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KR102700495B1 - Apparatus and method for valve stiction diagnosing using machine learning - Google Patents

Apparatus and method for valve stiction diagnosing using machine learning Download PDF

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KR102700495B1
KR102700495B1 KR1020190174142A KR20190174142A KR102700495B1 KR 102700495 B1 KR102700495 B1 KR 102700495B1 KR 1020190174142 A KR1020190174142 A KR 1020190174142A KR 20190174142 A KR20190174142 A KR 20190174142A KR 102700495 B1 KR102700495 B1 KR 102700495B1
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valve
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stiction
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한국전력공사
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한국서부발전 주식회사
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Abstract

본 발명은 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치는, 현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 스틱션 지수 특징 추출부(110); 상기 제어 시스템에 대한 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 홀수 고조파 특징 추출부(120); 상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 제공하기 위한 학습모델 생성부(150); 및 상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하기 위한 밸브 스틱션 진단부(160);를 포함한다.The present invention relates to a valve stiction diagnosis device using machine learning and a method thereof. According to an embodiment of the present invention, the valve stiction diagnosis device using machine learning includes: a stiction index feature extraction unit (110) for extracting a valve stiction index for a control system in the field as a feature for valve stiction diagnosis; an odd harmonic feature extraction unit (120) for extracting odd harmonic variables for the control system as features for valve stiction diagnosis; a learning model generation unit (150) for generating and providing a learning model using a plurality of machine learning techniques based on supervised learning for learning data generated by performing a simulation for cases where a valve stiction model is applied and cases where it is not applied by simulating the control system; and a valve stiction diagnosis unit (160) for diagnosing valve stiction for the control system by applying the valve stiction index and the odd harmonic variables to the learning model.

Figure R1020190174142
Figure R1020190174142

Description

머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR VALVE STICTION DIAGNOSING USING MACHINE LEARNING}{APPARATUS AND METHOD FOR VALVE STICTION DIAGNOSING USING MACHINE LEARNING}

본 발명은 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 이용한 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 통해 추출한 특징들을 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 밸브 스틱션 진단을 수행함으로써 기존 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 종합적으로 판단하기 곤란한 상황의 경우에서도 밸브 스틱션 진단의 정확도를 확보하기 위한, 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a valve stiction diagnosis device and method using machine learning, and more specifically, to a valve stiction diagnosis device and method using machine learning, which performs valve stiction diagnosis by creating a learning model using machine learning techniques with features extracted through a valve stiction diagnosis algorithm using a stiction index and odd harmonic variables, thereby ensuring the accuracy of valve stiction diagnosis even in situations where it is difficult to comprehensively judge using existing valve stiction diagnosis algorithms.

플랜트에서는 수백 개의 제어루프에 의해 제어가 이루어진다. 이와 같이, 제어루프는 플랜트의 안정적 운영에 직접적인 영향을 미치기 때문에 최적 상태로 유지되어야 한다.In a plant, control is carried out by hundreds of control loops. As such, control loops must be maintained in an optimal state because they directly affect the stable operation of the plant.

이러한 제어루프는 제어기 파라미터의 부적절한 튜닝, 변동하는 외란, 설비 고장, 제어루프 간 상호 작용, 제어루프의 비선형성, 공정 설계 오류 등 여러 가지 원인으로 인해 성능이 저하될 수 있다. These control loops can degrade in performance for a number of reasons, including improper tuning of controller parameters, fluctuating disturbances, equipment failures, interactions between control loops, control loop nonlinearities, and process design errors.

일반적인 경우에는 제어루프의 성능 저하 원인을 대부분 제어기 파라미터의 부적절한 튜닝에서 검토하는 경우가 대부분이다.In general cases, the cause of performance degradation in the control loop is mostly considered to be improper tuning of controller parameters.

그런데, 제어루프의 성능 저하 원인은 제어루프의 비선형성과 관련되어 발생하는 경우도 많다.However, the cause of performance degradation in the control loop is often related to the nonlinearity of the control loop.

이러한 제어루프의 비선형성은 제어 밸브 또는 공정과 계측에서 나타날 수 있으며, 스틱션(stiction), 데드밴드(deadband), 히스테리시스(hysterisis), 포화 등으로 나타날 수 있다.Nonlinearities in these control loops can appear in the control valve or in the process and instrumentation, and can manifest as stiction, deadband, hysteresis, and saturation.

특히, 제어밸브의 스틱션 현상은 제어루프의 성능에 나쁜 영향을 미치는 현상으로, 밸브 패킹의 과도한 조임, 부식, 이물질, 밸브 밀봉의 열화 등으로 인해 발생하여 밸브 고장에 있어서 중요한 인자로 볼 수 있다.In particular, the stiction phenomenon of the control valve is a phenomenon that has a negative effect on the performance of the control loop, and can be considered an important factor in valve failure as it is caused by excessive tightening of the valve packing, corrosion, foreign substances, deterioration of the valve seal, etc.

이러한 제어밸브의 스틱션 현상은 운전중인 플랜트를 정지시킨 다음 제어밸브를 정비하는 경우도 일어나게 할 수 있다.Stiction of these control valves can even cause the plant to be shut down while the control valves are being serviced.

밸브 스틱션 현상은 플랜트의 운전을 멈추고 해결해야 할 만큼 제어루프에 심각한 영향을 미칠 수도 있지만, 가볍게 여겨져 간과되는 경향이 있다.Valve stiction can have serious effects on the control loop, requiring plant shutdown to resolve, but it is often overlooked and taken lightly.

따라서, 밸브 스틱션 현상은 제어루프의 성능 저하 원인으로 진단하고 대응 가능한 환경이 필요하다.Therefore, an environment that can diagnose and respond to the valve sticking phenomenon as a cause of performance degradation in the control loop is needed.

Yoshiyuki Yamashita, "An automatic method for detection of valve stiction in process control loops", Control Engineering Practice, Volume 14, Issue 5, May 2006, pp 503-510 Yoshiyuki Yamashita, "An automatic method for detection of valve stiction in process control loops", Control Engineering Practice, Volume 14, Issue 5, May 2006, pp 503-510 Monir Ahammad, M.A.A. Shoukat Choudhury, "A Simple Harmonics Based Stiction Detection Method", DYCOPS 2010, pp 671-676 Monir Ahmad, M.A.A. Shoukat Choudhury, "A Simple Harmonics Based Stiction Detection Method", DYCOPS 2010, pp 671-676

본 발명의 목적은 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 이용한 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 통해 추출한 특징들을 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 밸브 스틱션 진단을 수행함으로써 기존 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 종합적으로 판단하기 곤란한 상황의 경우에서도 밸브 스틱션 진단의 정확도를 확보하기 위한, 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a valve stiction diagnosis device and method using machine learning to secure the accuracy of valve stiction diagnosis even in situations where it is difficult to comprehensively judge existing valve stiction diagnosis algorithms by performing valve stiction diagnosis by creating a learning model using machine learning techniques with features extracted through a valve stiction diagnosis algorithm using a stiction index and odd harmonic variables.

본 발명의 실시예에 따른 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치는, 현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 스틱션 지수 특징 추출부(110); 상기 제어 시스템에 대한 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 홀수 고조파 특징 추출부(120); 상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 제공하기 위한 학습모델 생성부(150); 및 상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하기 위한 밸브 스틱션 진단부(160);를 포함할 수 있다.A valve stiction diagnosis device using machine learning according to an embodiment of the present invention may include a stiction index feature extraction unit (110) for extracting a valve stiction index for a control system in the field as a feature for valve stiction diagnosis; an odd harmonic feature extraction unit (120) for extracting odd harmonic variables for the control system as features for valve stiction diagnosis; a learning model generation unit (150) for generating and providing a learning model using a plurality of machine learning techniques based on supervised learning for learning data generated by performing a simulation for cases where a valve stiction model is applied and cases where it is not applied by simulating the control system; and a valve stiction diagnosis unit (160) for diagnosing valve stiction for the control system by applying the valve stiction index and the odd harmonic variables to the learning model.

상기 스틱션 지수 특징 추출부는, 상기 제어 시스템에서 입력된 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 상기 밸브 스틱션 지수를 계산 및 추출하는 것일 수 있다.The above-mentioned sticktion index feature extraction unit may calculate and extract the valve sticktion index using the controller output (OP) and valve position (MV) input from the control system.

상기 홀수 고조파 특징 추출부는, 상기 제어 시스템에서 입력된 제어기 오차를 이용하여 기본 주파수의 홀수 고조파가 존재하는지에 대한 판단을 통해 상기 홀수 고조파 변수를 추출하는 것일 수 있다.The above odd harmonic feature extraction unit may extract the odd harmonic variables by determining whether odd harmonics of the fundamental frequency exist using a controller error input from the control system.

실시예에 따르면, 블록 다이아그램으로 표현되는 제어기와 공정모델 사이에 상기 밸브 스틱션 모델을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하여 상기 학습데이터를 생성하기 위한 학습데이터 생성부;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the present invention may further include a learning data generation unit for generating the learning data by using simulation data generated through a simulation for cases where the valve stickition model is applied and not applied between a controller and a process model expressed in a block diagram.

상기 시뮬레이션 데이터는, 제어기 출력(OP), 밸브 포지션(MV), 설정값(SP), 공정값(PV)를 포함하는 것일 수 있다.The above simulation data may include controller output (OP), valve position (MV), setpoint (SP), and process value (PV).

상기 제어기는, PI(Proportional Integral/PID(Proportional Integral Derivatve) 제어기이되, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 설정값(SP)과 공정값(PV) 간의 차이인 제어기 오차가 입력되는 것일 수 있다.The above controller may be a PI (Proportional Integral/PID (Proportional Integral Derivatve) controller, and a controller error, which is the difference between the setpoint (SP) and the process value (PV) included in the simulation data, may be input.

상기 밸브 스틱션 모델은, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 제어기 출력(OP)이 입력되고, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 밸브 포지션(MV)가 출력되는 것일 수 있다.The above valve sticktion model may be one in which the controller output (OP) included in the simulation data is input, and the valve position (MV) included in the simulation data is output.

상기 밸브 스틱션 모델은, 샤우드리(Choudhury) 모델, 카노(Kano) 모델, XCH 모델 중 어느 하나의 모델로 구현되는 것일 수 있다.The above valve sticktion model may be implemented by any one of the Choudhury model, the Kano model, and the XCH model.

상기 공정모델은, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 밸브 포지션(MV)이 입력되고, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 공정값(PV)이 출력되는 것일 수 있다.The above process model may be one in which the valve position (MV) included in the simulation data is input, and the process value (PV) included in the simulation data is output.

실시예에 따르면, 상기 제어 시스템으로부터 입력된 제어기 출력(OP)과 공정값(PV)을 이용하여 상기 공정모델을 추정하여 상기 학습데이터 생성부로 제공하기 위한 공정모델 추정부;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method may further include a process model estimation unit for estimating the process model using the controller output (OP) and process value (PV) input from the control system and providing the estimated process model to the learning data generation unit.

상기 학습데이터 생성부는, 상기 공정모델의 파라미터인 공정이득, 시상수 및 지연시간으로 구성된 공정모델을 이용하고, 상기 제어기의 파라미터인 비례 이득 및 적분 이득, 상기 밸브 스틱션 모델의 파라미터인 데드 밴드와 스틱 밴드의 합과 스틱 밴드를 조정하면서 상기 학습데이터를 생성하는 것일 수 있다.The above learning data generation unit may generate the learning data by using a process model composed of process gain, time constant and delay time, which are parameters of the process model, and adjusting proportional gain and integral gain, which are parameters of the controller, and the sum of dead band and stick band and stick band, which are parameters of the valve stiction model.

상기 학습데이터는, 상기 밸브 스틱션 모델의 인가 여부를 나타내는 스틱션 인가 정보, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 추출하는 스틱션 지수, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 설정값(SP)과 공정값(PV)을 이용하여 추출하는 홀수 고조파 변수를 포함하는 것일 수 있다.The above learning data may include stiction authorization information indicating whether the valve stiction model is authorized, a stiction index extracted using the controller output (OP) and valve position (MV) included in the simulation data, and odd harmonic variables extracted using the setpoint (SP) and process value (PV) included in the simulation data.

상기 학습모델 생성부는, 상기 학습데이터를 학습용 데이터와 검증용 데이터로 구분하되, 상기 학습용 데이터를 이용하여 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법 각각에 대한 학습모델을 생성하고, 상기 검증용 데이터를 이용하여 각 학습모델에 대한 검증을 수행하여 정확도가 가장 높은 학습모델을 상기 밸브 스틱션 진단부로 제공하는 것일 수 있다.The above learning model generation unit may divide the learning data into learning data and verification data, and generate learning models for each of a plurality of machine learning techniques based on supervised learning using the learning data, and perform verification on each learning model using the verification data to provide the learning model with the highest accuracy to the valve sticktion diagnosis unit.

상기 복수의 머신러닝 기법은, 나이브 베이즈(Naive Bayes) 기법, 신경망(Neural Network) 기법, 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 기법이 포함되는 것일 수 있다.The above multiple machine learning techniques may include a Naive Bayes technique, a Neural Network technique, and a Support Vector Machine technique.

상기 학습모델 생성부는, 상기 학습용 데이터와 상기 검증용 데이터를 소정의 비율로 구분하되, 상기 학습용 데이터를 임의로 추출하고, 상기 검증용 데이터를 상기 학습용 데이터가 제외된 나머지로 결정하는 것일 수 있다.The above learning model generation unit may divide the learning data and the verification data into a predetermined ratio, randomly extract the learning data, and determine the verification data as the remainder after excluding the learning data.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 방법은, 현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 단계; 상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하는 단계; 및 상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, a method for diagnosing valve stiction using machine learning according to an embodiment of the present invention may include a step of extracting a valve stiction index and odd harmonic variables for a control system in the field as features for diagnosing valve stiction; a step of generating a learning model using a plurality of machine learning techniques based on supervised learning on learning data generated by performing a simulation for cases where a valve stiction model is applied and cases where it is not applied by simulating the control system; and a step of diagnosing valve stiction for the control system by applying the valve stiction index and the odd harmonic variables to the learning model.

상기 학습모델을 생성하여 제공하는 단계는, 상기 학습데이터를 학습용 데이터와 검증용 데이터로 구분하는 단계; 상기 학습용 데이터를 이용하여 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법 각각에 대한 학습모델을 생성하는 단계; 및 상기 검증용 데이터를 이용하여 각 학습모델에 대한 검증을 수행하여 정확도가 가장 높은 학습모델을 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.The step of generating and providing the above learning model may include a step of dividing the learning data into learning data and verification data; a step of generating learning models for each of a plurality of machine learning techniques based on supervised learning using the learning data; and a step of performing verification on each learning model using the verification data to provide a learning model with the highest accuracy.

상기 학습용 데이터와 상기 검증용 데이터로 구분하는 단계는, 상기 학습용 데이터와 상기 검증용 데이터를 미리 정해진 소정의 비율에 따라 구분하되, 상기 학습용 데이터를 임의로 추출하고, 상기 검증용 데이터를 상기 학습용 데이터가 제외된 나머지로 결정하는 것일 수 있다.The step of dividing the data for learning and the data for verification may be to divide the data for learning and the data for verification according to a predetermined ratio, randomly extract the data for learning, and determine the data for verification as the remainder after excluding the data for learning.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 스틱션 진단 장치로서, 적어도 하나 이상의 프로세서; 및 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며, 상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 밸브 스틱션 진단 장치로 하여금, 현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하게 하고, 상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하게 하며, 상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하게 하는 것일 수 있다.In addition, a valve stiction diagnosis device according to an embodiment of the present invention comprises: at least one processor; and a memory for storing computer-readable instructions; wherein the instructions, when executed by the at least one processor, cause the valve stiction diagnosis device to extract a valve stiction index and odd harmonic variables for a control system in the field as features for valve stiction diagnosis, and generate a learning model using a plurality of machine learning techniques based on supervised learning for learning data generated by performing a simulation for cases where a valve stiction model is applied and cases where it is not applied by simulating the control system, and to diagnose valve stiction for the control system by applying the valve stiction index and the odd harmonic variables to the learning model.

본 발명은 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 이용한 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 통해 추출한 특징들을 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 밸브 스틱션 진단을 수행함으로써 기존 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 종합적으로 판단하기 곤란한 상황의 경우에서도 밸브 스틱션 진단의 정확도를 확보할 수 있다.The present invention performs valve stiction diagnosis by creating a learning model using machine learning techniques with features extracted through a valve stiction diagnosis algorithm using a stiction index and odd harmonic variables, thereby ensuring the accuracy of valve stiction diagnosis even in situations where it is difficult to comprehensively judge using existing valve stiction diagnosis algorithms.

또한, 본 발명은 진단하고자 하는 제어 루프의 제어기 출력과 공정값을 이용하여 해당 공정을 추정하고, 추정한 공정모델과 밸브 스틱션 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 머신 러닝 기법을 이용하여 학습 모델을 생성하며, 생성한 학습 모델과 제어 루프로부터의 제어 데이터를 이용하여 추출한 밸브 스틱션 진단을 위한 특징들을 이용하여 밸브 스틱션을 진단할 수 있다.In addition, the present invention estimates the process using the controller output and process value of the control loop to be diagnosed, generates a learning model using the simulation results using the estimated process model and the valve stiction model and a machine learning technique, and diagnoses valve stiction using features for valve stiction diagnosis extracted using the generated learning model and control data from the control loop.

또한, 본 발명은 진단하고자 하는 제어 루프가 다양하고, 제어 루프마다 공정 특성이 다르기 때문에 해당 제어 루프의 공정 식별과 밸브 스틱션 모델을 이용한 시뮬레이션 데이터를 이용하면 밸브 스틱션 진단의 정확도를 높일 수 있다.In addition, since the present invention has various control loops to be diagnosed and each control loop has different process characteristics, the accuracy of valve stiction diagnosis can be improved by using process identification of the corresponding control loop and simulation data using a valve stiction model.

또한, 본 발명은 제어 루프의 밸브 스틱션 현상에 대한 진단을 통해 밸브 스틱션에 의한 플랜트의 영향을 파악할 수 있어 플랜트의 안정적인 운영에 기여할 수 있다.In addition, the present invention can identify the influence of valve sticktion on a plant through diagnosis of the valve sticktion phenomenon of a control loop, thereby contributing to the stable operation of a plant.

또한, 본 발명은 밸브 스틱션 지수와 홀수 고조파 존재 여부 특징을 추출하기 위해 제어기 출력과 밸브 포지션과의 관계, 제어기 오차를 이용하는 방법 이외에 제어기 출력과 공정값과의 관계, 제어기 출력 또는 밸브 포지션을 이용하여 추출할 수도 있다.In addition, the present invention can extract the valve stiction index and the presence or absence of odd harmonics by using, in addition to the method of using the relationship between the controller output and the valve position and the controller error, the relationship between the controller output and the process value, the controller output or the valve position.

또한, 본 발명은 제어 루프의 제어 데이터로부터 추정한 공정 모델과 밸브 스틱션 모델을 이용한 시뮬레이션과 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 이용하여 알고리즘의 파라미터 값을 최적화한 후 제어 데이터를 이용하여 진단하는 알고리즘에 반영하여 진단을 할 수 있다.In addition, the present invention can diagnose by optimizing the parameter values of the algorithm using a valve stiction diagnosis algorithm and a process model estimated from the control data of the control loop and a simulation using the valve stiction model, and then reflecting the results in an algorithm that diagnoses using the control data.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 밸브 구조를 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 제어 밸브의 입출력 데이터를 이용한 밸브 스틱션 현상의 입출력 동작 특성을 나타낸 도면,
도 3 내지 도 6은 밸브 스틱션이 발생할 경우 제어루프 트랜드를 나타낸 도면,
도 7은 스틱션 상태의 제어기 출력과 밸브 포지션의 관계를 설명하는 도면,
도 8은 제어기 출력과 밸브 포지션의 합성방향 결정을 설명하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 밸브 스틱션 진단 장치를 나타낸 도면,
도 10은 밸브 스틱션 시뮬레이션을 위한 시스템 블록 다이아그램을 나타낸 도면,
도 11은 XCH 모델에서 입출력 흐름을 나타내는 도면,
도 12는 공정모델 파라미터, 제어기 파라미터 및 밸브 스틱션 모델 파라미터 변경에 따른 밸브 스틱션 시뮬레이션을 통해 생성된 학습데이터의 예시를 나타낸 도면,
도 13은 밸브 스틱션을 인가한 경우의 시뮬레이션 트랜드를 나타낸 도면,
도 14는 밸브 스틱션을 인가하지 않은 경우의 시뮬레이션 트랜드를 나타낸 도면,
도 15는 도 12의 학습데이터에서 임의로 추출된 학습용 데이터를 나타낸 도면,
도 16은 도 12의 학습데이터에서 학습용 데이터가 제외된 검증용 데이터와 이의 검증 결과를 나타낸 도면,
Figure 1 is a drawing showing a control valve structure according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a drawing showing the input/output operation characteristics of the valve stickition phenomenon using the input/output data of the control valve of Figure 1.
Figures 3 to 6 are diagrams showing control loop trends when valve sticking occurs.
Figure 7 is a drawing explaining the relationship between the controller output and the valve position in the stickition state.
Figure 8 is a drawing explaining the determination of the synthetic direction of the controller output and the valve position.
FIG. 9 is a drawing showing a valve stickion diagnostic device according to an embodiment of the present invention;
Figure 10 is a drawing showing a system block diagram for valve stiction simulation.
Figure 11 is a diagram showing the input/output flow in the XCH model.
Figure 12 is a diagram showing an example of learning data generated through valve stiction simulation according to changes in process model parameters, controller parameters, and valve stiction model parameters.
Figure 13 is a diagram showing the simulation trend when valve sticktion is applied.
Figure 14 is a diagram showing the simulation trend when valve stickion is not applied.
Figure 15 is a diagram showing learning data randomly extracted from the learning data of Figure 12.
Figure 16 is a diagram showing the verification data from which the learning data is excluded from the learning data of Figure 12 and the verification result thereof.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, detailed descriptions of well-known functions or configurations that may obscure the gist of the present invention in the following description and the attached drawings will be omitted. In addition, it should be noted that identical components are indicated with the same drawing reference numerals as much as possible throughout the drawings.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims described below should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the terms to best describe his or her invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations illustrated in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, it should be understood that there may be various equivalents and modified examples that can replace them at the time of filing this application.

첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.In the attached drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically depicted, and the size of each component does not entirely reflect the actual size. The present invention is not limited by the relative sizes or spacings drawn in the attached drawings.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.When a part of the specification is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise specifically stated. Also, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected," but also the case where it is "electrically connected" with other elements in between.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. It should be understood that terms such as "comprises" or "have" are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.Also, the term "part" used in the specification means a software, hardware component such as an FPGA or an ASIC, and the "part" performs certain functions. However, the "part" is not limited to software or hardware. The "part" may be configured to be on an addressable storage medium and may be configured to execute one or more processors. Thus, by way of example, the "part" includes components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, attributes, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functionality provided in the components and "parts" may be combined into a smaller number of components and "parts" or further separated into additional components and "parts."

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 밸브 구조를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing showing a control valve structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제어 밸브는 공기를 유입 혹은 배기함에 따라 액추에이터(actuator)(10)의 동작으로 밸브의 개폐를 제어한다. Referring to FIG. 1, a control valve according to an embodiment of the present invention controls the opening and closing of the valve by the operation of an actuator (10) according to the intake or exhaust of air.

이때, 제어 밸브는 공기가 유입 혹은 배기함에 따라 밸브 스템(valve stem)(20)의 운동 방향이 결정된다. 여기서, 밸브 스템(20)의 일단은 다이아프램(diaphragm)(12)에 연결되고, 타단은 플러그(plug)(30)에 연결된다.At this time, the control valve determines the direction of movement of the valve stem (20) as air is introduced or exhausted. Here, one end of the valve stem (20) is connected to a diaphragm (12), and the other end is connected to a plug (30).

즉, 제어 밸브는 공기가 유입되면 공기압(air pressure)에 의해 다이아프램(12)이 위로 이동하여 밸브 스템(20)에 연결된 플러그(30)가 개방되고, 공기가 배기되면 스프링(11)의 탄성력(elastic force)에 의해 다이아프램(12)이 아래로 이동하여 밸브 스템(20)에 연결된 플러그(30)가 닫힌다.That is, when air is introduced into the control valve, the diaphragm (12) moves upward due to air pressure, thereby opening the plug (30) connected to the valve stem (20), and when the air is exhausted, the diaphragm (12) moves downward due to the elastic force of the spring (11), thereby closing the plug (30) connected to the valve stem (20).

밸브 스틱션은 정지마찰(static friction)을 극복하기 위해 요구되고, 상하 구동력 간의 차이로 측정되는 동작 개시에 대한 저항으로 정의하고 있다.Valve stiction is defined as the resistance to initiation of motion required to overcome static friction and measured as the difference between the up and down driving forces.

밸브 스템(20)은 정지 또는 동적 마찰력에 반하여 움직인다. 이에, 밸브 스템(20)은 밸브 스틱션에 의해 작은 공기압 변화에 움직이지 않고, 밸브 스틱션을 극복하면 움직인다.The valve stem (20) moves against static or dynamic friction. Accordingly, the valve stem (20) does not move with small changes in air pressure due to valve stiction, and moves when the valve stiction is overcome.

도 2는 도 1의 제어 밸브의 입출력 데이터를 이용한 밸브 스틱션 현상의 입출력 동작 특성을 나타낸 도면이고, 도 3 내지 도 6은 밸브 스틱션이 발생할 경우 제어루프 트랜드를 나타낸 도면이다.Fig. 2 is a diagram showing the input/output operation characteristics of the valve sticktion phenomenon using the input/output data of the control valve of Fig. 1, and Figs. 3 to 6 are diagrams showing the control loop trend when valve sticktion occurs.

도 2를 참조하면, 제어기 출력(controller output)은 공기압(air pressure)과 관련되고, 밸브 포지션(valve position)은 탄성력(elastic force)과 관련된다.Referring to Figure 2, the controller output is related to air pressure and the valve position is related to elastic force.

밸브 스틱션을 보여주는 밸브의 입출력 동작 특성은 4개의 구성요소, 즉, 데드 밴드(dead band), 스틱 밴드(stick band), 슬립 점프(slip jump), 이동 단계(moving phase)로 구성된다.The input-output operation characteristics of a valve, which exhibit valve stiction, consist of four components: dead band, stick band, slip jump, and moving phase.

밸브가 포인트 N에서 정지하거나 방향을 변경하려고 할 때, 밸브는 스틱된다.When the valve stops at point N or tries to change direction, the valve sticks.

제어기 출력이 데드 밴드(NA')와 스틱 밴드(A'C)를 극복한 후, 밸브는 새로운 위치(포인트 C)로 점프하여 계속 움직인다.After the controller output overcomes the dead band (NA') and stick band (A'C), the valve jumps to a new position (point C) and continues moving.

같은 방향으로 이동하는 동안에, 밸브는 속도 0 또는 매우 느린 속도로 인해 포인트 D에서 다시 고착될 수 있다. 이때, 데드 밴드는 0이며, 스틱 밴드(DE)만 존재한다. 이 경우, 밸브는 제어기 출력이 스틱 밴드보다 크면 밸브 스틱션을 극복할 수 있다.While moving in the same direction, the valve may get stuck again at point D due to zero velocity or very slow velocity. At this time, the dead band is zero and only the stick band (DE) exists. In this case, the valve can overcome the valve sticktion if the controller output is greater than the stick band.

밸브 입력(제어기 출력)이 변함에도 불구하고, 밸브가 움직이지 않는 경우에 대한 밸브 동작 특성은 데드 밴드와 스틱 밴드로 표현가능하다. The valve operation characteristics for cases where the valve does not move despite changes in valve input (controller output) can be expressed by dead band and stick band.

슬립 점프의 크기는 밸브 스틱션에 의해 유발된 오실레이션 동특성을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. 즉, 밸브는 일단 슬립 점프가 일어나면, 다시 스틱될 때까지 계속 움직인다. The magnitude of the slip jump plays a significant role in determining the oscillation dynamics induced by valve sticktion. That is, once a slip jump occurs, the valve continues to move until it sticks again.

이러한 관점에서 밸브 스틱션을 다시 정의하면, 밸브 스틱션은 밸브의 변화하는 입력에 반응하여 부드럽게 움직이기 전에 갑작스런 점프인 슬립 점프가 일어나는 밸브의 특성을 의미하는 것일 수 있다. 슬립 점프는 출력 스팬의 퍼센트로 표현된다.From this perspective, we can redefine valve stiction to mean the characteristic of a valve in which a slip jump occurs, a sudden jump before the valve moves smoothly in response to a changing input. The slip jump is expressed as a percentage of the output span.

도 3 내지 도 6을 참조하면, OP는 제어기 출력, PV는 공정값, MV는 밸브 포지션 피드백을 의미한다.Referring to FIGS. 3 to 6, OP represents controller output, PV represents process value, and MV represents valve position feedback.

제어기 출력(OP)과 밸브 포지션 피드백(MV)의 XY 그래프는 도 3과 같이 평형사변형을 나타내고, 제어기 출력(OP)과 공정값(PV)의 XY 그래프는 도 4와 같이 타원형을 나타낸다.The XY graph of the controller output (OP) and the valve position feedback (MV) represents a quadrilateral as shown in Fig. 3, and the XY graph of the controller output (OP) and the process value (PV) represents an ellipse as shown in Fig. 4.

제어루프는 오실레이션을 일으키며, 공정값(PV)은 도 5와 같이 사인파의 형태를 나타내고, 밸브 포지션 피드백(MV)은 도 6과 같이 구형파의 형태를 나타낸다.The control loop causes oscillation, and the process value (PV) exhibits a sine wave shape as shown in Fig. 5, and the valve position feedback (MV) exhibits a square wave shape as shown in Fig. 6.

이하, 도 2의 입출력 동작 특성과 도 3 내지 도 6의 제어루프 트랜드를 반영한 시간 영역의 데이터에 기반한 밸브 스틱션 진단 기법(예, shape-based stiction detection method)에 대해 도 7 및 도 8을 참조하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, a valve stiction diagnosis technique (e.g., shape-based stiction detection method) based on time domain data reflecting the input/output operation characteristics of Fig. 2 and the control loop trends of Figs. 3 to 6 will be examined with reference to Figs. 7 and 8.

이러한 밸브 스틱션 진단 기법은 'Yoshiyuki Yamashita, An automatic method for detection of valve stiction in process control loops, Control Engineering Practice, Volume 14, Issue 5, May 2006, pp 503-510'에 제안된 바 있다.This valve stiction diagnostic technique was proposed in 'Yoshiyuki Yamashita, An automatic method for detection of valve stiction in process control loops, Control Engineering Practice, Volume 14, Issue 5, May 2006, pp 503-510'.

도 7은 스틱션 상태의 제어기 출력과 밸브 포지션의 관계를 설명하는 도면이고, 도 8은 제어기 출력과 밸브 포지션의 합성방향 결정을 설명하는 도면이다.Figure 7 is a drawing explaining the relationship between the controller output and the valve position in the stickition state, and Figure 8 is a drawing explaining the determination of the synthetic direction of the controller output and the valve position.

이러한 밸브 스틱션 진단 기법은 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)의 X-Y 관계도가 평형사변형일 경우 스틱션 상태로 인식하는 것이다. 즉, 이는 X축의 값인 제어기 출력이 변하여도 Y축인 밸브 포지션이 변하지 않는 상태가 존재하는 특성을 이용하여 밸브 스틱션을 인식하는 것이다.This valve sticktion diagnosis technique recognizes a sticktion state when the X-Y relationship between the controller output (OP) and the valve position (MV) is a quadrilateral. In other words, this recognizes valve sticktion by utilizing the characteristic that even if the controller output, which is the value of the X-axis, changes, the valve position, which is the Y-axis, does not change.

도 7의 (a)는 데드 밴드의 동작특성을 나타내고, 도 7의 (b)는 슬립 점프의 동작 특성을 나타내며, 도 7의 (c)는 (a)의 데드 밴드와 (b)의 슬립 점프에 대한 동작 특성을 동시에 나타낸다.Fig. 7 (a) shows the operating characteristics of the dead band, Fig. 7 (b) shows the operating characteristics of the slip jump, and Fig. 7 (c) shows the operating characteristics of the dead band of (a) and the slip jump of (b) simultaneously.

이러한 밸브 스틱션 진단 기법에서는 스틱션 상태에서 제어기 출력(OP)가 변해도 밸브 포지션(MV)이 변하지 않는다는 특성을 이용하여 도 8과 같이 OP와 MV의 동작 방향을 정의한다. 여기서, D는 Decreasing, S는 Steady, I는 Increasing이다.In this valve sticktion diagnosis technique, the characteristic that the valve position (MV) does not change even if the controller output (OP) changes in the sticktion state is utilized to define the operating directions of OP and MV as shown in Fig. 8. Here, D is Decreasing, S is Steady, and I is Increasing.

아래와 같이 3개의 스틱션 지수 즉, SI_C1, SI_C2, SI_C3를 산출한다.Three stiction indices, namely SI_C1, SI_C2, and SI_C3, are calculated as follows.

여기서, Here,

SI_C1=(TIS+TDS)/(Ttotal―TSS)SI_C1 = (T IS + T DS ) / (T total -T SS )

SI_C2=(TISII+TISSI+TDSDD+TDSSD)/(Ttotal-TSS)SI_C2 = (T ISII +T ISSI +T DSDD +T DSSD )/(T total -T SS )

SI_C3=SI_C1-(TISDD+TISDI+TISSD+TISID+TISDS+TDSDI+TDSS+TDSID+TDSII+TDSIS)/(Ttotal-TSS)SI_C3 = SI_C1 - (T ISDD +T ISDI +T ISSD +T ISID +T ISDS +T DSDI +T DSS +T DSID +T DSII +T DSIS )/(T total -T SS )

여기서, TIS는 IS 구간의 시간 합계, TSS는 SS 구간의 시간 합계, TDS는 DS 구간의 시간 합계, TISII는 IS II인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TISSI는 IS SI인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TDSDD는 DS DD인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, TDSSD는 DS SD인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, TISDD는 IS DD인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TISDI는 IS DI인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TISSD는 IS SD인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TISID는 IS ID인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TISDS는 IS DS인 구간에서 IS 구간의 시간 합계, TDSDI는 DS DI인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, TDSSI는 DS SI인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, TDSID는 DS ID인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, TDSII는 DS II인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, TDSIS는 DS IS인 구간에서 DS 구간의 시간 합계, Ttotal는 진단을 위한 시간 윈도우를 나타낸다.Here, T IS is the sum of times for the IS section, T SS is the sum of times for the SS section, T DS is the sum of times for the DS section, T ISII is the sum of times for the IS section in the section that is IS II, T ISSI is the sum of times for the IS section in the section that is IS SI, T DSDD is the sum of times for the DS section in the section that is DS DD, T DSSD is the sum of times for the DS section in the section that is DS SD, T ISDD is the sum of times for the IS section in the section that is IS DD, T ISDI is the sum of times for the IS section in the section that is IS DI, T ISSD is the sum of times for the IS section in the section that is IS SD, T ISID is the sum of times for the IS section in the section that is IS ID, T ISDS is the sum of times for the IS section in the section that is IS DS, T DSDI is the sum of times for the DS section in the section that is DS DI, T DSSI is the sum of times for the DS section in the section that is DS SI, T DSID is the sum of times for the DS section in the section that is DS ID, T DSII is the time for the DS section in the section that is DS II. Total, T DSIS is the time sum of the DS interval in the DS IS interval, and T total represents the time window for diagnosis.

이와 같은 밸브 스틱션 진단 기법은 스틱션 지수를 이용한 알고리즘으로, 스틱션 발생 여부를 판단할 수 있는 스틱션 지수의 임계값 설정이 필요하며, 임계값 설정에 따라 스틱션 여부를 판별하기 어려운 경우가 발생할 수 있다.This valve stiction diagnosis technique is an algorithm that uses a stiction index, and thus requires setting a threshold value for the stiction index to determine whether stiction has occurred. Depending on the threshold value setting, there may be cases where it is difficult to determine whether stiction has occurred.

한편, 다른 밸브 스틱션 진단 기법에서는 구형파의 파워 스펙트럼에서 홀수 고조파 성분이 나오고, 삼각파/톱니파에서는 홀수와 짝수 고조파 성분이 나오는 점에 착안하는 방식이 있다.Meanwhile, other valve stiction diagnostic techniques focus on the fact that odd harmonic components appear in the power spectrum of square waves, while odd and even harmonic components appear in triangle waves/sawtooth waves.

이러한 밸브 스틱션 진단 기법은 'Monir Ahammad, M.A.A. Shoukat Choudhury, A Simple Harmonics Based Stiction Detection Method, DYCOPS 2010, pp 671-676'에 제안된 바 있다.This valve stiction diagnostic technique has been proposed in 'Monir Ahammad, M.A.A. Shoukat Choudhury, A Simple Harmonics Based Stiction Detection Method, DYCOPS 2010, pp 671-676'.

이 경우에는 밸브 스틱션이 일어날 경우에 제어기 오차와 제어기 출력의 형태가 구형파와 톱니파/삼각파 형태를 취함을 고려하여 제어기 오차에 대한 신호의 푸리에 변환을 통해 홀수 고조파 존재 여부를 파악하여 밸브 스틱션 여부를 판단한다.In this case, considering that the controller error and the controller output take the form of square waves and sawtooth/triangular waves when valve sticktion occurs, the presence of odd harmonics is determined by Fourier transforming the signal for the controller error to determine whether valve sticktion occurs.

이와 같은 밸브 스틱션 진단 기법은 홀수 고조파 성분 존재 여부를 이용하는 알고리즘으로, 공정과 밸브의 상태에 따라 존재하는 홀수 고조파 성분이 달라지므로 각 홀수 고조파 성분에 따른 밸브 스틱션 발생 여부 판단을 위한 기준이 필요하다.This valve stiction diagnosis technique is an algorithm that utilizes the presence of odd harmonic components. Since the presence of odd harmonic components varies depending on the process and valve status, a standard for determining whether valve stiction occurs for each odd harmonic component is required.

전술한 2가지 알고리즘을 이용한 밸브 스틱션 진단 기법은 스틱션 지수의 임계치 설정과 각 홀수 고조파 성분 존재에 따른 판단 기준이 필요하고, 각각의 알고리즘에 의한 진단 결과가 상이할 경우 밸브 스틱션 진단이 곤란할 수 있다.The valve stiction diagnosis technique using the two algorithms described above requires threshold setting of the stiction index and judgment criteria based on the presence of each odd harmonic component, and if the diagnosis results by each algorithm are different, valve stiction diagnosis may be difficult.

이하, 후술할 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 밸브 스틱션 진단 장치에 대해 살펴보기로 한다.Hereinafter, a valve stickion diagnostic device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9 described later.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치를 나타낸 도면이다.FIG. 9 is a drawing showing a valve stickition diagnosis device using machine learning according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 스틱션 진단 장치(100)는, 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 이용한 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 통해 추출한 특징들을 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 밸브 스틱션 진단을 수행함으로써 기존 밸브 스틱션 진단 알고리즘을 종합적으로 판단하기 곤란한 상황의 경우에서도 밸브 스틱션 진단의 정확도를 확보할 수 있다.As illustrated in FIG. 9, the valve stiction diagnosis device (100) according to an embodiment of the present invention performs valve stiction diagnosis by creating a learning model using a machine learning technique with features extracted through a valve stiction diagnosis algorithm using a stiction index and odd harmonic variables, thereby ensuring the accuracy of valve stiction diagnosis even in situations where it is difficult to comprehensively judge using an existing valve stiction diagnosis algorithm.

한편, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 스틱션 지수 특징 추출부(110), 홀수 고조파 특징 추출부(120), 공정모델 추정부(130), 학습데이터 생성부(140), 학습모델 생성부(150), 밸브 스틱션 진단부(160)를 포함하여 구성할 수 있다.Meanwhile, the valve sticktion diagnosis device (100) can be configured to include a sticktion index feature extraction unit (110), an odd harmonic feature extraction unit (120), a process model estimation unit (130), a learning data generation unit (140), a learning model generation unit (150), and a valve sticktion diagnosis unit (160).

이러한 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 밸브 스틱션을 진단하려는 현장에 있는 제어 시스템(50)으로부터 제어루프의 제어기 출력(OP), 밸브 포지션(MV), 제어기 설정값(SP), 공정값(PV)에 대한 데이터를 입력받는다.This valve sticktion diagnostic device (100) receives data on the controller output (OP), valve position (MV), controller setpoint (SP), and process value (PV) of the control loop from the control system (50) located at the site where valve sticktion is to be diagnosed.

먼저, 스틱션 지수 특징 추출부(110)는 아래와 같이 제어 시스템(50)으로부터 입력된 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 계산하는 3개의 밸브 스틱션 지수(SI_C1, SI_C2, SI_C3)를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출한다.First, the stiction index feature extraction unit (110) extracts three valve stiction indices (SI_C1, SI_C2, SI_C3) calculated using the controller output (OP) and valve position (MV) input from the control system (50) as features for valve stiction diagnosis.

스틱션 지수 특징 추출부(110)에서 밸브 스틱션 지수의 계산 과정Calculation process of valve stiction index in the stiction index feature extraction unit (110)

① △OP(t)의 D/I/S 방향을 판단할 데드 밴드(db_op)와 △MV(t)의 D/I/S 방향을 판단할 데드 밴드(db_mv)의 초기값을 설정한다.① Set the initial values of the dead band (db_op) for determining the D/I/S direction of △OP(t) and the dead band (db_mv) for determining the D/I/S direction of △MV(t).

② 밸브 스틱션을 진단하기 위한 시간 윈도우(Ttotal)를 입력한다.② Enter the time window (T total ) to diagnose valve sticktion.

③ 입력한 시간 윈도우(Ttotal) 동안의 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 읽는다.③ Read the controller output (OP) and valve position (MV) during the input time window (T total ).

④ 입력한 시간 윈도우(Ttotal) 동안의 각 스텝에서의 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 제어기 출력 차이값(△OP)과 밸브 포지션 차이값(△MV)을 계산한다.④ The controller output difference value (△OP) and valve position difference value (△MV) are calculated using the controller output (OP) and valve position (MV) at each step during the input time window (T total ).

⑤ 초기값으로 설정한 △OP(t)의 D/I/S 방향을 판단할 데드 밴드(db_op)와 △MV(t)의 D/I/S 방향을 판단할 데드 밴드(db_mv)를 이용하여 시간 영역에 기반한 제어기 출력[OP(t)]와 시간 영역에 기반한 밸브 포지션[MV(t)]의 개별 방향(D/I/S)을 결정한다.⑤ The individual directions (D/I/S) of the controller output [OP(t)] based on the time domain and the valve position [MV(t)] based on the time domain are determined using the dead band (db_op) for determining the D/I/S direction of △OP(t) set as the initial value and the dead band (db_mv) for determining the D/I/S direction of △MV(t).

⑥ ⑤에서 구한 OP(t)와 MV(t)의 방향을 이용하여 도 8과 같은 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)의 합성 방향(IS, II, DD, DS, IS, SI, SD, DS 등)을 결정한다.⑥ Using the directions of OP(t) and MV(t) obtained in ⑤, the synthetic direction (IS, II, DD, DS, IS, SI, SD, DS, etc.) of the controller output (OP) and valve position (MV) as in Fig. 8 is determined.

⑥ 입력한 시간 윈도우 동안에서의 TIS, TSS, TDS, TSS, TISII, TISSI, TDSDD, TDSSD, TISDD, TISDI, TISSD, TISID, TISDS, TDSDI, TDSSI, TDSID, TDSII, TDSIS을 계산한다.⑥ Calculate T IS , T SS , T DS , T SS , T ISII , T ISSI , T DSDD, T DSSD , T ISDD , T ISDI , T ISSD , T ISID , T ISDS , T DSDI , T DSSI , T DSID , T DSII , T DSIS during the entered time window .

⑦ 아래와 같이 3개의 밸브 스틱션 지수를 계산한다.⑦ Calculate the three valve stickition indices as follows.

SI_C1=(TIS+TDS)/(Ttotal―TSS)SI_C1 = (T IS + T DS ) / (T total -T SS )

SI_C2=(TISII+TISSI+TDSDD+TDSSD)/(Ttotal-TSS)SI_C2=(T ISII +T ISSI +T DSDD +T DSSD )/(T total -T SS )

SI_C3=SI_C1-(TISDD+TISDI+TISSD+TISID+TISDS+TDSDI+TDSS+TDSID+TDSII+TDSIS)/(Ttotal-TSS)SI_C3 = SI_C1 - (T ISDD +T ISDI +T ISSD +T ISID +T ISDS +T DSDI +T DSS +T DSID +T DSII +T DSIS )/(T total -T SS )

다음으로, 홀수 고조파 특징 추출부(120)는 아래와 같이 제어 시스템(50)으로부터 입력된 제어기 설정값(SP)과 공정값(PV)을 이용하여 제어기 오차의 주파수 해석을 기반으로 하는 기본 주파수의 홀수 고조파(즉, 3차 고조파, 5차 고조파, 7차 고조파)가 존재하는지를 나타내는 홀수 고조파 변수(H3E, H5E, H7E)를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출한다.Next, the odd harmonic feature extraction unit (120) extracts odd harmonic variables (H3E, H5E, H7E) indicating the presence of odd harmonics (i.e., 3rd harmonic, 5th harmonic, 7th harmonic) of the fundamental frequency based on frequency analysis of the controller error using the controller setting value (SP) and process value (PV) input from the control system (50) as features for valve sticktion diagnosis.

홀수 고조파 특징 추출부(120)에서 홀수 고조파의 판단 과정Odd harmonic feature extraction unit (120) odd harmonic judgment process

① 기본 주파수의 홀수 고조파가 존재하는지를 판단하기 위한 크기 임계치(odd_F_th)와 주파수밴드 임계치(odd_F_bw)의 초기값을 설정한다. ① Set the initial values of the size threshold (odd_F_th) and frequency band threshold (odd_F_bw) to determine whether odd harmonics of the fundamental frequency exist.

② 3차 고조파 존재를 나타내는 변수(H3E), 5차 고조파 존재를 나타내는 변수(H5E), 7차 고조파 존재를 나타내는 변수(H7E)를 '0'으로 초기화한다.② Initialize the variable indicating the presence of the 3rd harmonic (H3E), the variable indicating the presence of the 5th harmonic (H5E), and the variable indicating the presence of the 7th harmonic (H7E) to ‘0’.

③ 밸브 스틱션을 진단하기 위한 시간 윈도우(Ttotal)를 입력한다.③ Enter the time window (T total ) to diagnose valve sticktion.

④ 입력한 시간 윈도우(Ttotal) 동안의 제어기 설정값(SP)과 공정값(PV)을 읽는다.④ Read the controller setting value (SP) and process value (PV) during the input time window (T total ).

⑤ 입력한 시간 윈도우(Ttotal) 동안의 각 스텝에서의 제어기 설정값(SP)과 공정값(PV)을 이용하여 제어기 오차를 계산한다. 여기서, 제어기 오차는 제어기 설정값(SP)와 공정값(PV)의 차이값이다(즉, |SP-PV|).⑤ The controller error is calculated using the controller setting value (SP) and process value (PV) at each step during the input time window (T total ). Here, the controller error is the difference between the controller setting value (SP) and the process value (PV) (i.e., |SP-PV|).

⑥ 제어기 오차 신호를 이용하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 실행한 후 기본 주파수를 추출한다. 여기서, 기본 주파수의 주파수 응답 크기를 A라 한다.⑥ The fast Fourier transform (FFT) is performed using the controller error signal, and then the fundamental frequency is extracted. Here, the frequency response size of the fundamental frequency is referred to as A.

⑦ (기본 주파수×3±odd_F_bw) 범위에서의 (주파수 응답 크기/A)가 odd_F_th의 범위 안에 들어오면 3차 고조파가 존재하는 것으로 판단한다. 이때, 3차 고조파 존재를 나타내는 3차 고조파 변수(H3E)는 '1'이 된다.⑦ If (frequency response size/A) in the range of (fundamental frequency × 3±odd_F_bw) falls within the range of odd_F_th, the 3rd harmonic is determined to exist. At this time, the 3rd harmonic variable (H3E) indicating the existence of the 3rd harmonic becomes '1'.

⑧ (기본 주파수×5±odd_F_bw) 범위에서의 (주파수 응답 크기/A)가 odd_F_th의 범위 안에 들어오면 5차 고조파가 존재한다고 판단한다. 이때, 5차 고조파 존재를 나타내는 5차 고조파 변수(H5E)는 '1'이 된다.⑧ If the (frequency response size/A) in the range of (fundamental frequency × 5±odd_F_bw) falls within the range of odd_F_th, the 5th harmonic is determined to exist. At this time, the 5th harmonic variable (H5E) indicating the existence of the 5th harmonic becomes '1'.

⑨ (기본 주파수×7±odd_F_bw) 범위에서의 (주파수 응답 크기/A)가 odd_F_th의 범위 안에 들어오면 7차 고조파가 존재한다고 판단한다. 이때, 7차 고조파 존재를 나타내는 7차 고조파 변수(H7E)는 '1'이 된다.⑨ If the (frequency response size/A) in the range of (fundamental frequency × 7±odd_F_bw) falls within the range of odd_F_th, the 7th harmonic is determined to exist. At this time, the 7th harmonic variable (H7E) indicating the existence of the 7th harmonic becomes '1'.

다음으로, 공정모델 추정부(130)는 제어 시스템(50)으로부터 입력된 제어기 출력(OP)과 공정값(PV)를 이용하여 제어루프의 1차 공정모델을 추정한다.Next, the process model estimation unit (130) estimates the first process model of the control loop using the controller output (OP) and process value (PV) input from the control system (50).

이때, 1차 공정모델은 시상수, 공정 이득, 지연시간으로 구성되며, 1차 시지연 모델(First Order Plus Dead Time, FOPDT)이라 부른다. 이러한 1차 공정모델은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.At this time, the first-order process model consists of a time constant, process gain, and delay time, and is called the first-order delay model (First Order Plus Dead Time, FOPDT). This first-order process model can be expressed as the following mathematical expression 1.

Figure 112019133601840-pat00001
Figure 112019133601840-pat00001

여기서, U(s)는 입력 u(t)의 라플라스 변환, Y(s)는 출력 y(t)의 라플라스 변환, T는 시상수, K는 공정이득, Td는 지연시간이다.Here, U(s) is the Laplace transform of the input u(t), Y(s) is the Laplace transform of the output y(t), T is the time constant, K is the process gain, and Td is the delay time.

또한, 공정모델 추정부(130)는 상기 수학식 1과 같은 1차 공정모델 뿐만 아니라 고차 공정모델도 추정 가능하다.In addition, the process model estimation unit (130) can estimate not only the first-order process model as in the mathematical expression 1 above, but also a higher-order process model.

다음으로, 학습데이터 생성부(140)는 제어 시스템(50)을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 밸브 스틱션 시뮬레이션을 수행함에 따라 밸브 스틱션 진단용 학습모델을 생성하기 위한 학습데이터를 생성한다.Next, the learning data generation unit (140) generates learning data for generating a learning model for valve stiction diagnosis by performing valve stiction simulation for cases where the valve stiction model is applied and cases where it is not applied by simulating the control system (50).

이러한 학습데이터 생성부(140)는 제어루프에 대한 학습데이터를 생성하기 위한 밸브 스틱션 시뮬레이션 과정을 도 10에 도시된 블록 다이아그램과 같이 구성할 수 있다. 도 10은 밸브 스틱션 시뮬레이션을 위한 시스템 블록 다이아그램을 나타낸 도면이다.This learning data generation unit (140) can configure a valve stiction simulation process for generating learning data for a control loop as shown in the block diagram in Fig. 10. Fig. 10 is a drawing showing a system block diagram for valve stiction simulation.

도 10을 참조하면, 학습데이터 생성부(140)는 제어기(141)와 공정모델(143) 사이에 밸브 스틱션 모델(142)을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 밸브 스틱션 시뮬레이션 과정을 진행한다. Referring to Fig. 10, the learning data generation unit (140) performs a valve stickition simulation process for cases where a valve stickition model (142) is applied between the controller (141) and the process model (143) and cases where it is not applied.

여기서, 공정모델(143)은 공정모델 추정부(130)로부터 제공받을 수 있는 1차 공정모델을 가정한다. 공정모델(143)은 공정모델 파라미터인 공정이득(K), 시상수(T), 지연시간(Td) 등으로 구성된다.Here, the process model (143) assumes a first-order process model that can be provided from the process model estimation unit (130). The process model (143) is composed of process model parameters such as process gain (K), time constant (T), and delay time (Td).

이때, 학습데이터 생성부(140)는 밸브 스틱션 시뮬레이션 과정을 진행함에 따라 밸브 스틱션을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션 데이터 즉, 제어기 출력(OP), 밸브 포지션(MV), 설정값(SP), 공정값(PV)을 생성하게 된다.At this time, the learning data generation unit (140) generates simulation data for cases where valve stiction is applied and cases where valve stiction is not applied, i.e., controller output (OP), valve position (MV), set value (SP), and process value (PV), as the valve stiction simulation process proceeds.

구체적으로, 제어기(141)는 하기 수학식 2의 PI(Proportional Integral/PID(Proportional Integral Derivatve) 제어기를 적용한다.Specifically, the controller (141) applies a PI (Proportional Integral/PID (Proportional Integral Derivatve) controller of the following mathematical expression 2.

Figure 112019133601840-pat00002
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상기 수학식 2는 제어기(141)의 전달함수를 나타낸다. The above mathematical expression 2 represents the transfer function of the controller (141).

여기서, 제어기 입력은 제어기 오차 e(t)로서, 설정값(SP)과 공정값(PV) 간의 차로 나타낸다. 즉, e(t)=SP―PV이다. 제어기 입력 e(t)의 라플라스 변환은 E(s)이다.Here, the controller input is the controller error e(t), which is expressed as the difference between the setpoint (SP) and the process value (PV). That is, e(t) = SP―PV. The Laplace transform of the controller input e(t) is E(s).

그리고, 상기 수학식 2에서 Kp는 비례 이득이고, Ki는 적분 이득이다.And, in the above mathematical expression 2, Kp is the proportional gain and Ki is the integral gain.

아울러, 밸브 스틱션 모델(142)은 밸브의 스틱션 현상의 물리적인 모델과 같은 특성을 나타낸다. 예를 들어, 밸브 스틱션 모델(142)은 샤우드리(Choudhury) 모델, 카노(Kano) 모델, XCH 모델 중 어느 하나의 모델로 구현 가능하다.In addition, the valve stiction model (142) exhibits the same characteristics as a physical model of the stiction phenomenon of the valve. For example, the valve stiction model (142) can be implemented as any one of the Choudhury model, the Kano model, and the XCH model.

여기서는 도 11을 참조하여 XCH 모델에 대해 살펴보기로 한다. 도 11은 XCH 모델에서 입출력 흐름을 나타내는 도면이다.Here, we will examine the XCH model with reference to Fig. 11. Fig. 11 is a diagram showing the input/output flow in the XCH model.

도 11에서 x(k)는 시간 스텝 k번째(또는 현재 시점)의 밸브 입력(제어기 출력) 신호를 의미하고, x(k-1)은 이전 스텝에서의 밸브 입력(제어기 출력) 신호를 의미한다. In Fig. 11, x(k) denotes the valve input (controller output) signal at the kth time step (or the current time point), and x(k-1) denotes the valve input (controller output) signal at the previous step.

또한, y(k)는 시간 스텝 k번째(또는 현재 시점)의 밸브 포지션을 의미하고, y(k-1)은 이전 스텝에서의 밸브 포지션을 의미한다. Also, y(k) represents the valve position at the kth time step (or the current point in time), and y(k-1) represents the valve position at the previous step.

그리고, S는 데드 밴드와 스틱 밴드와 합을 나타내며, J는 스틱 밴드를 나타낸다. And, S represents the dead band and the stick band and the sum, and J represents the stick band.

또한, xss는 고착된 위치를 의미하며, I는 고착 상태 발생 여부를 의미한다. Also, xss stands for stuck location, and I stands for whether a stuck state occurs or not.

그리고, Δt는 밸브 입력(제어기 출력) 신호에 대한 스캔 주기(스텝간 시간)를 의미하고, sign(v)는 v의 부호를 의미한다. 여기서, v가 0보다 클 때는 1의 값을 가지고, 0보다 작을 때는 -1의 값을 가지며, 0일 때는 0의 값을 가진다.And, Δt means the scan period (time between steps) for the valve input (controller output) signal, and sign(v) means the sign of v. Here, when v is greater than 0, it has the value 1, when it is less than 0, it has the value -1, and when it is 0, it has the value 0.

또한, fs는 정지 마찰력으로 (S+J)/2를 의미한다.Also, fs stands for static friction, which is (S+J)/2.

이와 같이, 학습데이터 생성부(140)는 공정모델 추정부(130)에서 추정된 공정모델(143)을 이용하되, 제어기(141)의 비례 이득(Kp)와 적분 이득(Ki)를 조정하여 제어루프의 특성을 변경하면서 밸브 스틱션 모델(142)에서 스틱션 정도를 나타내는 데드 밴드와 스틱 밴드의 합(S)과 스택 밴드(J)를 변경함으로써 밸브 스틱션을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션 데이터를 얻을 수 있다.In this way, the learning data generation unit (140) uses the process model (143) estimated by the process model estimation unit (130), but changes the characteristics of the control loop by adjusting the proportional gain (Kp) and the integral gain (Ki) of the controller (141), and changes the sum of the dead band and the stick band (S) and the stack band (J) representing the degree of stiction in the valve stiction model (142), thereby obtaining simulation data for cases where valve stiction is applied and cases where it is not applied.

그런 다음, 학습데이터 생성부(140)는 시뮬레이션 데이터를 이용하여 학습데이터를 생성할 수 있다.Then, the learning data generation unit (140) can generate learning data using simulation data.

이를 위해, 학습데이터 생성부(140)는 전술한 스틱션 지수 특징 추출부(110)와 동일한 기능을 구현하는 스틱션 지수 특징 추출 시뮬레이션부(144)와 전술한 홀수 고조파 특징 추출부(120)와 동일한 기능을 구현하는 홀수 고조파 특징 추출 시뮬레이션부(145)를 더 포함한다.To this end, the learning data generation unit (140) further includes a stickiness index feature extraction simulation unit (144) that implements the same function as the stickiness index feature extraction unit (110) described above, and an odd harmonic feature extraction simulation unit (145) that implements the same function as the odd harmonic feature extraction unit (120) described above.

이때, 스틱션 지수 특징 추출 시뮬레이션부(144)는 밸브 스틱션 시뮬레이션 과정을 진행함에 따라 생성된 시뮬레이션 데이터 즉, 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 3개의 스틱션 지수(SI_C1, SI_C2, SI_C3)를 추출한다.At this time, the stiction index feature extraction simulation unit (144) extracts three stiction indices (SI_C1, SI_C2, SI_C3) using simulation data generated as the valve stiction simulation process proceeds, i.e., the controller output (OP) and valve position (MV).

또한, 홀수 고조파 특징 추출 시뮬레이션부(145)는 밸브 스틱션 시뮬레이션 과정을 진행함에 따라 생성된 시뮬레이션 데이터 즉, 설정값(SP)과 공정값(PV)을 이용하여 3개의 3/5/7차 고조파 존재를 나타내는 홀수 고조파 변수(H3E, H5E, H7E)를 추출한다.In addition, the odd harmonic feature extraction simulation unit (145) extracts odd harmonic variables (H3E, H5E, H7E) indicating the existence of three 3rd/5th/7th harmonics using simulation data generated as the valve stickition simulation process proceeds, i.e., the set value (SP) and the process value (PV).

그러면, 학습데이터 생성부(140)는 시뮬레이션 데이터를 이용하여 스틱션 인가 정보, 스틱션 지수, 홀수 고조파 변수를 특징으로 하는 학습데이터를 생성할 수 있게 된다. Then, the learning data generation unit (140) can generate learning data characterized by sticktion authorization information, sticktion index, and odd harmonic variables using simulation data.

이와 같이, 학습데이터 생성부(140)는 공정모델 파라미터인 공정이득(K), 시상수(T), 지연시간(Td), 제어기 파라미터인 비례 이득(Kp)과 적분 이득(Ki), 밸브 스틱션 파라미터인 데드 밴드와 스틱 밴드의 합(S)과 스택 밴드(J)를 변경하면서 밸브 스틱션 시뮬레이션을 수행한다.In this way, the learning data generation unit (140) performs a valve stiction simulation while changing the process model parameters, namely, process gain (K), time constant (T), and delay time (Td), the controller parameters, namely, proportional gain (Kp) and integral gain (Ki), and the valve stiction parameters, namely, the sum of dead band and stick band (S) and the stack band (J).

도 12는 공정모델 파라미터, 제어기 파라미터 및 밸브 스틱션 모델 파라미터 변경에 따른 밸브 스틱션 시뮬레이션을 통해 생성된 학습데이터의 예시를 나타낸 도면이다.Figure 12 is a diagram showing an example of learning data generated through valve stiction simulation according to changes in process model parameters, controller parameters, and valve stiction model parameters.

도 12의 학습데이터는 50가지 케이스(case)를 생성한 경우를 나타낸다. 이 경우, 밸브 스틱션 시뮬레이션은 공정모델 파라미터인 공정이득(K)을 1로 고정한 상태에서 진행된 시뮬레이션 데이터를 통해 스틱션 지수(SI_C1, SI_C2, SI_C3)와 홀수 고조파 변수(H3E, H5E, H7E)를 추출하였다.The learning data in Fig. 12 represents a case where 50 cases were generated. In this case, the valve stiction simulation was performed with the process gain (K), which is a process model parameter, fixed to 1, and the stiction indices (SI_C1, SI_C2, SI_C3) and odd harmonic variables (H3E, H5E, H7E) were extracted through the simulation data.

도 12와 같이 학습데이터에는 공정모델 파라미터, 제어기 파라미터, 밸브 스틱션 모델 파라미터, 밸브 스틱션 모델의 인가 여부를 나타내는 스틱션 인가 정보, 스틱션 지수(SI_C1, SI_C2, SI_C3), 홀수 고조파가 존재하는지를 나타내는 홀수 고조파 변수(H3E, H5E, H7E)가 포함될 수 있다.As shown in Fig. 12, the learning data may include process model parameters, controller parameters, valve stiction model parameters, stiction authorization information indicating whether the valve stiction model is authorized, stiction indices (SI_C1, SI_C2, SI_C3), and odd harmonic variables (H3E, H5E, H7E) indicating whether odd harmonics exist.

그런데, 학습모델 생성부(150)는 학습데이터에 포함된 스틱션 인가 정보, 스틱션 지수, 홀수 고조파 변수를 학습에 활용한다.However, the learning model generation unit (150) utilizes the sticktion authorization information, sticktion index, and odd harmonic variables included in the learning data for learning.

그런데, 밸브 스틱션 모델을 인가한 경우와 인가하지 않는 경우의 시뮬레이션 트렌드는 도 13과 도 14와 같다.However, the simulation trends for cases where the valve stickion model is authorized and not authorized are as shown in Figures 13 and 14.

도 13은 밸브 스틱션을 인가한 경우의 시뮬레이션 트랜드를 나타낸 도면으로서, 도 12의 케이스 29를 적용한 경우이다, 도 14는 밸브 스틱션을 인가하지 않은 경우의 시뮬레이션 트랜드를 나타낸 도면으로서, 도 12의 케이스 46을 적용한 경우이다.Fig. 13 is a drawing showing a simulation trend when valve sticktion is applied, which is the case when case 29 of Fig. 12 is applied. Fig. 14 is a drawing showing a simulation trend when valve sticktion is not applied, which is the case when case 46 of Fig. 12 is applied.

도 13 및 도 14를 참조하면, 밸브 스틱션 모델을 인가한 경우에는 제어루프에 오실레이션이 발생함을 볼 수 있고, 제어기 출력(CO)와 공정값(PV) 사이의 XY 그래프가 평형사변형 또는 타원형에 가까움을 볼 수 있다.Referring to FIGS. 13 and 14, it can be seen that when the valve stiction model is applied, oscillation occurs in the control loop, and the XY graph between the controller output (CO) and the process value (PV) is close to a quadrilateral or ellipse.

도 12의 각 케이스를 살펴보면, 밸브 스틱션 모델을 인가한 경우에도 홀수 고조파가 존재하지 않는 경우가 존재하여 밸브 스틱션 진단 결과가 상이하게 나타날 수 있음을 볼 수 있고, 스틱션 지수의 임계값이 설정되지 않아 밸브 스틱션 진단이 곤란한 경우도 볼 수 있다. Looking at each case in Fig. 12, it can be seen that even when the valve stiction model is approved, there are cases where odd harmonics do not exist, and thus the valve stiction diagnosis results may appear differently, and it can also be seen that valve stiction diagnosis is difficult in cases where the threshold value of the stiction index is not set.

다시 도 9를 참조하면, 학습모델 생성부(150)는 학습데이터 생성부(140)로부터 전달된 학습데이터를 이용하여 밸브 스틱션 진단용 학습모델을 생성한다.Referring again to FIG. 9, the learning model generation unit (150) generates a learning model for valve stickition diagnosis using learning data transmitted from the learning data generation unit (140).

즉, 학습모델 생성부(150)는 학습데이터에 포함된 스틱션 인가 정보를 이용하여 스틱션 발생 여부에 대한 타겟 변수로 하는 지도학습(supervised learning) 기반으로 복수의 머신러닝 기법을 적용하여 학습모델을 생성한다. That is, the learning model generation unit (150) generates a learning model by applying multiple machine learning techniques based on supervised learning using the sticktion authorization information included in the learning data as a target variable for whether or not sticktion occurs.

여기서, 복수의 머신러닝 기법은 나이브 베이즈(Naive Bayes) 기법, 신경망(Neural Network) 기법, 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, 이하 'SVM'이라 함) 기법일 수 있다.Here, the multiple machine learning techniques may be the Naive Bayes technique, the Neural Network technique, and the Support Vector Machine (hereinafter referred to as 'SVM') technique.

이와 같이, 학습모델 생성부(150)는 학습데이터에 대한 복수의 머신러닝 기법을 각각 적용하여 정확도가 가장 높은 학습모델을 밸브 스틱션 진단용 학습모델로 최종 결정하여 밸브 스틱션 진단부(160)로 제공한다.In this way, the learning model generation unit (150) applies multiple machine learning techniques to each learning data, determines the learning model with the highest accuracy as the learning model for valve stiction diagnosis, and provides it to the valve stiction diagnosis unit (160).

그러면, 밸브 스틱션 진단부(160)는 현장의 제어 시스템(50)의 데이터를 이용하여 추출한 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수의 특징에 대해 학습모델 생성부(150)로부터 제공된 밸브 스틱션 진단용 학습모델에 적용하여 밸브 스틱션 진단을 수행하게 된다.Then, the valve sticktion diagnosis unit (160) performs valve sticktion diagnosis by applying the valve sticktion diagnosis learning model provided from the learning model generation unit (150) to the sticktion index and odd harmonic variable characteristics extracted using the data of the field control system (50).

구체적으로, 학습모델 생성부(150)는 학습데이터 생성부(140)로부터 전달된 학습데이터를 지도학습 기반으로 복수의 머신러닝 기법 각각에 따라 학습모델을 생성하기 위한 학습용 데이터와 생성된 학습모델 각각에 대한 검증에 활용할 검증용 데이터로 구분한다.Specifically, the learning model generation unit (150) divides the learning data transmitted from the learning data generation unit (140) into learning data for generating learning models according to each of a plurality of machine learning techniques based on supervised learning, and verification data for use in verifying each of the generated learning models.

여기서, 학습용 데이터와 검증용 데이터는 미리 정해진 소정의 비율에 따라 구분된다. 예를 들어, 50개의 학습데이터는 학습용 데이터로 70%(35개)를 임의로 추출하고(도 15 참조), 검증용 데이터로 학습용 데이터가 제외된 나머지 30%(15개)로 결정된다(도 16 참조). Here, the training data and the verification data are divided according to a predetermined ratio. For example, 70% (35) of the 50 training data are randomly extracted as training data (see Figure 15), and the remaining 30% (15) after excluding the training data are determined as verification data (see Figure 16).

도 15는 도 12의 학습데이터에서 임의로 추출된 학습용 데이터를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 12의 학습데이터에서 학습용 데이터가 제외된 검증용 데이터와 이의 검증 결과를 나타낸 도면이다.Figure 15 is a diagram showing training data randomly extracted from the training data of Figure 12, and Figure 16 is a diagram showing verification data with the training data excluded from the training data of Figure 12 and the verification results thereof.

그런 다음, 학습모델 생성부(150)는 도 15의 학습용 데이터를 이용하여 지도학습 기반의 머신러닝 기법인 나이브 베이즈 기법, 신경망 기법, SVM 기법에 대한 학습모델을 생성한다.Then, the learning model generation unit (150) generates a learning model for machine learning techniques based on supervised learning, such as the naive Bayes technique, neural network technique, and SVM technique, using the learning data of Fig. 15.

그리고, 학습모델 생성부(150)는 도 16의 검증용 데이터를 이용하여 학습모델 각각에 대한 검증을 수행한다. And, the learning model generation unit (150) performs verification for each learning model using the verification data of Fig. 16.

이때, 학습모델 생성부(150)는 스틱션 인가 정보와 학습모델 각각의 진단 결과가 서로 일치하는지를 검증하여 가장 성능(정확도)이 우수한 학습모델을 선별한다.At this time, the learning model generation unit (150) verifies whether the stickition authorization information and the diagnostic results of each learning model match each other and selects the learning model with the best performance (accuracy).

도 16을 참조하면, 나이브 베이즈 기법은 73.3%의 정확도를 나타내고, 신경망 기법은 80%의 정확도를 나타내며, SVM 기법은 93.3%의 정확도를 나타낸다.Referring to Figure 16, the naive Bayes technique shows an accuracy of 73.3%, the neural network technique shows an accuracy of 80%, and the SVM technique shows an accuracy of 93.3%.

SVM 기법은 15개 중 14개의 검증용 데이터에서 스틱션 인가 정보와 진단 결과가 서로 일치하는 결과를 나타낸다.The SVM technique shows that the stickiness authorization information and the diagnosis results are consistent with each other in 14 out of 15 validation data.

이에 따라, 학습모델 생성부(150)는 SVM 기법을 통해 생성된 밸브 스틱션 진단용 학습모델을 밸브 스틱션 진단부(160)로 전달한다.Accordingly, the learning model generation unit (150) transfers the valve stiction diagnosis learning model generated through the SVM technique to the valve stiction diagnosis unit (160).

다음으로, 밸브 스틱션 진단부(160)는 학습모델 생성부(150)에 의해 생성된 밸브 스틱션 진단용 학습모델을 이용하여 현장 제어 시스템(50)에 대한 밸브 스틱션을 진단한다. 즉, 밸브 스틱션 진단부(160)는 밸브 스틱션을 진단하기 위한 시간(Ttotal) 동안의 제어루프 데이터를 이용하여 스틱션 지수 특징 추출부(110)에 의해 추출된 스틱션 지수(SI_C1, SI_C2, SI_C3)와 홀수 고조파 특징 추출부(120)에 의해 추출된 홀수 고조파 변수(H3E, H5E, H7E)를 생성한 후, 이를 학습모델 생성부(150)로부터 전달된 밸브 스틱션 진단용 학습모델에 적용하여 밸브 스틱션이 발생하는지를 진단하고 그 결과를 산출한다.Next, the valve sticktion diagnosis unit (160) diagnoses valve sticktion for the field control system (50) using the learning model for valve sticktion diagnosis generated by the learning model generation unit (150). That is, the valve sticktion diagnosis unit (160) uses control loop data for the time (T total ) for diagnosing valve sticktion to generate sticktion indices (SI_C1, SI_C2, SI_C3) extracted by the sticktion index feature extraction unit (110) and odd harmonic variables (H3E, H5E, H7E) extracted by the odd harmonic feature extraction unit (120), and then applies these to the valve sticktion diagnosis learning model transmitted from the learning model generation unit (150) to diagnose whether valve sticktion occurs and calculate the result.

다른 실시예로서, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 실행할 때, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 스틱션 진단 방법을 수행할 수 있다.As another embodiment, the valve stickition diagnostic device (100) can perform the valve stickition diagnostic method according to an embodiment of the present invention when executing computer-readable instructions stored in a memory by at least one processor.

여기서, 프로세서는 적어도 하나 이상의 프로세서로서, 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 그리고, 프로세서는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다.Here, the processor may be at least one processor, and may also be called a controller, a microcontroller, a microprocessor, a microcomputer, etc. And, the processor may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.

또한, 메모리는 하나의 저장 장치일 수 있거나, 또는 복수의 저장 엘리먼트의 집합적인 용어일 수 있다. 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들은 실행가능한 프로그램 코드 또는 파라미터, 데이터 등일 수 있다. 그리고, 메모리는 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있거나, 또는 자기 디스크 저장장치 또는 플래시(flash) 메모리와 같은 NVRAM(Non-Volatile Memory)을 포함할 수 있다. Also, memory may be a single storage device, or may be a collective term for multiple storage elements. Computer-readable instructions stored in the memory may be executable program code, parameters, data, etc. And, memory may include random access memory (RAM), or may include non-volatile memory (NVRAM), such as magnetic disk storage or flash memory.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 방법에 대한 도면이고, 도 18은 도 17에서 학습모델을 생성하는 과정을 설명하는 도면이다.FIG. 17 is a diagram illustrating a valve stickition diagnosis method using machine learning according to an embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a diagram explaining a process of generating a learning model in FIG. 17.

도 17을 참조하면, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 제어 시스템(50)에 대한 밸브 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출한다(S210).Referring to Fig. 17, the valve sticktion diagnosis device (100) extracts a valve sticktion index and odd harmonic variables for the control system (50) as features for valve sticktion diagnosis (S210).

이때, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 제어 시스템(50)에서 입력된 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 밸브 스틱션 지수를 계산 및 추출하고, 제어 시스템(50)에서 입력된 제어기 오차(즉, 제어기 설정값(SP)과 공정값(PV)의 차)를 이용하여 기본 주파수의 홀수 고조파가 존재하는지에 대한 판단을 통해 홀수 고조파 변수를 추출한다.At this time, the valve sticktion diagnostic device (100) calculates and extracts a valve sticktion index using the controller output (OP) and valve position (MV) input from the control system (50), and extracts odd harmonic variables by determining whether odd harmonics of the fundamental frequency exist using the controller error (i.e., the difference between the controller setpoint (SP) and the process value (PV)) input from the control system (50).

그리고, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 제어 시스템(50)에 대한 밸브 스틱션을 진단하기에 앞서, 제어 시스템(50)을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성한다(S220).And, before diagnosing valve stickition for the control system (50), the valve stickition diagnosis device (100) simulates the control system (50) and performs a simulation for cases where the valve stickition model is applied and cases where it is not applied, thereby generating a learning model using multiple machine learning techniques based on supervised learning for the generated learning data (S220).

이때, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 블록 다이아그램으로 표현되는 제어기(141)와 공정모델(143) 사이에 밸브 스틱션 모델(142)을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하여 학습데이터를 생성한다.At this time, the valve stickition diagnostic device (100) generates learning data using simulation data generated through simulation for cases where the valve stickition model (142) is applied and not applied between the controller (141) and the process model (143) expressed in the block diagram.

여기서, 시뮬레이션 데이터는 제어기 출력(OP), 밸브 포지션(MV), 설정값(SP), 공정값(PV)를 포함한다.Here, the simulation data includes controller output (OP), valve position (MV), setpoint (SP), and process value (PV).

그리고, 제어기(141)는 PI(Proportional Integral/PID(Proportional Integral Derivatve) 제어기이되, 시뮬레이션 데이터에 포함된 설정값(SP)과 공정값(PV) 간의 차이인 제어기 오차가 입력된다.And, the controller (141) is a PI (Proportional Integral/PID (Proportional Integral Derivatve) controller, and a controller error, which is the difference between the setpoint (SP) and the process value (PV) included in the simulation data, is input.

또한, 밸브 스틱션 모델(143)은 시뮬레이션 데이터에 포함된 제어기 출력(OP)이 입력되고, 시뮬레이션 데이터에 포함된 밸브 포지션(MV)가 출력된다. 여기서, 밸브 스틱션 모델(143)은 샤우드리(Choudhury) 모델, 카노(Kano) 모델, XCH 모델 중 어느 하나의 모델로 구현된다.In addition, the valve stiction model (143) is input with the controller output (OP) included in the simulation data, and the valve position (MV) included in the simulation data is output. Here, the valve stiction model (143) is implemented as one of the Choudhury model, the Kano model, and the XCH model.

또한, 공정모델(143)은 시뮬레이션 데이터에 포함된 밸브 포지션(MV)이 입력되고, 시뮬레이션 데이터에 포함된 공정값(PV)이 출력된다.Additionally, the process model (143) inputs the valve position (MV) included in the simulation data and outputs the process value (PV) included in the simulation data.

도 18을 참조하면, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 학습모델을 다음과 같이 생성한다.Referring to Fig. 18, the valve stickion diagnostic device (100) generates a learning model as follows.

먼저, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 학습데이터를 학습용 데이터와 검증용 데이터로 구분한다(S221). 이때, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 학습용 데이터와 검증용 데이터를 미리 정해진 소정의 비율에 따라 구분하되, 학습용 데이터를 임의로 추출하고, 검증용 데이터를 상기 학습용 데이터가 제외된 나머지로 결정한다. First, the valve stickion diagnosis device (100) divides the learning data into learning data and verification data (S221). At this time, the valve stickion diagnosis device (100) divides the learning data and verification data according to a predetermined ratio, randomly extracts the learning data, and determines the verification data as the remainder after excluding the learning data.

이후, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 학습용 데이터를 이용하여 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법 각각에 대한 학습모델을 생성한다. 이때, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 나이브 베이즈 기법으로 학습모델을 생성하고(S222), 신경망 기법으로 학습모델을 생성하며(S223), SVM 기법으로 학습모델을 생성할 수 있다(S224).Thereafter, the valve stiction diagnosis device (100) generates a learning model for each of multiple machine learning techniques based on supervised learning using the learning data. At this time, the valve stiction diagnosis device (100) can generate a learning model using the naive Bayes technique (S222), generate a learning model using the neural network technique (S223), and generate a learning model using the SVM technique (S224).

이후, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 검증용 데이터를 이용하여 각 학습모델에 대한 검증을 수행한다. 이때, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 검증용 데이터를 이용하여 나이브 베이즈 학습모델에 대한 진단 수행 및 정확도를 계산하고(S225), 검증용 데이터를 이용하여 신경망 학습모델에 대한 진단 수행 및 정확도를 계산하고(S226), 검증용 데이터를 이용하여 나이브 베이즈 학습모델에 대한 진단 수행 및 정확도를 계산한다(S227).Thereafter, the valve stickion diagnosis device (100) performs verification for each learning model using the verification data. At this time, the valve stickion diagnosis device (100) performs a diagnosis and calculates the accuracy for the naive Bayes learning model using the verification data (S225), performs a diagnosis and calculates the accuracy for the neural network learning model using the verification data (S226), and performs a diagnosis and calculates the accuracy for the naive Bayes learning model using the verification data (S227).

그런 다음, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 정확도가 가장 높은 학습모델을 선택하여 밸브 스틱션 진단용 학습모델로 선택한다(S228).Then, the valve sticktion diagnosis device (100) selects the learning model with the highest accuracy as the learning model for valve sticktion diagnosis (S228).

이후, 밸브 스틱션 진단 장치(100)는 학습모델에 밸브 스틱션 지수 및 홀수 고조파 변수를 적용하여 제어 시스템(50)에 대한 밸브 스틱션을 진단한다(S230).Thereafter, the valve sticktion diagnosis device (100) diagnoses valve sticktion for the control system (50) by applying the valve sticktion index and odd harmonic variables to the learning model (S230).

일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The method according to some embodiments may be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and configured for the present invention or may be those known to and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CDROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROMs, RAMs, flash memories, etc. Examples of the program instructions include not only machine language codes generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, etc.

비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.Although the above description has focused on the novel features of the present invention as applied to various embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various deletions, substitutions, and changes in the form and details of the devices and methods described above may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the above description. All changes which come within the scope of equivalency of the claims are intended to be embraced therein.

10 ; 액추에이터
11 ; 스프링
12 ; 다이아프램(diaphragm)
20 ; 밸브 스템
30 ; 플러그
50 ; 제어 시스템
100 ; 밸브 스틱션 진단 장치
110 ; 스틱션 지수 특징 추출부
120 ; 홀수 고조파 특징 추출부
130 ; 공정모델 추정부
140 ; 학습데이터 생성부
141 ; 제어기
142 ; 밸브 스틱션 모델
143 ; 공정 모델
144 ; 스틱션 지수 특징 추출 시뮬레이션부
145 ; 홀수 고조파 특징 추출 시뮬레이션
150 ; 학습모델 생성부
160 ; 밸브 스틱션 진단부
OP ; 제어기 출력
MV ; 밸브 포지션
PV ; 공정값
SP ; 설정값
10 ; Actuator
11 ; Spring
12; diaphragm
20 ; valve stem
30 ; plug
50 ; Control System
100 ; Valve sticktion diagnostic device
110 ; Stiction index feature extraction section
120 ; Odd harmonic feature extraction unit
130; Process model estimation section
140 ; Learning data generation section
141 ; Controller
142 ; Valve sticktion model
143 ; Process Model
144; Stiction Index Feature Extraction Simulation Section
145 ; Odd harmonic feature extraction simulation
150 ; Learning model generation section
160 ; Valve Stiction Diagnostic Section
OP ; Controller output
MV; valve position
PV; process value
SP ; setting value

Claims (20)

현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 스틱션 지수 특징 추출부(110);
상기 제어 시스템에 대한 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 홀수 고조파 특징 추출부(120);
상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하여 제공하기 위한 학습모델 생성부(150);
상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하기 위한 밸브 스틱션 진단부(160); 및
블록 다이아그램으로 표현되는 제어기와 공정모델 사이에 상기 밸브 스틱션 모델을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하여 상기 학습데이터를 생성하기 위한 학습데이터 생성부;를 더 포함하며;
상기 학습데이터 생성부는, 상기 공정모델의 파라미터인 공정이득, 시상수 및 지연시간으로 구성된 공정모델을 이용하고, 상기 제어기의 파라미터인 비례 이득 및 적분 이득, 상기 밸브 스틱션 모델의 파라미터인 데드 밴드와 스틱 밴드의 합과 스틱 밴드를 조정하면서 상기 학습데이터를 생성하는 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
A valve stickiness index feature extraction unit (110) for extracting a valve stickiness index for a field control system as a feature for valve stickiness diagnosis;
An odd harmonic feature extraction unit (120) for extracting odd harmonic variables for the above control system as features for valve sticking diagnosis;
A learning model generation unit (150) for generating a learning model using multiple machine learning techniques based on supervised learning on learning data generated by performing a simulation for cases where the valve stiction model is approved and not approved by simulating the above control system;
A valve stickion diagnosis unit (160) for diagnosing valve stickion for the control system by applying the valve stickion index and the odd harmonic variable to the learning model; and
It further includes a learning data generation unit for generating the learning data by using simulation data generated through simulation for cases where the valve stickition model is applied and not applied between the controller and the process model expressed in the block diagram;
The above learning data generation unit uses a process model composed of process gain, time constant, and delay time, which are parameters of the process model, and generates the learning data while adjusting the proportional gain and integral gain, which are parameters of the controller, and the sum of the dead band and the stick band, and the stick band, which are parameters of the valve stiction model, in a machine learning-based valve stiction diagnosis device.
제 1 항에 있어서,
상기 스틱션 지수 특징 추출부는,
상기 제어 시스템에서 입력된 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 상기 밸브 스틱션 지수를 계산 및 추출하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In the first paragraph,
The above-mentioned stickition index feature extraction unit is,
A valve sticktion diagnosis device using machine learning that calculates and extracts the valve sticktion index using the controller output (OP) and valve position (MV) input from the above control system.
제 1 항에 있어서,
상기 홀수 고조파 특징 추출부는,
상기 제어 시스템에서 입력된 제어기 오차를 이용하여 기본 주파수의 홀수 고조파가 존재하는지에 대한 판단을 통해 상기 홀수 고조파 변수를 추출하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In paragraph 1,
The above odd harmonic feature extraction unit is,
A valve stickition diagnosis device using machine learning, which extracts odd harmonic variables by determining whether odd harmonics of a fundamental frequency exist using a controller error input from the above control system.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 시뮬레이션 데이터는,
제어기 출력(OP), 밸브 포지션(MV), 설정값(SP), 공정값(PV)를 포함하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In the first paragraph,
The above simulation data is,
A valve sticktion diagnostic device using machine learning, which includes a controller output (OP), a valve position (MV), a setpoint (SP), and a process value (PV).
제 5 항에 있어서,
상기 제어기는, PI(Proportional Integral/PID(Proportional Integral Derivatve) 제어기이되,
상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 설정값(SP)과 공정값(PV) 간의 차이인 제어기 오차가 입력되는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In paragraph 5,
The above controller is a PI (Proportional Integral/PID (Proportional Integral Derivatve) controller,
A valve stickition diagnosis device using machine learning, in which a controller error, which is the difference between the setpoint (SP) and the process value (PV) included in the above simulation data, is input.
제 6 항에 있어서,
상기 밸브 스틱션 모델은,
상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 제어기 출력(OP)이 입력되고, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 밸브 포지션(MV)가 출력되는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In paragraph 6,
The above valve sticktion model is,
A valve sticktion diagnosis device using machine learning, wherein a controller output (OP) included in the above simulation data is input and a valve position (MV) included in the above simulation data is output.
제 7 항에 있어서,
상기 밸브 스틱션 모델은,
샤우드리(Choudhury) 모델, 카노(Kano) 모델, XCH 모델 중 어느 하나의 모델로 구현되는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In paragraph 7,
The above valve sticktion model is,
A valve stiction diagnostic device using machine learning, wherein the device is implemented with one of the Choudhury model, Kano model, and XCH model.
제 8 항에 있어서,
상기 공정모델은,
상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 밸브 포지션(MV)이 입력되고, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 공정값(PV)이 출력되는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In Article 8,
The above process model is,
A valve stickition diagnosis device using machine learning, wherein a valve position (MV) included in the above simulation data is input and a process value (PV) included in the above simulation data is output.
제 9 항에 있어서,
상기 제어 시스템으로부터 입력된 제어기 출력(OP)과 공정값(PV)을 이용하여 상기 공정모델을 추정하여 상기 학습데이터 생성부로 제공하기 위한 공정모델 추정부;
를 더 포함하는 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In Article 9,
A process model estimation unit for estimating the process model using the controller output (OP) and process value (PV) input from the above control system and providing the same to the learning data generation unit;
A valve stickition diagnostic device using machine learning including more.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 학습데이터는,
상기 밸브 스틱션 모델의 인가 여부를 나타내는 스틱션 인가 정보, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 제어기 출력(OP)과 밸브 포지션(MV)을 이용하여 추출하는 스틱션 지수, 상기 시뮬레이션 데이터에 포함된 설정값(SP)과 공정값(PV)을 이용하여 추출하는 홀수 고조파 변수를 포함하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In the first paragraph,
The above learning data is,
A valve stiction diagnosis device using machine learning, comprising: stiction authorization information indicating whether the valve stiction model is authorized; a stiction index extracted using a controller output (OP) and a valve position (MV) included in the simulation data; and odd harmonic variables extracted using a setpoint (SP) and a process value (PV) included in the simulation data.
제 1 항에 있어서,
상기 학습모델 생성부는,
상기 학습데이터를 학습용 데이터와 검증용 데이터로 구분하되, 상기 학습용 데이터를 이용하여 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법 각각에 대한 학습모델을 생성하고, 상기 검증용 데이터를 이용하여 각 학습모델에 대한 검증을 수행하여 정확도가 가장 높은 학습모델을 상기 밸브 스틱션 진단부로 제공하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In paragraph 1,
The above learning model generation unit is,
A valve stiction diagnosis device using machine learning, wherein the learning data is divided into learning data and verification data, learning models for each of multiple machine learning techniques based on supervised learning are created using the learning data, and verification is performed on each learning model using the verification data to provide the learning model with the highest accuracy to the valve stiction diagnosis unit.
제 13 항에 있어서,
상기 복수의 머신러닝 기법은,
나이브 베이즈(Naive Bayes) 기법, 신경망(Neural Network) 기법, 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 기법이 포함되는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In Article 13,
The above multiple machine learning techniques are:
A valve stiction diagnosis device using machine learning, including the Naive Bayes technique, the Neural Network technique, and the Support Vector Machine technique.
제 13 항에 있어서,
상기 학습모델 생성부는,
상기 학습용 데이터와 상기 검증용 데이터를 소정의 비율로 구분하되, 상기 학습용 데이터를 임의로 추출하고, 상기 검증용 데이터를 상기 학습용 데이터가 제외된 나머지로 결정하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 장치.
In Article 13,
The above learning model generation unit is,
A valve stickition diagnosis device using machine learning, wherein the learning data and the verification data are divided at a predetermined ratio, the learning data is randomly extracted, and the verification data is determined as the remainder after excluding the learning data.
현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하는 단계;
상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하는 단계; 및
상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하는 단계;를 포함하며,
상기 학습데이터를 생성하기 위한 학습데이터 생성부는,
블록 다이아그램으로 표현되는 제어기와 공정모델 사이에 상기 밸브 스틱션 모델을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하고,
상기 공정모델의 파라미터인 공정이득, 시상수 및 지연시간으로 구성된 공정모델을 이용하고, 상기 제어기의 파라미터인 비례 이득 및 적분 이득, 상기 밸브 스틱션 모델의 파라미터인 데드 밴드와 스틱 밴드의 합과 스틱 밴드를 조정하면서 상기 학습데이터를 생성하는 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 방법.
A step of extracting valve stickiness indices and odd harmonic variables for the control system in the field as features for valve stickiness diagnosis;
A step of generating a learning model using multiple machine learning techniques based on supervised learning on learning data generated by performing a simulation for cases where the valve stiction model is applied and cases where it is not applied by simulating the above control system; and
A step of diagnosing valve stickiness for the control system by applying the valve stickiness index and the odd harmonic variable to the learning model;
The learning data generation unit for generating the above learning data is:
Simulation data generated through simulation for cases where the valve stickition model is applied and not applied between the controller and the process model expressed in the block diagram is used,
A valve stiction diagnosis method using machine learning, which generates the learning data by using a process model composed of process gain, time constant and delay time, which are parameters of the above process model, and adjusting the proportional gain and integral gain, which are parameters of the controller, and the sum of dead band and stick band and the stick band, which are parameters of the valve stiction model.
제 16 항에 있어서,
상기 학습모델을 생성하여 제공하는 단계는,
상기 학습데이터를 학습용 데이터와 검증용 데이터로 구분하는 단계;
상기 학습용 데이터를 이용하여 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법 각각에 대한 학습모델을 생성하는 단계; 및
상기 검증용 데이터를 이용하여 각 학습모델에 대한 검증을 수행하여 정확도가 가장 높은 학습모델을 제공하는 단계;
를 포함하는 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 방법.
In Article 16,
The step of creating and providing the above learning model is:
A step of dividing the above learning data into learning data and verification data;
A step of creating a learning model for each of multiple machine learning techniques based on supervised learning using the above learning data; and
A step of performing verification on each learning model using the above verification data to provide the learning model with the highest accuracy;
A method for diagnosing valve stickiness using machine learning including:
제 17 항에 있어서,
상기 복수의 머신러닝 기법은,
나이브 베이즈(Naive Bayes) 기법, 신경망(Neural Network) 기법, 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 기법이 포함되는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 방법.
In Article 17,
The above multiple machine learning techniques are:
A method for diagnosing valve stiction using machine learning, including the Naive Bayes technique, the Neural Network technique, and the Support Vector Machine technique.
제 17 항에 있어서,
상기 학습용 데이터와 상기 검증용 데이터로 구분하는 단계는,
상기 학습용 데이터와 상기 검증용 데이터를 미리 정해진 소정의 비율에 따라 구분하되, 상기 학습용 데이터를 임의로 추출하고, 상기 검증용 데이터를 상기 학습용 데이터가 제외된 나머지로 결정하는 것인 머신러닝을 이용한 밸브 스틱션 진단 방법.
In Article 17,
The step of dividing the above data into learning data and verification data is as follows:
A method for diagnosing valve stickiness using machine learning, wherein the learning data and the verification data are divided according to a predetermined ratio, the learning data is randomly extracted, and the verification data is determined as the remainder after excluding the learning data.
밸브 스틱션 진단 장치로서,
적어도 하나 이상의 프로세서; 및
컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며,
상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 밸브 스틱션 진단 장치로 하여금,
현장의 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션 지수와 홀수 고조파 변수를 밸브 스틱션 진단을 위한 특징으로 추출하게 하고,
상기 제어 시스템을 모사하여 밸브 스틱션 모델이 인가되는 경우와 인가되지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행함에 따라 생성된 학습데이터에 대한 지도학습 기반의 복수의 머신러닝 기법으로 학습모델을 생성하게 하며,
상기 학습모델에 상기 밸브 스틱션 지수 및 상기 홀수 고조파 변수를 적용하여 상기 제어 시스템에 대한 밸브 스틱션을 진단하게 하고;
상기 학습데이터를 생성하기 위한 학습데이터 생성부는,
블록 다이아그램으로 표현되는 제어기와 공정모델 사이에 상기 밸브 스틱션 모델을 인가하는 경우와 인가하지 않는 경우에 대한 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하고,
상기 공정모델의 파라미터인 공정이득, 시상수 및 지연시간으로 구성된 공정모델을 이용하고, 상기 제어기의 파라미터인 비례 이득 및 적분 이득, 상기 밸브 스틱션 모델의 파라미터인 데드 밴드와 스틱 밴드의 합과 스틱 밴드를 조정하면서 상기 학습데이터를 생성하는 것인 밸브 스틱션 진단 장치.
As a valve sticktion diagnostic device,
at least one processor; and
A memory for storing computer-readable instructions;
The above commands, when executed by the at least one processor, cause the valve stickition diagnostic device to:
Extract valve stickiness index and odd harmonic variables for the field control system as features for valve stickiness diagnosis.
By performing simulations for cases where the valve stiction model is authorized and not authorized by simulating the above control system, a learning model is created using multiple machine learning techniques based on supervised learning on the generated learning data.
Applying the valve sticktion index and the odd harmonic variables to the learning model to diagnose valve sticktion for the control system;
The learning data generation unit for generating the above learning data is:
Simulation data generated through simulation for cases where the valve stickition model is applied and not applied between the controller and the process model expressed in the block diagram is used,
A valve stiction diagnosis device that generates the learning data by using a process model composed of process gain, time constant and delay time, which are parameters of the above process model, and adjusting proportional gain and integral gain, which are parameters of the controller, and the sum of dead band and stick band and stick band, which are parameters of the above valve stiction model.
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