基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法技术方案

一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，用于解决控制系统的在线评价问题，所述方法包括以下步骤：a.采集待评价控制回路被控变量PV的当前时刻数据；b.对输出数据进行预处理，包括剔除异常数据和平稳化处理；c.计算控制回路的性能指标；d.根据控制回路性能指标给出PI控制器参数的优化建议。本发明专利技术通过对一段时间的历史输出数据进行时间序列分析得到控制回路的性能指标，根据控制回路的性能指标给出PI控制器参数的调节方向，使控制器性能达到最佳。本方法无需系统的精确模型和传递函数阵，只需要系统运行数据和迟延时间信息，不会影响系统正常运行，适用于工业现场进行在线性能评价。

【技术实现步骤摘要】
基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法
本专利技术涉及一种可对单回路控制系统的控制性能做出准确评价的方法，属于控制

技术介绍
工业过程中约90％的控制器都是PID控制器，其控制性能与产品质量、操作成本及生产安全都密切相关。在实际生产过程中，只有在调试阶段才会对PID控制器进行参数寻优，但是随着回路长时间的运行及现场工况的变化，导致控制器性能退化，影响经济效益甚至带来安全隐患。因此，找到合适的方法使用户了解控制回路的性能与预期的控制目标的差异，以便能及时发现问题并对系统性能进行优化具有非常重要的意义。近几年，很多学者对控制器因调节不当导致的性能降低的情况进行了研究。通过分析控制量和被控量定义了IDLE指标用于诊断控制回路响应迟缓情况；Visioli基于控制量定义了面积指数，诊断回路对负载扰动的响应的突发性或缓慢性；Salsbury基于输出数据响应峰的变化定义了R指数；Veronesi首先估计了现有控制器的性能，然后在仅需要含设定值改变的日常操作数无需特定试验的情况下完成控制器的参数调节。上述方法能够定量判断控制器调节性能，但仅在设定值或负载扰动出现大的阶跃变化的情况下使用，而工业现场中这种情况较少，不适用于系统长期在线评价。针对现场中经常受到随机扰动的情况，Yamamoto利用基于最小方差的PI系统性能评估结果对PI参数进行了在线优化控制；Goradia提出一种基于系统脉冲响应曲线的方法判断当前控制器调节迟缓/振荡，通过迭代寻优的方法寻找PI控制器最佳性能。周猛飞提出了一种基于双层结构的PID控制器的性能评估方法，第一层是基于脉冲响应曲线和最小方差准则来评估控制器的确定性和随机性性能，接着对于PID结构的控制器进行评估，该方法更符合生产实际，但需要更多的过程信息。总之，现有的评价方法均不理想，不适于工业现场进行在线性能评价，还有必要进一步进行研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，它可以用较少的系统运行数据来实现对控制系统性能的在线评价。本专利技术所述问题是以下述技术方案解决的：一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，所述方法包括以下步骤：a.采集待评价控制回路被控变量PV的当前时刻数据；b.对输出数据进行预处理，包括剔除异常数据和平稳化处理；c.计算控制回路的性能指标：对预处理后PV数据进行ARMA建模，求Harris指标和脉冲响应函数，计算脉冲响应曲线振荡次数、调节时间和第一次过零点时间，得到控制回路的性能指标；d.根据计算出的控制回路性能指标给出PI控制器参数的优化建议。上述基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，对输出数据进行预处理的具体方法如下：①剔除异常值计算输出数据的标准误差σ：其中，序列{xi,i＝1,2,…,N}为采集的输出序列，为输出序列均值，为输出序列与均值间的误差；若|Δxi|＞3σ，则xi为需要剔除的异常值；②数据的平稳化处理将输出序列中比均值大的数据记为“+”，比均值小的数据记为“-”，得到符号序列，每一段连续相同的符号成为一个游程，计算游程总数r，计算统计量z为：其中，N3＝N1+N2,N1、N2分别为符号“+”、“-”的游程数；如果|z|≤1.96，则样本数据是平稳的；否则就是不平稳的，如果输出序列是不平稳的，则对其进行一次或多次差分处理，将其转化为平稳随机数列。上述基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，控制回路性能指标的计算步骤包括：①对预处理后PV数据进行ARMA建模：根据已知序列{x(1),x(2),…,x(N)}结合最小二乘法估计出AR(n)模型：其中，x(t)为采集到的系统输出序列；φ(i)为AR模型参数；a(t)为残差序列；n为AR模型阶次，利用上式和{xi,i＝1,2,…,N}，{φi,i＝1,2,…,n}，可以计算出残差序列{ai,i＝1,2,…,N}：得到输入输出序列：{x(1),x(2),…,x(N),a(1),a(2),…,a(N)}对该输入输出序列结合最小二乘法估计ARMA(p,q)模型参数和θj，若x*(t)＝x(t)-a(t),t＝1,2,…,N，则有其中：p、q为ARMA模型阶次；j为1～q变化，记α(m)＝[-x(m-1)-x(m-2)…-x(m-p)-a(m-1)-a(m-2)…-a(m-q)]根据最小二乘法可得：β＝(ATA)-1ATX*其中：X*T＝[x*(1)x*(2)…x*(n)]；通过上述步骤即可得到ARMA(p,q)的参数估计；②计算ARMA模型Green函数，即系统单位脉冲响应函数：③求Harris指标：其中，d为系统迟延时间；④计算脉冲响应曲线第一次过零点时间、调节时间和振荡次数：由单位脉冲响应曲线计算其第一次过零点时间tp，即：G(tp)＝0系统单位脉冲响应曲线衰减到稳定值G(∞)的2％或5％的过渡过程时间为系统调节时间ts，即当t≥ts时，|G(t)-G(∞)|≤G(∞)*2％(或5％)计算在过渡过程时间内，脉冲响应曲线穿越零点的次数，即振荡次数。上述基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，根据控制回路性能指标对PI控制器参数进行优化的规则如下：①若第一次过零点时间和调节时间大于各自的上限值，则需增大比例或积分作用；②若第一次过零点时间和调节时间小于各自的下限值，但振荡次数多于设定的上限值，则需减小比例或积分作用；③若第一次过零点时间、调节时间和振荡次数均在设定范围以内，可以通过调整比例或积分作用观察Harris指标是否增大，若增大，可以继续调整，否则停止调整。本专利技术通过对一段时间的历史输出数据进行时间序列分析得到控制回路的性能指标，根据控制回路的性能指标给出PI控制器参数的调节方向，使控制器性能达到最佳。本方法无需系统的精确模型和传递函数阵，只需要系统运行数据和迟延时间信息，不会影响系统正常运行，适用于工业现场进行在线性能评价。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步详述。图1是典型的单入单出控制回路结构图；图2是本专利技术的流程图；图3是在MATLAB中建立的控制回路仿真示例控制器优化结果；图4是某电厂2018年1月29日引风控制系统炉膛压力输出曲线；图5是炉膛压力数据指标计算结果；图6是某电厂2018年1月26日连排水位控制系统水位输出曲线；图7是水位数据指标计算结果；图8是某电厂2018年1月26日氢侧密封油温度控制系统温度输出曲线；图9是温度数据指标计算结果。文中各符号为：σ为输出数据的标准误差；为输出序列均值；z为统计量；N1、N2分别为符号“+”、“-”的游程数；x(t)为采集到的系统输出序列；φ(i)为AR模型参数；a(t)为残差序列；和θj为ARMA(p,q)模型参数；p、q为ARMA模型参数；G(j)为系统单位脉冲响应函数；η为Harris指标；d为系统迟延时间；tp为单位脉冲响应曲线第一次过零点时间；ts为系统调节时间。具体实施方式本专利技术针对采样PI控制器的单入单出(SISO)控制回路，提出了一种基于脉冲响应曲线的性能评价方法。本方法通过对一段时间的历史输出数据进行时间序列分析，得到系统的脉冲响应曲线和Harris指标值，结合两个指标给出控制器参数调整建议及调整幅度。本方法无需系统的精确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：a.采集待评价控制回路被控变量PV的当前时刻数据；b.对输出数据进行预处理，包括剔除异常数据和平稳化处理；c.计算控制回路的性能指标：对预处理后PV数据进行ARMA建模，求Harris指标和脉冲响应函数，计算脉冲响应曲线振荡次数、调节时间和第一次过零点时间，得到控制回路的性能指标；d.根据计算出的控制回路性能指标给出PI控制器参数的优化建议。

【技术特征摘要】
1.一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：a.采集待评价控制回路被控变量PV的当前时刻数据；b.对输出数据进行预处理，包括剔除异常数据和平稳化处理；c.计算控制回路的性能指标：对预处理后PV数据进行ARMA建模，求Harris指标和脉冲响应函数，计算脉冲响应曲线振荡次数、调节时间和第一次过零点时间，得到控制回路的性能指标；d.根据计算出的控制回路性能指标给出PI控制器参数的优化建议。2.根据权利要求1所述的一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，其特征是，对输出数据进行预处理的具体方法如下：①剔除异常值计算输出数据的标准误差σ：其中，序列{xi,i＝1,2,Λ,N}为采集的输出序列，为输出序列均值，为输出序列与均值间的误差；若|Δxi|＞3σ，则xi为需要剔除的异常值；②数据的平稳化处理将输出序列中比均值大的数据记为“+”，比均值小的数据记为“-”，得到符号序列，每一段连续相同的符号成为一个游程，计算游程总数r，计算统计量z为：其中，N3＝N1+N2,N1、N2分别为符号“+”、“-”的游程数；如果|z|≤1.96，则样本数据是平稳的；否则就是不平稳的，如果输出序列是不平稳的，则对其进行一次或多次差分处理，将其转化为平稳随机数列。3.根据权利要求2所述的基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，其特征是，控制回路性能指标的计算步骤包括：①对预处理后PV数据进行ARMA建模：根据已知序列{x(1),x(2),Λ,x(N)}结合最小二乘法估计出AR(n)模型：其中，x(t)为采集到的系统输出序列；φ(i)为AR模型参数；a(t)为残差序列；n为AR模型阶次，利用上式和{xi,i＝1,2,Λ,N}，{φi...

【专利技术属性】
技术研发人员：王印松，苏婉婉，孙天舒，蒋雄杰，黄启东，高建强，刘卫亮，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，浙江浙能嘉华发电有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13