[發明專利]一種適用于煙草加工過程PID控制回路的性能評價方法

有效

• 申請號: 201510875122.X
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN105334738B
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 陳孚;梁偉;朱文魁;徐大勇;鄧國棟;李善蓮;張玉海;陳良元;張彩云;劉朝賢
• 申請（專利權）人: 中國煙草總公司鄭州煙草研究院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 鄭州中民專利代理有限公司 41110
• 代理人: 姜振東

本發明涉及煙草加工過程控制的相關技術領域，具體是一種針對煙草加工過程PID控制回路的性能評價方法，其特征在于：針對煙草加工流程中的PID控制回路，提出了用遺傳算法結合修正牛頓法的混合遺傳算法來優化計算PID控制器可實現的最小方差，避免了傳統優化算法容易陷入局部最優的情況，也提高了算法的局部搜索優化能力；并且在目標函數中考慮了控制代價的懲罰，使得最小方差的計算兼顧了控制作用的變化，從而得到更客觀高效的性能評價指標，提高過程控制性能監控水平。該方法可對煙草加工過程的串級PID回路進行等價分析，從而有效提高方法的使用范圍，提升過程控制性能評價能力，得到更客觀高效的性能評價指標。

技術領域

本發明涉及煙草加工過程控制的相關技術領域，具體地說是一種針對煙草加工過程PID控制回路的性能評價方法。

背景技術

自Harris提出以最小方差控制器作用下的閉環輸出方差作為控制器性能評價基準(Can J Chem Eng，1989(67)：856-861)，此后大多數研究都圍繞該基準開展，卻很少關注它對一種具體類型的控制器的適用性問題。煙草加工過程控制中，90％以上的控制器類型為PID控制器，而研究發現，由于受自身結構影響，即使整定良好的PID控制器，其輸出一般也無法達到最小方差控制器控制下的方差，如果采用最小方差控制的標準來評價PID控制回路會得到錯誤的、不客觀的判斷。因此，找到一種適用于PID控制器的性能指標來評價煙草加工過程，具有十分重要的意義。

一些研究者分析了PID控制器可實現的最小方差的計算方法，構造了PID控制率下閉環輸出方差的目標函數，并采用最速下降法等常規優化方法來計算最小值，從而作為性能指標的評價基準。但這種方法在實際使用中存在以下主要問題：一是傳統的優化計算方法容易陷入局部最優，無法獲得全局最優解，甚至無法獲得最優解，且計算速度慢；二是輸出方差的目標函數并沒有考慮控制的代價作用。這使得評價基準的計算并不反應客觀實際，影響了性能指標評價的合理性。

發明內容

為克服上述優化計算PID控制回路性能指標方法的不足，本發明對圖1所示的PID控制回路，提出了用遺傳算法結合修正牛頓法的混合遺傳算法來優化計算PID控制器可實現的最小方差，避免了傳統優化算法容易陷入局部最優的情況，也提高了算法的局部搜索優化能力；并且在目標函數中考慮了控制代價的懲罰，使得最小方差的計算兼顧了控制作用的變化，從而得到更客觀高效的性能評價指標，提高過程控制性能監控水平。其具體步驟如下：

(1)針對煙草加工流程中的特定加工工序，選定待評價的PID控制回路(單回路或串級回路)，確定相應的被控變量和控制變量構成操作數據；

(2)確定采集規則：包括采樣時間和評價數據范圍。根據煙草加工過程的特點，采樣時間為5-15秒；評價數據范圍選取生產過程穩定運行的數據段(除去料頭、料尾以及故障階段的生產數據)；

(3)對采集的操作數據進行預處理：包括奇異值剔除以及平穩性檢驗。若平穩性檢驗未通過，則可以對數據進行一次或二次差分處理，并將操作數據減去其平均值(或設定值)作為辨識模型用數據；

(4)對預處理后的操作數據進行時間序列分析，辨識得到ARMAX模型；

(5)利用ARMAX模型中過程模型和干擾模型的響應系數S和N，構造包含控制作用變化的目標函數J；

(6)設定種群規模NT、交叉概率Pc、變異概率Pm、最大迭代次數T，利用遺傳算法和修正牛頓法相結合的混合遺傳算法求取目標函數J的最小值，得到PID回路可實現的最小方差，作為性能評價的基準，并相應得到最優的PID參數K。

(7)以上述求得的最小值作為PID回路的性能評價基準與實際過程輸出方差相比，得到PID控制回路的性能指標

步驟(3)中，奇異值剔除是對明顯不符合穩定生產過程或故障段的數據進行人工剔除；平穩性檢驗采用非參數檢驗法ADF；數據的一次或二次差分處理如下式：