CN113485094A - 一种获取过程最优zn模型的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及火电机组过程控制技术领域,具体涉及一种获取过程最优ZN模型的方法及装置。方法包括以下步骤:获取过程的实际阶跃输入的实际过程响应数据,并转换为单位阶跃输入的实际过程响应数据;获取单位阶跃输入的过程响应数据的稳态时间和稳态增益,确定ZN模型的参数;S3、在稳态时间内,改变ZN模型的纯滞后,计算不同纯滞后条件下对应ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据,以及其与被控过程的单位阶跃输入的实际过程响应数据之间的误差,将误差最小时的纯滞后对应的ZN模型作为最优ZN模型。本发明提高了采用ZN模型表达过程模型的准确性,可以广泛应用于火电机组的过热汽温控制中。
Description
技术领域
本发明涉及火电机组过程控制技术领域,具体涉及一种获取过程最优ZN模型的方法及装置。
背景技术
从火电机组过程控制的角度来说,获取过程模型具有重要的意义。火电机组的过热汽温控制,需要设置二阶滤波PID控制器参数,这就需要获取过程最优模型,从理论的角度,获取过程准确模型可能不是一个简单的问题。但是从工程的角度,过程模型需要简单。
现有技术中有人提出了ZN模型(Ziegler-Nichols model,ZNM),ZN模型比较简单。然而,仅是简单的模型并不能真正满足工程实际的需求,模型在工程应用中需要有一定的准确性,因此,需要对现有技术中ZN模型进行改进,以提高模型准确性,使其可以应用于火电机组过程控制中。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足,所要解决的技术问题为:提供一种获取过程最优ZN模型的方法及装置,以解决现有技术采用ZN模型不够准确的问题。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种获取过程最优ZN模型的方法,所述ZN模型的表达式为:
其中,ZNM(s)为ZN模型的传递函数,KZN为ZN模型的增益、τZN为ZN模型的纯滞后,TZN为ZN模型的时间常数;
所述方法包括以下步骤:
S1、获取过程的实际阶跃输入的实际过程响应数据,并转换为单位阶跃输入的实际过程响应数据PVP(t);
S2、获取单位阶跃输入的过程响应数据的稳态时间和稳态增益,以及单位阶跃输入的过程响应数据在0.5倍稳态增益的相对时间,确定ZN模型的参数;
S3、在稳态时间内,改变ZN模型的纯滞后,计算不同纯滞后条件下对应ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据,以及其与被控过程的单位阶跃输入的实际过程响应数据之间的误差,将误差最小时的纯滞后对应的ZN模型作为最优ZN模型。
所述步骤S1中,单位阶跃输入的过程响应数据PVP(t)的计算公式为:
其中,PVAP(t)为实际过程响应数据,ASI为实际阶跃输入。
所述步骤S2中,ZN模型的参数具体为:
KZN=SV,TZN=2T0.5SV-2τZN;
其中,SV为单位阶跃输入的过程响应数据的稳态增益,T0.5SV为单位阶跃输入的过程响应数据在0.5倍稳态增益的相对时间。
所述步骤S3中,所述误差ESI的计算公式为:
其中,t为当前时间,ST为稳态时间,PVZNM(t)为所述ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据。
所述最优ZN模型用于设置二阶滤波PID的参数。
所述二阶滤波PID包括PID和二阶惯性滤波器;其传递函数为:
其中,PID(s)、KP、TI、TD分别为PID的传递函数、串级比例增益、积分时间、微分时间,TSOIF为二阶惯性滤波器的时间常数,TSOIF=0.1TD;
所述二阶滤波PID的参数被设置为:
TI=TZN+τZN。
此外,本发明还提供了一种获取过程最优ZN模型的装置,用于实施所述的一种获取过程最优ZN模型的方法。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:本发明提供了一种获取过程最优ZN模型的方法及装置,通过在稳态时间内,改变模型的纯滞后,并计算误差各个纯滞后对应的ZN模型的单位阶跃输入的过程响应数据与所述过程的单位阶跃输入的被控过程响应数据之间的误差,将误差最小的ZN模型作为过程最优ZN模型,通过获取最优ZN模型,提高采用ZN模型表达过程模型的准确性,该方法可以广泛应用于火电机组的过热汽温控制中,对设置二阶滤波PID控制器参数具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种获取过程最优ZN模型的方法的流程示意图;
图2为本发明实施例中单位阶跃输入的过程响应数据在0.5倍稳态增益的相对时间的示意图;
图3为本发明实施例中根据单位阶跃输入的过程响应数据获取的ZN模型参数的示意图;
图4为本发明实施例中获得的最优ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据PVOZNM(t)的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种获取过程最优ZN模型的方法,其得到最优ZN模型用于火电机组的过热汽温控制中,对设置二阶滤波PID控制器参数具有重要的意义。本发明实施例中,ZN模型的表达式为:
其中,ZNM(s)为ZN模型的传递函数,KZN为ZN模型的增益、τZN为ZN模型的纯滞后,TZN为ZN模型的时间常数。
具体地,如图1所示,本发明实施例提供的一种获取过程最优ZN模型的方法,包括以下几个步骤。
S1、获取过程的实际阶跃输入的实际过程响应数据,将实际阶跃输入的实际过程响应数据转换为单位阶跃输入的实际过程响应数据,计算公式如下:
其中,PVP(t)为所述单位阶跃输入的实际过程响应数据,PVAP(t)为过程的实际阶跃输入的实际过程响应数据,ASI为实际阶跃输入,具体地,本发明实施例中,所述实际过程响应数据为火电机组的过热汽温控制系统的实际过程响应数据。
S2、获取单位阶跃输入的过程响应数据的稳态时间ST和稳态增益SV,以及单位阶跃输入的过程响应数据在0.5倍稳态增益的相对时间T0.5SV,确定ZN模型的参数。
如图2所示,为获得的单位阶跃输入的过程响应数据PVP(t)的示意图,其中,SV为单位阶跃输入的过程响应数据PVP(t)的稳态增益,ST为PVP(t)的稳态时间,T0.5SV为PVP(t)在0.5SV的相对时间,黑点为0.5SV与T0.5SV平行线的交点D。
如图3所示,在图2中画一条与上述交点D相交的,起始于时间轴x、截止于SV平行线的斜线,斜线与时间轴的交点Ts为起始时间,斜线与稳态增益SV所在的水平线之间的交点TE为截止时间。
根据图3,可以得到ZN模型参数为:
由于TE-T0.5SV=T0.5SV-Ts,所以有:
KZN=SV,TZN=2T0.5SV-2τZN; (4)
因此,一旦TS确定,则ZN模型的参数τZN和TZN确定。
S3、在稳态时间内,改变ZN模型的纯滞后,计算不同纯滞后条件下对应ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据,以及其与被控过程的单位阶跃输入的实际过程响应数据之间的误差,将误差最小时的纯滞后对应的ZN模型作为最优ZN模型。
具体地,本实施例中,误差ESI的计算公式为:
其中,t为当前时间,ST为稳态时间,PVZNM(t)为所述ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据。
本申请中,将ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据,以及其与被控过程的单位阶跃输入的实际过程响应数据之间的差值的平方积分ESI作为误差,通过改变纯滞后值,相当于将上述的斜线以交点D为圆心进行旋转,不断得到ZN模型参数,在误差ESI最小情况的ZN模型作为所述过程的最优ZN模型,可以使得ZN模型的准确率最高。
具体地,在一个实施例中,得到的过程的实际对象传递函数为:
这里的P(s)为实际对象传递函数。假如阶跃输入为u=ASI,则PVAP(s)=P(s)*ASI/s;单位阶跃输入u=1,PVP(s)=P(s)*ASI/s。这里的PVAP(s),PVP(s)分别是PVAP(t),PVP(t)拉氏变换。
根据上述传递函数,可以得到对应的过程的单位阶跃输入的过程响应数据的稳态增益SV=1.2,稳态时间ST=960s,其中,稳态时间具体指PVP(t)进入到0.99SV的时间。通过在稳态时间的范围内,不断改变ZN模型的纯滞后,具体得到ESI的最小值ESI:min=1.7532,对应的纯滞后为193s,由于T0.5SV=396.5S,则通过式(4)可知,TZN=407s,因此,得到的过程最优ZN模型传递函数为:
其中,OZNM(s)为过程最优ZN模型传递函数。如图4所示,为最终得到的最优ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据PVOZNM(t),以及被控过程的单位阶跃输入的实际过程响应数据PVP(t)的示意图。
进一步地,本实施例中,得到最优ZN模型用于设置二阶滤波PID的参数。具体地,所述二阶滤波PID包括PID和二阶惯性滤波器(Second order inertia filter,SOIF);其传递函数为:
其中,PID(s)、KP、TI、TD分别为PID的传递函数、串级比例增益、积分时间、微分时间,TSOIF为二阶惯性滤波器的时间常数,TSOIF=0.1TD;上述得到的最优ZN模型传递函数可以用于设置二阶滤波PID的参数,具体地,所述二阶滤波PID的参数被设置为:
综上所述,本发明提供了一种获取过程最优ZN模型的方法,通过在稳态时间内,改变模型的纯滞后,并计算误差各个纯滞后对应的ZN模型的单位阶跃输入的过程响应数据与所述过程的单位阶跃输入的被控过程响应数据之间的误差,将误差最小的ZN模型作为过程最优ZN模型,通过获取最优ZN模型,提高了采用ZN模型表达过程模型的准确性,得到的ZN模型可以用于设置二阶滤波PID的参数,提高过程控制的性能。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种获取过程最优ZN模型的方法,其特征在于,所述ZN模型的表达式为:
其中,ZNM(s)为ZN模型的传递函数,K ZN为ZN模型的增益、τZN为ZN模型的纯滞后,T ZN为ZN模型的时间常数;
所述方法包括以下步骤:
S1、获取过程的实际阶跃输入的实际过程响应数据,并转换为单位阶跃输入的实际过程响应数据PVP(t);
S2、获取单位阶跃输入的过程响应数据的稳态时间和稳态增益,以及单位阶跃输入的过程响应数据在0.5倍稳态增益的相对时间,确定ZN模型的参数;
S3、在稳态时间内,改变ZN模型的纯滞后,计算不同纯滞后条件下对应ZN模型在单位阶跃输入的过程响应数据,以及其与被控过程的单位阶跃输入的实际过程响应数据之间的误差,将误差最小时的纯滞后对应的ZN模型作为最优ZN模型。
5.根据权利要求1所述的一种获取过程最优ZN模型的方法,其特征在于,所述最优ZN模型用于设置二阶滤波PID的参数。
7.一种获取过程最优ZN模型的装置,其特征在于,用于实施权利要求1~6中任一项所述的一种获取过程最优ZN模型的方法。
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