[发明专利]一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法

说明书

本发明公开了一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，本发明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，借助于未知输入估计器利用现场数据对未知输入进行在线估计；再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。本发明可以有效解决气动阀非线性特征的检测问题，可以为调节阀非线性补偿提供所需信息，检测结果可以用于系统的性能分析和故障诊断，对提升系统运行的安全性和准确性有显著作用。

技术领域

本发明属于工业仪表与过程控制领域，具体涉及一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法。

背景技术

典型的工业过程控制领域的单回路控制系统如图1所示。气动调节阀是工业过程系统中常见的执行设备之一，其性能的好坏直接决定了工业过程控制系统的性能，对产品质量、生产装置运行的经济性和稳定性有着直接影响。由于受到支撑件损坏、阀芯及阀座受腐蚀、弹簧膜片破损、密封性下降、阀杆封装过紧、金属过热膨胀、润滑性能下降等因素的影响，气动调节阀在实际生产过程中呈现严重的非线性特征。这些非线性特征是导致控制系统性能恶化和回路振荡的主要原因之一。某一回路的振荡往往会波及其它控制回路，导致生产装置整体性能下降、原材料消耗过大、能耗增加、执行器磨损加速，甚至会导致系统不稳定。因此，通常需要对气动调节阀的输入输出特性进行检测，确定其非线性特征，然后设计相应的补偿措施，使其输入输出特征更为线性化。这样一方面有利于系统控制性能的提升，另一方面也有利于生产过程运行的稳定性和经济性。

气动调节阀中的非线性特征一般可以用死区、滞环等非线性环节描述，如图2所示。其突出的特点是调节阀上升行程和下降行程不重合，上下行程存在变差，导致控制器发出的控制指令不能得到有效执行，进而影响控制系统性能。

发明内容

本发明给出一种气动调节阀粘滞特性参数在线估计方法，采用估计器对调节阀非线性特征进行实时估计，为故障诊断以及控制系统的非线性补偿提供有效信息。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。

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。所述的测试信号为方波、PRBS或GBN信号。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。

本发明具体包括如下步骤：

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)；