专利名称：一种控制回路在线迟滞检测的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制回路在线迟滞检测的方法，用于对振荡的控制回路中的阀门迟滞进行检测，属于迟滞检测方法技术领域。
背景技术：
在工业控制中回路的振荡是一个普遍存在的现象。调节阀的迟滞(Stiction)现象是造成振荡的一个重要因素。迟滞的在线检测对提高控制回路的性能具有重要意义。
近年来国外的一些学者对迟滞的在线检测提出了各种各样的理论与方法，但这些理论与方法在速度、精度或简易性方面存在着一定的局限性。比如Horch于1999年提出的迟滞检测方法，该方法主要是基于控制器输出u(t)与过程输出y(t)之间的相互关系。但是这种检测方法只适用于部分类型的控制回路，且在具体迟滞判断时存在一个较大的灰色区域，在该区域无法确认是否存在迟滞。而Horch之后提出的基于变量PV的微分取样柱状图的方法因容易受噪声的影响，在迟滞判断时也不是很可靠。Rossi等于2004年提出的基于对控制器输出OP，阀门位置MV和过程变量PV形状的观察来分析迟滞的方法在实际执行时，曲线的拟合比较困难。Kano于2004提出的迟滞检测方法其逻辑结构过于复杂，且对输入范围有一定的限制，因而在检测迟滞时效果也不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、直观且能比较精确反映真实阀门特性的控制回路在线迟滞检测方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，用Matlab语言编制程序，运行在电脑上，步骤为 步骤1、对控制回路闭环运行时的控制器输出OP以及过程变量PV进行采样1000次以上，并在采样值中选取合适的值得到向量simoutOP1及向量simoutPV1，用于迟滞分析，其中，选取步骤为 步骤1.1、分别用控制器输出OP的全部采样值及过程变量PV的全部采样值构成向量simoutOPPre及向量simoutPVPre； 步骤1.2、在simoutOPPre及simoutPVPre的所有项中按步长step从第1项取到最后一项，得到新向量simoutOP0及simoutPV0； 步骤1.3、分别计算向量simoutOP0及向量simoutPV0与其平均值之差，表示为 simoutOP1＝simoutOP0-OPm； simoutPV1＝simoutPV0-PVm，其中OPm与PVm分别为向量simoutOP0与向量simoutPV0的平均值； 步骤2、利用simoutOP1与simoutPV1的互相关函数计算最大可能时间延迟delaymax； 步骤3、利用预先建立的迟滞模型，以simoutOP1为迟滞模型的输入信号，通过内部算法将其转化为阀门位置MV，并得出MV与其平均值之差，表示为simoutMV1＝simoutMV0-MVm，其中，simoutMV0为迟滞模型的输出，MVm为simoutMV0的平均值； 步骤4、根据MV及过程传递函数Gp，使用最小二乘法进行系统辨识得出过程输出向量PV′，其中，传递函数Gp为 其中，T为惯性时间常数，K为比例系数，τ为纯滞后时间，该传递函数对应的差分方程为 步骤5、搜索过程输出向量PV′与simoutPV1的最小累加误差并输出迟滞参数最大静摩擦力fs′与动摩擦力fd′，即为所分析控制回路的迟滞参数； 步骤6、若最大静摩擦力fs′不小于回路振荡振幅的0.2倍时，控制回路中存在迟滞；反之，控制回路中无迟滞。
本发明提供的控制回路在线迟滞检测方法的原理是将控制器输出OP通过迟滞模型转换为阀门位置MV，然后使用系统辨识原理对系统过程进行辨识，结合阀门位置MV以及过程传递函数Gp可以得出一个时间序列PV’。而时间序列PV’与过程变量PV之间存在着一定的偏差，将偏差在一定时间范围中累加，当搜索得到最小累加偏差时，其对应的的最大静摩擦力fs′以及动摩擦力fd′为迟滞模型的参数。如果得出的fs′大于振幅的一定阈值时，控制回路中存在迟滞；反之，控制回路中无迟滞，其回路振荡是由其它因素引起。按照经验，如果fs′小于振幅的0.2倍时，认为振荡并不是迟滞引起的。
本发明不需要将原始数据滤波，甚至在很大噪声情况下本发明也能够有效地、准确地找到迟滞模型的最佳参数；同时，本发明采用最小二乘法辨识控制回路的调节阀是否存在迟滞，所处理的数据为控制回路在闭环运行时的数据。在实际工业控制中，只需采集一段时间的历史数据进行分析处理，很快就可以判断某一振荡回路的调节阀是否存在迟滞。
综上所述，本发明的优点是不仅能够检测迟滞的存在，而且能够同时辨识过程对象的模型，非常适合于发现控制回路振荡的原因。
图1为本发明提供的控制回路在线迟滞检测方法； 图2为迟滞模型建模流程图； 图3a为流量控制回路的OP-t波形图； 图3b为流量控制回路的PV-t波形图； 图3c为流量控制回路的PV与OP间的关系曲线图； 图4a为压力控制回路的OP-t波形图； 图4b为压力控制回路的PV-t波形图； 图4c为压力控制回路的PV与OP间的关系曲线图； 图5a为温度控制回路的OP-t波形图； 图5b为温度控制回路的PV-t波形图； 图5c为温度控制回路的PV与OP间的关系曲线图； 图6a为液位控制回路的OP-t波形图； 图6b为液位控制回路的PV-t波形图； 图6c为液位控制回路的PV与OP间的关系曲线图。
具体实施例方式 以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例 如图1所示，为本发明提供的控制回路在线迟滞检测方法，其具体步骤为 步骤1、对控制回路闭环运行时的控制器输出OP以及过程变量PV进行采样1000次，并在采样值中选取合适的值得到向量simoutOP1及向量simoutPV1，用于迟滞分析，其中，选取步骤为 步骤1.1、分别用控制器输出OP的全部采样值及过程变量PV的全部采样值构成向量simoutOPPre及向量simoutPVPre； 步骤1.2、在simoutOPPre及simoutPVPre的所有项中按步长step从第1项取到最后一项，得到新向量simoutOP0及simoutPV0； 步长step表示为 其中，round为取最接近的整数，size1Pre为步骤1.1中向量simoutOPPre或向量simoutPVPre的维数。
步骤1.3、分别计算向量simoutOP0及向量simoutPV0与其平均值之差，表示为 simoutOP1＝simoutOP0-OPm； simoutPV1＝simoutPV0-PVm，其中OPm与PVm分别为向量simoutOP0与向量simoutPV0的平均值； 步骤2、利用simoutOP1与simoutPV1的互相关函数计算最大可能时间延迟delaymax； 最大可能时间延迟delaymax通过下述步骤得到 步骤2.1、计算得到向量simoutOP1与向量simoutPV1的互相关函数Crelation，表示为 Crelation＝xcorr(simoutPV1，simoutOP1)，其中，xcorr为求互相关函数； 步骤2.2、计算得到互相关函数Crelation中绝对值最大的项所对应的位置CrelationMax，表示为 [Nouse，CrelationMax]＝max(abs(Crelation))，其中，max为求最大值运算，abs为求绝对值运算，Nouse为中间变量，用来存放Crelation中绝对值最大的项，而CrelationMax为Crelation中绝对值最大的项所对应的位置； 步骤2.3、最大可能时间延迟delaymax为CrelationMax与size1之差的绝对值，表示为 delaymax＝abs(CrelationMax-size1)，其中，size1为步骤1.2中向量simoutOP0的维数。
步骤3、利用预先建立的迟滞模型，以simoutOP1为迟滞模型的输入信号，通过内部算法将其转化为阀门位置MV，并得出MV与其平均值之差，表示为simoutMV1＝simoutMV0-MVm，其中，simoutMV0为迟滞模型的输出，MVm为simoutMV0的平均值； 如图2所示，为迟滞模型建模流程图，其具体步骤为 步骤3.1、计算控制器输出OP的增加量Addu，表示为 Addu＝simoutOP1(i)-Ulast1，其中，表示向量simoutOP1(i)的第i项对应的控制器输出值，Ulast1为控制器的上一次输出值，其初值为simoutOP1(1)； 步骤3.2、计算阀门的累加驱动力Cum_u，表示为 Cum_u＝Ur+Addu，其中，Ur为阀门在前一状态下所受的驱动力，当阀门位置发生改变时，其值也会发生相应的变化，其初值可设为0； 步骤3.3、计算得到阀门MV位置的增加量Addup，当阀门受到的累加驱动力大于最大静摩擦力时，阀门开度变大，也就是说阀门的位置相对会有一个向上的跳动；当累加驱动力克服不了最大静摩擦力时，阀门静止，也就是说阀门的位置不发生改变；当累加驱动力大于反向的最大静摩擦力时，阀门开度变小，也就是说阀门的位置相对会有一个向下的跳动，表示为 其中，fs为预估的最大静摩擦力，fd为预估的动摩擦力，其中，最大静摩擦力fs的区间预设为
，动摩擦力fd的区间预设为
，其中fsFinal取为0.8*fs； 同时，Ur受到阀门位置改变的影响，表示为 步骤3.4、计算得到阀门的当前位置UU，表示为 UU＝Ulast2+Addup，其中，Ulast2表示阀门前一状态下的位置； 步骤3.5、根据i的范围，即[1，size1]，以1为步长循环执行步骤3.1至步骤3.4得出阀门的位置MV，即迟滞模型的输出simoutMV0，表现为一个向量，其中，size1为步骤1.2中向量simoutOP0的维数。
步骤4、根据MV及过程传递函数Gp，使用最小二乘法进行系统辨识得出过程输出向量PV′，其中，传递函数Gp为 其中，T为惯性时间常数，K为比例系数，τ为纯滞后时间，该传递函数对应的差分方程为 所述辨识的步骤为 步骤4.1、设定时间延迟delay的范围为
，其中，delaymax为步骤2所述的最大可能时间延迟； 步骤4.2、以delaystep为循环步长，对系统进行辨识，其中，delaystep根据最大时间延迟delaymax来设定，表示为 其中，round为取最接近的整数， 该算法可同时辨识过程的参数，并利用步骤4中所述的差分方程得出过程输出向量PV′。
步骤5、搜索过程输出向量PV′与simoutPV1的最小累加误差并输出迟滞参数最大静摩擦力fs′与动摩擦力fd′，即为所分析控制回路的迟滞参数； 步骤5.1、将最大静摩擦力fs的区间预设为
，其中maxfs为simoutOP1的最大峰值，步长预设为maxfs/100； 步骤5.2、将fd的区间预设为
，其中fsFinal取为0.8*fs，其步长stepfd可表示为 步骤5.3、将PV′与PV进行比较，在一定时间范围中累加其误差，表示为 erro＝sum(abs(PV′-simoutPV1))，其中，sum表示取和运算，abs表示取绝对值运算； 步骤5.4、按fs及fd的设定范围及步长进行循环搜索，当搜索得到最小累加误差时对应的fs′及fd′的值即为所分析控制回路的迟滞参数。
步骤6、若最大静摩擦力fs′不小于回路振荡振幅的0.2倍时，控制回路中存在迟滞；反之，控制回路中无迟滞。
在Matlab中建立仿真模型，将仿真得出的参数fs′、fd′与给定的参数fs′、fd′进行比较，验证该方法的合理性。主要包括以下几个步骤 1)建立仿真程序，给定迟滞模型的参数fs′及fd′； 2)对OP以及PV信号取样； 3)利用程序计算出fs′以及fd′； 4)测试多个回路，分别比较两组参数，结果如表1所示 表1仿真分析结果
由表1可以看出，测试所得出的fs′以及fd′的值与给定的参数值相近，说明该方法比较可靠。
根据本发明的迟滞在线检测方法，对现实工业数据进行分析，所得的参数如表2所示。
表2工业控制回路的分析参数 表2中的回路1(流量控制回路)、回路2(压力控制回路)、回路3(温度控制回路)、回路4(液位控制回路)的波形分别如图3a至图3c、图4a至图4c、图5a至图5c、图6a至图6c所示。其中，图3a至图6a为OP-t波形图，分别表示回路1至回路4的控制器输出OP的波形，是根据OP的采样值绘制；图3b至图6b为PV-t波形图，分别表示回路1至回路4的过程变量PV的波形，是根据PV的采样值绘制；图3c至图6c为PV-OP波形图，分别表示回路1至回路4的信号PV与OP间的关系曲线。
权利要求
1.一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，用Matlab语言编制程序，运行在电脑上，步骤为
步骤1、对控制回路闭环运行时的控制器输出OP以及过程变量PV进行采样1000次以上，并在采样值中选取合适的值得到向量simoutOP1及向量simoutPV1，用于迟滞分析，其中，选取步骤为
步骤1.1、分别用控制器输出OP的全部采样值及过程变量PV的全部采样值构成向量simoutOPPre及向量simoutPVPre；
步骤1.2、在simoutOPPre及simoutPVPre的所有项中按步长step从第1项取到最后一项，得到新向量simoutOP0及simoutPV0；
步骤1.3、分别计算向量simoutOP0及向量simoutPV0与其平均值之差，表示为
simoutOP1＝simoutOP0-OPm；
simoutPV1＝simoutPV0-PVm，其中OPm与PVm分别为向量simoutOP0与向量simoutPV0的平均值；
步骤2、利用simoutOP1与simoutPV1的互相关函数计算最大可能时间延迟delaymax；
步骤3、利用预先建立的迟滞模型，以simoutOP1为迟滞模型的输入信号，通过内部算法将其转化为阀门位置MV，并得出MV与其平均值之差，表示为
simoutMV1＝simoutMV0-MVm，其中，simoutMV0为迟滞模型的输出，MVm为simoutMV0的平均值；
步骤4、根据MV及过程传递函数Gp，使用最小二乘法进行系统辨识得出过程输出向量PV′，其中，
传递函数Gp为
其中，T为惯性时间常数，K为比例系数，τ为纯滞后时间，该传递函数对应的差分方程为
步骤5、搜索过程输出向量PV′与simoutPV1的最小累加误差并输出迟滞参数最大静摩擦力fs′与动摩擦力fd′，即为所分析控制回路的迟滞参数；
步骤6、若最大静摩擦力fs′不小于回路振荡振幅的0.2倍时，控制回路中存在迟滞；反之，控制回路中无迟滞。
2.如权利要求1所述的一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，步骤1.2中所述的步长step表示为
其中，round为取最接近的整数，size1Pre为步骤1.1中向量simoutOPPre或向量simoutPVPre的维数。
3.如权利要求1所述的一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，步骤2中最大可能时间延迟delaymax通过下述步骤得到
步骤2.1、计算得到向量simoutOP1与向量simoutPV1的互相关函数Crelation，表示为
Crelation＝xcorr(simoutPV1，simoutOP1)，其中，xcorr为求互相关函数运算；
步骤2.2、计算得到互相关函数Crelation中绝对值最大的项所对应的位置CrelationMax，表示为
[Nouse，CrelationMax]＝max(abs(Crelation))，其中，max为求最大值运算，abs为求绝对值运算，Nouse为中间变量，用来存放Crelation中绝对值最大的项，而CrelationMax为Crelation中绝对值最大的项所对应的位置；
步骤2.3、最大可能时间延迟delaymax为CrelationMax与size1之差的绝对值，表示为
delaymax＝abs(CrelationMax-size1)，其中，size1为步骤1.2中向量simoutOP0的维数。
4.如权利要求1所述的一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，步骤3中所述的迟滞模型通过以下步骤建立
步骤3.1、计算控制器输出OP的增加量Addu，表示为
Addu＝simoutOP1(i)-Ulast1，其中，表示向量simoutOP1(i)的第i项对应的控制器输出值，Ulast1为控制器的上一次输出值，其初值为simoutOP1(1)；
步骤3.2、计算阀门的累加驱动力Cum_u，表示为
Cum_u＝Ur+Addu，其中，Ur为阀门在前一状态下所受的驱动力，当阀门位置发生改变时，其值也会发生相应的变化，其初值可设为0；
步骤3.3、计算得到阀门MV位置的增加量Addup，表示为
其中，fs为预估的最大静摩擦力，fd为预估的动摩擦力，其中，最大静摩擦力fs的区间预设为
，动摩擦力fd的区间预设为
，其中fsFinal取为0.8*fs；
同时，Ur受到阀门位置改变的影响，表示为
步骤3.4、计算得到阀门的当前位置UU，表示为
UU＝Ulast2+Addup，其中，Ulast2表示阀门前一状态下的位置；
步骤3.5、根据i的范围，即[1，size1]，以1为步长循环执行步骤3.1至步骤3.4得出阀门的位置MV，即迟滞模型的输出simoutMV0，表现为一个向量，其中，size1为步骤1.2中向量simoutOP0的维数。
5.如权利要求1所述的一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，步骤4中所述辨识的步骤为
步骤4.1、设定时间延迟delay的范围为
，其中，delaymax为步骤2所述的最大可能时间延迟；
步骤4.2、以delaystep为循环步长，对系统进行辨识，其中，delaystep根据最大时间延迟delaymax来设定，表示为
其中，round为取最接近的整数，
该算法可同时辨识过程的参数，并利用步骤4中所述的差分方程得出过程输出向量PV′。
6.如权利要求1所述的一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，步骤5中所述的最大静摩擦力fs′与动摩擦力fd′通过以下步骤求得
步骤5.1、将最大静摩擦力fs的区间预设为
，其中maxfs为simoutOP1的最大峰值，步长预设为maxfs/100；
步骤5.2、将fd的区间预设为
，其中fsFinal取为0.8*fs，其步长stepfd可表示为
步骤5.3、将PV′与PV进行比较，在一定时间范围中累加其误差，表示为
erro＝sum(abs(PV′-simoutPV1))，其中，sum表示取和运算，abs表示取绝对值运算；
步骤5.4、按fs及fd的设定范围及步长进行循环搜索，当搜索得到最小累加误差时对应的fs′及fd′的值即为所分析控制回路的迟滞参数。
全文摘要
本发明提供了一种控制回路在线迟滞检测的方法，其特征在于，用Matlab语言编制程序，步骤为步骤1.读取控制器输出OP以及过程变量PV的采样值；步骤2.利用OP与PV的互相关函数计算最大可能时间延迟；步骤3.利用预先建立的迟滞模型将过程变量转化为阀门位置；步骤4.使用最小二乘法进行系统辨识得出过程输出向量；步骤5.搜索最小累加误差并输出迟滞参数最大静摩擦力与动摩擦力，即为所分析控制回路的迟滞参数；步骤6.若最大静摩擦力不小于回路振荡振幅的0.2倍时，控制回路中存在迟滞；反之，控制回路中无迟滞。本发明的优点是能够检测迟滞的存在，且能够同时辨识过程对象的模型，适合于发现控制回路振荡的原因。
文档编号G05B23/02GK101403924SQ20081020214
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月3日 优先权日2008年11月3日
发明者任正云, 冲 王 申请人:东华大学