CN104731086B - 网格频率设定双椭圆拟合方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网格频率设定双椭圆拟合方法及其应用，该方法通过在上截止频率和下截止频率中选定由上截止频率与下截止频率组成的截止频率组，并针对每个截止频率组计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比，最后获得最大百分比及与最大百分比对应的上截止频率和下截止频率，优化了带通滤波器的上截止频率和下截止频率的选取过程。本发明的方法能够提高粘滞特性的检出率，提高算法的自动化程度。
Description
本申请是申请日为2013年5月02日、申请号为201310159959.5、发明名称为《网格频率设定双椭圆拟合方法及其应用》的分案申请。
技术领域
本发明属于控制回路性能监控系统的技术领域，尤其涉及气动控制阀存在的粘滞故障进行检测的方法。
背景技术
在电力、钢铁、石油、化工等连续流程工业中，随着生产规模的日益扩大，单套装置的装机容量越来越大，并且对节能降耗、成本控制、生产安全、产品质量、环境保护等指标要求也在不断地提高，从而导致过程控制在整个生产中所起的作用越发显得重要。但是由于现代工业过程日益复杂及现场数目众多的控制器缺少日常维护等各种原因，导致工业过程中控制回路系统性能不佳的问题大量存在。根据Honeywell公布的关于续流程工业过程的一个历时2年的调查结果显示，对连续流程工业过程中26，000个PID控制回路的性能进行分析，结果表明只有1/3的控制回路系统性能良好，而其它2/3的控制回路的系统性能都有待改善。而使得控制回路的性能不好的一个主要问题是回路振荡。有调查表明，工业过程中有l/3的控制回路处于振荡状态中。而振荡的存在，直接导致产品质量下降、能耗增加、设备磨损加快等问题的出现。特别是对大型连续流程工业而言，控制回路数目成千上万，消除回路振荡的对生产所造成的不利影响显得尤其迫切。
回路振荡的主要原因有3个，分别为：过程设备问题、周期性的外部干扰、控制器的参数整定不佳。调节阀是电力、钢铁、石油、化工等工业过程中最常用的过程设备之一。而在导致回路振荡的各种原因中，气动执行阀的问题据统计占了20％～30％，气动执行阀的回滞、死区、粘滞等非线性特性都会不同程度地影响控制系统性能，而其中特别以气动执行阀粘滞特性最为常见。据文献，工业过程中1％的控制系统性能改善或能源利用率的提高，将会带来几千万甚至几亿美元的利润。因此，加强对生产过程和控制系统运行状况的在线实时监控、实现对包括阀门粘滞所导致的振荡问题在内的各种执行机构故障的在线诊断，并依此采取相应的解决措施，对保障电力、钢铁、石油、化工等连续流程生产的安全、稳定及高效来讲至关重要。
现有文献提出的检测气动控制阀粘滞的方法是利用双相干方法检测控制回路非线性，通过拟合椭圆确认气动控制阀粘滞特性的存在，并给出了气动控制阀粘滞程度的一个估计量。但由于用于上述分析计算的实际现场数据中存在的大量噪声等复杂因素，对“椭圆拟合”检测结果的干扰，一些实际存在粘滞的情况，按现有文献中的方法来做的话，却得不到粘滞存在的估计量。也就是说，现有文献提出的检测气动控制阀粘滞的方法存在检测有效性还不理想的问题。
发明内容
发明目的：本发明要提供一种网格频率设定双椭圆拟合方法，它能够提高气动控制阀粘滞程度的检出率，从而进一步提高算法的自动化程度。
技术方案：一种网格频率设定双椭圆拟合方法，其中，带通滤波器的上截止频率和下截止频率的选取过程如下：
S1、设定带通滤波器的上截止频率的上限和下限、下截止频率的上限和下限，以及上截止频率步长和下截止频率步长；
S2、搜索上截止频率和下截止频率，计算出在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比；
S2.11、对一个给定的上截止频率，下截止频率按照下截止频率步长从所述下截止频率的上限向下降低或从所述下截止频率的下限向上增加，对每组给定的上截止频率和下截止频率，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比；
S2.12、在上截止频率的上限和下限之间，按照上截止频率步长改变上截止频率的值，重复步骤S2.11；
获取并输出百分比中的最大百分比，记录此百分比对应的上截止频率和下截止频率；
或者；
S2.21、对一个给定的下截止频率，上截止频率按照上截止频率步长从所述上截止频率的上限向下降低或从所述上截止频率的下限向上增加，对每组给定的上截止频率和下截止频率，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比；
S2.22、在下截止频率的上限和下限之间，按照下截止频率步长改变下截止频率的值，重复步骤S2.21；
S2.3、获得并输出百分比中的最大百分比，记录此百分比对应的上截止频率和下截止频率；
S3、如果最大百分比大于等于百分比阈值，则判断发生粘滞。
在步骤S2中，搜索出百分比中的最大百分比的方法为：比较后获得的百分比与在前获得的百分比的大小，如果后获得的百分比大于先获得的百分比，则保留后获得的百分比，并记录上截止频率和下截止频率；否则，舍弃后获得的百分比。
在步骤S2中，搜索出百分比中的最大百分比的方法为：记录每组上限频率和下限频率对应的在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比，并从中选出最大百分比。
所述内椭圆由标准椭圆按第一缩放系数缩小得到；所述外椭圆由标准椭圆按第二缩放系数放大得到。所述第一缩放系数等于第二缩放系数。所述第一缩放系数和第二缩放系数为12％～18％，优选地，所述第一缩放系数和第二缩放系数为15％。
在上述方法中，所述百分比阈值为60％；所述带通滤波器的上截止频率的上限为0.5，下限为0.02；下截止频率的上限小于0.02，下限为0.001；所述上截止频率步长为0.01～0.05，下截止频率步长为0.001～0.002。
在所述S2中，搜索上截止频率和下截止频率的方法还可以为：
上截止频率按照上截止频率步长从上截止频率的上限向下降低，或者从上截止频率的下限向上增加，获得多组给定的上截止频率；下截止频率按照下截止频率步长从下截止频率的上限向下降低，或者从下截止频率的下限向上增加，获得多组给定的下截止频率；将任一个给定的上截止频率与任一个给定的下截止频率组成截止频率组，针对每个截止频率组，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比，并获得最大百分比及与最大百分比对应的上截止频率和下截止频率。
本发明还提供了上述网格频率设定双椭圆拟合方法在控制阀粘滞检测过程中的应用。
有益效果：本发明的网格频率设定双椭圆拟合方法能够提高粘滞效应的检出率，从而提高算法的自动化程度，获得可观的经济效益。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2a～图2c是本发明的一个实施例的实验数据图；
图3a～图3c是本发明的另一个实施例的实验数据图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，网格频率设定双椭圆拟合方法的基本步骤包括：
S1、赋值，初始化，设定带通滤波器的上截止频率的上限fHmax和下限fHmin、下截止频率的上限fLmax和下限fLmin，以及上截止频率步长Step_H和下截止频率步长Step_L，将0赋给i和Pmax；例如，带通滤波器的上截止频率的上限fHmax为0.5，下限fHmin为0.02；下截止频率的上限fLmax小于0.02，下限fLmin为0.001；所述上截止频率步长Step_H为0.01～0.05，下截止频率步长Step_L为0.001～0.002。
S2、采用双循环法搜索上下截止频率，下截止频率的为外循环，上截止频率为内循环。如果某一下截止频率fLmax-i*Step_L的值小于fLmin，则认为即下截止频率从上到下遍历完成了，此时，内循环也已经遍历完成，则输出Pmax，如果该值大于百分比阈值，则认为存在粘滞，反之，不认为存在粘滞。
在内循环中，上截止频率从上向下遍历，如果某一上截止频率fHmax-j*Step_H的值小于fHmin，则认为一个内循环完成；反之，则计算在计算在{fL(i)，fH(j)}取值时的P(i，j)，记为Pnew，j加1，准备进入下一循环；判断Pnew是否大于Pmax，如果Pnew大于Pmax，则将Pnew赋值给Pmax，使Pmax始终为已经计算出百分比值的最大值；反之，重新进入内循环的下一步骤，重新计算一组百分比。
实施例2：
S1、赋值，初始化，设定带通滤波器的上截止频率的上限fHmax和下限fHmin、下截止频率的上限fLmax和下限fLmin，以及上截止频率步长Step_H和下截止频率步长Step_L，将0赋给i和Pmax；例如，带通滤波器的上截止频率的上限fHmax为0.5，下限fHmin为0.02；下截止频率的上限fLmax小于0.02，下限fLmin为0.001；所述上截止频率步长Step_H为0.01～0.05，下截止频率步长Step_L为0.001～0.002。S2、搜索上截止频率和下截止频率，计算出在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比；内椭圆由标准椭圆按第一缩放系数缩小得到；所述外椭圆由标准椭圆按第二缩放系数放大得到，第一缩放系数等于第二缩放系数，第一缩放系数和第二缩放系数一般为12％～18％，优选为15％。
步骤S2具体包括：S2.11、对一个给定的上截止频率fH，下截止频率fL按照下截止频率步长Step_L从所述上限fLmax向下降低或从所述下限fLmin向上增加，对每组给定的上截止频率和下截止频率，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比Pnew；比较后获得的百分比与在前获得的百分比的大小，如果后获得的百分比大于先获得的百分比，则保留后获得的百分比，并记录上截止频率和下截止频率；否则，舍弃后获得的百分比。
S2.12、在上截止频率的上限fHmax和下限fHmin之间，按照上截止频率步长Step_H改变上截止频率fH的值，重复步骤S2.11；
获得百分比Pnew中的最大百分比Pmax，记录此百分比对应的上截止频率和下截止频率；
S3、如果最大百分比Pmax大于等于百分比阈值Pset，则判断发生粘滞，根据工程上的经验，百分比阈值Pset为60％。
实施例3：
该实施例与上一实施的不同之处在步骤S2：
S2.21、对一个给定的下截止频率fL，上截止频率fH按照上截止频率步长Step_H从所述上限fHmax向下降低或从所述下限fHmin向上增加，对每组给定的上截止频率和下截止频率，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比Pnew；
S2.22、在下截止频率的上限fLmax和下限fLmin之间，按照下截止频率步长Step_L改变下截止频率fL的值，重复步骤S2.21；获得百分比Pnew中的最大百分比Pmax，记录此百分比对应的上截止频率和下截止频率。
实施例4：
该实施例与实施例2的不同之处在于：在步骤S2中，搜索出百分比Pnew中的最大百分比Pmax的方法为：记录每组上限频率和下限频率对应的在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比，并从中选出最大百分比。
实施例5：
该实施例与实施例2的不同之处在于：在所述S2中，搜索上截止频率和下截止频率的方法还可以为：上截止频率按照上截止频率步长从上截止频率的上限向下降低，或者从上截止频率的下限向上增加，获得多组给定的上截止频率；下截止频率按照下截止频率步长从下截止频率的上限向下降低，或者从下截止频率的下限向上增加，获得多组给定的下截止频率；将任一个给定的上截止频率与任一个给定的下截止频率组成截止频率组，针对每个截止频率组，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比，并获得最大百分比及与最大百分比对应的上截止频率和下截止频率。
在上述实施例中可知，无论上截止频率为内循环、下截止频率为外循环，或者相反，都能实现遍历，上下截止频率从上向下遍历或从下向上遍历均可。另外，查找最大百分比的方法不限于以上几种，技术人员可以从现有的算法中找到其他算法。
对比实验1：如图2a至图2c所示，这是按一个实际存在粘滞的流量控制回路的工业数据所画出的OP(输出给执行机构的控制信号)、PV(检测到的实际值)、SP(设定值)及PV-OP图。按照本发明所确定的优化带通器滤波上下截止频率参数对数据(OP和PV)进行滤波后再按双椭圆拟合，得到Pmax＝62％，Pset＝60％。由于Pmax>Pset，判定椭圆拟合成功，寻优频率时拟合结果AS＝0.18，由此可判断该回路存在粘滞，这与实际情况完全吻合。而按现有技术中的带通器滤波上下截止频率选取方法，进行滤波后再按双椭圆拟合，得到P＝41.8％，Pset＝60％。由于P<Pset，判定椭圆拟合失败，得到错误的结果，即回路没有粘滞。
对比实验2：如图3a至图3c所示，这是按一个实际存在粘滞的液位控制的工业数据所画出的OP、PV、SP及PV-OP图。按照本发明所确定的优化带通器滤波上下截止频率参数对数据(OP和PV)进行滤波后再按双椭圆拟合，得到Pmax＝98％，Pset＝60％。由于Pmax>Pset，判定椭圆拟合成功，寻优频率时拟合结果AS＝1.18，由此可判断该回路存在粘滞，这与实际情况完全吻合。而按现有技术中的带通器滤波上下截止频率选取方法，进行滤波后再按双椭圆拟合，得到P＝41.7％，Pset＝60％。由于P<Pset，判定椭圆拟合失败，得到错误的结果，即回路没有粘滞。
在上述实验中，Pset取值为60％，但是本领域的技术人员可以根据不同情况选择不同的数值。
Claims (9)
1.一种网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，带通滤波器的上截止频率和下截止频率的选取过程如下：
S1、设定带通滤波器的上截止频率的上限(fHmax)和下限(fHmin)、下截止频率的上限(fLmax)和下限(fLmin)，以及上截止频率步长(Step_H)和下截止频率步长(Step_L)；
S2、搜索上截止频率和下截止频率，计算出在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比；
S2.21、对一个给定的下截止频率(fL)，上截止频率(fH)按照上截止频率步长(Step_H)从所述上截止频率的上限(fHmax)向下降低，对每组给定的上截止频率和下截止频率，计算在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比(Pnew)；
S2.22、在下截止频率的上限(fLmax)和下截止频率的下限(fLmin)之间，按照下截止频率步长(Step_L)改变下截止频率(fL)的值，重复步骤S2.21；
获取并输出百分比(Pnew)中的最大百分比(Pmax)，记录此百分比对应的上截止频率和下截止频率；
S3、如果最大百分比(Pmax)大于等于百分比阈值(Pset)，则判断发生粘滞。
2.如权利要求1所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，在步骤S2中，搜索出百分比(Pnew)中的最大百分比(Pmax)的方法为：比较后获得的百分比与在前获得的百分比的大小，如果后获得的百分比大于先获得的百分比，则保留后获得的百分比，并记录上截止频率和下截止频率；否则，舍弃后获得的百分比。
3.如权利要求1所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，在步骤S2中，搜索出百分比(Pnew)中的最大百分比(Pmax)的方法为：记录每组上截止频率和下截止频率对应的在内椭圆和外椭圆之间的子集数据段点数占整个子集数据段的所有点数的百分比，并从中选出最大百分比。
4.如权利要求1或2所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，所述内椭圆由标准椭圆按第一缩放系数缩小得到；所述外椭圆由标准椭圆按第二缩放系数放大得到。
5.如权利要求4所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，所述第一缩放系数等于第二缩放系数。
6.如权利要求5所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，所述第一缩放系数和第二缩放系数为12％～18％。
7.如权利要求6所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，所述第一缩放系数和第二缩放系数为15％。
8.如权利要求1所述的网格频率设定双椭圆拟合方法，其特征在于，所述百分比阈值(Pset)为50～70％；所述带通滤波器的上截止频率的上限(fHmax)为0.5，下限(fHmin)为0.02；下截止频率的上限(fLmax)小于0.02，下限(fLmin)为0.001；所述上截止频率步长(Step_H)为0.01～0.05，下截止频率步长(Step_L)为0.001～0.002。
9.权利要求1至8任一项所述的网格频率设定双椭圆拟合方法在控制阀粘滞检测过程中的应用。
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Granted publication date: 20170503 |
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