第 卷 第 期 年 月 日 计其机与盛用化母 咧 口 , 山甲 , 控制器的性能监控与评估 刘小艳 , 张泉灵 ’, 苏宏业 浙江大学工业控制技术国家重点实验室 , 浙江大学智能系统与控制研究所 , 浙江 , 杭州 , 摘要 为了解决目前工业系统中普遍使用的 控制器由于工况变化等原因引起的系统发生时变而导致所在回路 控制器性能 可能下降的问题 , 本文提出了一种专门针对 控制器进行性能评估 、优化及监控的方法 , 即 用系统闭环输入输出数据 , 使用基于 侧 一 伪曲亡 的 最小方差准则 , 来对 控制器的性能进行评估 , 并 循环评估优化算法 。该算法利 且计算出在最小方差意义下最优 控制器参数 评估过程结果与现实系统输出方差进行比较 , 做为 参数在线优化的判断依 据 , 当现实系统性能低于某一标准的时候对控制器进行优化处理 在整个算法中 , 通过输入输出数据的处理与判断 , 利用评估优化 后的 参数对系统进行控制 , 并再次回到最初的输入输出数据的处理和判断过程 , 实现在控制过程中的系统性能监控 。本文的 计算机仿真试验验证了该方法的有效性 , 由图可看出 , 系统发生渐变和突变后 , 当输出方差超过了程序限定的标准时 , 在 内系统能 自动评估并施行优化而达到稳定 该循环评估优化算法现实了在对系统进行性能评估监控的同时 , 能按照一定条件作为标 秒 准对系统的 参数进行优化 , 最终使得系统具有自我监控评估和 自我优化的能力 , 此方法能在特定的工况 下进行应用 。 关锐询 时变系统 性能评估 在线优化 中圈分类号 文献标识码 文 编号 礴 州 姆卜引一 引言 现代工业中 ,工业现场中 的控制器仍然使用 控制算法 ,这些控制器最初都是按照一定的性能要求来 设计和整定的 , 但是随着时间的推移 , 大部分工业现场 的工况等发生了变化 , 使得实际运行的控制器性能不能 够达到原设计要求 , 甚至出现故障 。因此 , 急需一种能 对控制器性能进行评估和监测的技术 、而最小方差控制 提 出 , 是在 直至 进 行回路性能评估后 , 控制系统性能评估领域开始形成 , 并快速发展 。 发表了利用最小方差控制 年时 , 由 年 还有 , 在理论上 , 年 扩改进 的控制系 统性能评估算法 , 提出了 一 一 助目 回路系统中 算法 , 并提出关联矩阵的概念 , 将其推广到多 刀利用内模控制结构推导出了基 于 基准的性能评估方法 。 倒园 叨 墓准的评估方法还被扩展到反馈 前馈控制系统 、非最 小相 位 系 统 , 以及 变 工 作 点系 统 的性 能评 估 。 ’ 等提出了以最小 韶加句 和 州 ’, 以及 方差与实际被控变量方差之比作为有界性能指标 , 并且 通过方差分析和互相关分析技术 , 针对前馈一反馈控制系 统进行性能 。由于实际过程都具有一定的时变性 , 和 阔 ’给出了基于滑动窗技术的时变系统的 性能评估方法 ,,从时间的角度论述 了基于 性能评估方法的工程应用经验 在工业应用中 , 实际生产过程对控制系统的精度有 一定的要求 , 需要有控制系统性能评估技术对控制器的 性能进行评估 , 由于实际系统均具有一定程度的时变性 , 而时变性会影响控制系统的控制效果 , 有时甚至会破坏 系统的正常运行 , 而原来的 最小方差准则对控制系 统性能评估并不适合时变系统 , 也就是说时变系统的控 制系统性能评估结果是不准确的 。本文针对时变系统 , 循环评估优化算法 利用在线辨识技术对时 提出了 变控制系统进行性能评估 , 得到 参数的优化值 , 当 时 , 对 评估性能结果最优方差与输出方差相比小于 控制能随着工况的变化而进 参数进行更新 , 使 行改变 。 性能评估与监控原理 。和 ’提出了可以随即负荷扰动情况下进行 控制器性能的评价的方法 。 一 。和 护 ” 年提 出基于最小方差准则的单回路控制系统的 于 性能评估 , 基本原理如下 对于离散系统来说 , 如图 所示可以用以下的公式 周构建了线性时变系统性能评估的一般框架 。随后 , 来表示 。 修回日期 仪 一 一 收稿 日期 加 一 若金项 目 国家高技术研究发展计划 计划资助项 目 作者简介 刘小艳 联系人 张泉灵 , 女 , 硕士 从 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

计其机与盛用化李 , 夕 宁一, 叮一 一, 达式可以表示为 其中 一, 一‘是包括了时间延迟的过程模型 , 叮一, 是 干扰模型 , 而 控制器的的传递函数如下 一, 一, 叮一, 一 一 ” …毛’…“‘‘‘“’,一’ ‘” 」 其中 , 棍 , 分别是 的设定值参数 。 可以得到任意输出与干扰之间的关系 甲恩 一 , , 艺, 由式 , 可以得到在 犷 , 试 一,冲一‘ 卜月不 达式为 球 , 一卜‘ 控制下的输出方差函数表 , 一‘ 化 鱿 即 · 图 闭环系统结构图 设 ,为从 到 的闭环传递函数 。则在 控 制下的系统的方差值表达式 万 · 设 差下对应的 斌一丛改呵一 尺弘 , 只狱 一,而 矛 则由式 参数表达式如下 佗 万了 一, 『 一万二 得到最小方 、 护 , 偏 一,坐 。 其中 , 。矛表示的是白噪声 的逆时针积分 。由式 型己知时 , 则由控制器的参数来决定输出方差的大小 。 的方差 歹表示在复平面上 可以知道 , 当过程模型和干扰模 一万 一, 一万 乙 一万 一, 心万 用脉冲响应表达式来表示系统 , 可表示为 夕‘ 肠 ‘一 伪 ‘一 由此 , 可用辨识所得模型得出过程模型的阶跃响应 系数模型和干扰的脉冲响应系数模型 , 构造矩阵 , 由 式 控制器的参数 , , 求得最小方差下的最优 其中 ‘和 ‘是过程和干扰模型的脉冲响应系数 。脚 为输 出达到临界稳定值时需要的最大采样时间间隔 。将式 带入式 中 , 可以得到以下的表达式 夕, 一艺‘气 气一, 气屯 ,夕卜 卜 踌 卜 其中 , ‘ , ,…, 代表的是过程阶跃响应的系数 。 , ,, ﹁几… 式将 展开可以得到 一…, … 一 「“ 如下的等式 「“ 「丙 长’一长’·‘一…代’一 ……,九·…代’一 ,一」 一 , , 」 ,一, 」 设 …,一万…’」则式 ’闭环输出表 【 , 棍 , 。 在此利用 ·刊匕 模型 吕一, 来对系统常规运行数 能实现的最小方差及其相应的控 据进行拟合 , 估计 制器参数 。当系统评估结果小于一定值的时候 ,给 控制器赋予新的参数值 。 时变系统 控制监控与评估优化 基于最小方差准则的单回路控制系统的 性能评 估最小方差准则在定常系统中得到了很好的应用 , 但应 对系统时变性 , 该方法很容易失去其有效性 。在这一节 中 , 将详细论述时变系统的 循环评估优化算法 , 具 体描述如下 变系统的介绍 本文所讨论的时变系统采用式 所示的一阶加 纯滞后系统 几 其中 是随运行工况不同而变化的参数 , 以上参数变化 范围为 。 , 且是根据 时间进行突变 。 司 巧 一 此外 , 过程输 出干扰 由式 所示的非平稳模型 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

, 』表示 , 二 — 嵘 , 一 一‘ 一 ·一, 一 一, ’ 州州州 循环评估优化算法的工作流程 王舜哪划 芍任,。,价乙。匕 加 监控评估与优化过程 图 为时变系统 图 , 编程思路等 , 具体描述如下 首先通过使用系统输入输 出数据进行在线的系 统辨识 , 得到系统的过程模型和干扰模型 求取过程模型的阶跃响应系数和干扰的脉冲响 求取 应系数 , 构造矩阵 和 , 根据式 和式 刘小艳 , 等 控制器的性能监控与评估 叮嘴尹 时间 · 图 系统发生突变时原控制系统的控制效果图 控制器可达最小方差及其对应的控制器参数值 劝 在此将 控制器可达最小方差与得出来的输 出结果的方差进行比较 。在此将性能优 良的边界定义在 没有达到 良好的性能 , 小于这个结果 , 认为 ① 当性能满足要求的时候 , 转步骤 ② 当评估性能不能满足要求时 , 对控制器参数进行 更新 , 使得系统恢复到可接受的范围 , 然后转步骤 。 过过程程 翻 号奋,。 田娜哪划 叠 · 卜卜卜 ,, , 甲 洲 以川 哪 口内 时间 一 洲洲】 议 月」 ……二氦毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕物物物出方差差差 阅阅阅 中 如 评估估估 日习日 参数更新新 侧加加 助 如 肠 图 循环评估优化算法流程图 一 血 姗 叹岭川 叨 叩 眨 图 系统发生突变时 循环评估优化算法控制效果图 当时间 在 到 时 , 从 到 发 生连续时变的情况如图 和图 所示 。 从图 和图 可以看出 , 当控制过程发生时变后 , 如控制器参数保持不变 , 系统最终发散 。从图 与图 可以看出使用 循环评估优化算法的控制器在过程发 生时变的情况下 , 系统能一直稳定的运行 , 并且保持较 好的性能 , 由此可知评估优化系统能有效应对由于过程 参数变化带来的控制系统性能的下降问题 。 菌体生长通过测定菌体细胞干重表示 。干燥的 离心管称重价 ,取 而 发醉液里于离心管中 , 离心 生理盐水清洗 次重 复离心步骤 将沉淀物连同离心管置于烘箱中 , ℃干 燥至恒重 , 称重 , 弃上清液 再用 菌体干重 叭 一 。 仿真研究 计算机仿真是针对式 所示的时变系统 , 初始 参数分别为 司 一 , 该过程用 个 控制器作为回路的初始控制器 , 其 加 曰母,粗吕匕 田娜哪划 传递函数如下 一, 一 一 一 一 当时间 等于 控制系统控制效果如图 所示 , 使用 算法控制器的控制效果如图 所示 。 时 从 司 发生突变 ,原 循环评估优化 侧 旧 皿 创 时 七 图 系统发生连续时变时原控制系统的控制效果图 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

计算机与应用化李 铂 ,、﹄,﹄,‘工日二的右。。﹄么 王解彩划 川胡 气 的 【 以 时 ’劣 一 系统发生连续时变时 一 图 循环评估优化算法效果图 结论 本文针对时变系统 , 提出了 循环评估优化算法 , 通过仿真分析 , 可以得出 使用常规的运行数据来估计 控制能实现 的最小方差 , 并对时变系统进行实时的 循环评估 , 优化 , 其 与没有此功能的单独的 控制器 相 比 , 能有效的提升系统性能 , 从计算机仿真 的结果可 以看 出 , 效果 非常明显 。由于 控制算法广泛的应用 于各类控制系统中 , 性能评估结果是否 可以直接用于各 种场合的控制器性能的改善 , 与具体的工程系统与控制 器类型有关 , 并需要现场工程经验支持 , 考虑输入约束 问题 , 但在特定的场合 , 这样的改进将是 分 有意义的 。 代 , , , , 一 甲 柳 川甲 昭 , , 只 , 一 , 肋 , , 一 , 一 , 一 , 巧 一 一 一 , 一 , 一 胡 毕 , , , 一 一 , 一 , 加 , , 一 , 一 , , , 一 , , , 一 , , 厅 , 一 , , , , , 一 , 刀 一 , , 助 一 ” , , , 心 , , 一 而 丫 详 , 而 , , , , 们 , 一 , , , 一 , 一 , , 们 , 一 , 一 一 】, , , 而 , , 一 】 , ’ , · , , 、 , , , , 一 一 , , , 而 」 , , 一 , , , 一 洲 一 一 一 一 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net