CN106054600A - 设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，在闭环辨识中选用设定值激励梯形波信号，并对梯形波设定值激励信号参数进行整定，其中整定的梯形波设定值激励信号参数包括梯形波斜坡宽度、梯形波坡顶宽度和梯形波斜坡坡度。与现有技术相比，本发明尽可能地提高辨识信号的信噪比，从而有效提高过程模型的辨识准确性等优点。

Description

设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法

技术领域

本发明涉及连续过程闭环辨识激励信号技术，尤其是涉及一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法。

背景技术

闭环辨识方法被认为是更适合工程应用的方法，因为它可以在不中断生产的条件下实施，并且更容易保证生产安全。但是，闭环辨识方法的工程实践中存在着激励信号的施加问题。闭环辨识中传统的和常用的激励信号是伪随机信号。在实际工程实施中，需要有伪随机信号发生器，需要较专业技术人员提供技术支持，常出现一些激励强度把握不当的实施困难。因此需要开发更简单和更便于实施的辨识激励信号。

闭环辨识过程中，将辨识激励信号施加在设定值处并且直接检测被控过程的输入和输出，是一种可行的直接辨识方案。若不采用伪随机信号作为辨识激励信号，而是采用更容易实现的方波、三角波或梯形波信号，这在理论分析上是完全可行的。对于常见的恒值控制系统，短期内叠加方波、三角波或梯形波这样的辨识激励信号，不会长期改变原定的设定值，也就不会影响生产运行控制要求。此外，为了保证辨识激励扰动引起的过程输出波动不超安全上限值，还应该预设所叠加方波、三角波或梯形波的波动方向正好使过程输出的波动方向背离安全上限。

过程模型辨识的关键技术之一是激励信号的适度施加。从提高信噪比以提高过程模型辨识准确性的角度看，激励信号强度越大越好，但是过强的激励信号将带来过程输出的大幅波动，会降低生产运行质量，甚至危及生产安全。而过弱的激励信号将使被辨识过程的响应变化太小，以至于信噪比太低而导致辨识计算失败。因此，若采用方波、三角波或梯形波信号的激励信号，就需要解决激励信号的参数整定问题。适当的激励信号强度肯定与被辨识过程的特性相关，所以适当的激励信号参数只能通过整定试验来确定。

对于具体的被控过程，往往存在具体的物理约束。比如某被控过程的输入量的最大值有限制，最小值也有限制；甚至输入量的变化速率也有限制。如果控制器的输出超过了具体的限制，那么就会使限幅器之类的环节起作用。这样，所不希望的非线性特性就被激发出来，这也会造成过程模型的辨识误差。因此希望通过所施加的激励信号约束避免被控过程的非线性特性的激励。若不考虑输入量的变化速率限制条件，方波激励信号就可满足要求。可用方波的波宽参数调整满足被控过程输入量在最大值和最小值之间。若考虑输入量的变化速率限制条件，方波激励信号不可用，而选用三角波或梯形波信号就可以有效控制被控过程输入量的变化速率不超限。若是生产运行对设定值的变化幅度有限制，例如每次改变不能超过10％，那么选用三角波信号也可能激励强度不够。为此，选用梯形波信号的通用性更强。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，在闭环辨识中选用设定值激励梯形波信号，并对梯形波设定值激励信号参数进行整定，其中整定的梯形波设定值激励信号参数包括梯形波斜坡宽度、梯形波坡顶宽度和梯形波斜坡坡度。

该方法具体包括以下步骤：

1)定义梯形波设定值激励信号函数

$w\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}kt& 0<t\&le;a\\ ka& a<t\&le;(a+b)\\ ka-k(t-a-b)& (a+b)<t\&le;(2a+b)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，参数a为梯形波斜坡宽度，与梯形波坡顶高度成正比；参数b为梯形波坡顶宽度；参数k为梯形波斜坡坡度；

2)分别与参数a、b和k进行整定。

所述的参数a整定过程如下：

假设参数k已经确定，参数a的确定取决于生产运行对设定值的变化幅度的限制许可，设定值的变化幅度的限制是每次运行操作不能超过设定值满量程的x％，那么有

$a=\frac{\left(x\%\right)r_{max}}{k}$

式中，r_max是设定值的满量程值。

所述的参数b整定过程如下：

参数b决定了梯形波信号的持续时间，即梯形波信号的能量强度；参数b越大，则被控过程的输入的能量强度越大；

当实际过程的噪声较大时，辨识激励信号的强度需要足够大到使其激励的辨识响应不被噪声所淹没，以确保被辨识模型准确辨识。但是，参数b太大则对辨识准确已无影响，反而延长了辨识对正常闭环控制的干扰时间。

所述的参数b的数值需要通过试凑试验来确定。

所述的参数k整定过程如下：

1)确定参数k的符号，若过程输出量的安全限值是高于设定值，那么参数k的符号取负号，即使辨识激励造成的输出波动背离安全限值；否则，k的符号取正号；

2)整定参数k的数值，通过参数k的试凑试验确定，只要观察到控制器的输出量的变化速率满足变化速率高限值要求并且控制量的最大最小值均在预定限值以内即可。

与现有技术相比，本发明从实际工程实施需求出发，在保障生产运行安全的前提下，尽可能地提高辨识信号的信噪比，从而有效提高过程模型的辨识准确性；用该方法整定的设定值激励梯形波信号可确保闭环辨识激励下的过程控制量既不超过最大最小限值又不超过速率变化高限值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

针对某电阻炉温度闭环控制系统，假设待辨识过程的实际模型为

$G\left(s\right)=\frac{895(90s+1)}{(2s+1)(45s+1)(230s+1)}$

假设控制器的模型为

$G_c\left(s\right)=0.025(1+\frac{1}{20s}+\frac{5s}{0.5s+1})$

假设进行梯形波设定值激励闭环辨识试验时需要试验整定梯形波信号参数。

按照梯形波斜坡坡度参数k的整定原则，考虑过程输出量是炉温，其安全限值应该是高于设定值，那么参数k的符号取负号。再考虑电阻炉的设备寿命，电加热的最高速率应有限制但没有具体规定限值。不妨取

k＝5

按照梯形波斜坡宽度参数a的整定原则，假定设定值的变化幅度的限制不能超过满量程(设r_max＝1000)的10％，则有

$a=\frac{0.1r_{max}}{k}=\frac{0.1\&times;1000}{5}=20$

按照梯形波坡顶宽度参数b的整定原则，通过参数b的试凑试验，可取

b＝30

在有噪声的梯形波设定值激励闭环辨识仿真试验下，可获得600点过程输出响应{y₁(k),k＝1,2,…,600}、输入数据{u₁(k),k＝1,2,…,600}。

利用粒子群(PSO)辨识程序可得到的辨识模型为

${\hat{G}}_1\left(s\right)=\frac{892.9016(89.3349s+1)}{(2.0149s+1)(44.7604s+1)(228.8629s+1)}$

可见，所辨识模型的参数与原模型G(s)的参数非常接近，证明所应用的设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法在有噪声的闭环辨识中确保了模型辨识的准确性。

若不按照设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法随意选取梯形波信号参数，例如选取参数为

k＝1

a＝1

b＝1

则在有噪声的梯形波设定值激励闭环辨识仿真试验下，可获得600点过程输出响应{y₂(k),k＝1,2,…,600}、输入数据{u₂(k),k＝1,2,…,800}。

利用粒子群(PSO)辨识程序可得到的辨识模型为

${\hat{G}}_2\left(s\right)=\frac{302.0039(176.1604s+1)}{(2.1693s+1)(24.6399s+1)(300.0s+1)}$

对比上述两种情况下辨识得到的模型和的参数可知，本发明提出的设定值激励闭环辨识梯形波信号参数整定方法是十分有效的。

Claims (6)

1.一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，在闭环辨识中选用设定值激励梯形波信号，并对梯形波设定值激励信号参数进行整定，其中整定的梯形波设定值激励信号参数包括梯形波斜坡宽度、梯形波坡顶宽度和梯形波斜坡坡度。

2.根据权利要求1所述的一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)定义梯形波设定值激励信号函数

$w\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}kt& 0<t\&le;a\\ ka& a<t\&le;(a+b)\\ ka-k(t-a-b)& (a+b)<t\&le;(2a+b)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，参数a为梯形波斜坡宽度，与梯形波坡顶高度成正比；参数b为梯形波坡顶宽度；参数k为梯形波斜坡坡度；

2)分别与参数a、b和k进行整定。

3.根据权利要求2所述的一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，所述的参数a整定过程如下：

假设参数k已经确定，参数a的确定取决于生产运行对设定值的变化幅度的限制许可，设定值的变化幅度的限制是每次运行操作不能超过设定值满量程的x％，那么有

$a=\frac{\left(x\%\right)r_{max}}{k}$

式中，r_max是设定值的满量程值。

4.根据权利要求2所述的一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，所述的参数b整定过程如下：

参数b决定了梯形波信号的持续时间，即梯形波信号的能量强度；参数b越大，则被控过程的输入的能量强度越大；

当实际过程的噪声较大时，辨识激励信号的强度需要足够大到使其激励的辨识响应不被噪声所淹没，以确保被辨识模型准确辨识。

5.根据权利要求4所述的一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，所述的参数b的数值需要通过试凑试验来确定。

6.根据权利要求2所述的一种设定值激励闭环辨识的梯形波信号参数整定方法，其特征在于，所述的参数k整定过程如下：

1)确定参数k的符号，若过程输出量的安全限值是高于设定值，那么参数k的符号取负号，即使辨识激励造成的输出波动背离安全限值；否则，k的符号取正号；

2)整定参数k的数值，通过参数k的试凑试验确定，只要观察到控制器的输出量的变化速率满足变化速率高限值要求并且控制量的最大最小值均在预定限值以内即可。