設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，在閉環(huán)辨識(shí)中選用設(shè)定值激勵(lì)梯形波信號(hào)，并對(duì)梯形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行整定，其中整定的梯形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)參數(shù)包括梯形波斜坡寬度、梯形波坡頂寬度和梯形波斜坡坡度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明盡可能地提高辨識(shí)信號(hào)的信噪比，從而有效提高過程模型的辨識(shí)準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及連續(xù)過程閉環(huán)辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)技術(shù)，尤其是涉及一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨 識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 閉環(huán)辨識(shí)方法被認(rèn)為是更適合工程應(yīng)用的方法，因?yàn)樗梢栽诓恢袛嗌a(chǎn)的條件 下實(shí)施，并且更容易保證生產(chǎn)安全。但是，閉環(huán)辨識(shí)方法的工程實(shí)踐中存在著激勵(lì)信號(hào)的施 加問題。閉環(huán)辨識(shí)中傳統(tǒng)的和常用的激勵(lì)信號(hào)是偽隨機(jī)信號(hào)。在實(shí)際工程實(shí)施中，需要有偽 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，需要較專業(yè)技術(shù)人員提供技術(shù)支持，常出現(xiàn)一些激勵(lì)強(qiáng)度把握不當(dāng)?shù)膶?shí) 施困難。因此需要開發(fā)更簡(jiǎn)單和更便于實(shí)施的辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)。
[0003] 閉環(huán)辨識(shí)過程中，將辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)施加在設(shè)定值處并且直接檢測(cè)被控過程的輸入 和輸出，是一種可行的直接辨識(shí)方案。若不采用偽隨機(jī)信號(hào)作為辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)，而是采用更 容易實(shí)現(xiàn)的方波、三角波或梯形波信號(hào)，這在理論分析上是完全可行的。對(duì)于常見的恒值控 制系統(tǒng)，短期內(nèi)疊加方波、三角波或梯形波這樣的辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)，不會(huì)長(zhǎng)期改變?cè)ǖ脑O(shè)定 值，也就不會(huì)影響生產(chǎn)運(yùn)行控制要求。此外，為了保證辨識(shí)激勵(lì)擾動(dòng)引起的過程輸出波動(dòng)不 超安全上限值，還應(yīng)該預(yù)設(shè)所疊加方波、三角波或梯形波的波動(dòng)方向正好使過程輸出的波 動(dòng)方向背離安全上限。
[0004] 過程模型辨識(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一是激勵(lì)信號(hào)的適度施加。從提高信噪比以提高過程 模型辨識(shí)準(zhǔn)確性的角度看，激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度越大越好，但是過強(qiáng)的激勵(lì)信號(hào)將帶來過程輸出 的大幅波動(dòng)，會(huì)降低生產(chǎn)運(yùn)行質(zhì)量，甚至危及生產(chǎn)安全。而過弱的激勵(lì)信號(hào)將使被辨識(shí)過程 的響應(yīng)變化太小，以至于信噪比太低而導(dǎo)致辨識(shí)計(jì)算失敗。因此，若采用方波、三角波或梯 形波信號(hào)的激勵(lì)信號(hào)，就需要解決激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)整定問題。適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)強(qiáng)度肯定與 被辨識(shí)過程的特性相關(guān)，所以適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)參數(shù)只能通過整定試驗(yàn)來確定。
[0005] 對(duì)于具體的被控過程，往往存在具體的物理約束。比如某被控過程的輸入量的最 大值有限制，最小值也有限制;甚至輸入量的變化速率也有限制。如果控制器的輸出超過了 具體的限制，那么就會(huì)使限幅器之類的環(huán)節(jié)起作用。這樣，所不希望的非線性特性就被激發(fā) 出來，這也會(huì)造成過程模型的辨識(shí)誤差。因此希望通過所施加的激勵(lì)信號(hào)約束避免被控過 程的非線性特性的激勵(lì)。若不考慮輸入量的變化速率限制條件，方波激勵(lì)信號(hào)就可滿足要 求。可用方波的波寬參數(shù)調(diào)整滿足被控過程輸入量在最大值和最小值之間。若考慮輸入量 的變化速率限制條件，方波激勵(lì)信號(hào)不可用，而選用三角波或梯形波信號(hào)就可以有效控制 被控過程輸入量的變化速率不超限。若是生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)設(shè)定值的變化幅度有限制，例如每次 改變不能超過10%，那么選用三角波信號(hào)也可能激勵(lì)強(qiáng)度不夠。為此，選用梯形波信號(hào)的通 用性更強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種設(shè)定值激勵(lì)閉 環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特征在于，在閉環(huán)辨識(shí) 中選用設(shè)定值激勵(lì)梯形波信號(hào)，并對(duì)梯形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行整定，其中整定的梯 形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)參數(shù)包括梯形波斜坡寬度、梯形波坡頂寬度和梯形波斜坡坡度。
[0009] 該方法具體包括以下步驟：
[0010] 1)定義梯形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)函數(shù)
[0012] 式中，參數(shù)a為梯形波斜坡寬度，與梯形波坡頂高度成正比；參數(shù)b為梯形波坡頂寬 度;參數(shù)k為梯形波斜坡坡度；
[0013] 2)分別與參數(shù)a、b和k進(jìn)行整定。
[0014] 所述的參數(shù)a整定過程如下：
[0015]假設(shè)參數(shù)k已經(jīng)確定，參數(shù)a的確定取決于生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)設(shè)定值的變化幅度的限制許 可，設(shè)定值的變化幅度的限制是每次運(yùn)行操作不能超過設(shè)定值滿量程的x%，那么有
[0017]式中，rmax是設(shè)定值的滿量程值。
[0018] 所述的參數(shù)b整定過程如下：
[0019] 參數(shù)b決定了梯形波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，即梯形波信號(hào)的能量強(qiáng)度;參數(shù)b越大，則被 控過程的輸入的能量強(qiáng)度越大；
[0020] 當(dāng)實(shí)際過程的噪聲較大時(shí)，辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度需要足夠大到使其激勵(lì)的辨識(shí)響 應(yīng)不被噪聲所淹沒，以確保被辨識(shí)模型準(zhǔn)確辨識(shí)。但是，參數(shù)b太大則對(duì)辨識(shí)準(zhǔn)確已無影響， 反而延長(zhǎng)了辨識(shí)對(duì)正常閉環(huán)控制的干擾時(shí)間。
[0021 ]所述的參數(shù)b的數(shù)值需要通過試湊試驗(yàn)來確定。
[0022] 所述的參數(shù)k整定過程如下：
[0023] 1)確定參數(shù)k的符號(hào)，若過程輸出量的安全限值是高于設(shè)定值，那么參數(shù)k的符號(hào) 取負(fù)號(hào)，即使辨識(shí)激勵(lì)造成的輸出波動(dòng)背離安全限值;否則，k的符號(hào)取正號(hào)；
[0024] 2)整定參數(shù)k的數(shù)值，通過參數(shù)k的試湊試驗(yàn)確定，只要觀察到控制器的輸出量的 變化速率滿足變化速率高限值要求并且控制量的最大最小值均在預(yù)定限值以內(nèi)即可。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明從實(shí)際工程實(shí)施需求出發(fā)，在保障生產(chǎn)運(yùn)行安全的前提 下，盡可能地提高辨識(shí)信號(hào)的信噪比，從而有效提高過程模型的辨識(shí)準(zhǔn)確性;用該方法整定 的設(shè)定值激勵(lì)梯形波信號(hào)可確保閉環(huán)辨識(shí)激勵(lì)下的過程控制量既不超過最大最小限值又 不超過速率變化高限值。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027] 針對(duì)某電阻爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，假設(shè)待辨識(shí)過程的實(shí)際模型為
[0029]假設(shè)控制器的模型為
[0031]假設(shè)進(jìn)行梯形波設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)試驗(yàn)時(shí)需要試驗(yàn)整定梯形波信號(hào)參數(shù)。
[0032] 按照梯形波斜坡坡度參數(shù)k的整定原則，考慮過程輸出量是爐溫，其安全限值應(yīng)該 是高于設(shè)定值，那么參數(shù)k的符號(hào)取負(fù)號(hào)。再考慮電阻爐的設(shè)備壽命，電加熱的最高速率應(yīng) 有限制但沒有具體規(guī)定限值。不妨取
[0033] k = 5
[0034] 按照梯形波斜坡寬度參數(shù)a的整定原則，假定設(shè)定值的變化幅度的限制不能超過 滿量程(設(shè)rmax = 1 〇〇〇)的1 〇 %，則有
[0036] 按照梯形波坡頂寬度參數(shù)b的整定原則，通過參數(shù)b的試湊試驗(yàn)，可取
[0037] b = 30
[0038] 在有噪聲的梯形波設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)仿真試驗(yàn)下，可獲得600點(diǎn)過程輸出響應(yīng) {yi(k)，k=l，2，".，600}、輸入數(shù)據(jù){ui(k)，k=l 義…，600}。
[0039]利用粒子群(PS0)辨識(shí)程序可得到的辨識(shí)模型為
[0041] 可見，所辨識(shí)模型的參數(shù)與原模型G(s)的參數(shù)非常接近，證明所應(yīng)用的設(shè)定 值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法在有噪聲的閉環(huán)辨識(shí)中確保了模型辨識(shí)的準(zhǔn) 確性。
[0042] 若不按照設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法隨意選取梯形波信號(hào) 參數(shù)，例如選取參數(shù)為
[0043] k = l
[0044] a = l
[0045] b = l
[0046] 則在有噪聲的梯形波設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)仿真試驗(yàn)下，可獲得600點(diǎn)過程輸出響 應(yīng){y2(k)，k=l，2,…，600}、輸入數(shù)據(jù){u 2(k)，k=l，2,…，800}。
[0047]利用粒子群(PS0)辨識(shí)程序可得到的辨識(shí)模型為
[0049]對(duì)比上述兩種情況下辨識(shí)得到的模型和堯(幻的參數(shù)可知，本發(fā)明提出的設(shè) 定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法是十分有效的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特征在于，在閉環(huán)辨識(shí)中 選用設(shè)定值激勵(lì)梯形波信號(hào)，并對(duì)梯形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行整定，其中整定的梯形 波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)參數(shù)包括梯形波斜坡寬度、梯形波坡頂寬度和梯形波斜坡坡度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特 征在于，該方法具體包括以下步驟： 1) 定義梯形波設(shè)定值激勵(lì)信號(hào)函數(shù)式中，參數(shù)a為梯形波斜坡寬度，與梯形波坡頂高度成正比；參數(shù)b為梯形波坡頂寬度； 參數(shù)k為梯形波斜坡坡度； 2) 分別與參數(shù)a、b和k進(jìn)行整定。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)a整定過程如下： 假設(shè)參數(shù)k已經(jīng)確定，參數(shù)a的確定取決于生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)設(shè)定值的變化幅度的限制許可， 設(shè)定值的變化幅度的限制是每次運(yùn)行操作不能超過設(shè)定值滿量程的x%，那么有式中，rmax是設(shè)定值的滿量程值。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)b整定過程如下： 參數(shù)b決定了梯形波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，即梯形波信號(hào)的能量強(qiáng)度;參數(shù)b越大，則被控過 程的輸入的能量強(qiáng)度越大； 當(dāng)實(shí)際過程的噪聲較大時(shí)，辨識(shí)激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度需要足夠大到使其激勵(lì)的辨識(shí)響應(yīng)不 被噪聲所淹沒，以確保被辨識(shí)模型準(zhǔn)確辨識(shí)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)b的數(shù)值需要通過試湊試驗(yàn)來確定。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種設(shè)定值激勵(lì)閉環(huán)辨識(shí)的梯形波信號(hào)參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)k整定過程如下： 1) 確定參數(shù)k的符號(hào)，若過程輸出量的安全限值是高于設(shè)定值，那么參數(shù)k的符號(hào)取負(fù) 號(hào)，即使辨識(shí)激勵(lì)造成的輸出波動(dòng)背離安全限值;否則，k的符號(hào)取正號(hào)； 2) 整定參數(shù)k的數(shù)值，通過參數(shù)k的試湊試驗(yàn)確定，只要觀察到控制器的輸出量的變化 速率滿足變化速率高限值要求并且控制量的最大最小值均在預(yù)定限值以內(nèi)即可。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK106054600SQ201610369507
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】楊平, 陳歡樂, 余潔, 歸數(shù), 歸一數(shù), 李芹, 王念龍, 袁晗, 王松, 徐春梅, 程際云, 于會(huì)群, 吳周晶, 康英偉
【申請(qǐng)人】上海電力學(xué)院, 上海明華電力技術(shù)工程有限公司