[發明專利]一種氣動調節閥粘滯特性參數的估計方法

有效

• 申請號: 201711121777.3
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107703761B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 王浩坤;江愛朋
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種氣動調節閥粘滯特性參數的檢測方法，本發明將氣動調節閥的粘滯非線性特征通過線性化的方式轉化為已知輸入和未知輸入兩個部分，借助于未知輸入估計器利用現場數據對未知輸入進行在線估計；再在現有控制信號的基礎上疊加測試信號以獲取估計信息，進而利用估計信息對調節閥的非線性特征進行擬合。本發明可以有效解決氣動閥非線性特征的檢測問題，可以為調節閥非線性補償提供所需信息，檢測結果可以用于系統的性能分析和故障診斷，對提升系統運行的安全性和準確性有顯著作用。

技術領域

本發明屬于工業過程控制領域，具體涉及一種氣動調節閥粘滯特性參數的在線估計方法。

背景技術

典型的工業過程控制領域的單回路控制系統如圖1所示。氣動調節閥是工業過程系統中常見的執行設備之一，其性能的好壞直接決定了工業過程控制系統的性能，對產品質量、生產裝置運行的經濟性和穩定性有著直接影響。由于受到支撐件損壞、閥芯及閥座受腐蝕、彈簧膜片破損、密封性下降、閥桿封裝過緊、金屬過熱膨脹、潤滑性能下降等因素的影響，氣動調節閥在實際生產過程中呈現嚴重的非線性特征。這些非線性特征是導致控制系統性能惡化和回路振蕩的主要原因之一。某一回路的振蕩往往會波及其它控制回路，導致生產裝置整體性能下降、原材料消耗過大、能耗增加、執行器磨損加速，甚至會導致系統不穩定。因此，通常需要對氣動調節閥的輸入輸出特性進行檢測，確定其非線性特征，然后設計相應的補償措施，使其輸入輸出特征更為線性化。這樣一方面有利于系統控制性能的提升，另一方面也有利于生產過程運行的穩定性和經濟性。

氣動調節閥中的非線性特征一般可以用死區、滯環等非線性環節描述，如圖2所示。其突出的特點是調節閥上升行程和下降行程不重合，上下行程存在變差，導致控制器發出的控制指令不能得到有效執行，進而影響控制系統性能。

常見的氣動執行器非線性特征的檢測方法有交叉互相關方法(Horch,2000)、定性Hammerstein模型方法(Srinivasan,2005)、面積比率法(Singhal,2005)、基于繼電器方法(Rossi,2005)、模式識別方法(Yamashita,2005)、雙相關方法(Choudhury,2006)、Hammerstein模型方法(Choudhury,2008)、全局收索方法(Jelali,2008)等。上述方法利用控制輸入信號和被控過程輸出信號對閥門非線性特征進行檢測，通常需要在控制回路出現振蕩的情況下才有效，在回路沒有出現振蕩時其有效性將大大降低或者根本無法使用。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，給出一種氣動調節閥非線性特性的在線檢測方法，采用估計器對調節閥非線性特征進行實時估計，為故障診斷以及控制系統的非線性補償提供有效信息。

一種氣動調節閥粘滯特性參數的檢測方法，具體為：將氣動調節閥的粘滯非線性特征通過線性化的方式轉化為已知輸入和未知輸入兩個部分，借助于未知輸入估計器利用現場數據對未知輸入進行在線估計；再在現有控制信號的基礎上疊加測試信號以獲取估計信息，進而利用估計信息對調節閥的非線性特征進行擬合。

作為優選：將氣動閥的粘滯非線性特征描述為未知非線性函數；

作為優選：在現有控制信號的基礎上疊加的測試信號為方波、PRBS或GBN信號。

作為優選：利用估計器估計的未知輸入值和原有的已知輸入值繪制散點圖，從圖中直接讀取粘滯特性的基本參數。

作為優選：一種氣動調節閥粘滯特性參數的檢測方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟1：建立被控過程的數學模型。

被控過程的數學模型可以用如下形式的線性離散狀態空間模型來描述：

其中x為系統狀態，n為氣動調節閥開度，y為被控過程中的被控工藝參數的測量值，A、B、C為系統矩陣，w和v為過程噪聲和測量噪聲，一般假設w和v為零均值的白噪聲，且方差為和上述符號中的下標k表示采樣時刻。