算法的层次分类 (9) 3.2 图像融合规则 (10) 3.3 图像融合方法 (11) 3.4 图像融合步骤 (12) 4、各算法程序 (13) 4.1 一般方法 (13) 4.2 PCA算法程序 (14) 4.3 金字塔（Pyramid）算法程序 (15) 4.4 小波变换（DWT）算法程序 (18) 5、实验结果 (22) 6、图像融合的应用 (24) 7、总结 (25) 参考文献 (26) 摘要 数字图像融合是以图像为主要研究内容的数据融合技术，是把多个不 同模式的图像传感器获得的同一场景的多幅图像或同一传感器在不同时刻 获得的同一场景的多幅图像合成为一幅图像的过程。本文首先介绍了数字 图像融合的定义、发展现状和研究热点，接着论述了图像融合的规则、方 法和步骤。并给出了三种融合算法程序，即PCA算法、金字塔图像融合算 法与基于小波变换的算法程序，在最后论述了图像融合技术在军事、医学 图像和遥感测控中的应用。 关键词：图像融合小波变换 Matlab Abstract Digital image fusion is the technology of data fusion mainly study the images is the different patterns of images of the same scene sensors to the same number of sensors or images acquired at different times the same scene for a number of synthetic images images process. The first ……… ……………………………………………装………………订………………线………………………………………………………………… 毕业设计(论文)任务书 课题名称基于MATLAB的数字图像处理 毕业设计(论文)的主要内容及要求： 1. 掌握数字图像处理的基本概念，了解数字图像处理的特点及其应用，了结图 像的文件格式。 2. 掌握MATLAB仿真软件的基本知识和编程方法。 3. 掌握主要的图像处理方法及其原理（如图像增强，二值图像处理等），并通过 MATLAB设计图像处理的程序来实现图像处理。 4. 翻译5000字英文资料。 5. 撰写毕业论文，并进行毕业答辩。 指导教师签字： …… ………………………………………………装………………订………………线………………………………………………………………… 摘要 图像信息是人类获取信息的重要来源及利用信息的重要手段，图像处理科学技术是科学研究、社会生产及人类生活中不可缺少的强有力工具。在信息社会中，数字图像处理科学在理论或实践上都存在着巨大的潜力。 数字图像处理是一种通过计算机采用一定的算法对图形图像进行处理的技术。数字图像处理技术已经在各个领域上都有了比较广泛的应用。图像处理的信息量很大，对处理速度的要求也比较高。MATLAB强大的运算和图形展示功能，使图像处理变得更加的简单和直观。 本文介绍了MATLAB软件，基于MATLAB的数字图像处理环境和如何利用MATLAB 及其图像处理工具箱进行数字图像处理。主要论述了利用MATLAB实现二值图像分析、图像增强、图像复原等图像处理。 关键词：MATLAB，数字图像处理，图像增强，二值图像，图像复原 以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 摘要 数字图像处理是一门新兴技术，随着计算机硬件的发展，数字图像的实时处理已经成为可能，由于数字图像处理的各种算法的出现，使得其处理速度越来越快，能更好的为人们服务。数字图像处理是一种通过计算机采用一定的算法对图形图像进行处理的技术。数字图像处理技术已经在各个领域上都有了比较广泛的应用。图像处理的信息量很大，对处理速度的要求也比较高。MATLAB强大的运算和图形展示功能，使图像处理变得更加的简单和直观。本文介绍了MATLAB 语言的特点,基于MATLAB的数字图像处理环境，介绍了如何利用MATLAB及其图像处理工具箱进行数字图像处理，并通过一些例子来说明利用MATLAB图像处理工具箱进行图像处理的方法。主要论述了利用MATLAB实现图像增强、二值图像分析等图像处理。关键词：MATLAB，数字图像处理，图像增强，二值图像Abstract Digital image processing is an emerging technology, with the development of computer in various areas on the processing speed requirement is relatively ），线性量化（liner quantization），对数量化，MAX量化，锥形量化（tapered quantization）等。 3. 采样、量化和图像细节的关系 上面的数字化过程，需要确定数值N和灰度级的级数K。在数字图像处理中，一般都取成2的整数幂，即: (2.1) (2.2) 一幅数字图像在计算机中所占的二进制存储位数b为: 1 绪论 1.1课题研究背景及目的 1.1.1 研究背景 直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。在相当长时期内，高性能的调速系统几乎都是直流调速系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向和在恶劣环境下的不适应问题，同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流拖动系统的进一步发展。 交流电动机自1985年出现后，由于没有理想的调速方案，因而长期用于恒速拖动领域。20世纪70年代后，国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速系统得到了迅速的发展，现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统。目前，交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性，其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。 与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点： （1）容量大； （2）转速高且耐高压； （3）交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且结构简单、经济可靠、惯性小； （4）交流电动机环境使用性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用； （5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标； （6）交流调速系统能显著的节能； 从各方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。 1.1.1研究目的 本课题主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。本文重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究，认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响，认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境。基于matlab的毕业论文题目参考
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(完整版)基于matlab的人脸识别系统设计毕业设计
(完整版)基于matlab的通信系统仿真毕业论文
报 告 题 目： 学 院 名 称： 姓 名：
基于 matlab 的通信系统仿真 信息工程学院 余盛泽
班 级 学 号： 指 导 老 师： 温 靖
目录
一、引言........................................................................................................................ 3 二、仿真分析与测试 ................................................................................................... 4
2.1 随机信号的生成 ............................................................................................................... 4 2.2 信道编译码 ........................................................................................................................ 4 2.2.1 卷积码的原理 ........................................................................................................ 4 2.2.2 译码原理 ................................................................................................................ 5 2.3 调制与解调 ....................................................................................................................... 5 2.3.1 BPSK 的调制原理 .................................................................................................. 5 2.3.2 BPSK 解调原理 ...................................................................................................... 6 2.3.3 QPSK 调制与解调 ................................................................................................. 7 2.4 信道 .................................................................................................................................... 8基于Matlab的数字图像处理系统毕业设计论文
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基于MATLAB的数字图像处理毕业设计(含源文件)
(完整版)基于matlab的数字图像处理毕业设计
毕业设计-基于MATLAB-SIMULINK的交流电动机调速系统仿真.(DOC)
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