[發明專利]一種存在執行閥粘滯特性的化工過程的控制性能評估方法

有效

• 申請號: 201310135383.9
• 申請日: 2013-04-18
• 公開（公告）號: CN103246279A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 謝磊;師明華;蘇宏業;古勇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02;G05B13/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及石油化工等工業控制系統的控制性能評估領域，具體涉及一種存在執行閥粘滯特性的化工過程的控制性能評估方法。

背景技術

工業現場通常包含眾多控制回路，對這些控制回路進行檢查及維護是生產過程運行中一項棘手而繁重的工作。據調查，目前60%以上工業控制器中都存在性能退化問題。如何利用日常運行數據對控制回路性能進行度量，從而對其進行優化設置以獲取更多的經濟效益，已成為眾多學者探尋的熱點。近年來，控制回路性能監控與評估研究成為工業控制領域廣為關注的命題。

控制性能評估(Control?performance?assessment,CPA)是診斷和提高工況控制效率的重要方法。確定控制性能評估的基準是控制性能評估的核心問題，直接關系到能否真實可靠地反映當前控制回路性能與基準之間的偏差，從而準確給出當前控制回路的可改進程度。

1989年，Harris基于過程操作數據，利用時間序列分析技術來估計控制回路的反饋不變量，提出了最小方差性能評估基準（Harris?T?J.Assessment?of?closed?loop?performance(1989).The?Canadian?Journal?of?Chemical?Engineering,67(5):856-861.）；隨后，Huang等(Huang?B,Shah?S?L.Practical?issues?in?multivariable?feedback?control?performance?assessment(1998).Journal?of?Process?Control,8(5–6):421-30.)將這一思想擴展到了多變量的情況，但目前眾多研究大都局限于線性系統，即所針對的系統輸出均為高斯線性序列。

然而，在實際生產中，大多數工業過程本質上都是非線性的，非線性可能來自工業過程本身、外部擾動、執行器、傳感器等，其中，執行閥作為整個控制回路中唯一可動的控制部件，是工業過程控制系統中必不可少的基本裝備之一。

執行閥安裝在生產現場，常年工作在高溫、高壓、強腐蝕、易堵或易漏等惡劣情況下，不可避免會出現各種故障和異常。同時，隨著使用時間的延長，執行閥還會出現有回滯、死區、粘滯等非線性特性，這些非線性特性將不同程度地影響生產系統的控制性能。

執行閥粘滯特性是最為常見的非線性起因，在引起控制回路振蕩的三個原因中執行閥粘滯特性占20%－30%，因此執行閥粘滯特性的研究作為生產過程監控系統的一個重要組成部分，對工業過程的安全、穩定、高效的運行有著非常重要的意義，若忽略執行閥粘滯特性，繼續使用線性方法進行控制性能評估，所得結果可能出現偏差和誤導。

現有技術中，針對非線性生產過程的性能評估問題，Harris和Yu提出了一種多項式動態模型逼近的方法(Harris?T?J,Yu?W.Controller?assessment?for?a?class?of?nonlinear?systems(2007).Journal?of?Process?Control,17(7):607-619.)，將最小方差性能基準擴展到一類由非線性動態模型與加性擾動組成的非線性系統，該方法的局限性在于僅適用于非線性函數可微，存在最小方差反饋不變量的控制過程。

當控制回路存在的執行閥粘滯特性被描述為不可微非線性函數的特性時，為獲得控制回路的可靠性能評估指標，主要思路有兩種：一種是利用樣條平滑函數(smoothing-spline)擬合去除過程輸出的非線性，再對擬合的差值進行線性時間序列建模，進一步估計得到最小方差性能基準；另一種是探尋執行閥平衡狀態階段，一旦系統出現執行閥卡滯(stuck-valve)，該階段則可認為是線性平衡狀態，最小方差性能基準即可直接通過對輸入輸出數據進行ARMA建模求解。

基于上述兩種思路建立的性能評估方法在應用中存在局限性：其一，基于樣條平滑函數的方法由于插值函數無法完全去除過程輸出的非線性，導致性能評估結果均大于真實值，且隨著執行閥粘滯特性的誤差增大進一步增加；其二，探尋執行閥平衡狀態的方法更適合用于出現執行閥卡滯階段足夠長的控制回路，而這種控制回路在實際工業應用中是很難保證的。

發明內容

本發明提供了一種存在執行閥粘滯特性的化工過程的控制性能評估方法，適用于存在執行閥粘滯特性的工業生產的控制回路中，無需復雜的計算和對工業控制過程操作條件的嚴格限制，能夠提供精確評估化工過程的控制性能基準，實現對控制系統的優化配置，提高經濟效益。