由于现代工业过程的复杂化、大型化、自动化，使得各个环节的可靠性要求更高，若一个环节出现问题，那么整个系统就可能出现崩溃，为此，对工业过程进行故障诊断变得越来越重要。而基于数据驱动的方法是故障诊断领域应用最为广泛的一种方法，它利用所采集的数据不断检测系统运行过程的变化和故障信息，不需要复杂数学模型的建立和准确的先验知识。工业过程大多具有非线性的特性，采用常规的PCA方法进行故障检测和诊断其准确率较低，故本文主要针对非线性过程对基于数据驱动的故障诊断方法进行了研究，并将其应用在TE过程和基于实际的三容水箱液位控制系统中。主要的研究内容如下：首先，介绍了故障诊断的研究状况和发展现状，并且介绍了TE过程和三容水箱液位控制系统，详细分析了它们的系统组成和数据特点。其次，介绍了数据预处理需要处理的问题，这对实际工业过程监控模型的建立和监控效果的好坏有着至关重要的作用。同时对主元分析和核主元分析的理论知识进行了详细叙述，并以上面提到的TE过程和三容水箱液位控制系统为对象，比较了主元分析方法和核主元分析方法的故障检测效果，验证了核主元分析对非线性过程的故障检测更加有效、准确。第三，针对核主元分析的快速性问题、核参数选择盲目性问题的缺陷提出了有效的改进方法。并将这些改进的方法应用到上面提到的两个过程中，通过与传统的核主元分析方法进行比较，说明了这些改进方法的速度更快，漏报率更低。第四，针对核主元分析在故障识别方面的缺陷，本文给出了两种故障识别的方法，并以TE过程和三容水箱液位控制系统为研究对象对这两种方法进行了验证，说明了它们的有效性。最后，为了将多元统计监控方法能够实现在线应用，建立了过程监控系统的应用平台。在VB6.0环境下，设计了TE过程和三容水箱液位控制系统的监控系统。