流程工業(yè)的廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是一種基于模型識(shí)別方法的流程工業(yè)廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于現(xiàn)代過程工業(yè)日益復(fù)雜及控制器日常維護(hù)不足等方面的原因，電力、石油、化工、鋼鐵、造紙、水泥等工業(yè)過程普遍存在控制回路性能差的現(xiàn)象，國外有研宄表明，工業(yè)過程中有1/3的控制回路處于振蕩狀態(tài)中?；芈氛袷幨且环N明顯的控制性能退化的表現(xiàn)形式，有多種可能的原因會(huì)引起控制回路振蕩:控制閥的非線性故障，如摩擦、死區(qū)、反沖及粘滯等現(xiàn)象；控制參數(shù)調(diào)整不適當(dāng)，使得系統(tǒng)趨于不穩(wěn)而引起振蕩；來自外部振蕩干擾和回路自身的反饋機(jī)制，這種情況通常在控制回路間有較強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中見到，一個(gè)振蕩源會(huì)通過耦合路徑傳遞到其它回路中去；高度的非線性過程；在用的MPC控制器與對(duì)象模型不匹配?？刂苹芈分姓袷幍拇嬖趯?dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降、能耗增加、設(shè)備磨損加快等一系列問題。尤其在現(xiàn)代企業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大的情況下，控制回路數(shù)目成千上萬，一旦由于某種異常因素(例如閥門出現(xiàn)了粘滯或外部擾動(dòng)等)導(dǎo)致了在這樣大的控制系統(tǒng)中的某一位置上發(fā)生了振蕩，由于過程系統(tǒng)中的各個(gè)處理裝置間存在著復(fù)雜的耦合，則這種出現(xiàn)在局部位置上的振蕩將被快速傳遞擴(kuò)散開來，產(chǎn)生所謂的“廠級(jí)控制回路振蕩”現(xiàn)象。一旦“廠級(jí)控制回路振蕩”出現(xiàn)，不但振蕩的各種危害將被成倍的放大，而且還造成了原始的那個(gè)振蕩源所在的控制回路被淹沒在許許多多具有非常相似振蕩特征的控制回路當(dāng)中。也就是說，一旦“廠級(jí)控制回路振蕩”出現(xiàn)，
[0003]如果沒有一種行之有效的定位廠級(jí)控制回路振蕩源的方法，將導(dǎo)致“廠級(jí)控制回路振蕩”現(xiàn)象將在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)存在。顯然，要消除“廠級(jí)控制回路振蕩”所引起的這種嚴(yán)重危害，首先要找到其來源，然后對(duì)其定性，最后根據(jù)不同的原因采取相應(yīng)的措施，加以解決。值得一提的是，發(fā)電機(jī)組等大型過程裝置的運(yùn)行過程常常伴隨十分苛刻的生產(chǎn)條件或環(huán)境，如高溫、高壓，因而運(yùn)行的安全性十分重要。由此可見，定位廠級(jí)控制回路振蕩源方法的研宄對(duì)于電力、石油、化工、鋼鐵、造紙、水泥等工業(yè)過程的安全、穩(wěn)定、高效地生產(chǎn)有十分重要的意義。因此，對(duì)于能夠應(yīng)用于實(shí)際過程對(duì)象的定位廠級(jí)控制回路振蕩源的有效方法，其所具有的巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益將是不言而喻的。
[0004]目前，國內(nèi)外有關(guān)廠級(jí)控制系統(tǒng)振蕩源定位的方法主要有這樣幾種:SPCA方法、SICA方法、NMF方法、聚類方法(或稱為:功率譜互相關(guān)分析法)、譜包絡(luò)方法、基于轉(zhuǎn)移熵的方法、基于互相關(guān)函數(shù)的方法、基于時(shí)域格蘭杰因果性判斷的方法等。我們通過仿真研宄發(fā)現(xiàn)，上面這些方法都有一個(gè)共同的問題，就是對(duì)不同的仿真對(duì)象，它們的正確率都不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:提供一種流程工業(yè)的廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確率不高的問題，以實(shí)現(xiàn)對(duì)廠級(jí)控制回路振蕩源進(jìn)行有效的定位。
[0006]技術(shù)方案:一種流程工業(yè)的廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1、針對(duì)多回路控制系統(tǒng)，構(gòu)建一包含多個(gè)回路信號(hào)振蕩的原始回路變量數(shù)據(jù)集;
[0008]步驟2、采用基于頻域非負(fù)矩陣分解或頻域獨(dú)立成分分析方法處理所述原始回路變量數(shù)據(jù)集，提取出包含相同頻譜基的一個(gè)或多個(gè)待檢回路集；每個(gè)待檢回路變量數(shù)據(jù)集中包含若干控制回路的變量，每個(gè)變量對(duì)應(yīng)一個(gè)控制回路，所述變量包括回路的偏差、被控量和控制器輸出量；
[0009]步驟3、在待檢回路集中針對(duì)每一個(gè)回路，進(jìn)行回路的控制器輸出量和被控量的二維聯(lián)合概率分布曲面的計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)每一個(gè)待檢回路集中所有回路的控制器輸出量和被控量的二維聯(lián)合概率分布曲面上的最大值；
[0010]將每一個(gè)待檢回路集中所計(jì)算出的各個(gè)回路的控制器輸出量和被控量的二維聯(lián)合概率分布曲面上的最大值按從小到大的次序進(jìn)行排序，則每一個(gè)回路集的回路的控制器輸出量和被控量的二維聯(lián)合概率分布曲面上最大值的排序列表中，排在第一位的控制器輸出量和被控量的二維聯(lián)合概率分布曲面上的最大值所對(duì)應(yīng)的回路，就是該回路集所包含的各個(gè)回路變量中所存在振蕩的源。
[0011]有益效果:與現(xiàn)有的各種廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法相比，本發(fā)明進(jìn)行廠級(jí)控制回路振蕩源定位的準(zhǔn)確性有了很大程度的提高。因此，利用本發(fā)明對(duì)廠級(jí)控制回路振蕩源進(jìn)行有效的定位，為消除廠級(jí)控制回路振蕩所引起的嚴(yán)重危害提供了極大的便利。
【附圖說明】
[0012]圖1a至圖1f是本發(fā)明實(shí)施例1的仿真結(jié)果示意圖；圖1a至圖1f分別為控制回路的PV信號(hào)時(shí)域圖、PV信號(hào)的頻域圖、總功率譜、兩個(gè)振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子分布圖、0.0023Hz振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子排序圖、0.1Hz振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子排序圖；在實(shí)施例I中，控制回路2中的一階慣性加延時(shí)對(duì)象中的開環(huán)放大系數(shù)K = 0.51、T = 50s。
[0013]圖2a至圖2f是本發(fā)明實(shí)施例2的仿真結(jié)果示意圖；圖2a至圖2f分別為控制回路的PV信號(hào)時(shí)域圖、PV信號(hào)的頻域圖、總功率譜、兩個(gè)振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子分布圖、0.0023Hz振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子排序圖、0.1Hz振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子排序圖；在實(shí)施例2中，控制回路2中的一階慣性加延時(shí)對(duì)象中的開環(huán)放大系數(shù)K = 1.01、T = 50s。
[0014]圖3a至圖3f是本發(fā)明實(shí)施例3的仿真結(jié)果示意圖；圖3a至圖3f分別為控制回路的PV信號(hào)時(shí)域圖、PV信號(hào)的頻域圖、總功率譜、兩個(gè)振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子分布圖、
0.0023Hz振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子排序圖、0.1Hz振蕩頻率成分的強(qiáng)度因子排序圖；在實(shí)施例3中，控制回路2中的一階慣性加延時(shí)對(duì)象中的開環(huán)放大系數(shù)K = UT = 20s。
【具體實(shí)施方式】
[0015]結(jié)合附圖描述本發(fā)明，本發(fā)明進(jìn)行流程工業(yè)廠級(jí)控制回路振蕩源定位的基本原理如下:
[0016]首先，假設(shè)一個(gè)具有N個(gè)回路的多回路控制系統(tǒng)中，發(fā)生了多回路的振蕩。也就是說，存在M個(gè)發(fā)生了回路信號(hào)振蕩情況的回路。顯然，M SN。構(gòu)建起一個(gè)僅僅包括了上述M個(gè)回路信號(hào)振蕩的原始回路變量數(shù)據(jù)集A。數(shù)據(jù)集A中有M個(gè)由長(zhǎng)度為S的采樣數(shù)據(jù)序列所組成的元素。如果用矩陣Amxs來表示數(shù)據(jù)集A的話，則Amxs矩陣的維數(shù)為:MXS，即Amxs=[a1； a2,...，aM]T，其中aji = 1，2，...，Μ)表示第i個(gè)回路的采樣數(shù)據(jù)序列。
[0017]其次，對(duì)數(shù)據(jù)集A，結(jié)合基于頻域非負(fù)矩陣分解(NMF)或頻域獨(dú)立成分分析(SICA)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取出包含相同頻譜基的一個(gè)或多個(gè)待檢回路集:P(1)、
P(2)、......、P(i)、......、P(T)(這里，T:待檢回路集的個(gè)數(shù)，其中T彡1，
T < Μ) ο
[0018]每一個(gè)待檢回路集中包含有若干個(gè)控制回路的變量。進(jìn)行頻域非負(fù)矩陣分解(NMF)或頻域獨(dú)立成分分析(SICA)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的回路變量可以是回路偏差(E =SP-PV)或被控量(PV)，也可以是控制器的輸出量(OP)。不管是那一種回路變量，每一個(gè)變量都對(duì)應(yīng)一個(gè)控制回路。
[0019]設(shè)第i個(gè)待檢回路集P(i)中回路的個(gè)數(shù)為Qi (這里，i的取值范圍:1?T，Qi>l，Qi^ Μ)。
[0020]最后，在待檢回路集中針對(duì)每一個(gè)回路，進(jìn)行回路的控制器輸出量(OP)和被控量(PV)的二維聯(lián)合概率分布曲面的計(jì)算。
[0021]通過計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)每一個(gè)待檢回路集中所有回路OP和PV的二維聯(lián)合概率分布曲面上的最大值。將每一個(gè)待檢回路集中所計(jì)算出的各個(gè)回路OP和PV的二維聯(lián)合概率分布曲面上的最大值按從小到大的次序進(jìn)行排序。則每一個(gè)回路集的回路OP和PV的二維聯(lián)合概率分布曲面上最大值的排序列表中，排在第一位的OP和PV的二維聯(lián)合概率分布曲面上的最大值所對(duì)應(yīng)的回路，就是該回路集所包含的各個(gè)回路變量中所存在振蕩的源。
[0022]經(jīng)過上面三個(gè)步驟，就實(shí)現(xiàn)了廠級(jí)控制回路振蕩源的定位。
[0023]下面用一個(gè)包含15個(gè)控制回路的仿真模型的仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)本發(fā)明中的廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法與基于頻域非負(fù)矩陣分解(NMF)的廠級(jí)控制回路振蕩源定位方法的定位效果進(jìn)行對(duì)比。
[0024]仿真參數(shù)設(shè)置情況為:采用NMF方法，在仿真模型的回路2中