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摘要 控制系统综合性能评价及其监控实验平台 摘要 工业过程中的很多控制系统在实际运行时都存在性能缺陷，若没有定 期的维护，控制系统的性能会随着时间的推移而退化，从而降低了生产效 率、造成资源浪费、增加不合格产品。 目前控制系统性能评价的方法都只针对单一模式的性能指标或动态 特性评价控制系统的运行，而在实际工业过程中，控制系统的扰动通常是 许多不同类型信号的混合体，而且经常遇到设定值改变等多操作模式的情 况，很多情况下，控制系统的随机性性能良好，但确定性性能却不理想， 反之亦然。 本文选择综合随机性和确定性的性能评价策略，针对多操作模式的过 程控制系统，即考虑同时存在设定值的改变和多种扰动动态，基于误差预 报技术，建立控制系统可达到的最小方差，比较实际误差序列的方差和预 报序列的方差来确定系统的性能指标，提出基于误差预报的控制系统综合 性能评价方法，实现对控制系统的综合性能评价。 此外，根据对控制系统进行性能评价的要求，设计开发了一个基于 o p c 和a c c e s s 的控制系统综合性能监控平台( c o n t r o ls y s t e m c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c em o n i t o r i n gp l a t f o r m - - - - - - - c p m ) ，实现对控制对 象各个控制回路性能进行实时在线监控与分析。 将控制系统综合性能评价技术应用到田纳西伊斯曼过程 北京化工人学硕士学位论文 ( t e n n e s s e e e a s t m a np r o c e s s ，t e p ) 的仿真监控平台和工业d m f 回收过 程中，结果表明了基于误差预报的方法在控制系统综合性能评价方面的实 际意义，同时，c p m 可以为实际工业过程控制系统性能评价软件设计和 开发进行有效的支撑。 关键词：控制系统性能评价，误差预报，多操作模式，监控实验平台， t e 过程 h a b s t r a c t c o n t r o ls y s t e mc o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta n dm o n i t o r i n g e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a b s t r a c e i ti sw e l lk n o w nt h a tp r o c e s sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sk e e p c h a n g i n g a l o n gw i t ht i m e i fn o tp r o p e r l ym a i n t a i n e d ，ac o n t r o ll o o pw i l lp e r f o r mo u to f s p e c i f i c a t i o n sg r a d u a l l y , w h i c hm a y l e a dt od e g r a d ep e r f o r m a n c e si np r o c e s s o p e r a t i o n s a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c e a s s e s s m e n to n l ya i m sa tas i n g l ep a t t e r no rd y n a m i cp r o p e r t y i nm a n yc a s e s ， t h ec o n t r o l s y s t e m ss t o c h a s t i cp e r f o r m a n c ei sg o o dw h i l ea c t u a l l yi t s d e t e r m i n i s t i cp e r f o r m a n c ei sn o t ，a n dv i c ev e r s a t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i s p a p e r i st h a ta ne r r o r p r e d i c t i o n b a s e dm e t h o do fc o n t r o l s y s t e m c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ti sp r o p o s e d ，w h i c hi se l i g i b l ef o rb o t h s t o c h a s t i ca n dd e t e r m i n i s t i cp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n s t h ep e r f o r m a n c ei n d e x i sc o n c e m e dw i t ht h em u l t i - o p e r a t i o nm o d e ss u c ha ss e t p o i n t sc h a n g ea n d m u l t i d i s t u r b a n c ed y n a m i c ss i m u l t a n e o u s l y b a s e do nt h ee r r o rp r e d i c t i o n t e c h n o l o g y , t h e a c h i e v a b l em i n i m u mv a r i a n c e i so b t a i n e da n da c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei n d e xi sc o m p u t e dw i t ht h ec o m p a r i s o n so f p r e d i c t e dv a r i a n c ea n dp r a c t i c a lv a r i a n c e i i i 北京化t 大学硕j 二学位论文 i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o p o s e dt e c h n o l o g y , a ne x p e r i m e n t a lo n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m u c o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c em o n i t o r i n gp l a t f o r m ( c p m ) i sd e v e l o p e d ，i nw h i c hv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ei su s e d ，a sw e l la s o p cs p e c i f i c a t i o na n da c c e s st e c h n i q u e s c p mc a nb ee f f e c t i v e l yu s e dt o s u p e r v i s ea n da n a l y z ec o n t r o ll o o p s p e r f o r m a n c eo n l i n e t h i sc o n t r o lp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n tm e t h o di si n t r o d u c e di n t ot h e t e n n e s s e e - e a s t m a np r o c e s s ( t e p ) e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n sa n da ni n d u s t r i a l d m fr e c o v e r yp r o c e s s t h ea n a l y t i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee r r o rp r e d i c t i o n b a s e d c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t m e t h o di so fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a d d i t i o n a l l y , t h ed e v e l o p m e n to fc p ma n di t se x p e r i m e n t a l a p p r o a c h e sm i g h tb e c o m ea ne f f e c t i v ea n dp r o m i s i n gw a yf o rp r a c t i c a ld e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ts o f t w a r e k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t ，e r r o rp r e d i c t i o n ， m u l t i o p e r a t i o nm o d e s ，e x p e r i m e n t a lm o m i t o r i n gp l a t f o r m ，t ep r o c e s s i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：兰幺蕴 日期：丝啤岔 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：兰鱼透 导师签名：日期： 第一章前苦 1 1 论文研究的目的和意义 第一章前言 据统计，目前在工业过程中有6 0 左右的控制系统存在着性能缺陷，其中有些问 题可通过参数的调整来解决，而另一些问题只能通过采用新的控制策略或改造硬件设 备来改善控制系统的性能。控制系统性能的降低除了要降低产品的质量、增加运行成 本、减少设备使用时间外，还可能导致安全问题等。因此对运行中控制系统的性能进 行评价很有必要。 自从h a r r i s ( 1 9 8 9 ) 提出用最小方差控制( m i n i m u mv a r i a n c ec o n t r o l ，m v c ) 作为 评价控制系统性能的基准以来，控制系统性能评价技术得到了广泛的关注，随后的众 多学者针对各种形式的控制系统提出了相应的性能评价方法【l 】。然而，大多数情况下 即使一个最佳整定的p i d 控制器作用下的系统输出方差也是最小方差控制器输出方 差的两倍，因此采用最小方差的基准，可能得到错误的判断而否定了整定良好的p i d 控制器。在实际工业过程中，控制系统的扰动通常是许多不同类型信号的混合体，在 不同的操作条件下系统具有不同的扰动动态，而且经常遇到设定值改变等多操作模式 的情况，对于上述情况，针对单一模式的控制系统性能评价基准显然不再适用，这就 需要有一种能够综合评价控制系统性能的方法，它不仅能够更加合理的评价系统的性 能，而且适用于多种操作模式还要在方法上易于实现。 对于具有高度自动化的现代流程工业，可能有成百上千的自动控制回路，每个 工程师要负责几十甚至几百个回路，因此没有一些先进的性能评价工具，仅靠人工来 分析判断控制系统性能的好坏难以适应当前的高度自动化水平，而且也不可能监控所 有的控制回路，这就有可能导致在问题暴露之后才能采取补救措施。因此，迫切需要 具有相应的控制系统性能监控软件以完成下面的工作：跟踪控制系统的长期性能、找 到导致性能不好的原因、跟踪控制器参数整定的变化及其对控制系统性能的影响、掌 握不同扰动和操作条件对于控制系统性能的影响，以及根据所发现的引起控制系统性 能不好的原因来改进控制效果等。 本文的研究目的是：选择合适的控制系统综合性能评价方法，通过对控制系统运 行数据的适当分析计算获得系统的性能指标来反映系统的实际运行情况；开发能够应 用于工业控制系统的性能监控软件平台，对控制系统存在的问题提出早期的识别，实 北京化工大学硕士学位论文 时地指导控制工程师和工艺操作人员针对控制系统性能的潜在问题采取各种应对措 施，从而避免故障的发生；将开发的控制系统性能监控平台应用于实验平台，为将来 应用于实际工业控制系统中，作必要的准备工作。 因此，研究控制系统的综合性能评价方法，并开发出能够应用于实际工业过程的 控制系统性能监控软件平台，对实际的控制系统进行性能监测与分析，形成与当前自 动化水平相适应的控制系统性能评价体系，不仅具有重要的理论意义，而且在工业过 程控制领域中也有十分明显的应用价值。 1 2 国内外文献综述 1 2 1 控制系统性能评价方法及其应用技术 控制系统性能一般包括确定性性能、随机性性能和鲁棒性性能三种。确定性性能 主要涉及到有关系统动态品质的时域和频域指标，是传统控制系统对性能的基本要 求。随机性性能指标则是描述系统性能的一种统计指标，通常以“最小方差控制”为基 准，它利用过程实际运行数据和少量过程先验知识来估计系统的性能，无需对控制系 统实施扰动实验。鲁棒性性能指标着重考虑控制系统在发生过程摄动和模型失配条件 下的稳定性和品质变化。一个好的控制系统不仅要对确定性和随机性扰动有良好的抑 制能力，而且要具有对摄动和失配的强鲁棒性。 控制系统性能评价涉及到控制系统的类型和评价基准两方面的内容，需要根据控 制系统的类型选择合适的评价基准。控制系统性能评价的主要任务可归结为： ( 1 ) 对现有的控制系统建立合适的评价方法； ( 2 ) 确定当前运行中的控制系统性能的好坏； ( 3 ) 提出有关控制系统性能变化原因的诊断和优化方法； ( 4 ) 将各种方法集成起来用于工业实践。 控制系统性能评价技术应考虑以下几个方面的问题： ( 1 ) 结果在概念上易于阐述； ( 2 ) 计算处理量小，对数据量的要求低，不需要对设备进行测试，不对生产过程 产生影响； ( 3 ) 能自动进行，因为在工业过程中有大量的回路，因此至少有一部分控制系统 的性能评价能自动进行； 2 第一章前言 ( 4 ) 性能指标是无量纲的，而且度量标准不是随意的，应该可以和当前的一些广 泛应用的度量标准相比较。 ( 5 ) 对控制器的参数整定得不理想、模型不匹配或设备问题敏感。 随着工业自动化水平的提高，工业界对控制系统性能要求的提高极大地推动了控 制系统性能评价与应用的研究。a s t r 6 m ( 1 9 7 0 ) ，h a r r i s ( 1 9 8 9 ) ，s t a n f d j ( 1 9 9 3 ) 等人先后提 出用最小方差控制作为基准指标来评价控制系统的性能。其中，具有里程碑意义的贡 献是h a r r i s 在1 9 8 9 年的一份学术报告中提出：利用时间序列分析技术从单输入单输 出( s i s o ) 过程控制系统的日常输出序列中分析、挖掘出“反馈控制不变项”的适当表 达形式，随后把它作为进行性能评价的基准来对控制系统进行评估【2 4 1 。后来，l y n c h 和d u m o n t ( 1 9 9 3 ) ，d e s b o r o u g h 和h a r r i s ( 1 9 9 6 ) ，j o f r i e t 和b i a l k o w s k i ( 1 9 9 6 ) 等人采用 m v c 基准并结合一个实时专家系统利用实时采集的数据来监控所有控制回路的性 能，该系统在一家生产新闻纸的工厂得到了应用【5 7 】。r h i n e h a r t ( 1 9 9 5 ) h i i g g l u n d ( 1 9 9 5 ) ，s e b o r g ( 1 9 9 5 ) ，t y l e r 和m o r a r i ( 1 9 9 5 ) h u a n g ( 1 9 9 7 ) 等人先后又将h a r r i s 的性能评 价方案从单输入单输出( s i s o ) 推广到多输入多输出( m i m o ) 系统2 1 。如今，性能 评价技术的理论研究前沿正面向非线性、时变过程控制系统和模型预测控制系统【1 3 】。 目前，控制系统性能评价的理论研究和应用技术仍处于不断发展的阶段，研究方 向主要集中在： ( 1 ) 基于最小方差控制性能评价方法的推广和完善 h a r r i s 用最小方差控制作为单回路控制系统性能评价与监控的思想，并用时间序 列分析的方法找到反馈控制器的非时变形式，然后用这个非时变形式作为评价控制系 统性能的一个准则。但是由于m v c 的方法需要知道过程和干扰的准确的模型，这对 实际工业过程而言很难实现。熊晓菲( 2 0 0 7 ) 以最小方差控制的性能评价方法为基础， 基于时间序列分析技术，采用自适应滤波器来辨识噪声和过程输出间的a r 模型，在 评价过程中通过训练建立系统输出和噪声的自适应线性系统模型，通过不断调整网络 的权值和阈值，最终使网络输出能够精确的跟踪系统输入，实现系统噪声和输出间模 型的自适应辨识，从而实现对控制器的性能评价【1 4 】。i s a k s s o n ( 1 9 9 6 ) 发现采用最小 方差性能评价方法仅仅考虑了因过程时滞引起的性能限制，而对于p i d 控制器这样有 固定结构的控制器( 如振荡，摩擦等) 则可能导致不能实现的性能边界问题【1 5 】。同时 最小方差的性能指标只能确定控制系统性能的好坏，但是究竟“好”或者“坏 到什 么程度，并不能准确判断出来，而且控制系统性能变坏是由什么原因引起的也不能确 定。m r a n a lj a i n 和s l a k s h m i n a r a y a n a n ( 2 0 0 5 ) 提出了采用滤波的方法计算p i 控制 器可达到的最小方差来弥补m v c 准则的缺陷，首先根据输入输出常规数据计算得出 系统时间序列模型的闭环响应系数进而求得控制回路性能评价指标( c l p i ) ，同时通 3 北京化工大学硕j j 学位论文 过比较p i 控制器输入一输出的最小方差曲线得到最优的控制器参数，并将该方法应 用于a l b e r t a 大学的计算机过程控制实验室一个温度控制系统中【l6 1 。王万召( 2 0 0 4 ) 以最小方差控制的性能指标评价方法为基础，利用时间序列分析技术和系统辨识技 术，得到系统的a r m a 模型进而求得控制系统性能指标，并在实际工业过程的单回 路控制系统、前馈一反馈控制系统、串级控制系统应用中均取得了满意的效果【1 7 】。孙 金明，左信，季德伟等( 2 0 0 4 ) 以p i d 控制能实现的最小方差为基准，当被控过程模 型未知，通过对正常运行数据拟合模型，再估计p i d 能实现的最小方差及其相应的 p i d 控制器参数，得到了更加合理的评价结果【1 8 】。t h o r n h i l l ，b h u a n g 等( 2 0 0 3 ) 针 对设定值改变的过程，基于m v c 的方法提出了控制系统设定值跟踪的性能指标，并 将该方法应用于反应器的液位控制系统【1 9 】。为解决关联矩阵难以估计的问题，张彤， 王庆林( 2 0 0 7 ) 提出利用最小方差( m v ) 基准界评价多变量控制系统性能的方法建立 了另一最小方差基准下界，此新下界可通过过程数据和对角关联矩阵得到，形成了一 套完整的、基于最小方差基准界的多变量控制系统性能评价理论体系【2 0 1 。 ( 2 ) 基于一些新的性能评价基准 最小方差准则主要是评价控制系统的随机性性能，这种方法需要的过程知识少， 计算简单。而对于控制系统的确定性性能和鲁棒性性能， s h e n gw a n 和b i a oh u a n g ( 2 0 0 2 ) 提出了利用广义闭环回路误差传递函数( g c l e t f ) 函数和t 1 函数估计闭环 系统的鲁棒性的方法，尽管该方法的研究局限于反馈控制装置，但是结合工程实际， 仍然有很大的实用意义【2 1 1 。r a c h i da g h r a i z i 、e m e s t om a r t7 l n e z 等( 2 0 0 6 ) 以最小 方差准则为基础，基于控制器行为的可预测性监测控制器的性能，引入性能指标置信 区间的概念，并利用该方法对精炼厂的控制系统性能评价，同时还给出了相关的 m a t l a b 编写的控制系统性能评价软件系统【2 2 】。张彩( 2 0 0 7 ) 以内模控制原理来整 定p i d 控制器参数为基础，研究了基于无量纲性能指标的单回路p i d 反馈控制系统的 设定值跟踪性能评价方法，得到了基于实际阶跃响应数据的无量纲性能指标，并采用 这种方法对蒸汽温度和压力控制系统的性能进行评价【2 3 】。刘浩，刘素娟( 2 0 0 8 ) 针对 热工控制系统模型，通过计算负荷扰动下误差响应曲线峰值前、后的面积比来获得性 能评价指标，介绍了基于随机扰动的闭环控制系统性能评价方法【2 4 1 。r a c h e l l eh o w a r d d o u g l a sj c o o p e r ( 2 0 0 9 ) 提出了r d i ( r e l a t i v ed a m p i n gi n d e x ) 的性能指标，通过计 算过程输出值的自相关函数得出r d i ，并将该方法应用于不能自整定的控制器性能监 控方面【2 5 1 。 ( 3 ) 基于诊断方法的性能评价基准 一些学者不是直接从性能评价的角度去获得控制系统的性能，而是从控制系统性 能变化可能导致的结果中判断控制系统的性能是否满足需要。h i g g l u n d ( 1 9 9 5 ) 提出 4 第一章前言 通过计算负荷扰动下误差响应曲线位于零相交线上下部分的绝对误差积分的面积比 来获得判断控制回路振荡的性能指标【2 6 1 。a l e x a n d e r ( 1 9 9 8 ) 根据输入输出变量的互相关 函数来判断控制回路的振荡来自于阀门静摩擦或振荡干扰，提出了一种针对p i 控制 器的振荡原因的分析方法【2 7 】。m i a o ( 1 9 9 9 ) 禾1 j 用被控变量自相关函数的方法来发现控制 回路的振荡，但该性能指标的计算较复杂，且该方法受噪声的影响大，因此在实际应 用时就受到很大的限制【2 引。h i g g l u n d ( 1 9 9 9 ) 提出了用空载指标来反映控制回路响应迟 钝的问题。这个指标在 1 ，1 】范围内，接近l 表明控制回路响应迟钝，而接近0 则意 味着控制回路的性能良好，但是当指标值接近于1 时，可能是控制回路整定得好，也 可能是振荡，这就需要利用其他方法来判断，所以该方法在实际应用时需要与其它方 法相结合【2 9 】。j a m s a j o u n e l a ( 2 0 0 3 ) 等提出将设定值阶跃响应经过上升时间之后过程 输出的最大和最小值与设定值之差的比率作为确定性指标，他们认为当持续振荡或因 缓慢控制作用而引起输出值与设定值长时间偏离时，可以用时间加权绝对误差积分 ( r r a e ) 来进行监测【3 0 1 。m o h i e d d i n ej e l a l i ( 2 0 0 7 ) 分别计算正数和负数绝对误差积分的 方法得出性能指标来监测回路振荡，并将该方法应用于轧钢控制系统的振荡监测上 3 1 1 。 1 2 2 控制系统综合性能评价 上述介绍可知，不同控制系统性能评价方法在监视策略上存在着很大的差异， q i n ( 1 9 9 8 ) 在总结前人研究成果的基础上探讨了随机性性能( 最小方差性能) ，确定性 性能和系统鲁棒性性能相结合的可能性【3 2 】。王谦，徐进学( 2 0 0 8 ) 等针对大滞后过程 控制中用到的一种预测p i 控制器，采用继电辨识方法来确定过程参数，并以一种鲁 棒性性能指标与绝对误差积分性能指标相结合作为性能评价与参数整定的依据。两种 性能指标结合的方法，保证了控制器有较强的设定点跟踪能力和噪声抑制能力，并具 有很好的鲁棒稳定性【3 3 1 。f o l a k eo l a l e y e b i a oh u a n g ( 2 0 0 4 ) 等对多扰动动态下p i d 控制器的性能评价方法进行了研究，构造了一种带加权的综合性能评价函数，通过选 取适当的权值对综合性能评价函数求最优，得到系统对各扰动动态的最佳折中控制性 能p 4 1 。王鹤曾( 2 0 0 4 ) 将确定性性能指标和随机性性能指标相结合构造了一个带加权 系数的目标函数来寻求最优的p i d 控制器参数来进行工业过程p i d 控制器的设计【3 5 】。 徐长波( 2 0 0 7 ) 在随机性性能评价上使用最小方差评价算法，在确定性性能评价上采 用传统意义上的指标函数。通过权系数把两者结合起来，设计出满足控制系统随机性 5 北京化丁大学顾十：学位论文 性能与确定性性能要求的综合评价函数，根据工程的实际情况，通过调整权值系数的 大小来表现在不同情况下所强调的性能目标【3 引。上面的方法都是通过一个加权系数将 控制系统不同方面的性能指标相结合，根据实际情况对权值进行调整得到有关控制系 统的折中性能，由于在权值系数的选择上有很大的主观性，因此所得到的结果就不准 确。而且在实际工业过程中，控制系统的扰动动态随时变化，这就需要频繁调整权值 系数的大小，不利于性能评价方法的在线实施。a r ii n g i m u n d a r s o n 和t o r eh f i g g l u n d ( 2 0 0 5 ) 利用回路调节的思想对闭环回路进行性能监控，基于九调整规则( 九t u n i n g r u l e ) 采用扩展预测步长的方法，选择实际控制器所能达到的最优控制性能下限作为 评价的基准，该方法不仅适用于随机扰动情况，对确定性的扰动过程也能得出合理的 评价结果【3 7 】。但该方法需要知道控制器的闭环时间常数，这在很多情况下是很难实现 的，而且预测步长是采样间隔的5 - 9 倍，对于有较大采样时间的控制系统需要对原始 数据进行预处理，显然这将会影响到计算结果的准确性。 因此需要寻找一种能够客观准确反映控制系统性能的方法，它不仅能够准确评价 系统在各种扰动动态下的性能，在方法实现上还要简便易行。 1 2 3 仿真实验平台技术 计算机技术和自动化技术迅猛发展和广泛普及推动了仿真技术的发展。计算机仿 真实验平台就是利用过程数学模型来模仿生产装置的动态行为并进行试验的技术。它 不用投料，没有污染、也不会出现人身设备事故，因此计算机仿真实验平台无论是科 研人员进行先进控制算法的研究还是对工业现场操作管理人员的培训都具有重要意 义。李斌等提出了基于d e l t a v 、e x c e l 和m a t l a b 的d c s 仿真系统，利用m a t l a b 语言 编写灵活的s 函数实现了d d e 通信软件的设计，从而实现t e 化工过程模型与e x c e l 的数据链接，再利用o p c 技术实现d e l t a v 与e x c e l 的数据链接，从而更好地利用d e l t a v 强大的组态功能对t e 模型进行控制算法的设计研究【3 8 】。李相育，钱宇采用w i n c c 作为k i l o p l a n t 产品开发装置的控制系统，基于o p c 技术，实现了m a t l a b 与w i n c c 的无缝集成，充分利用m a t l a b 在数据处理及曲线绘制方而的功能，来实现产品开发 过程中实时数据的有效处理【3 9 】。 近年来，控制系统性能评价与监测技术不断应用于工业实践，虽有不足，但也取 得巨大的经济效益。m i c h a e la p a u l o n i s ，j o h nw c o x ( 2 0 0 3 ) 介绍了e a s t m a n 化学公 司应用的大规模控制系统性能评价系统，该系统通过监测控制系统的调整向操作者提 供详细的控制系统整定报告，同时根据控制系统的整定数据和日常的运行数据计算相 6 第一章前言 应的性能指标，根据指标值的大小将控制系统划分为不同的性能级别，指导操作者对 控制系统进行合理的调整【矧。a h o r c h ，r d r a t h ，n f t h o r n h i l l ( 2 0 0 6 ) 基于工厂的 拓扑结构设计开发了用来自动诊断和隔离控制回路干扰的软件系统。通过该系统对输 入响应的数据的进行分析，从而找出引起设备扰动的根本原因【4 1 1 。胡红武( 2 0 0 6 ) 在 研究组件技术和o p c 技术的基础上，从实际的控制系统中实时采集过程数据，通过 采集的过程数据，对控制回路进行性能评价和控制器参数的整定，并给出了控制系统 性能评价和整定的o p c 客户端应用程序总体框架。同时，将o p c 技术和i n t e m e t 技 术相结合，实现了控制系统的远程监控【4 2 】。 工业界对控制系统性能要求的提高极大地推动了控制系统性能评价与诊断的研 究，许多著名的控制设备生产商都推出了控制系统性能监控软件，如a s p e n t e e h 公司 的a s p e n w a t c h 软件、h o n e y w e l l 公司的l o o ps c o u t 软件、m a t r i k o n 公司的p r o c e s s d o c t o r 软件、d u p o n t 公司的p e r f o r m a n c es u r v e y o r 软件、a b b 公司的l o o p o p t i m i z e r s u i t e 软件等等。尽管这些软件的功能特点、对软硬件平台的要求不尽相同，但是它 们主要以m v c 性能指标为基准、结合各种确定性指标来实现单多变量控制器的性能 评价。上述软件的使用使得控制工程师们能方便地获得控制器的各种性能指标，对整 个企业的控制回路进行全面的监视。以d u p o n t 公司的p e r f o r m a n c es u r v e y o r 软件为例， 它可以监督大量的过程变量和控制回路，并提供控制系统的性能评价指标，还可以诊 断出过程设备、仪表以及控制设备出现的问题，如传感器的零点飘移、控制阀滞后作 用、控制阀执行器泄漏、控制器调节失常、过程隔断阀泄漏、反应器里的搅拌器故障 等，它从选择的过程数据中计算出性能指标，并以图形的和数值的形式存储在数据库 中。这些数据图形可以在故障发生时，帮助工程师确定故障的原因及故障持续的时间， 从而指导工程师来调整相应的设备，避免经济上的损失。 1 3 论文研究的主要内容及工作简述 本文选择了综合随机性和确定性的性能评价策略，针对多操作模式的过程控制系 统，提出基于误差预报的控制系统综合性能评价方法，利用v i s u a lb a s i c 语言设计开 发了基于o p c 和a c c e s s 的控制系统性能监控实验平台。 全文共分为七章，主要的工作和研究内容为： 第一章介绍了论文的研究背景、目的和意义以及国内外对于此领域的研究方法和 7 北京化工大学硕i ：学位论文 应用技术，重点介绍了综合性能评价方法和仿真监控平台技术。 第二章首先讨论了最佳预报和最佳控制问题，并将其推广到控制系统的误差序列 预报理论方面。然后针对传统性能评价方法的不足提出了基于误差预报的控制系统综 合性能评价方法，并结合一个实际自动控制系统进行了详细的分析，表明了该方法的 可行性和有效性 第三章利用基于误差预报的控制系统综合性能评价方法，开发了控制系统综合性 能监控实验平台。首先介绍了该实验平台所用到的技术和基本结构，然后对o p c 客 户端应用系统的丌发过程、监控平台的设计和功能进行了详细介绍，并给出了关键的 程序代码。 第四章首先介绍了t e 过程仿真实验平台的设计，然后将基于误差预报的控制系 统综合性能评价方法和c p m 引入到t e 过程的控制回路的性能监控中，对t e 过程的 控制回路综合性能进行了在线监控与分析；最后针对d m f 回收过程，基于w i n c c 组 态软件设计了控制回路性能评价系统，对实际的工程项目中控制系统的性能进行了分 析。 第五章为总结与展望，总结了本文的主要工作，提出更多有待深入研究解决的问 题和今后的研究方向。 1 4 本章小结 本章对控制系统性能评价的必要性及意义进行了说明，概述了控制系统的性能的 概念，控制系统性能评价的任务和当前面临的主要问题，介绍了当前国内外的研究现 状以及控制系统性能评价技术在工业控制领域中的应用，并简要介绍了本文的研究内 容和章节安排。 8 第二章基十误差预报的控制系统综合性能评价方法 第二章基于误差预报的控制系统综合性能评价方法 2 1 引言 在自然科学，社会科学以及工程技术的许多领域里，实际工作者和科研人员常 常要对生产和科学研究等过程中的某一变量或一组变量x 以夕进行观察测量。在一 系列时刻t i ，t 2 , ，岛o 为自变量) 得到的离散有序数据集合x ( t o ，x ( t 2 夕一，工似夕称 为离散时间序列。在实际问题中，由于受到各种偶然因素的影响，时间序列往往表 现出某种随机性，彼此之间存在某种统计上的依赖关系。用来分析各种相互依赖的 离散数据集合的方法称为时间序列分析。在许多实际应用的问题中，进行时间序列 分析的目的是在确定模型和参数的基础上，对于未来可能出现的结果进行数值预 报。所谓预报，实质上就是根据现在和过去的随机序列的样本值，对未来某一 个时刻的随机变量进行估计，以预测下一时刻可能达到的水平。 a r m a 模型的最佳预报与控制是时间序列分析方法在工程中应用的一个很重要 的方面。随着时间序列分析方法的发展及其应用领域的扩大，a r m a 模型被成功地 用于工程系统的预报，并与控制理论相结合，用于工程系统的控制【4 3 彤】。 随着科学技术的不断进步，集散控制系统( d c s ) 在工业过程中得到了十分广泛的 应用，使得我们很容易得到大量的实时数据和历史数据。因此利用这些数据，建立系 统的a r m a 模型从而实现对运行中的控制系统性能进行实时、合理、有效的评价就 成为了一种行之有效的方法。 本章首先讨论a r m a 模型的最佳预报原理，在此基础上，讨论最佳控制问题， 并将其推广到控制系统的误差序列预报理论方面。然后对常见的确定性指标和随机性 指标进行简单介绍，针对这两种指标的不足提出了基于误差预报的控制系统综合性能 指标，并结合一个直接蒸汽加热器温度自动控制系统进行了详细的分析，表明了该方 法的可行性和有效性。 2 2 基于误差预报的控制系统性能分析 9 北京化工人学硕上学位论文 2 2 1 最佳预报 一个平稳时间序列 鲰) 总可以由一系列白噪声 a k ) 的线性组合来表示， 组合的权函数就是a r m a 模型的g r e e n 函数q ，即 x k = a y a k i ， j = o 由于式中k 只是形式上的下标，因此又可改写为 这种线性 ( 2 1 ) x k + 6 = g y a k 州 ( 2 - 2 ) j = o 将其展开即有 气+ 6 = ( g j a k + 6 + g l 口 + 扣i + g 2 口t + 扣2 + + g o i a k + i ) + ( q a 女+ g 0 1 一i + ) ( 2 - 3 ) 如果在k 时刻对未来第b 步的取值+ 。进行预测，用符号文( 6 ) 表示由k 时刻以及 以前的历史数据对x k + 6 所做的b 步平稳线性最小方差预报，则对式( 2 3 ) 右边第一个 括号内的各项，由于 a k ) 为白噪声，在k 时刻不能依据已有a 七，a 舡l ，鲰2 口i 的值 去预测未来a k + l ，a 七+ 2 ，a 七+ 6 的值，也就是说 a j i ) 的未来值是不可预测的。因此式 ( 2 3 ) 中第一个括号内的各项是无法计算的；而对于第二个括号内的各项，由于在k 时刻，所有的a k ，a k 1 ，a k - 2 a l 都已确定，是可计算的。因此毫( 6 ) 可以表示成如 下形式： 袁( 6 ) = g 6 a k + g 6 + l 吼一l + ( 2 - 4 ) 其中，被选定的系数 g i 应使预报误差 ( 6 ) = 气+ 6 一袁( 6 ) ( 2 - 5 ) 的均方值 e ( 。( 6 ) ) 2 = e ( + 6 一毫( 6 ) ) 2( 2 - 6 ) 达到最小。 由五+ 。的传递形式 砟+ 6 = g j a 胁， ( 2 - 7 ) y = o 可以证明预报误差 ( 6 ) = x k + 6 一幺( 6 ) = g o a k + 6 + g l a k + 扣i + g 2 a k + 扣2 + + g ：卜l a k + l ( 2 - 8 ) 其均方值 e g 女( 6 ) 】2 = t - 弘。( 6 ) 】一( 四+ 研+ + 嚷。) ( 2 9 ) 其中， g 表示脉冲传递函数的系数， a i ) 表示白噪声序列。 上式表明，式( 2 4 ) 所示的预报是预报误差的方差为最小意义下的预报，称为最 1 0 第r 二章基于误差预报的控制系统综合性能评价方法 佳预报。理论上还可以证明，当时间序列 x k 的元素满足正态分布时，式( 2 - 4 ) 所示的 预报( 又称为线性预报) 是最优的。 2 2 2 最佳控制 最佳控制是在最佳预报的基础上进行的。从系统的角度来分析，最佳预报是对系 统的一种开环描述，即系统在白噪声 陬) 输入下的输出为诹) ，最佳预报毫( 6 ) 是系统 在无控制输入的情况下得到的。然而，当对系统施加控制时，若根据系统的输出 x k 对系统施加一个控制量u k ，则输出从中就含有u 七的作用。因此，最佳控制问题中的系 统是一个闭环系统。此时，需要研究所谓的最佳控制律与最佳预报律的问题。 1r ( g ) 彳( g ) 一 曰( g ) l 、x k 1 ) 。彳( g ) f 一 一 c ( g ) 图2 - 1 最佳控制的闭环系统 f i g 2 - 1o p t i m i z i n gc o n t r o lo fc l o s e - l o o ps y s t e m 对于图2 1 所示的系统，在未施加控制u k 以前，系统在白噪声 a k ) 作用下的输出 为 豫) ，此时称为控前模型， n ( q ) x k = a ( q ) a t ( 2 1 0 ) 显然，控前模型就是a r m a 模型，当根据系统的输出 鲰 对系统统施加控制时， 设控制器的传送函数为cc q ) ，控制端至系统输出端的传递函数为笺婴其中，d 表示系统对控制信号的响应具有d 步延时，则系统在控制量i l k 作用下的输出为： 气影筹+ 哿咏 ( 2 - 1 1 ) 此式等号右边两项的分母均为彳幼，表示输入信号鲰和控制信号u k 都作用在同 一系统上，曰例表示控制端与系统的相互联系( 即i l k 对系统的施控方式) ；f 砂表示白 噪声与系统的相互联系( 即a k 对系统的作用方式) ，通常情况下召俐和缈是不相同的。 式( 2 1 1 ) 称为施控模型。其中，n ( q ) a 缈可由a r m a 建模得到，曰缈一般是可以知 道的。因此式( 2 1 1 ) 可写为： 北京化工大学硕十学位论文 吒= 舞d + 筹a ( q 吼 协 么( g ) ”4) 8 或 2 舞”等d 协 由控制理论可知，如果系统是稳定的，则彳缈和都是稳定多项式( 即彳幼 和撇矽的所有极点都在单位圆内) ，因此 旷怒政掣怒 池 ( g ) 。( g ) 在施控时，总可以使输出量的数学期望设在零点，则输出的方差 y 【稚+ d 】= 研g ( g ) 口“d 】2 + e 【氟( d ) + 皇紫蚝】 ( 2 - 1 5 ) 其中g 白夕是b ( q ) a 俐作长除法后所得的出l 阶多项式。上式中第一项与鲰无 关，是不可控的，若要使输出方差最小，只有使第二项等于零，因此有： 蚝一篇枷) ( 2 _ 1 6 ) 此式表示，在施加控制时，使输出方差为最小时的控制量应如式所示，此即最 小方差控制律。也就是说，所谓最佳控制，是指系统输出方差为最小时的控制。在最 佳控制下系统输出方差 吒+ d _ e g ( q ) a 川】2 = 研q b 7 口m 】2 = q ( 2 - 1 7 ) 分析上式可知，在最佳控制下，输出的方差与延时步数d 有关，即延时步数d 越 大，输出方差越大。因此，在最小方差意义下，可将最佳预报与最佳控制的概念统一 起来，也就是说，最佳预报是指开环系