基于系统输入/输出数据的预测控制器性能监控

摘要

当前,控制理论的研究不断取得新的研究成果,在应用控制理论研究成果获得经济效益的同时,人们也不断认识到,虽然控制器在设计时候都是按照一定性能要求设计的,但是在控制回路实际运行过程中这些性能并不能够完全达到,甚至有很大的差距;即使这些性能要求在控制器的运行初期能够满足,如果有没有定期的维护,控制回路的性能常常会随着时间的推移而退化.预测控制是过程控制领域广泛使用的控制算法,特别是石化、炼油行业中应用最为广泛,要保证这些生产过程安全、高效、优质、低耗的运行,在预测控制回路日常运行中就需要对其性能进行监控和评估. 本文主要研究预测控制的性能监控和评估问题,预测控制性能评估首先要确定系统的控制能力,在此基础上定义一个性能基准,然后评估控制系统性能同性能基准的差距,得出系统性能进一步改进的可能性及程度,并利用统计量发现控制回路中性能的变化;针对干扰抑制的预测控制在应用中遇到的一些问题,本文在以下几个方面进行了研究: ■化工过程中有一些被控过程存在慢时变性,对于这类被控过程,基于子空间辨识提出了预测控制性能评估的可达性基准.使用此基准提出两个性能指标和可达性曲线来评估回路性能进一步改进的程度.根据评估指标能够采取两种措施来提高系统的性能,一种措施是采用新辨识模型,另一种措施是调整现有控制器的主要参数.预测控制的特点是它能够处理约束,具有约束的预测控制性能评估问题非常复杂,本文提出了分两步进行约束预测控制评估的方法.首先采用已有控制器基准对约束的作用进行预估计,如果控制回路中的约束是非主动的,具有约束的预测控制回路性能评估就能够直接应用无约束的可达性基准;如果约束是主动的,可达性基准可以通过闭环系统仿真得到. ■一些系统的被控过程存在着可测干扰,针对这类过程首先研究了具有可测干扰过程的闭环子空间辨识算法,将预测控制可达性基准推广到了具有可测扰动的控制回路,得出了预测控制前馈.反馈可达性基准.它可以作为有可测干扰的预测控制回路性能评估基准,并和反馈可达性基准联合使用对控制回路的性能做出评估,得出前馈的加入对系统性能的影响程度.性能评估可采用比值形式的指标或者可达性曲线,此外,控制器参数也可以根据可达性曲线进行调整. ■对具有时变干扰的预测控制回路,提出采用T)1)e.C基准对回路的性能进行评估.在假定过程受到分段定常干扰作用的情况下,将干扰划分为成不同的区间段.选择一种干扰作为主要的暂态干扰,系统性能评估基准是使系统的输出对所有干扰具有一定最优性能:即对暂态干扰的响应满足一定时域指标的同时对系统中其余干扰响应的方差能够最小.这里利用随机予空间辨识得到系统的闭环模型,然后求解性能基准,对不同干扰作用下的回路性能做出评估.这种评估方法的主要优点是不需要被控过程的详细数学模型而仅需要知道过程的时间滞后. ■对预测控制所能达到目标函数性能进行了分析,提出了用历史目标函数对预测控制性能进行监控的方法;对预测控制系统处于良好运行状态下的历史目标函数进行统计,作为监控预测控制器的历史性能基准;给出了对回路性能进行监控的统计过程控制方法.对于过程工况变化引起的系统性能下降,在性能监控的基础上可以利用过程的输入输出数据对模型进行辨识并更新预测模型,从而改进控制器的性能.此外,对多变量的控制系统,研究了基于主元分析的性能监控问题,提出选取一段用户满意的运行数据作为性能监控的基准.对基准数据进行主元分析,通过多变量统计过程控制方法监控当前性能同参考基准的差距,对控制系统的性能进行在线监控.在监控到系统性能变化以后,通过回归分析计算系统的标准化残差,采用广义似然比方法对模型进行验证,对引起回路性能变化的原因进行诊断.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2控制器性能评估和监控的基本原理

1.3过程监控领域研究概述

1.3.1过程监控研究的主要方法

1.3.2基于数据驱动的过程监控方法

1.3.3统计过程控制

1.4控制器性能监控/评估的研究概述

1.4.1基于最小方差基准的性能评估方法

1.4.2性能评估的其它方法

1.4.3一些基准方法的分析

1.4.4控制器性能监控/评估的应用

1.5预测控制性能监控与评估概述

1.6本文主要研究内容

第二章基于子空间辨识的系统性能评估方法

2.1引言

2.2闭环子空间辨识方法

2.2.1子空间辨识基本方法

2.2.2闭环子空间辨识

2.3基于子空间辨识的预测控制性能评估方法

2.3.1 LQG基准

2.3.2由子空间模型求解MPC可达性基准

2.3.3控制回路性能的评估

2.4基于性能评估的预测控制器参数调整方法

2.4.1预测控制参数选择的一般方法

2.4.2基于性能评估的控制器参数调整

2.5有约束预测控制的性能评估

2.6催化裂化过程应用实例

2.7本章小结

第三章具有可测干扰过程的性能评估

3.1引言

3.2具有可测干扰过程描述

3.3预测控制的前馈-反馈可达性基准

3.3.1可测干扰过程子空间模型辨识

3.3.2预测控制的前馈-反馈可达性基准

3.4具有可测干扰预测控制回路的性能评估

3.5仿真实例

3.6本章小结

第四章具有时变干扰过程的性能评估

4.1引言

4.2具有时变干扰预测控制回路的Type-C基准

4.3有时变干扰预测控制回路性能基准的求解

4.4基于随机子空间辨识的控制回路性能评估

4.5性能评估算法

4.6夹套式反应器仿真实例

4.7本章小结

第五章基于历史数据的回路性能监控方法

5.1引言

5.2基于历史目标函数的回路性能监控

5.2.1模型预测控制

5.2.2控制回路所达到的目标函数性能

5.2.3用历史目标函数基准对预测控制回路进行监控

5.2.4仿真实例

5.3基于主元分析的多变量回路性能监控与诊断

5.3.1主元分析

5.3.2基于主元分析的预测控制性能监控

5.3.3控制性能变化的诊断

5.3.4重油分馏塔过程仿真实例

5.4本章小结

第六章结束语

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间的主要学术成果