（控制理论与控制工程专业论文）过程控制系统性能评价研究与实现.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 2 0 2 学科分类号 5 l o 8 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 6 2密级公开 学位授予单位代码 l o o l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名熊晓菲学号 2 0 0 4 0 0 0 4 6 2 获学位专业名称控制理论与控制工程获学位专业代码0 8 1 1 0 1 工业生产过程的优化与 课题来源自选项目研究方向 先进控制 论文题目过程控制系统性能评价研究与实现 关键词p i d ，性能指标，控制器，性能评价，最小方差，自适应滤波器 论文答辩日期2 0 0 7 6 8幸论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师李宏光教授北京化工大学 评阅人1朱群雄教授北京化工大学 评阅人20 7 m 0 6 1 评阅人3 评阅人4 评阅人5 槲诿员蝴朱群雄教授北京化工大学 答辩委员1 刘红岩副教授清华大学 答辩委员2楚纪正教授北京化工大学 答辩委员3 答辩委员4 一答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 3删2 2伽0坩mi舢8 iiii1y 摘要 过程控制系统性能评价研究与实现 摘要 控制系统性能评价是工业过程控制中的重要研究课题，工业应用 结果表明：性能评价技术可以有效提高工业过程的性能。近年来，工 业界对控制系统性能要求的提高极大地推动了控制器性能评价的研 究。 本文着重以h a r r i s 提出的基于最小方差控制的性能评价方法为 基础，提出了使用自适应滤波器的时间序列分析技术，在评价过程中 提出通过训练建立系统输出和噪声的自适应线性系统模型，采用自适 应滤波器来辨识噪声和输出间的a r 模型，在对给定系统进行训练的 过程中，通过不断调整网络权值和阈值，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。 控制系统性能评估的方法主要可以分为两类：确定性和随机性方 法。本文从这两种方法出发，对单回路控制系统，串级控制系统，前 馈一反馈控制系统的最小方差性能评价算法进行了理论研究，并利用 m a t l a b s i m u l i n l ( 对单回路和串级控制回路的确定性能和随机性能进 行了一定的仿真研究。 本文最后将该评价技术应用到实际工业过程控制系统中，对d m f 北京化工大学硕士学位论文 一_ 回收系统中的控制器性能进行了分析，分析结果表明自适应滤波器在 模型辨识中具有一定的实践意义，并且可以作为实际工程中控制器性 能评价软件的开发的一种简单的实现方法。 p r o c e s sc 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 ts t u d ya n dr e a l i z a t i o n a b s t r a c t c o n t r o ll o o pp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ti sai m p o r t a n tr e s e a r c ht a s ki n i n d u s t r y ，t h ep r a c t i c e si n d i c a t e d ：c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n tc a n i m p r o v ep e r f o r m a n c eo fp r o c e s se f f e c t i v e l y i nr e c e n ty e a r s ，h i g hl e v e lo f c o n t r o ll o o pp e r f o r m a n c er e q u i r e dp r o m o t e dt h es t u d yo fc o n t r o l l e r p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t t h i sp a p e ri sb a s eo nt h em i n i m u mv a r i a n c ec o n t r o lp e r f o r m a n c e a s s e s s m e n tm e t h o dw h i c hw a sp r o p o s e db yh a r r i sa n dp r o p o s e dat i m e s e q u e n c ea n a l y s i s t e c h n o l o g y b a s e do n a d a p t i v ef i l t e r d u r i n g p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t ，b u l i d t h ea rm o d e lb e t w e e ns y s t e mo u t p u ta n d t h en o i s ea n dt r a i nt h em o d e lt oa d j u s tt h en e t w o r kc o e f f i c i e n tv a l u et o m a k et h en e t w o r ko u t p u tc a nt r a c kt h es y s t e mi n p u t ，t h e nr e a l i z e dt h e c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t t h e r ea r et w om a i nm e t h o d si nc o n t r o l l o o pp e r f o r m a n c e a s s e s s m e n t - t r a d i t i o n a lm e t h o da n dr a n d o mm e t h o d t h i sp a p e rd i s c u s s e d t h et w ok i n d sp e r f o r m a n c ei n d e i e so fs i n g l el o o pc o n t r o ls y s t e m ，c a s c a d e i i i c o n t r o l s y s t e m ，f e e d f o r w a r d - f e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m a n d u s i n g m a t l a b s i m u l i n kt om a k es o m es i m u l a t i o nr e s e a r c ho f s i n g l ea n d c a s c a d ec o n t r o ls y s t e m s i nt h ee n do ft h ep a p e r ，t a k et h i sk i n do fp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t t e c h n i q u et o t h e i n d u s t r yc o n t r o l s y s t e m ，a n a l y s i st h ec o n t r o l l e r p e r f o r m a n c ei nd m fr e c o v e r ys y s t e m ，t h er e s u l ti n d i c a t e d ，s e l f - a d a p t f i l t e rt e c h n i q u eh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n ti nm o d e li d e n t i f i c a t i o n ，i tw i l l b ea e a s y a n de f f e c t i v em e t h o di n t h e d e v e l o p m e n to fc o n t r o l l e r p 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 ei ni n d u s t r y k e yw o r d s ：p i d ，p e r f o r m a n c ei n d e x ，c o n t r o l l e r ，p e r f o r m a n c e a s s e s s m e n t ，m i n i m u m v a r i a n c e ，a d a p t i v ef i l t e r i v 目录 目录 第一章前言1 1 1 论文研究的目的和意义1 1 2 论文研究的主要内容及工作简述2 1 3 国内外文献综述2 1 3 1 控制器性能评价的发展及现状2 1 3 2 性能评价技术在工业控制领域的应用4 1 4 本章小结5 第二章控制器性能评价方法研究。7 2 1 闭环系统性能评价方法7 2 2 确定性方法7 2 2 1 单回路控制系统9 2 2 2 串级回路控制系统1 0 2 2 3 前馈控制系统1 2 2 3 随机性方法1 4 2 4 控制器性能评价的其他方法1 7 2 5 传统性能指标的优点和不足1 7 2 6 本章小结1 8 第三章基于自适应滤波器的最小方差估计1 9 3 1 典型离散参数模型1 9 3 2 自适应模型的特点与建模方法2 2 3 3 自适应滤波器介绍2 3 3 4 自适应模型及估计的递推算法2 6 3 4 1 最小均方误差准则和基于梯度估计的算法2 6 3 4 2l m s 算法与自适应a r 模型3 0 3 5 本章小结3 2 第四章过程控制回路的控制器性能评价3 3 v 北京化工大学硕士学位论文 4 1 控制器性能评价算法与系统3 3 4 1 1 最小方差准则原理3 4 4 1 2 时间延迟的定义3 7 4 1 3 最小方差性能评价算法及步骤3 9 4 1 3 1 单变量情形3 9 4 1 3 2 多变量情形4 0 4 2 单回路反馈控制系统性能评价4 4 4 2 1 单回路系统性能评价算法4 4 4 2 1 1 最小方差控制的反馈控制不变项【4 9 1 4 6 4 2 1 2f c o r ( f i l t e r i n ga n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ) 算法4 8 4 2 2 仿真分析4 9 4 3 串级控制系统性能评价5 l 4 3 1 串级控制系统简述5 1 4 3 2 串级系统性能评价算法5 2 4 3 3 仿真分析5 3 4 4 前馈一反馈控制系统性能评价5 4 4 4 1 前馈一反馈控制系统简述5 4 4 4 2 前馈一反馈控制系统性能评价算法5 6 4 5 本章小结5 8 第五章控制器性能评价系统的实现5 9 5 1d m f 回收过程及其计算机控制系统! ! 一i 。5 9 5 1 1d m f 回收工业过程5 9 5 1 2 计算机控制系统方案6 0 5 2d m f 回收系统控制器性能评价6 2 5 3 本章小结6 6 第六章结论与展望。6 7 参考文献。6 9 致谢。7 3 研究成果及发表的学术论文7 5 目录 作者与导师简介。7 7 v l i 北京化工大学硕士学位论文 一一 v i i i c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r 1p r e f a c e 1 1 1o b j e c t i v eo f s t u d y i i 2c o n t e n t so f t h er e s e a r c ha n dm a i nt a s ko f s t u d y 2 i 3t h e o r ya n dl i t e r a t u r er e v i e w 2 1 3 1d e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fc o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t 2 1 3 2a p p l a t i o no fp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n tt e c h n o l o g yi ni n d u s t r yf i e l d 4 1 4c o n c l u s i o n s 5 c h a p t e r2c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c e a s s e s s m e n tm e t h o ds t u d y 7 2 1c l o s e d l o o ps y s t e mp e r f o r m a n c e a s s e s s m e n tm e t h o d 7 2 2t r a d i t i o n a lm e t h o d 7 2 2 1s i n g l el o o pc o n t r o ls y s t e m 9 2 2 2c a s c a d el o o pc o n t r o ls y s t e m 1 1 2 2 3f e e d f o r w a r dl o o pc o n t r o ls y s t e m 1 2 2 3r a n d o m i c i t y m e t h o d 1 z i 2 4o t h e r p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n tm e t h o d s 1 7 2 5t h e m e r i ta n ds h o r t c o m i n go f t r a d i t i o n a lp e r f o r m a n c ei n d e x 1 7 2 6c o n c l u s i o n s 1 8 c h a p t e r3m i n i m u m v a r i a n c ea s s e s s m e n tb a s e do na d a p t i v ef i l t e r 19 3 1t y p i c a ld i s c r e t et i m em o d e l 1 9 3 2t h ec h a r a c t e ro fa d a p t i v ea rm o d e la n dm o d e l i n gm e t h o d 2 2 3 3a d a p t i v ef i l t e ri n t r o d u c t i o n 2 3 3 4 a d a p t i v e m o d e la n de s t i m a t ea l g o r i t h m 2 6 3 4 1m i n i m u me q u a le r r o rr u l ea n de s t i m a t ea l g o r i t h m 2 6 3 4 2l m sa l g o r i t h ma n da d a p t i v e a rm o d e l 3 0 3 5c o n c l u s i o n s 3 2 c h a p t e r4c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c e a s s e s s m e n to fc o n t r o ll o o p 3 3 i x 北京化工大学硕士学位论文 4 1c o n 仃o l l e r p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta l g o r i t h ma n ds y s t e m 。3 3 4 1 1m i n i m u mv a r i a n c er u l ep r i n c i p l e 【4 6 1 3 4 4 1 2d e f i n i t i o no f t i m ed e l a y 3 7 4 1 3m i n i m u mv a r i a n c ep e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta l g o r i t h ma n ds t e p 3 9 4 1 3 1u n i v a r i a t ec a s e 3 9 4 1 3 2m u l t i v a r i a t ec a s e 4 0 4 2p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n to f u n i v a r i a t ec o n t r o ll o o p 4 4 4 2 1s i n g l el o o ps y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta l g o r i t h m 。4 4 4 2 1 1m i n i m u mv a r i a n c ec o n t r o lf e e d b a c kc o n t r o li n v a r i a b l ei t e r n 【4 7 】4 6 4 2 1 2f c o r ( f i l t e r i n ga n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ) a l g o r i t h m 4 8 4 2 2s i m u l a t i o na n a l y s i s 4 9 4 3p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n to f c a s c a d ec o n t r o ls y s t e m 5 l 4 3 1c a s c a d es y s t e mi n t r o d u c t i o n 5 l 4 3 2c a s c a d es y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta l g o r i t h m 5 2 4 3 3s i m u l a t i o na n a l y s i s 5 3 4 4f e e d f o r w a r d - f e e d b a c k s y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t 5 4 4 4 1f e e d f o r w a r d - f e e d b a c ks y s t e mi n t r o d u c t i o n 5 4 4 4 2f e e d f o r w a r d f e e d b a c k s y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta l g o r i t h m 5 6 4 5c o n c l u s i o n s 5 8 c h a p t e r5r e a l i z eo f c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ts y s t e m ooo0 0 5 9 5 1d m f r e c o v e r yp r o c e s sa n dt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 5 9 5 1 1d m f r e c o v e r ys y s t e mi n d u s t r y p r o c e s s 5 9 5 1 2c o m p u t e rc o n t r o ls c h e m e 6 0 5 2d m fr e c o v e r ys y s t e mc o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t 6 2 5 3c o n c l u s i o n s 6 6 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 6 7 r e f e r e n c e s 6 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 3 r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dp u b l i c a t i o n s 7 5 x c o n t e n t s a u t h o ra n d p r o f e s s o r b r i e f 7 7 北京化工大学硕士学位论文 一= 二二二二一一 第一章前言 第一章前言 1 1 论文研究的目的和意义 据统计，目前在工业过程控制中普遍采用的p i d 控制回路有6 0 左右存在着性 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器的性能。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 控制器的性能评价很有必要。 如今，尽管有各种各样的控制设计方法，比如厶，皿，玩等，然而关于控制系 统的控制性能的评价方面的技术却探讨的很少，至今还没有引起广大控制系统科研 人员和工程技术人员的充分关注【1 1 。然而，对控制系统的控制性能进行具体分析并 进而给出具体的量化指标，不仅具有极大的现实效益，同时也具备了实现的技术可 能性。 首先，随着工业过程控制系统的规模越来越庞大，一个大型的工业控制系统可 能有成百上千套控制回路，于是对这些控制回路的日常维护已成为现场控制工程师 和技术人员的重要工作内容。如何能够采用一定的技术通过对控制系统的日常运行 情况进行监测、分析，明确地告诉自动系统维护人员每个控制回路的具体工作情况， 以使得工作人员能够有针对性地对性能较差的回路进行重新整定或维修，必将极大 程度减轻工作人员的维护工作量，同时保证整个系统能处于良好的工作状态。 其次，随着d c s 控制系统广泛应用于工业控制领域，“海量”的工业过程运行 数据能够很方便的获得和存储。如何有效利用这些历史数据资源，通过某种技术手 段分析、计算获得有价值的信息，已经成为人们关注的话题。具体到我们的目的， 能否通过对系统运行历史数据的适当分析计算获得反映控制系统的控制性能的指 标，反映控制系统的实际控制情况，无疑具有极大的吸引力1 2 1 。 控制系统性能评价的主要目的就是对控制系统存在的问题提出早期的识别，它 可以实时地指导过程控制工程师和工艺操作人员针对控制性能的潜在问题采取各 种应对措施。缺少有效的控制器性能评价与诊断工具，很可能要在问题暴露之后才 能采取补救措施，因此虽然控制器性能评价与诊断这一领域的理论研究才刚刚起 步，但却倍受工业界的关注。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 论文研究的主要内容及工作简述 本文以最小方差准则为基础，结合时间序列分析技术，对控制器性能评价方法 进行了研究并得出一项可以实用的性能评价技术。本文引入了一个性能系数的概 念，该性能系数定义为控制器能实现的最小方差( 仃2 ) 与系统实际输出y 的方差 ( c r2 ) 的比值，即设i n d e x = 2 仃，2 。当i n d e x 大于某一个数值( 性能系数) 时，说 明控制器的性能好，反之，说明控制器的性能达不到要求；当i n d e x = 1 时，说明控 制器处于最优状态。控制能实现的最小方差指的是控制器在最优的情况下，系统输 出y 的方差。因此，本论文的工作主要围绕性能系数展开。 全文共分为七章，主要的工作和研究内容为： 第一章为前言，介绍了课题背景，国内外研究现状以及本文的内容结构。 第二章为控制器性能评价方法研究，主要介绍了两种比较常见的闭环控制系统 的性能评价方法：确定性方法和随机性方法，并针对确定性方法而言，对单回路， 串级回路和前馈控制回路进行了确定性性能评价，最后结合上述分析，简要说明了 传统性能指标的优缺点以及其他性能评价方法。 第三章为基于自适应滤波器的最小方差估计，主要介绍了以最小方差准则为基 础的自适应滤波器的时间序列分析技术。 第四章为过程控制回路的控制器性能评价，主要介绍了最小方差性能评价方法 ( 随机性方法) 的原理及在单回路，串级回路以及前馈回路中的具体算法研究，最 后结合自适应滤波器的时间序列分析方法，对单回路，串级回路以及前馈控制系统 进行了性能评价的仿真分析。 第五章为控制器性能评价系统的实现，在第四章仿真研究的基础上，将最小方 差性能评价方法应用于d m f 回收控制系统，对系统中的液位控制回路以及流量控制 回路进行性能评价，以在工业背景下进行实验。 第六章为结论与展望，对本文完成的内容进行了总结，并对今后的研究提出了 意见和想法。 1 3 国内外文献综述 1 3 1 控制器性能评价的发展及现状 目前国内在控制系统性能评价领域尚处于起步阶段，研究成果主要来自国外。 2 第一章前言 工业界对控制系统性能要求的提高极大地推动了控制器性能评价和诊断的研 究。a s t r o m t 3 l ( 1 9 7 0 ) ，h a r r i s 4 】( 1 9 8 9 ) ，s t a n f e l j p 】( 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指标。其中，具有里程碑意义的贡献 是，h a r r i s 4 l 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实际系统进行评估。h a r r i s 的这项 贡献之所以具有里程碑意义是因为它为控制性能评价领域标出了研究的方向和框 架。后来，d e s b o r o u g h 和h a r r i s 6 】( 1 9 9 2 ) 又提出另一种相关的性能评价统计指标， 被称为正规化性能指标。k o z u b 和g a r c i a t 7 】( 1 9 9 3 ，1 9 9 7 ) 也提出一种性能评价指 标，称为闭环潜能指标( c l p ，c l o s e dl o o pp o t e n t i a l ) 。l y n c h 和d u m o n t f 8 】 ( 1 9 9 6 ) ，d e s b o r o u g h 和h a r r i s 9 】( 1 9 9 4 ) ，j o f r i e t 和b i a l k o w s k iu o ( 1 9 9 6 ) 等人先 后将性能评价技术应用到纸浆和造纸工业。e r r i k s s o 和i s a k s s o n l l l l ( 1 9 9 4 ) ， r h i n e h a r t0 2 1 ( 1 9 9 5 ) ，h a g g l u n d t 3 l ( 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 if 1 5 】 ( 1 9 9 5 ) 等人先h u a n g 和h a r r i s 1 6 l ( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 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。k e s a v a n 和l e e 1 7 】( 1 9 9 7 ) 又针 对多变量模型预测控制系统提出了一个控制性能诊断工具。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。 而今控制器性能评价与诊断的理论研究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( m v c ) 性能评价方法的推广和完善 自h a r r i s 4 l 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以来，最近几年，d e s b o r o u g h 和h a r r i s 6 1 ，k o z u b 和 g a r c i a 7 1 ，等都类似地在基于最小方差准则的基础上，利用统计方法提出了无量纲 的性能指标。l y n c h 和d u m o n t 【8 1 将类似的思想应用到监控一个纸浆生产过程上。 t y l e r 和m o r a r i 【l8 】把类似的思想扩充到单输入单输出的非最小相位和有不稳定极 点的情况。e r i k s s o n 和i s a k s s o n 1 1 l ，r h i n e h a r t 1 2 1 ，m i a o 和s e b o r g 【1 4 】，t y l e r 和 m o r a r i 1 5 1 建议出于实际考虑使用一种可替代的性能指标方案h u a n g 1 6 1 把当前的工 作推广到多输入多输出控制器的性能评价，并包括非最小相位的情况。k o 和 e d g a r 【1 9 l 提出了一种在随机负荷扰动情况下p i 控制器性能的评价方法。k o 和 e d g a r 2 伽把最小方差准则应用到串级控制回路中。t h o r n h i l l 等【2 1 l 将这一思想应用 到对控制系统设定点跟踪的性能评价中，针对的是单输入单输出控制回路。 k o z u b 2 2 1 从实践的角度论述了基于m v c 性能评价方法的工程应用经验。q i n i 2 3 1 在总 结前人研究成果的基础上探讨了随机最优性能( 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。杨马英【2 4 1 对模型预测控制器的性能监视与评价的必 3 北京化工大学硕士学位论文 要性、核心内容及工程应用问题等进行了综述。 ( 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，主要指如衰减比( 及衰减率) 、最大 动态偏差( 及超调量) 、残余偏差、调节时间( 及振荡频率) 等动态响应指标。最近， s w a n d a 和s e b o r g 【2 4 】提出用设定点响应数据来估计标量的性能指标。标量选用的是 调节时间和误差的绝对积分时间( i a e ) 。为了获得无量纲性能指标，选用每个标量 性能指标的边界来定义性能等级。h u a n g 和s h a h 2 5 l 借助于用户定义的特定闭环动 态特性，如调节时间、超调量等提出了一种相对于基准的实际控制回路性能评价技 术。c h i u 2 6 1 提出了一种基于最大闭环对数指标丘。，的监控方法。w a n g 和c h i u t 2 7 l 在 此基础上进一步提出用设定点变化代替延时反馈的测试方法，并针对误差信号利用 快速傅立叶变换为基础的频率响应辨识技术从频率信息中计算出t ，k a m m e r 等 1 2 8 1 针对需完成闭环测试的线性二次型( l q ) 性能评价提出了无模型方法。 ( 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器的性能，而是从控制器性能 变化可能导致的结果中判断控制器的性能是否满足需要。h a g g l u n d 1 3 1 提出了一种诊 断控制回路振荡的方法。这些振荡可能是由于执行机构中的静摩擦和控制器整定较 差等原因造成的。m i a o 2 9 , 3 0 1 利用求被控变量自相关函数的方法来发现控制回路的振 荡。h a g g l u n d 3 u 提出了一种监测控制回路响应迟钝的方法。a l e x a n d e r 3 2 1 提出了一 种针对p i 控制器的振荡原因的分析方法，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。成成和黄道m 1 基于p e a 模型，综合 利用护检验值、q 检验值和故障补偿法等集成化主元分析( i p c a ) 方法对系统的工况 故障和仪表故障进行检测和分离，并对仪表故障进行补偿马智明和阳宪惠【3 4 1 提出 采用主元分析的方法来诊断过程故障。 1 3 2 性能评价技术在工业控制领域的应用 近年来，控制器性能评价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，同时基于控制器性能评价的控制器性能监控技术的商品化软件也已经 面世。 k o z u b 2 2 1 将m v 基准用于精馏过程的性能评价。l y n c h 和d u m o u n t 3 5 1 则用 l a g u e r r e 序列模型来进行时间序列模型分析并作为过程时滞估计器，他们将m v 基 准用于造纸工业中的纸浆蒸煮过程控制的性能评价。v i s h n u b h o t l a 等【3 6 l 给出了前 馈和反馈控制性能监控在三个精馏塔中的应用。 4 第一章前言 j o f r i e t 和b i a l k o w s k i 【3 7 1 和h a r r i se 卅等分别报导了性能监控在整个装置控制 器中的应用。他们采用m v 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。t h r o n h i l l 等【3 8 】则报导了安装在炼油厂的装置级控制回路 性能评价的应用。在多变量控制器性能监控应用方面，h u a n g t 3 9 】等分别将其应用于 2 2 工业吸收过程和一个2 2 纸机过程。h a r r i s 等【钟1 将多变数m v 基准用于一个 2 2 分精馏塔和一个3 3 精馏塔。 在软件市场上可以看到很多商业的性能监控软件，如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、m a t r i k o n 公司的p r o c e s sd o c t o r 软件、h o n e y w e l l 公司的l o o ps c o u t 软件、a b b 公司的l o o po p t i m i z e rs u i t e 软件及a s p e n t e c h 公 司的a s p e n t e c h 软件等。它们采用的性能评价的方法是以m v c 基准、各种确定性指 标为基础的。这些软件使控制工程师们非常容易地获得控制器的各种性能指标，对 整个控制回路进行全面的监控，弗且无需对控制回路进行测试。 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 量控制环，并提供控制器性能评价指标，它可以监控出过程设备、仪表以及控制 设备出现的问题：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，并以标准化查询语言( s q l ) 存储在数据库中。用户可以通过企 业互联网得到各种类型的报表，来跟踪过程数据的变化趋势。它以每2 4 小时为周 期从历史数据中抽取一部分数据进行处理，处理的结果以图形的和数值的形式给 出，这包括：过程变量和输出之间的关系曲线、过程变量的自相关分析，时滞的预 测、功率谱等。这些有价值的数据图形可以在故障发生时，帮助工程是确定故障的 原因及故障持续的时间，来调整相应的设备，避免经济上的损失。 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，概述了控制器性能，控 制系统性能评价的任务和当前面临的主要问题，并介绍了当前国内外的研究现状以 及性能评价技术在工业控制领域中的应用，最后简要的介绍了本文的研究内容和章 节安排。 北京化工大学硕士学位论文 一 6 第二章控制器性能评价方法研究 第二章控制器性能评价方法研究 2 1 闭环系统性能评价方法 要评价和讨论一个控制系统性能的优劣，就必须建立某些统一的衡量标准。采 取什么样的指标作为衡量标准是根据具体情况和要求而定的。选择。悼i - t 厶匕i 北指标时，既 要考虑到对系统性能做出正确评价，又要考虑到数学上容易处理及工程上便于实 现。 对于控制器的性能评估的方法主要可以分为两类：确定性和随机性方法。这也 是目前比较流行的两种控制器性能评价的方法。 2 2 确定性方法 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。确