[发明专利]基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法

说明书

一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，用于解决控制系统的在线评价问题，所述方法包括以下步骤：a.采集待评价控制回路被控变量PV的当前时刻数据；b.对输出数据进行预处理，包括剔除异常数据和平稳化处理；c.计算控制回路的性能指标；d.根据控制回路性能指标给出PI控制器参数的优化建议。本发明通过对一段时间的历史输出数据进行时间序列分析得到控制回路的性能指标，根据控制回路的性能指标给出PI控制器参数的调节方向，使控制器性能达到最佳。本方法无需系统的精确模型和传递函数阵，只需要系统运行数据和迟延时间信息，不会影响系统正常运行，适用于工业现场进行在线性能评价。

技术领域

本发明涉及一种可对单回路控制系统的控制性能做出准确评价的方法，属于控制技术领域。

背景技术

工业过程中约90％的控制器都是PID控制器，其控制性能与产品质量、操作成本及生产安全都密切相关。在实际生产过程中，只有在调试阶段才会对PID控制器进行参数寻优，但是随着回路长时间的运行及现场工况的变化，导致控制器性能退化，影响经济效益甚至带来安全隐患。因此，找到合适的方法使用户了解控制回路的性能与预期的控制目标的差异，以便能及时发现问题并对系统性能进行优化具有非常重要的意义。

近几年，很多学者对控制器因调节不当导致的性能降低的情况进行了研究。通过分析控制量和被控量定义了IDLE指标用于诊断控制回路响应迟缓情况；Visioli基于控制量定义了面积指数，诊断回路对负载扰动的响应的突发性或缓慢性；Salsbury基于输出数据响应峰的变化定义了R指数；Veronesi首先估计了现有控制器的性能，然后在仅需要含设定值改变的日常操作数无需特定试验的情况下完成控制器的参数调节。上述方法能够定量判断控制器调节性能，但仅在设定值或负载扰动出现大的阶跃变化的情况下使用，而工业现场中这种情况较少，不适用于系统长期在线评价。

针对现场中经常受到随机扰动的情况，Yamamoto利用基于最小方差的PI系统性能评估结果对PI参数进行了在线优化控制；Goradia提出一种基于系统脉冲响应曲线的方法判断当前控制器调节迟缓/振荡，通过迭代寻优的方法寻找PI控制器最佳性能。周猛飞提出了一种基于双层结构的PID控制器的性能评估方法，第一层是基于脉冲响应曲线和最小方差准则来评估控制器的确定性和随机性性能，接着对于PID结构的控制器进行评估，该方法更符合生产实际，但需要更多的过程信息。

总之，现有的评价方法均不理想，不适于工业现场进行在线性能评价，还有必要进一步进行研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，它可以用较少的系统运行数据来实现对控制系统性能的在线评价。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，所述方法包括以下步骤：

a.采集待评价控制回路被控变量PV的当前时刻数据；

b.对输出数据进行预处理，包括剔除异常数据和平稳化处理；

c.计算控制回路的性能指标：对预处理后PV数据进行ARMA建模，求Harris指标和脉冲响应函数，计算脉冲响应曲线振荡次数、调节时间和第一次过零点时间，得到控制回路的性能指标；

d.根据计算出的控制回路性能指标给出PI控制器参数的优化建议。

上述基于ARMA模型的单回路控制系统性能评价方法，对输出数据进行预处理的具体方法如下：

①剔除异常值

计算输出数据的标准误差σ：

其中，序列{x_i,i＝1,2,…,N}为采集的输出序列，为输出序列均值，为输出序列与均值间的误差；