A Novel Toeplitz Matrix and CNN-LSTM Based Method for Identifying Control Valve Stiction

粘着 计算机科学 托普利兹矩阵 过程(计算) 人工智能 控制器(灌溉) 特征(语言学) 特征提取 卷积神经网络 过程控制 模式识别(心理学) 人工神经网络 机器学习 算法 编码(内存) 混合动力系统 深度学习 数据建模 图像(数学) 数据挖掘 基质(化学分析) 可视化 控制系统
作者
Zahra Hajimehdigholi (22055957),Seshu Kumar Damarla (18002960),Biao Huang (215504)
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.5c00879.s001
摘要

Control valve stiction is a prevalent issue in industrial process control, often leading to oscillations that degrade system performance, reduce product quality, and increase operational costs. Existing stiction detection methods, particularly machine learning (ML)-based approaches, often fail to generalize effectively to real-world industrial data due to their reliance on simulated data sets that lack real-world complexities. To address this challenge, this study proposes a novel hybrid deep learning framework that integrates Toeplitz matrix-based image encoding with a CNN-LSTM architecture for accurate and computationally efficient stiction detection. In the proposed method, time-series control loop data, comprising process variable (PV) and controller output (OP) signals, are transformed into structured images using Toeplitz matrices, preserving temporal dependencies while enabling efficient feature extraction. A hybrid convolutional neural network long short-term memory (CNN-LSTM) model is then employed, leveraging CNN’s spatial feature extraction and LSTM’s sequential pattern recognition capabilities. To enhance generalization, a transfer learning strategy is applied by fine-tuning the model with industrial data sets from the International Stiction Database (ISDB). An accuracy of 90.47% underscores the model’s strong predictive performance and reliable classification ability, while its streamlined architecture effectively reduces the complexity and computational demands of earlier approaches.
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