專(zhuān)利名稱(chēng)：化工過(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油、化工等流程工業(yè)控制系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域，特別地，涉及一種化工過(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，以預(yù)測(cè)控制技術(shù)(MPC，Model Predictive Control)為代表的先進(jìn)控制策略已在石油、化工、造紙、制藥等流程工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，MPC能夠有效的處理各種復(fù)雜的多變量系統(tǒng)控制問(wèn)題，提高控制性能，降低能耗，增加經(jīng)濟(jì)效益。這些控制系統(tǒng)在投運(yùn)初期運(yùn)行良好，但是隨著時(shí)間的推移，由于設(shè)備的老化等因素引起的控制對(duì)象特性發(fā)生變化會(huì)使得控制性能衰減。，國(guó)際上，一套預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的壽命為2-3年，國(guó)內(nèi)的的預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)壽命僅有1-1.5年。通常情況下，模型預(yù)測(cè)控制項(xiàng)目需要每隔半年進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。為了檢測(cè)模型失配，Jiang H L等利用雙模散度算法(Jiang H L，Huang B, Shah S L. Closed-loop model validation based on the two-model divergence method. Journal of Process Control, 2009,19 (4) :644-655.)通過(guò)構(gòu)造基于標(biāo)稱(chēng)模型和新辨識(shí)模型預(yù)測(cè)誤差的統(tǒng)計(jì)量函數(shù)并監(jiān)控所述統(tǒng)計(jì)量函數(shù)的期望判斷模型是否失配。該方法依賴(lài)于辨識(shí)結(jié)果的精度并且需要對(duì)過(guò)程施加充分激勵(lì)信號(hào)，從工程的角度，為了保證信號(hào)的充分激勵(lì)，會(huì)對(duì)工況造成較大的干擾，同時(shí)，辨識(shí)算法的應(yīng)用增加了計(jì)算復(fù)雜度，不利于實(shí)際應(yīng)用。I^atwardhan R S等通過(guò)計(jì)算模型預(yù)測(cè)控制器目標(biāo)函數(shù)的可達(dá)值與實(shí)際值之比 (Patwardhan, R S，Shah S L，Qi KZ. Assessing the performance of model predictive controllers. Canadian Journal ofChemical Engineering, 2002,80 (5) :954-966.)歩Ij斷性能下降是否由模型失配引起，但是這一方法不能分離對(duì)象特性和不可測(cè)擾動(dòng)特性的變化。由于預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)往往利用隨機(jī)游走擾動(dòng)模型(例如被廣泛應(yīng)用的動(dòng)態(tài)矩陣控制)，而且工業(yè)控制系統(tǒng)的不可測(cè)擾動(dòng)特性具有很強(qiáng)的時(shí)變特性，所以上述方法的實(shí)用性受到限制。模型的精度是影響模型預(yù)測(cè)控制器性能的關(guān)鍵因素。由于先進(jìn)控制系統(tǒng)往往包含成百上千個(gè)回路，系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，所以在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)如果重新辨識(shí)系統(tǒng)模型將付出很大代價(jià)。由于流程工業(yè)具有連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，所以能夠在對(duì)工況干擾較小的前提下精確定位模型發(fā)生變化的回路，使得系統(tǒng)維護(hù)有的放矢，代價(jià)小，實(shí)現(xiàn)局部調(diào)整和故障預(yù)防，對(duì)于延長(zhǎng)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種化工過(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法?；み^(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法的步驟如下1)在預(yù)測(cè)控制器運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)化工過(guò)程預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制層多變量系統(tǒng)進(jìn)行多變量閉環(huán)測(cè)試，測(cè)試信號(hào)為廣義二進(jìn)制噪聲或偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，將測(cè)試信號(hào)施加到化工過(guò)程設(shè)備操作變量MV，并采集輸出變量CV數(shù)據(jù)，用于模型失配檢測(cè)的數(shù)據(jù)集記為 {u (t)，y (t)}，并且u (t)的均值不為0 ；2)計(jì)算預(yù)測(cè)控制層多變量系統(tǒng)的殘差ζ κ 3)調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)被檢測(cè)單變量子系統(tǒng)的控制器和過(guò)程模型參數(shù)，控制器和過(guò)程模型的離散傳遞函數(shù)分別用仏和Ttl表示，T0Q0的分子分母系數(shù)分別為IbtlIvb1J和 {iW··、}，P為T(mén)cAl階次，數(shù)據(jù)窗口大小為K，過(guò)程擾動(dòng)在控制器作用下在在一定時(shí)延后衰減，選取2至3倍過(guò)程時(shí)延作為擾動(dòng)衰減長(zhǎng)度，記為n，單變量系統(tǒng)控制變量CV輸出數(shù)據(jù)記為y(t)，通過(guò)以下公式計(jì)算單變量子系統(tǒng)過(guò)程殘差Uk
A'
權(quán)利要求
1.一種化工過(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法，其特征在于它的步驟如下1)在預(yù)測(cè)控制器運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)化工過(guò)程預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制層多變量系統(tǒng)進(jìn)行多變量閉環(huán)測(cè)試，測(cè)試信號(hào)為廣義二進(jìn)制噪聲或偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，將測(cè)試信號(hào)施加到化工過(guò)程設(shè)備操作變量MV，并采集輸出變量CV數(shù)據(jù)，用于模型失配檢測(cè)的數(shù)據(jù)集記為{u(t)， 7(0}，并且11(0的均值不為0;2)計(jì)算預(yù)測(cè)控制層多變量系統(tǒng)的殘差ζκ:3)調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)被檢測(cè)單變量子系統(tǒng)的控制器和過(guò)程模型參數(shù)，控制器和過(guò)程模型的離散傳遞函數(shù)分別用仏和??；表示，TcAl的分子分母系數(shù)分別為{b。lv"bp}和Iatliv" }，P為T(mén)cAl階次，數(shù)據(jù)窗口大小為K，過(guò)程擾動(dòng)在控制器作用下在在一定時(shí)延后衰減，選取2至3倍過(guò)程時(shí)延作為擾動(dòng)衰減長(zhǎng)度，記為n，單變量系統(tǒng)控制變量CV輸出數(shù)據(jù)記為y (t)，通過(guò)以下公式計(jì)算單變量子系統(tǒng)過(guò)程殘差Uk κ
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種化工過(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法，其特征在于所述的計(jì)算預(yù)測(cè)控制層多變量系統(tǒng)的殘差ζκ步驟為(1)調(diào)用預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)稱(chēng)狀態(tài)空間模型矩陣{&，Btl，CJ，建立擴(kuò)展可觀測(cè)矩陣Γ k，通過(guò)正交三角分解得到它的正交補(bǔ)rk_;(2)建立關(guān)于系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)模型的Hankel矩陣Hk；
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種化工過(guò)程多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)模型失配檢測(cè)與定位方法。針對(duì)當(dāng)前過(guò)程工業(yè)中典型的遞階控制體系，分別多變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)中的各個(gè)單變量子系統(tǒng)做模型失配檢測(cè)并定位。本發(fā)明包括基于正交投影的方法獲得預(yù)測(cè)控制層多變量系統(tǒng)殘差，構(gòu)造監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量計(jì)算引擎，基于輔助變量辨識(shí)方法獲得單變量子系統(tǒng)只對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化敏感的殘差。本發(fā)明直接采用閉環(huán)操作數(shù)據(jù)，無(wú)需系統(tǒng)的額外信息；利用少量數(shù)據(jù)就可以做出快速檢測(cè)與定位，對(duì)工況擾動(dòng)?。荒軌蚨ㄎ欢嘧兞肯到y(tǒng)中各個(gè)單變量子系統(tǒng)過(guò)程模型的失配信息，消除擾動(dòng)的影響。本發(fā)明能夠以較小的代價(jià)快速得出精確的模型失配信息，降低預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)維護(hù)成本，延長(zhǎng)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)壽命，提高效益。
文檔編號(hào)G01R31/00GK102183699SQ20111003667
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者楊江, 蘇宏業(yè), 謝磊, 陳貴 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)