本发明专利技术公开了一种基于子空间辨识的PID回路控制性能评估方法。根据PID回路控制器开闭环状态及控制器输出信号u的上下限约束对控制器输出信号u和过程输出信号y进行有效性分段，利用子空间辨识算法求取随机系统模型，根据控制器输出信号u和过程输出信号y的采样时间、设定的PID回路稳态时间及期望时间计算时刻性能指标和直到稳态时间的性能指标序列，最后利用子空间辨识得到的模型及过程输出信号y的自相关函数检测回路中的震荡。本发明专利技术使用子空间辨识建立随机系统模型，避免系统阶次的设定。充分利用辨识得到的模型给出回路相关信息，包括95%稳态时间、95%动态时间、超调量及峰值时刻。使用用户设定的参考时间计算性能指标，符合PID回路的实际情况。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于子空间辨识的PID回路控制性能评估方法。用于对现场广泛 使用的PID回路进行性能监控，并给出回路震荡信息，属于PID控制应用
技术介绍
高质量的控制系统需要良好的控制器。然而，工业现场广泛使用的PID回路中有 60%的回路存在性能问题。即使在控制系统运行初期控制器运行良好，经过一段时间的工作 以后，许多控制器会出现性能下降，因此有效的控制性能评估技术变得非常重要。目前常用的控制性能评估基准有基于最小方差控制、基于用户指定指标及基于 LQG准则等方法。基于LQG准则的控制性能评估方法不仅需要准确的过程模型，而且还需要 噪声模型的知识，对辨识信号的要求很高。而基于最小方差控制的性能评估标准过于苛刻， 使得性能评估结果过于保守；而且，在建立随机系统模型的时候，使用预报误差方法通过非 线性最小二乘优化得到随机系统的模型。然而，由于随机系统的模型阶次不可知，预报误差 方法只能人为设定一个阶次或者使用AIC准则估计系统的阶次。这会导致两个问题(1) 系统阶次未知，使用过高的模型阶次会导致过拟合，并不能合理的描述模型，而使用过低的 模型阶次，势必导致系统的动态特性得不到充分的描述；(2)使用AIC准则估计系统的阶次 使得辨识的计算复杂度大大增加，因为本身预报误差算法也是一个寻优过程，需要较为复 杂的计算过程。此外，现有的性能评估算法并未考虑工程人员的经验知识，使得他们的经验 未能对控制回路的性能评估带来积极的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于子空间辨识的PID回路控制 性能评估方法。基于子空间辨识的PID回路控制性能评估方法的步骤如下1)采集PID回路的控制器输出信号u和过程输出信号y，记录PID回路控制器的开闭 环状态及控制器输出信号u的上下限约束，获取控制器输出信号u和过程输出信号y的采 样时间 ，设定PlD回路稳态时间及用户期望的参考时间I,2)根据控制器输出信号u的上下限约束及PID回路控制器的开闭环状态对控制器输出 信号u和过程输出信号y进行有效性标记，得到相应的分段矩阵DS ；对分段好的控制器输 出信号u和过程输出信号y进行如下预处理对缺失的控制器输出信号u和过程输出信号 y利用数值插值的方法进行补充，对补充完整的控制器输出信号u和过程输出信号y去均值 处理，最后通过滤波器对控制器输出信号u和过程输出信号y低通滤波去除高频噪声；3)将PID回路白噪声到过程输出信号y的模型用η阶随机系统表示权利要求1. 1. 一种基于子空间辨识的PID回路控制性能评估方法，其特征在于它的步骤如下1)采集PID回路的控制器输出信号u和过程输出信号y，记录PID回路控制器的开闭 环状态及控制器输出信号u的上下限约束，获取控制器输出信号u和过程输出信号y的采 样时间？；，设定PID回路稳态时间1及用户期望的参考时间7；；2)根据控制器输出信号u的上下限约束及PID回路控制器的开闭环状态对控制器输出 信号u和过程输出信号y进行有效性标记，得到相应的分段矩阵DS ；对分段好的控制器输 出信号u和过程输出信号y进行如下预处理对缺失的控制器输出信号u和过程输出信号 y利用数值插值的方法进行补充，对补充完整的控制器输出信号u和过程输出信号y去均值 处理，最后通过滤波器对控制器输出信号u和过程输出信号y低通滤波去除高频噪声；3)将PID回路白噪声到过程输出信号y的模型用η阶随机系统表示2.如权利要求1所述的一种基于子空间辨识的PID回路控制性能评估方法，其特征在 于所述的步骤2)为数据分段矩阵DS为二维矩阵，共有I2s行和2列，Nm为数据的有效性分段数，矩阵DS的每行中的第一列记录数据有效性分段的起点时刻，第二列记录数据有 效性分段的终点时刻，对控制器输出信号u从采样起始时刻开始向后遍历，当回路控制器 某时刻处于闭环状态，且u并未打破上下限约束时若之前时刻的数据并未包括在有效性分段矩阵中，则记录此时刻为有效性矩阵的第一列，即有效性矩阵的起始时刻，并使得有效 性矩阵的行数增加1，否则不作处理；当回路控制器某时刻处于开环状态或者u打破上下限 约束时若之前时刻的数据包括在有效性分段矩阵中，则记录为有效性矩阵的第二列，作为 有效性矩阵的终点时刻，否则不作处理。全文摘要本专利技术公开了一种基于子空间辨识的PID回路控制性能评估方法。根据PID回路控制器开闭环状态及控制器输出信号u的上下限约束对控制器输出信号u和过程输出信号y进行有效性分段，利用子空间辨识算法求取随机系统模型，根据控制器输出信号u和过程输出信号y的采样时间、设定的PID回路稳态时间及期望时间计算时刻性能指标和直到稳态时间的性能指标序列，最后利用子空间辨识得到的模型及过程输出信号y的自相关函数检测回路中的震荡。本专利技术使用子空间辨识建立随机系统模型，避免系统阶次的设定。充分利用辨识得到的模型给出回路相关信息，包括95%稳态时间、95%动态时间、超调量及峰值时刻。使用用户设定的参考时间计算性能指标，符合PID回路的实际情况。文档编号G05B23/00GK102103376SQ20101059121公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日专利技术者古勇, 张荣金, 杨江, 苏宏业 申请人:浙江大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于子空间辨识的ＰＩＤ回路控制性能评估方法，其特征在于它的步骤如下：１）采集ＰＩＤ回路的控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ，记录ＰＩＤ回路控制器的开闭环状态及控制器输出信号ｕ的上下限约束，获取控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ的采样时间，设定ＰＩＤ回路稳态时间及用户期望的参考时间；２）根据控制器输出信号ｕ的上下限约束及ＰＩＤ回路控制器的开闭环状态对控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ进行有效性标记，得到相应的分段矩阵ＤＳ；对分段好的控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ进行如下预处理：对缺失的控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ利用数值插值的方法进行补充，对补充完整的控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ去均值处理，最后通过滤波器对控制器输出信号ｕ和过程输出信号ｙ低通滤波去除高频噪声；３）将ＰＩＤ回路白噪声到过程输出信号ｙ的模型用ｎ阶随机系统表示： （１）其中为系统的状态空间矩阵，即子空间辨识所求取的量，利用步骤１）中采集到的输出信号，其中是子空间辨识过程中设定的Ｈａｎｋｅｌ矩阵行数，为输出数据的个数，定义如下矩阵： （２） （３）对数据矩阵和进行ＱＲ分解，有（４）利用矩阵，矩阵，矩阵进行矩阵ＳＶＤ分解得到系统矩阵的奇异值及扩展可观测性矩阵ＯＫ＝［ＣＴ，（ＣＡ）Ｔ，（ＣＡ２）Ｔ…（ＣＡｋ－１）Ｔ］Ｔ，通过最小二乘拟合得到系统矩阵，矩阵ＳＶＤ分解得到个奇异值为，系统阶次的大小根据确定；４）将扩展可观测性矩阵ＯＫ和矩阵相乘得到随机系统的脉冲响应序列，同时利用及得到脉冲响应序列，通过下式对二者进行比较确定辨识得到的模型是否合理；（５）如果，说明子空间辨识过程中的最小二乘拟合效果不好，应当调整Ｈａｎｋｅｌ矩阵行数重新辨识，直到为止，当，说明子空间辨识过程中的最小二乘拟合效果不错，利用作为随机系统的脉冲响应序列，利用（６）式计算ＰＩＤ回路时刻的性能指标及直到稳态时间的性能指标序列； （６）５）当模型稳定时，根据脉冲响应序列计算ＰＩＤ回路的９５％动态时间、９５％稳态时间及超调量和峰值时刻；当模型不稳定，提示用户过程可能出于不稳定状态，设定ＰＩＤ回路的９５％动态时间、９５％稳态时间及超调量和峰值时刻均为－１；６）根据辨识得到的矩阵Ａ计算系统的特征值，如果含有单位圆外的系统特征值，那么得到的模型不稳定，记；如果含有处于单位圆及以原点为圆心，半径为的圆之间的系统特征值，认为系统可能出现震荡，记；若系统特征值全部位于以原点为圆心，半径为的圆之内，那么得到的模型出于稳定区域，记；对回路的过程输出信号ｙ计算自相关函数，利用自相关函数的波峰和波谷之间距离的比值获得回路的归一化震荡指标值，综合系统特征值与过程输出信号ｙ的自相关函数得到回路最终的归一化震荡指标为： （７）若，认为ＰＩＤ回路存在震荡，否则认为ＰＩＤ回路无震荡。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨江，张荣金，古勇，苏宏业，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86
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