[发明专利]一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法

权利要求书

1.一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，其特征在于：将气动调节阀的粘滞非线性特征通过线性化的方式转化为已知输入和未知输入两个部分，借助于卡尔曼滤波器利用现场数据对未知输入进行在线估计；然后在现有控制信号的基础上叠加测试信号以获取估计信息，进而利用估计信息对调节阀的非线性特征进行拟合。

2.如权利要求1中所述的一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，其特征在于：所述的气动调节阀的粘滞非线性特征采用传递函数或者状态空间模型线性化。

3.如权利要求1中所述的一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，其特征在于：所述的测试信号为方波、PRBS或GBN信号。

4.如权利要求1中所述的一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，其特征在于：利用所述估计信息绘制散点图，从图中直接读取粘滞特性的基本参数。

5.如权利要求1所述的一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1：建立被控过程的状态空间模型：

被控过程的数学模型采用如下形式的线性离散状态空间模型：

其中x为系统状态，n为气动调节阀开度，y为被控过程中的被控工艺参数的测量值，A、B、C为系统矩阵，w和v为过程噪声和测量噪声，一般假设w和v为零均值的白噪声，且方差为和上述符号中的下标k表示采样时刻；

步骤2：将气动调节阀的非线性特征转化为已知输入和未知输入之和：

实际系统中气动调节阀由于各种原因导致其输出的开度n同控制信号u不一致，二者之间存在非线性关系；为描述这一非线性特征，以在线性模型(1)中用非线性函数n＝f(u)，模型(1)变换为：

其中f(u)为一非线性函数，用以描述气动调节阀的非线性特征，其余参数意义同模型(1)相同；由于描述气动阀非线性函数f(u)通常是未知的，而且在生产装置实际运行中其特性会发生变化，因此无法直接确定其非线性函数的具体表达式；为解决这一问题，这里引入未知输入项d_k，将f(u_k)表示为：

f(u_k)＝u_k+d_k (3)；

其中d_k的值是未知的，u_k的值为已知控制量，用以描述调节阀的非线性特征；在控制量输入端叠加测试信号u_d,k，u_d,k为已知信号；将公式(3)和已知测试信号u_d,k带入公式(2)，得如下被控过程模型：

其中u_d,k为测试信号u_d在k时刻的值，且大小已知；通过上述步骤将气动调节阀的非线性特征f(u_k)转化为已知输入u_k+u_d,k和未知输入d_k两部分之和进行描述；

步骤3：通过卡尔曼滤波器对未知输入部分进行估计：

在将非线性特征f(u)转换为输入不确定d后，需要对d的值进行在线估计；假设未知输入d的动态特征满足：

d_k+1＝d_k+ζ_k (5)；

其中ζ_k为零均值的高斯白噪声，方差为将式(4)和(5)合并后，得如下扩展方程：

其中：

式(7)中I为单位阵，矩阵A、B、C的定义同式(1)一致，矩阵和为扩展后的矩阵；

通过如下卡尔曼滤波器实现对也即x_k和d_k的估计：

其中上标为信号*的估计值；为k-1时刻对k时刻的状态的估计值；P_k|k-1为的协方差矩阵；P_k为的协方差矩阵；

步骤4：绘制散点图确认气动调节阀非线性特性的具体形式：

通过前三个步骤看出，气动调节阀的输入为u_k，输出为f(u_k)，通过式(3)得出，f(u_k)的值通过当前的控制作用u_k和未知输入d_k的估计值进行近似：

气动调节阀的非线性特征f(u_k)通过分析已知信号u_k+u_d,k和总体信号的关系进行确定；绘制u_k+u_d,k和的散点图确定非线性函数f(u_k)的具体形式。