一種適用于煙草加工過程單回路控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及煙草加工過程控制的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種針對(duì)煙草加工過 程單回路控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煙草加工過程是連續(xù)生產(chǎn)過程，經(jīng)過長時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行后，各控制回路性能會(huì)不 同程度的下降，如何利用過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)控制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)性能的潛 在退化，進(jìn)而采取預(yù)防改進(jìn)措施，提高過程控制水平和生產(chǎn)維護(hù)效率，是過程控制人員亟待 解決的問題。
[0003] 煙草加工過程工序眾多，各工序包含很多不同類型的控制回路。單回路仍然 是其中最基本、最常見的控制回路。Harris通過對(duì)單回路常規(guī)操作數(shù)據(jù)采用時(shí)間序列 分析的方法，找到反饋不變項(xiàng)并作為評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的最小方差基準(zhǔn)（CanJ化em化邑， 1989化7) :856-861)。在此基礎(chǔ)上，各種不同類型的評(píng)價(jià)方法及計(jì)算方法也被提出來評(píng)價(jià)控 制系統(tǒng)性能。雖然性能評(píng)價(jià)方法很多，但最小方差性能評(píng)價(jià)方法由于需要的過程知識(shí)少、計(jì) 算相對(duì)簡單，仍是現(xiàn)在使用最廣泛的評(píng)價(jià)方法。
[0004] 但運(yùn)種常規(guī)的最小方差性能評(píng)價(jià)方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨W下主要問題：一是運(yùn)種 方法是利用常用的辨識(shí)方法巧日：最小二乘；Burg方法等）對(duì)操作數(shù)據(jù)的時(shí)間序列模型進(jìn)行 辨識(shí)，辨識(shí)所得模型的準(zhǔn)確度不高，影響了性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性；二是由于辨識(shí)方法所限，通 常是分批次對(duì)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，缺乏對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)滾動(dòng)分析，性能評(píng)價(jià)的實(shí)時(shí) 性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述現(xiàn)有最小方差性能評(píng)價(jià)技術(shù)存在的問題，提出了一種 適應(yīng)于煙草加工過程單回路控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)方法。通過用帶變遺忘因子的最小二 乘法來實(shí)時(shí)辨識(shí)操作數(shù)據(jù)的時(shí)間序列模型，提高模型辨識(shí)的準(zhǔn)確性；并在性能評(píng)價(jià)中，采用 滑動(dòng)窗口的形式對(duì)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)分析，提高性能評(píng)價(jià)的實(shí)時(shí)性。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的： 一種適用于煙草加工過程單回路控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)方法，具體包括W下步驟： (1) 針對(duì)煙草加工流程中的特定加工工序，選定待評(píng)價(jià)的單回路控制系統(tǒng)，確定相應(yīng)的 被控變量(操作數(shù)據(jù)）； (2) 確定采集規(guī)則：包括采樣時(shí)間、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)范圍、初始采樣范圍。根據(jù)煙草加工過程 的特點(diǎn)，采樣時(shí)間為5-15秒；評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)范圍選取生產(chǎn)過程穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)段(除去料頭、料 尾W及故障階段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)）；初始采樣范圍為100-200個(gè)數(shù)據(jù)。
[0007] (3 )對(duì)采集的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括奇異值剔除W及平穩(wěn)性檢驗(yàn)。若平穩(wěn)性檢 驗(yàn)未通過，則可W對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次或二次差分處理，并將操作數(shù)據(jù)減去其設(shè)定值作為辨識(shí) 模型用數(shù)據(jù)； (4) 采用帶變遺忘因子的最小二乘方法對(duì)辨識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自回歸（AR)時(shí)間序列模型建 模； (5) 由上面的時(shí)間序列模型通過"白化"獲得噪聲或殘差的方差奇；利用先驗(yàn)知識(shí)或操 作數(shù)據(jù)，估計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)間延遲d; (6) 結(jié)合時(shí)間延遲d，利用長除法從獲得的時(shí)間序列模型中求取控制反饋不變項(xiàng)；并結(jié) 合噪聲方差:ifl，求取操作數(shù)據(jù)最小方差意義下的最小方差ο??Ρ; (7) 從操作數(shù)據(jù)的采樣范圍內(nèi)求取過程輸出的實(shí)際方差，從而求取評(píng)價(jià)該采樣范 圍內(nèi)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
； (8) 采用滑動(dòng)窗口的形式，對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行滾動(dòng)分析，獲得連續(xù)的性能評(píng)價(jià)指 標(biāo)。
[0008] 步驟（3)中，奇異值剔除是對(duì)明顯不符合穩(wěn)定生產(chǎn)過程或故障段的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工 剔除；平穩(wěn)性檢驗(yàn)采用非參數(shù)檢驗(yàn)法ADF;數(shù)據(jù)的一次或二次差分處理如下式：
步驟（4)中，采用帶變遺忘因子的最小二乘方法對(duì)辨識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自回歸（AR)時(shí)間序列 模型，辨識(shí)后的自回歸模型結(jié)構(gòu)如下式所示：
其中，別:巧為當(dāng)前時(shí)刻的輸出操作數(shù)據(jù)；與。為自回歸模型的估計(jì)系數(shù)；邸為噪聲； 巧-巧為中間變量，初始值根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。3為遺忘因子，滿足下面的修正曲線：
其中，分別為遺忘因子的最小值和最大值，視具體情況設(shè)定。
[0009] 步驟（5)中，方差由辨識(shí)得到的自回歸模型"白化"得到，即由下式求出：

步驟（6)中，操作數(shù)據(jù)最小方差意義下的最小方差通過下述方法求?。?首先，將時(shí)間序列模型（AR)表達(dá)式表示為一個(gè)無限項(xiàng)的滑動(dòng)平均模型：
其中d為控制時(shí)間延遲。然后，求取前d項(xiàng)控制反饋不變項(xiàng)，則最小方差控制下的最小 方差為：
步驟（7)中，過程輸出的實(shí)際方差由下式計(jì)算：
其中，η為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
[0010] 步驟（8)中，由于采用了動(dòng)態(tài)辨識(shí)模型的方式，在對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行性 能評(píng)價(jià)時(shí)采用滑動(dòng)窗口的形式進(jìn)行滾動(dòng)計(jì)算分析。
[0011] 采用本發(fā)明提出的方法，遺忘因子隨著模型擬合誤差的變化而變化。當(dāng)離期望誤 差較大時(shí)，適當(dāng)減小遺忘因子的值來提高辨識(shí)靈敏度；當(dāng)離期望誤差較小時(shí)，適當(dāng)增大遺忘 因子的值來提高辨識(shí)精度。并且，基于該方法的實(shí)時(shí)辨識(shí)能力，在性能評(píng)價(jià)中對(duì)操作數(shù)據(jù)采 用滑動(dòng)窗口的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而提高性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，提升煙草過程的 性能評(píng)價(jià)水平。
【附圖說明】
[0012] 圖1為常見的單回路控制系統(tǒng)； 圖2為離散自適應(yīng)濾波器； 圖3為本發(fā)明最小方差性能指標(biāo)滾動(dòng)計(jì)算流程圖(該圖作為摘要附圖）； 圖4為實(shí)施例SH93水分控制回路采用本發(fā)明的最小方差性能滾動(dòng)分析圖； 圖5為實(shí)施例SH93水分控制回路采用原方法的最小方差性能批次分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述： W某卷煙廠甜93型氣流烘絲機(jī)(烘前砰流量5100kg/h)水分控制回路為評(píng)價(jià)對(duì)象(控 制系統(tǒng)如圖1所示)。具體的實(shí)施步驟如下巧日圖3所示）： (1) 選