CN103513648B - 控制系统的性能测试方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制系统的性能测试方法和系统，所述方法包括：获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区；若存在，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，若不存在，则不更改该对输入-输出数据；通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取各数据输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。本发明的控制系统的性能测试方法和系统，可根据各个控制回路的性能指标，更加准确、快速地判断控制性能的好坏。
Description
技术领域
本发明涉及控制系统技术领域，特别是涉及一种控制系统的性能测试方法和系统。
背景技术
目前的控制工程领域，如何基于智能设备实现控制系统的控制性能测试是控制工程领域的重要课题。在工程实践中，应用较广泛的是基于最小方差的性能测试方法。在控制系统中，为防止执行机构因频繁动作而损坏，在控制器中常常置有人工设置的死区。但是，上述测试方法并没有考虑到控制器中人工设置的死区这个影响因素，无法消除死区对测试结果的影响，。因此，在这类情况下，基于最小方差的性能测试方法的测试结果无法正确反映控制器的控制性能，无法区别死区与控制器故障等因素，不能有效判断回路是否正常工作，降低了控制性能的评判结果的准确率。
发明内容
基于此，有必要针对上述控制系统的性能测试方法无法消除死区对测试结果的影响，使其与控制器故障等因素混淆，导致评判结果的准确率低的问题，提供一种控制系统的性能测试方法和系统。
一种控制系统的性能测试方法，包括以下步骤：
获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区；
若存在，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，若不存在，则不更改该对输入-输出数据；
通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取各数据输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。
一种控制系统的性能测试系统，包括：
第一判断单元，用于获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区；
校正单元，用于在与该对输入-输出数据对应的控制回路中存在预设的死区时，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，不存在时，不更改该对输入-输出数据；
获取单元，用于通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取各数据输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。
本发明所述的控制系统的性能测试方法和系统，通过分析与各对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区，进而找出与存在预设的死区的控制回路对应的输入-输出数据中数据误差在死区范围内的数据，并在将该数据对应修改为目标值后，通过分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，可在消除控制器死区的影响下，根据各个控制回路的性能指标，更加准确、快速地判断控制系统控制性能的好坏。
附图说明
图1是本发明控制系统的性能测试方法第一实施方式的流程示意图；
图2是本发明控制系统的性能测试方法第二实施方式的流程示意图；
图3是本发明控制系统的性能测试方法第三实施方式的流程示意图；
图4是本发明控制系统的性能测试系统第一实施方式的结构示意图；
图5是本发明控制系统的性能测试系统第三实施方式的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明控制系统的性能测试方法第一实施方式的流程示意图。
本实施方式的所述控制系统的性能测试方法包括以下步骤：
步骤101，获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区。
步骤102，若存在，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，若不存在，则不更改该对输入-输出数据。
步骤103，通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取各数据输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。
本发明所述的控制系统的性能测试方法，通过分析与各对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区，进而找出与存在预设的死区的控制回路对应的输入-输出数据中数据误差在死区范围内的数据，并在将该数据对应修改为目标值后，通过分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，可在消除控制器死区的影响下，根据各个控制回路的性能指标，更加准确、快速地判断控制系统控制性能的好坏。
其中，对于步骤101，所述预设的死区是为防止控制系统因频繁执行控制动作而损坏，在控制器中人工设置的死区。优选地，本领域技术人员会提前记录控制器中设置的死区的位置和相关性质。因此，可根据提前记录的死区的位置判断各控制回路中是否存在预设的死区。
进一步地，本领域技术人员还可通过分析每对输入-输出数据的数据变化曲线进行分析获知对应回路中是否存在预设的死区。
优选地，所述获取的数据段可包括100～10000对输入-输出数据，或所述获取的数据段位控制系统运行时间为3～5倍调节时间的时段内的运行数据。在获取所述数据段时，数据段上参考信号为常值，而且被控输出的动态收敛过程已经结束，则进入控制系统的平稳运行阶段。
在一个实施例中，本实施方式所述控制系统的性能测试方法，在执行所述获取控制系统平稳运行时的数据段的步骤之前，还包括以下步骤：
步骤1011，判断所述控制系统的各输入数据与各输出数据间的对应关系是否为一一对应，若是，则将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入-输出数据。
步骤1012，若否，则根据所述控制系统中控制器设定的各输入数据与各输出数据间的一一对应关系，将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入输出数据。
其中，对于步骤1011，可根据控制系统中各设备的系统结构及物理意义，确定输入、输出通道的个数，判断输入数据与输出数据间的一一对应关系。
对于步骤1012，在确定出的输入数据与输出数据间的对应方式不止一种时，以控制器设计时选用的方式为准确定输入数据与输出数据间的一一对应关系。
在另一个实施例中，所述获取控制系统平稳运行时的数据段的步骤包括以下步骤：
判断所述控制系统的控制器是否预设有静态解耦操作，若有，则根据所述静态解耦操作确定的一一对应关系获取所述数据段中每对输入-输出数据中的输入数据。
其中，对于所述静态解耦操作，优选地为：在一个多输入与多输出的控制系统中，如果其状态空间表达式的传递函数矩阵不是对角矩阵，那这个系统就存在着耦合，理论上使输出与输入为一一对应关系。
对于步骤102，可通过所述输出数据，一一比对各数据的误差值找到误差值在死区范围内的数据点。由于死区造成的误差往往具有较强的规律性，还可通过查看所述输出数据的变化曲线找到误差值在死区范围内的数据点。所述目标值可使各数据的误差为0。
在一个实施例中，将误差值在死区范围内的数据点直接修改为目标值，虽然是一个非常简洁的操作环节，但是会产生非常明显的作用。
如，在火电机组（DCS）运行记录中，以功率调节经典三项控制（PID）为输入，目标负荷为输出，选取前110个采样数据中的平稳段，进行随机指标评价。若采取传统的性能测试方法（如基于最小方差的性能测试方法），计算结果为0.1左右，非常接近0，判断为控制回路运转异常。用本实施方式给出的方法，在步骤102中考虑到了±1的死区范围，得到的评价结果在0.6左右。根据工程经验（大于0.5）可以判断，在这一段时间内，控制回路是运转正常的。
对于步骤103，所述控制回路的性能指标可以是0至1间的任意数值，还可以是本领域惯用的其他用于表示等级高低的其他标识方式。
在一个实施例中，根据输出数据是在被控输出收敛平稳后获取的特性，计算输出数据的实际方差时，可以用参考输入代替输出量的平均值，也可以按照标准方差计算公式进行计算。两种方式计算出的实际方差的差异很小，可以忽略。
所述性能指标等于输出的最小方差与实际方差的比值。如果实际方差为0，那么意味着输出数据严格等于设定值，不存在波动，或者波动范围未超出人工设置的死区，此时，可以令性能指标为1。
请参阅图2，图2是本发明控制系统的性能测试方法第二实施方式的流程示意图。
本实施方式的所述控制系统的性能测试方法与第一实施方式的区别在于：所述通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取各数据输出过程的最小方差和实际方差的步骤包括以下步骤：
步骤201，对每对输入-输出数据中的输出数据进行时间序列分析，建立从扰动到输出的数学模型。
步骤202，通过所述数学模型计算所述输出过程的最小方差。
其中，对于步骤201，所述数学模型包括自回归-滑动平均模型(ARMA)或其他时间序列模型，辨识模型的方法可以选择简单实用的最小二乘方法。
对于步骤202，输出过程的最小方差，可以用上述数学模型进行计算，其值等于扰动输入引发的输出序列的方差。
本实施方式所述控制系统的性能测试方法，通过分析输出数据建立从扰动到输出的数学模型，并根据建立的数学模型求解输出过程的最小方差，可提高获得的控制回路的性能指标的精确度。
请参阅图3，图3是本发明控制系统的性能测试方法第三实施方式的流程示意图。
本实施方式的所述控制系统的性能测试方法与第一实施方式的区别在于：在执行所述获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标的步骤之后，还包括以下步骤：
步骤301，分析所述控制系统的历史性能指标，并根据分析结果和每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，获取所述控制系统的整体控制性能。
其中，对于步骤301，可以先评价历史数据，根据其评价结果和控制回路的性能指标，为所述控制系统的整体控制性能在0到1之间划分不同的质量档次，判断整体控制效果的好坏，指标值越接近1，控制效果越好，越接近0，控制效果越差。
本实施方式所述控制系统的性能测试方法，通过分析控制系统的历史性能指标，再综合各个控制回路的性能指标，可对更客观、直接地分析所述控制系统的整体控制效果。
请参阅图4，图4是本发明控制系统的性能测试系统第一实施方式的结构示意图。
本实施方式的所述控制系统的性能测试系统包括第一判断单元100、校正单元200和获取单元300，其中：
第一判断单元100，用于获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区。
校正单元200，用于在与该对输入-输出数据对应的控制回路中存在预设的死区时，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，不存在时，不更改该对输入-输出数据。
获取单元300，用于通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取各数据输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。
本发明所述的控制系统的性能测试系统，通过分析与各对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区，进而找出与存在预设的死区的控制回路对应的输入-输出数据中数据误差在死区范围内的数据，并在将该数据对应修改为目标值后，通过分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，可在消除控制器死区的影响下，根据各个控制回路的性能指标，更加准确、快速地判断控制系统控制性能的好坏。
其中，对于第一判断单元100，所述预设的死区是为防止控制系统因频繁执行控制动作而损坏，在控制器中人工设置的死区。优选地，本领域技术人员会提前记录控制器中设置的死区的位置和相关性质。因此，可根据提前记录的死区的位置判断各控制回路中是否存在预设的死区。
进一步地，本领域技术人员还可通过分析每对输入-输出数据的数据变化曲线进行分析获知对应回路中是否存在预设的死区。
优选地，所述获取的数据段可包括100～10000对输入-输出数据，或所述获取的数据段位控制系统运行时间为3～5倍调节时间的时段内的运行数据。在获取所述数据段时，数据段上参考信号为常值，而且被控输出的动态收敛过程已经结束，则进入控制系统的平稳运行阶段。
在一个实施例中，本实施方式所述控制系统的性能测试系统还包括第二判断单元400，用于：
判断所述控制系统的各输入数据与各输出数据间的对应关系是否为一一对应，若是，则将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入-输出数据。
若否，则根据所述控制系统中控制器设定的各输入数据与各输出数据间的一一对应关系，将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入输出数据。
其中，对于第二判断单元400，可根据控制系统中各设备的系统结构及物理意义，确定输入、输出通道的个数，判断输入数据与输出数据间的一一对应关系。
进一步地，在确定出的输入数据与输出数据间的对应方式不止一种时，以控制器设计时选用的方式为准确定输入数据与输出数据间的一一对应关系。
在另一个实施例中，第一判断单元100还用于判断所述控制系统的控制器是否预设有静态解耦操作，若有，则根据所述静态解耦操作确定的一一对应关系获取所述数据段中每对输入-输出数据中的输入数据。
其中，对于所述静态解耦操作，优选地为：在一个多输入与多输出的控制系统中，如果其状态空间表达式的传递函数矩阵不是对角矩阵，那这个系统就存在着耦合，理论上使输出与输入为一一对应关系。
对于校正单元200，可通过所述输出数据，一一比对各数据的误差值找到误差值在死区范围内的数据点。由于死区造成的误差往往具有较强的规律性，还可通过查看所述输出数据的变化曲线找到误差值在死区范围内的数据点。所述目标值可使各数据的误差为0。
在一个实施例中，将误差值在死区范围内的数据点直接修改为目标值，虽然是一个非常简洁的操作环节，但是会产生非常明显的作用。
如，在DCS运行记录中，以功率调节PID为输入，ADS目标负荷为输出，选取前110个采样数据中的平稳段，进行随机指标评价。若采取传统的性能测试方法，计算结果为0.1左右，非常接近0，判断为控制回路运转异常。用本实施方式给出的方法，在步骤102中考虑到了±1的死区范围，得到的评价结果在0.6左右。根据工程经验（大于0.5）可以判断，在这一段时间内，控制回路是运转正常的。
对于获取单元300，所述控制回路的性能指标可以是0至1间的任意数值，还可以是本领域惯用的其他用于表示等级高低的其他标识方式。
在一个实施例中，根据输出数据是在被控输出收敛平稳后获取的特性，计算输出数据的实际方差时，可以用参考输入代替输出量的平均值，也可以按照标准方差计算公式进行计算。两种方式计算出的实际方差的差异很小，可以忽略。
所述性能指标等于输出的最小方差与实际方差的比值。如果实际方差为0，那么意味着输出数据严格等于设定值，不存在波动，或者波动范围未超出人工设置的死区，此时，可以令性能指标为1。
以下所述是本发明控制系统的性能测试系统第二实施方式。
本实施方式的所述控制系统的性能测试系统与第一实施方式的区别在于：所述获取单元300还用于：对每对输入-输出数据中的输出数据进行时间序列分析，建立从扰动到输出的数学模型，通过所述数学模型计算所述输出过程的最小方差。
其中，对于获取单元300，所述数学模型包括自回归-滑动平均模型(ARMA)或其他时间序列模型，辨识模型的方法可以选择简单实用的最小二乘方法。
进一步地，输出过程的最小方差，可以用上述数学模型进行计算，其值等于扰动输入引发的输出序列的方差。
本实施方式所述控制系统的性能测试系统，通过分析输出数据建立从扰动到输出的数学模型，并根据建立的数学模型求解输出过程的最小方差，可提高获得的控制回路的性能指标的精确度。
请参阅图5，图5是本发明控制系统的性能测试系统第三实施方式的结构示意图。
本实施方式的所述控制系统的性能测试系统与第一实施方式的区别在于：还包括分析单元500，用于分析所述控制系统的历史性能指标，并根据分析结果和每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，获取所述控制系统的整体控制性能。
其中，对于分析单元500，可以先评价历史数据，根据其评价结果和控制回路的性能指标，为所述控制系统的整体控制性能在0到1之间划分不同的质量档次，判断整体控制效果的好坏，指标值越接近1，控制效果越好，越接近0，控制效果越差。
本实施方式所述控制系统的性能测试系统，通过分析控制系统的历史性能指标，再综合各个控制回路的性能指标，可对更客观、直接地分析所述控制系统的整体控制效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种控制系统的性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区；
若存在，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，若不存在，则不更改该对输入-输出数据；
通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取每对输入-输出数据中的输出数据的输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。
2.根据权利要求1所述的控制系统的性能测试方法，其特征在于，在执行所述获取控制系统平稳运行时的数据段的步骤之前，还包括以下步骤：
判断所述控制系统的各输入数据与各输出数据间的对应关系是否为一一对应，若是，则将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入-输出数据；
若否，则根据所述控制系统中控制器设定的各输入数据与各输出数据间的一一对应关系，将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入输出数据。
3.根据权利要求1所述的控制系统的性能测试方法，其特征在于，所述获取控制系统平稳运行时的数据段的步骤包括以下步骤：
判断所述控制系统的控制器是否预设有静态解耦操作，若有，则根据所述静态解耦操作确定的一一对应关系获取所述数据段中每对输入-输出数据中的输入数据。
4.根据权利要求1所述的控制系统的性能测试方法，其特征在于，所述通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取每对输入-输出数据中的输出数据的输出过程的最小方差和实际方差的步骤包括以下步骤：
对每对输入-输出数据中的输出数据进行时间序列分析，建立从扰动到输出的数学模型；
通过所述数学模型计算所述输出过程的最小方差。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的控制系统的性能测试方法，其特征在于，在执行所述获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标的步骤之后，还包括以下步骤：
分析所述控制系统的历史性能指标，并根据分析结果和每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，获取所述控制系统的整体控制性能。
6.一种控制系统的性能测试系统，其特征在于，包括：
第一判断单元，用于获取控制系统平稳运行时的数据段，分别判断获取的数据段中每对输入-输出数据对应的控制回路中是否存在预设的死区；
校正单元，用于在与该对输入-输出数据对应的控制回路中存在预设的死区时，从该对输入-输出数据的输出数据中查找数据误差在死区范围内的数据，并将所述数据的数据值更改为对应目标值，不存在时，不更改该对输入-输出数据；
获取单元，用于通过分别分析每对输入-输出数据中的输出数据，获取每对输入-输出数据中的输出数据的输出过程的最小方差和实际方差，并通过比较所述最小方差和所述实际方差，获取每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标。
7.根据权利要求6所述的控制系统的性能测试系统，其特征在于，还包括第二判断单元，用于：
判断所述控制系统的各输入数据与各输出数据间的对应关系是否为一一对应，若是，则将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入-输出数据；
若否，则根据所述控制系统中控制器设定的各输入数据与各输出数据间的一一对应关系，将一一对应的一对输入数据与输出数据确定为一对输入输出数据。
8.根据权利要求6所述的控制系统的性能测试系统，其特征在于，所述第一判断单元还用于判断所述控制系统的控制器是否预设有静态解耦操作，若有，则根据所述静态解耦操作确定的一一对应关系获取所述数据段中每对输入-输出数据中的输入数据。
9.根据权利要求6所述的控制系统的性能测试系统，其特征在于，所述获取单元还用于对每对输入-输出数据中的输出数据进行时间序列分析，建立从扰动到输出的数学模型，通过所述数学模型计算所述输出过程的最小方差。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的控制系统的性能测试系统，其特征在于，还包括分析单元，用于分析所述控制系统的历史性能指标，并根据分析结果和每对输入-输出数据对应的控制回路的性能指标，获取所述控制系统的整体控制性能。
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Address after: 510080 Dongfeng East Road, Dongfeng, Guangdong, Guangzhou, Zhejiang Province, No. 8 Patentee after: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, GUANGDONG POWER GRID CO., LTD. Address before: 510080 Dongfeng East Road, Dongfeng, Guangdong, Guangzhou, Zhejiang Province, No. 8 Patentee before: Electrical Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation |