CN102636341B - 一种基于波形拟合的迟滞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波形拟合的迟滞检测方法，包括以下步骤：对控制器输出的OP波形进行归一分割整合求均值；将求得的均值与三角波形和正弦波形相拟合的程度来判断调节阀是否存在迟滞；如果求得的均值与三角波形拟合的程度高，说明调节阀存在迟滞；如果求得的均值与正弦波形拟合的程度高，说明回路振荡是由外部扰动造成的。本发明采样方便，符合实际工业的仪表操作，采用分割拟合可以克服整体拟合误差大的缺点，同时能在一定单位刻度标准下量化迟滞，实际工业应用体现了较大的可操作性和推广使用的可能性。

Description

一种基于波形拟合的迟滞检测方法

技术领域

本发明涉及过程控制技术领域，特别是涉及一种基于波形拟合的迟滞检测方法，用于检测调节阀是否存在迟滞，并对其进行量化处理。

背景技术

振荡是控制回路中普遍存在的现象，而迟滞是造成控制系统振荡的重要原因，同时也是控制阀门中最普遍，最难被克服的问题之一。及时准确地确定存在迟滞的回路对确保产品的高质量和低消耗有着重要的意义，所以对影响控制回路性能的阀门迟滞的研究无论在技术应用上还是在经济效益上都是大有裨益的。几种主流的迟滞检测方法在实际工业中有利有弊，很难精确地甄别使用，主要存在如下问题：

·Horch在1999年提出的基于控制器输出与过程输出相互关系的迟滞检测方法，主要适用于流量控制回路，不能应用于有积分或是有压缩媒介的控制回路，且存在一个迟滞判断的灰色区域。

·Horch在2000年提出的利用过程变量PV的微分柱状图来分析迟滞的检测方法，对噪音的影响非常敏感，不同的系统有着不同的噪音特性，很难选择一个合适而又万能的滤波系统。

·Rossi等人提出的基于对控制器输出OP，阀门位置MV和过程变量PV形状的观察来分析迟滞的方法，其精髓在于曲线拟合，但是笼统的曲线整体拟合在实际执行中比较困难，且拟合的误差较大。

·Singhal等人提出的基于数据时间趋势的定型图形状的迟滞检测方法，其形状经常由于噪音或干扰的存在而被扭曲，在实际应用中，数据时间趋势的图形形状又受制于过程及控制器。

·Stenman等人提出的基于分割法来检测控制阀门中迟滞的模型，该方法需要知道过程模型以及一些整定参数，在使用时需要从日常操作数据中获取过程的闭环回路模型。

·Choudhury等人提出的基于高阶统计的调节阀迟滞检测方法，可使用日常操作数据来量化迟滞，但是该方法计算较为复杂，对数学应用要求较多，另外由于其信号生成的OP-PV图对一些参数比较敏感，容易影响结果的准确性。

正是由于迟滞检测方法都存在着各自的局限性，运用现有的检测方法，难以达到令人满意的检测品质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于波形拟合的迟滞检测方法，使得拟合误差减小，满足工业应用要求，快速准确地寻找存在迟滞的控制回路，确保产品的高质量和低能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于波形拟合的迟滞检测方法，包括以下步骤：

（1）对控制器输出的OP波形进行归一分割整合求均值；

（2）将求得的均值与三角波形和正弦波形相拟合的程度来判断调节阀是否存在迟滞；如果求得的均值与三角波形拟合的程度高，说明调节阀存在迟滞；如果求得的均值与正弦波形拟合的程度高，说明回路振荡是由外部扰动造成的。

所述步骤（1）中包括以下子步骤：

（1.1）在一段时间内对控制器输出的OP值进行采样，并计算各个采样值与OP均值之差，即对数据进行基准值归一；

（1.2）求出基准值归一之后波形的波峰数，随之确定分割波的个数以及每个分割波的采样值个数；

（1.3）将分割后的所有波形横坐标刻度归一后置于同一坐标系中，求出各时刻的均值。

所述步骤（2）中判断调节阀是否存在迟滞规定了三个迟滞判据：迟滞判据SI0为拟合正弦波形的误差平方和与拟合三角波形的误差平方和之比；迟滞判据SI1为拟合正弦波形的复相关系数与拟合三角波形的复相关系数之比；迟滞判据SI2为拟合三角波形的误差平方和；其中，迟滞判据SI1为迟滞判据SI0的辅助判据，当迟滞判据SI0>1，迟滞判据SI1<1时，调节阀存在迟滞；迟滞判据SI2越小说明迟滞越大；当迟滞判据SI0<1，迟滞判据SI1>1时，调节阀不存在迟滞。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明解决了笼统的曲线整体拟合误差大的难题，通过新定义的迟滞判据，可以一目了然的判断调节阀中是否存在迟滞，能在一定单位刻度标准下量化迟滞，克服干扰能力强，检测精度提高，检测过程完全自动，做到一键操作，在工业应用中有推广使用的条件。

附图说明

图1是基于系统辨识模型的迟滞检测框图；

图2是控制器输出OP归一分割整合求均值图；

图3是控制器输出OP在处理后的拟合图，图3A为与正弦波形拟合图，图3B为与三角波形拟合图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于波形拟合的迟滞检测方法，图1所示的是基于系统辨识模型的迟滞检测框图，该方法具体包括以下步骤：

（1）对控制器输出的OP波形进行归一分割整合求均值，该步骤具体包括以下子步骤：

（1.1）在一段时间内对控制器输出的OP值进行采样，并计算各个采样值与OP均值之差，即对数据进行基准值归一；

（1.2）求出基准值归一之后波形的波峰数，随之确定分割波的个数以及每个分割波的采样值个数；

（1.3）将分割后的所有波形横坐标刻度归一后置于同一坐标系中（见图2），求出各时刻的均值。

（2）将求得的均值与三角波形和正弦波形相拟合的程度（见图3）来判断调节阀是否存在迟滞；如果求得的均值与三角波形拟合的程度高，说明调节阀存在迟滞；如果求得的均值与正弦波形拟合的程度高，说明回路振荡是由外部扰动造成的。

其中，判断调节阀是否存在迟滞规定了三个迟滞判据：迟滞判据SI0为拟合正弦波形的误差平方和与拟合三角波形的误差平方和之比；迟滞判据SI1为拟合正弦波形的复相关系数与拟合三角波形的复相关系数之比；迟滞判据SI2为拟合三角波形的误差平方和；其中，迟滞判据SI1为迟滞判据SI0的辅助判据，当迟滞判据SI0>1，迟滞判据SI1<1时，调节阀存在迟滞；迟滞判据SI2越小说明迟滞越大；当迟滞判据SI0<1，迟滞判据SI1>1时，调节阀不存在迟滞。

搭建基于系统辨识的先进迟滞模型的控制回路，改变各项参数多次仿真，检测效果不俗，继而将其推广到实际工业的回路中，对某建筑工程的各控制回路进行仿真。迄今为止，运用本方法已经对超过500个的控制回路进行了仿真，实际应用效果如下：

1.检测过程完全自动，做到一键操作；

2.克服干扰能力强，检测精度提高，能准确确定回路是否存在迟滞；

3.通过对迟滞的量化，可以定性的判断迟滞的大小；

4.对连续和离散的波形均具有良好的检测效果。

不难发现，本发明以研究阀门迟滞的机理为基础，结合实际工业应用的仿真，着重于分析研究控制器输出OP的波形，比之直观的中间值阀门位置MV，其波形的数据采样过程更符合工业实际操作。采用分割拟合克服了笼统的整体拟合误差大的缺点，同时借鉴提出“迟滞判据”这一概念，在检测迟滞存在与否的同时，将其大小进行量化处理。

Claims (1)

1.一种基于波形拟合的迟滞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对控制器输出的OP波形进行归一分割整合求均值；所述步骤（1）中包括以下子步骤：

（1.1）在一段时间内对控制器输出的OP值进行采样，并计算各个采样值与OP均值之差，即对数据进行基准值归一；

（1.2）求出基准值归一之后波形的波峰数，随之确定分割波的个数以及每个分割波的采样值个数；

（1.3）将分割后的所有波形横坐标刻度归一后置于同一坐标系中，求出各时刻的均值；

（2）将求得的均值与三角波形和正弦波形相拟合的程度来判断调节阀是否存在迟滞；如果求得的均值与三角波形拟合的程度高，说明调节阀存在迟滞；如果求得的均值与正弦波形拟合的程度高，说明回路振荡是由外部扰动造成的；其中，判断调节阀是否存在迟滞规定了三个迟滞判据：迟滞判据SI0为拟合正弦波形的误差平方和与拟合三角波形的误差平方和之比；迟滞判据SI1为拟合正弦波形的复相关系数与拟合三角波形的复相关系数之比；迟滞判据SI2为拟合三角波形的误差平方和；其中，迟滞判据SI1为迟滞判据SI0的辅助判据，当迟滞判据SI0>1，迟滞判据SI1<1时，调节阀存在迟滞；迟滞判据SI2越小说明迟滞越大；当迟滞判据SI0<1，迟滞判据SI1>1时，调节阀不存在迟滞。