設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，在閉環(huán)辨識中選用設定值激勵梯形波信號，并對梯形波設定值激勵信號參數(shù)進行整定，其中整定的梯形波設定值激勵信號參數(shù)包括梯形波斜坡寬度、梯形波坡頂寬度和梯形波斜坡坡度。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明盡可能地提高辨識信號的信噪比，從而有效提高過程模型的辨識準確性等優(yōu)點。
【專利說明】
設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及連續(xù)過程閉環(huán)辨識激勵信號技術，尤其是涉及一種設定值激勵閉環(huán)辨 識的梯形波信號參數(shù)整定方法。
【背景技術】
[0002] 閉環(huán)辨識方法被認為是更適合工程應用的方法，因為它可以在不中斷生產(chǎn)的條件 下實施，并且更容易保證生產(chǎn)安全。但是，閉環(huán)辨識方法的工程實踐中存在著激勵信號的施 加問題。閉環(huán)辨識中傳統(tǒng)的和常用的激勵信號是偽隨機信號。在實際工程實施中，需要有偽 隨機信號發(fā)生器，需要較專業(yè)技術人員提供技術支持，常出現(xiàn)一些激勵強度把握不當?shù)膶?施困難。因此需要開發(fā)更簡單和更便于實施的辨識激勵信號。
[0003] 閉環(huán)辨識過程中，將辨識激勵信號施加在設定值處并且直接檢測被控過程的輸入 和輸出，是一種可行的直接辨識方案。若不采用偽隨機信號作為辨識激勵信號，而是采用更 容易實現(xiàn)的方波、三角波或梯形波信號，這在理論分析上是完全可行的。對于常見的恒值控 制系統(tǒng)，短期內疊加方波、三角波或梯形波這樣的辨識激勵信號，不會長期改變原定的設定 值，也就不會影響生產(chǎn)運行控制要求。此外，為了保證辨識激勵擾動引起的過程輸出波動不 超安全上限值，還應該預設所疊加方波、三角波或梯形波的波動方向正好使過程輸出的波 動方向背離安全上限。
[0004] 過程模型辨識的關鍵技術之一是激勵信號的適度施加。從提高信噪比以提高過程 模型辨識準確性的角度看，激勵信號強度越大越好，但是過強的激勵信號將帶來過程輸出 的大幅波動，會降低生產(chǎn)運行質量，甚至危及生產(chǎn)安全。而過弱的激勵信號將使被辨識過程 的響應變化太小，以至于信噪比太低而導致辨識計算失敗。因此，若采用方波、三角波或梯 形波信號的激勵信號，就需要解決激勵信號的參數(shù)整定問題。適當?shù)募钚盘枏姸瓤隙ㄅc 被辨識過程的特性相關，所以適當?shù)募钚盘枀?shù)只能通過整定試驗來確定。
[0005] 對于具體的被控過程，往往存在具體的物理約束。比如某被控過程的輸入量的最 大值有限制，最小值也有限制;甚至輸入量的變化速率也有限制。如果控制器的輸出超過了 具體的限制，那么就會使限幅器之類的環(huán)節(jié)起作用。這樣，所不希望的非線性特性就被激發(fā) 出來，這也會造成過程模型的辨識誤差。因此希望通過所施加的激勵信號約束避免被控過 程的非線性特性的激勵。若不考慮輸入量的變化速率限制條件，方波激勵信號就可滿足要 求。可用方波的波寬參數(shù)調整滿足被控過程輸入量在最大值和最小值之間。若考慮輸入量 的變化速率限制條件，方波激勵信號不可用，而選用三角波或梯形波信號就可以有效控制 被控過程輸入量的變化速率不超限。若是生產(chǎn)運行對設定值的變化幅度有限制，例如每次 改變不能超過10%，那么選用三角波信號也可能激勵強度不夠。為此，選用梯形波信號的通 用性更強。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種設定值激勵閉 環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0008] -種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特征在于，在閉環(huán)辨識 中選用設定值激勵梯形波信號，并對梯形波設定值激勵信號參數(shù)進行整定，其中整定的梯 形波設定值激勵信號參數(shù)包括梯形波斜坡寬度、梯形波坡頂寬度和梯形波斜坡坡度。
[0009] 該方法具體包括以下步驟：
[0010] 1)定義梯形波設定值激勵信號函數(shù)
[0012] 式中，參數(shù)a為梯形波斜坡寬度，與梯形波坡頂高度成正比；參數(shù)b為梯形波坡頂寬 度;參數(shù)k為梯形波斜坡坡度；
[0013] 2)分別與參數(shù)a、b和k進行整定。
[0014] 所述的參數(shù)a整定過程如下：
[0015]假設參數(shù)k已經(jīng)確定，參數(shù)a的確定取決于生產(chǎn)運行對設定值的變化幅度的限制許 可，設定值的變化幅度的限制是每次運行操作不能超過設定值滿量程的x%，那么有
[0017]式中，rmax是設定值的滿量程值。
[0018] 所述的參數(shù)b整定過程如下：
[0019] 參數(shù)b決定了梯形波信號的持續(xù)時間，即梯形波信號的能量強度;參數(shù)b越大，則被 控過程的輸入的能量強度越大；
[0020] 當實際過程的噪聲較大時，辨識激勵信號的強度需要足夠大到使其激勵的辨識響 應不被噪聲所淹沒，以確保被辨識模型準確辨識。但是，參數(shù)b太大則對辨識準確已無影響， 反而延長了辨識對正常閉環(huán)控制的干擾時間。
[0021 ]所述的參數(shù)b的數(shù)值需要通過試湊試驗來確定。
[0022] 所述的參數(shù)k整定過程如下：
[0023] 1)確定參數(shù)k的符號，若過程輸出量的安全限值是高于設定值，那么參數(shù)k的符號 取負號，即使辨識激勵造成的輸出波動背離安全限值;否則，k的符號取正號；
[0024] 2)整定參數(shù)k的數(shù)值，通過參數(shù)k的試湊試驗確定，只要觀察到控制器的輸出量的 變化速率滿足變化速率高限值要求并且控制量的最大最小值均在預定限值以內即可。
[0025] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明從實際工程實施需求出發(fā)，在保障生產(chǎn)運行安全的前提 下，盡可能地提高辨識信號的信噪比，從而有效提高過程模型的辨識準確性;用該方法整定 的設定值激勵梯形波信號可確保閉環(huán)辨識激勵下的過程控制量既不超過最大最小限值又 不超過速率變化高限值。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0027] 針對某電阻爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，假設待辨識過程的實際模型為
[0029]假設控制器的模型為
[0031]假設進行梯形波設定值激勵閉環(huán)辨識試驗時需要試驗整定梯形波信號參數(shù)。
[0032] 按照梯形波斜坡坡度參數(shù)k的整定原則，考慮過程輸出量是爐溫，其安全限值應該 是高于設定值，那么參數(shù)k的符號取負號。再考慮電阻爐的設備壽命，電加熱的最高速率應 有限制但沒有具體規(guī)定限值。不妨取
[0033] k = 5
[0034] 按照梯形波斜坡寬度參數(shù)a的整定原則，假定設定值的變化幅度的限制不能超過 滿量程(設rmax = 1 〇〇〇)的1 〇 %，則有
[0036] 按照梯形波坡頂寬度參數(shù)b的整定原則，通過參數(shù)b的試湊試驗，可取
[0037] b = 30
[0038] 在有噪聲的梯形波設定值激勵閉環(huán)辨識仿真試驗下，可獲得600點過程輸出響應 {yi(k)，k=l，2，".，600}、輸入數(shù)據(jù){ui(k)，k=l 義…，600}。
[0039]利用粒子群(PS0)辨識程序可得到的辨識模型為
[0041] 可見，所辨識模型的參數(shù)與原模型G(s)的參數(shù)非常接近，證明所應用的設定 值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法在有噪聲的閉環(huán)辨識中確保了模型辨識的準 確性。
[0042] 若不按照設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法隨意選取梯形波信號 參數(shù)，例如選取參數(shù)為
[0043] k = l
[0044] a = l
[0045] b = l
[0046] 則在有噪聲的梯形波設定值激勵閉環(huán)辨識仿真試驗下，可獲得600點過程輸出響 應{y2(k)，k=l，2,…，600}、輸入數(shù)據(jù){u 2(k)，k=l，2,…，800}。
[0047]利用粒子群(PS0)辨識程序可得到的辨識模型為
[0049]對比上述兩種情況下辨識得到的模型和堯(幻的參數(shù)可知，本發(fā)明提出的設 定值激勵閉環(huán)辨識梯形波信號參數(shù)整定方法是十分有效的。
【主權項】
1. 一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特征在于，在閉環(huán)辨識中 選用設定值激勵梯形波信號，并對梯形波設定值激勵信號參數(shù)進行整定，其中整定的梯形 波設定值激勵信號參數(shù)包括梯形波斜坡寬度、梯形波坡頂寬度和梯形波斜坡坡度。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特 征在于，該方法具體包括以下步驟： 1) 定義梯形波設定值激勵信號函數(shù)式中，參數(shù)a為梯形波斜坡寬度，與梯形波坡頂高度成正比；參數(shù)b為梯形波坡頂寬度； 參數(shù)k為梯形波斜坡坡度； 2) 分別與參數(shù)a、b和k進行整定。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)a整定過程如下： 假設參數(shù)k已經(jīng)確定，參數(shù)a的確定取決于生產(chǎn)運行對設定值的變化幅度的限制許可， 設定值的變化幅度的限制是每次運行操作不能超過設定值滿量程的x%，那么有式中，rmax是設定值的滿量程值。4. 根據(jù)權利要求2所述的一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)b整定過程如下： 參數(shù)b決定了梯形波信號的持續(xù)時間，即梯形波信號的能量強度;參數(shù)b越大，則被控過 程的輸入的能量強度越大； 當實際過程的噪聲較大時，辨識激勵信號的強度需要足夠大到使其激勵的辨識響應不 被噪聲所淹沒，以確保被辨識模型準確辨識。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)b的數(shù)值需要通過試湊試驗來確定。6. 根據(jù)權利要求2所述的一種設定值激勵閉環(huán)辨識的梯形波信號參數(shù)整定方法，其特 征在于，所述的參數(shù)k整定過程如下： 1) 確定參數(shù)k的符號，若過程輸出量的安全限值是高于設定值，那么參數(shù)k的符號取負 號，即使辨識激勵造成的輸出波動背離安全限值;否則，k的符號取正號； 2) 整定參數(shù)k的數(shù)值，通過參數(shù)k的試湊試驗確定，只要觀察到控制器的輸出量的變化 速率滿足變化速率高限值要求并且控制量的最大最小值均在預定限值以內即可。
【文檔編號】G05B13/04GK106054600SQ201610369507
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】楊平, 陳歡樂, 余潔, 歸數(shù), 歸一數(shù), 李芹, 王念龍, 袁晗, 王松, 徐春梅, 程際云, 于會群, 吳周晶, 康英偉
【申請人】上海電力學院, 上海明華電力技術工程有限公司