開題所有-11控制回路的性能監(jiān)控方法研究

1、多變量MPC控制回路的性能監(jiān)控方法研究導 師: 田學民 教授答辯人: 尚林源專 業(yè): 控制科學與控制工程目錄一、課題研究的背景及意義二、課題的研究現(xiàn)狀及存在的問題三、課題研究的目標和研究內(nèi)容四、擬解決的關鍵問題與擬采用的技術路線五、課題的創(chuàng)新性及其實驗方案六、課題研究計劃時間安排一、課題研究的背景及意義 在實際生產(chǎn)過程中，MPC控制器在運行初期都能夠滿足性能要求，但由于多種因素的影響，控制器的性能會隨著時間的推移而降低，如：生產(chǎn)設備老化，模型失配，執(zhí)行器的損耗等 ，如不進行及時維護，會影響過程控制系統(tǒng)的有效性，降低企業(yè)的效益。 控制系統(tǒng)的維護和改良需要詳細的控制器性能評價和診斷知識，通過性能評

2、價和診斷不僅可以確定控制回路是否運行良好，而且還可以確定其性能下降潛在的原因。來指導現(xiàn)場工程師采取相應措施，及時進行維護，將效益損失減到最低，甚至可以避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。 二、課題的研究現(xiàn)狀及存在的問題 盡管針對預測控制器性能評價的研究已經(jīng)取得很大的進展，但仍有一些問題需要解決：存在的問題非線性、多工況預測控制器的性能評價問題約束存在情況下預測控制器性能評價問題性能評價的及時性與性能源的準確定位問題多因素影響下的預測控制器性能診斷問題三、課題研究的目標和研究內(nèi)容研究目標： 鑒于實際生產(chǎn)過程當中，預測控制器的性能惡化是由于被控過程、控制器、執(zhí)行器、傳感器等環(huán)節(jié)的變化以及外界干擾造成的，而目前的性

3、能評價與診斷方法大多將被控過程、執(zhí)行器和傳感器三個環(huán)節(jié)作為廣義對象來進行研究，從而不能更加準確的定位惡化源。本課題旨在研究將上述四個環(huán)節(jié)都考慮在內(nèi)的MPC控制回路的性能評價與惡化源定位問題。鑒于以上研究目標，本課題的研究內(nèi)容如下： 1) 研究模型預測控制的次優(yōu)性能基準。擬采用基于多步預測誤差的評估方法來得到模型預測控制性能基準的上限和下限，從而得到其次優(yōu)性能基準。 2)研究將執(zhí)行器和傳感器考慮在內(nèi)的控制回路的性能診斷方法。擬采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法深入挖掘過程數(shù)據(jù)中的特征信息，對包括執(zhí)行器或傳感器在內(nèi)的過程特性變化而導致的性能下降進行診斷。 3)研究模型失配和干擾增大這兩個因素單獨和同時作用導致

4、性能下降時惡化源的定位問題。擬采用基于模型殘差的方法研究該問題。 擬解決的關鍵問題： 1)在MPC控制回路的性能診斷中，如何準確地識別性能惡化源是擬解決的關鍵問題。首先要根據(jù)先驗知識及過程歷史數(shù)據(jù)建立控制回路性能惡化模式類別，然后對過程數(shù)據(jù)進行深入挖掘以充分獲得數(shù)據(jù)中的特征信息，從而準確識別性能惡化源。 2)相對于單因素影響下的性能診斷，多因素影響下的性能診斷更加的復雜，如何從獲得的數(shù)據(jù)和信息中將模型失配和噪聲增加兩個影響因素導致的性能下降進行有效的分離是擬解決的關鍵問題。 四、擬解決的關鍵問題與擬采用的技術路線 針對上述研究內(nèi)容，項目擬采用理論研究、仿真驗證和實際實驗裝置測試相結合的研究方法

5、，分階段循序漸進開展工作?？傮w研究方案如圖1所示。擬采用的技術路線：多變量MPC控制回路性能評價與診斷問題方法研究基于多步預測誤差的MPC次優(yōu)性能指標基于特征子空間距離的MPC控制回路的性能監(jiān)控方法基于模型殘差的MPC多因素性能源診斷方法仿真研究與算法驗證實際實驗裝置測試圖1 總體研究方案 用滑動平均(MA)模型描述閉環(huán)多變量過程,如式(1)所示。其中， 是零均值,協(xié)方差為 的白噪聲。最優(yōu)i步預測誤差：定義變量： 是到時刻i閉環(huán)脈沖干擾響應的誤差平方和，考慮將預測控制器在某段時間達到的最優(yōu)預測性能作為性能基準，其中最優(yōu)預測性能，即Huang等人(2003)提出的多步預測誤差:(1)(2)(3)

6、（1）基于多步預測誤差的MPC次優(yōu)性能指標(4)當 時， 。對于預測控制系統(tǒng)，用 作為性能基準，則預測控制系統(tǒng)次優(yōu)性能指標定義如下： 和 分別為預測控制性能基準的上限和下限，d為關聯(lián)陣的階次，v為關聯(lián)矩陣中q的最大次數(shù)與最小次數(shù)之差。 (5)(6)(7) (2) 基于特征子空間距離的MPC控制回路的性能監(jiān)控方法。圖2 MPC控制回路結構圖選取需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)集如下：(8) 在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的協(xié)方差的性能監(jiān)控方法中，可以得到如下性能指標：(9)將所有滿足 的特征值按從大到小排列，相應特征向量對應排列，確定惡化性能子空間。圖3 MPC控制回路性能監(jiān)控流程圖 定義兩個子空間之間的距離：子空間 中任一單位

7、向量與 的距離的最大值。確定兩個子空間距離計算公式為： 為 對應的最小特征值。(10)（3）基于模型殘差的MPC多因素性能源診斷方法 對于MIMO閉環(huán)系統(tǒng)，利用日常操作數(shù)據(jù)構造過程的高階ARX模型，可以得到如圖4所示正交投影：是立于 ，因此可以通過常規(guī)運行的數(shù)據(jù)估記出 ：MPC關鍵性能指標如下：(12)假設 ，則可將上式進行分解得到：(13)(11)過程噪聲圖4 模型殘差正交投影圖設計性能 模型導致的下降性能 噪聲導致的下降性能 通過上述分解可以將由模型和噪聲因素導致的MPC性能降低的性能源分離開，從而對這兩個因素分別進行診斷，實現(xiàn)對由這兩種因素單獨或共同造成的性能下降進行診斷。圖5 關鍵性能

8、指標分解空間圖(13)設計性能 模型導致的下降性能 噪聲導致的下降性能 創(chuàng)新點 基于多步預測誤差的性能評估方法，利用過程的最大最小時延，得到模型預測控制性能基準的上限和下限；將執(zhí)行器與傳感器納入到性能監(jiān)控的范圍內(nèi)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，更加準確的定位MPC控制回路的性能惡化源。實驗方案圖6 CSTH結構圖課題的創(chuàng)新點及其實驗方案 1、以CSTH為仿真對象，研究多變量MPC控制回路的性能監(jiān)控方法。CSTH系統(tǒng)描述了一個連續(xù)攪拌槽加熱器的模型。該模型來自于加拿大阿爾伯塔大學化學與材料工程系的一個連續(xù)攪拌槽加熱器實驗裝置。 2、在GK06過控控制實驗裝置上進行實驗，對研究的預測控制性能監(jiān)控方法在實驗裝置上進行實驗驗證。圖7 KG06過程控制實驗裝置圖8 KG06過程控制流程圖機理建模仿真研究在實驗裝置上實施預測控制對預測控制進行性能監(jiān)控課題研究計劃時間安排2012年9月2012年11月 查閱文獻，閱讀關于控制系統(tǒng)性能評價的發(fā)展及研究現(xiàn)狀， 關于MPC控制器性能評價方法的研究方法、關于MPC控制器性能評價與診斷方法的研究方法，并最終有效確定研究方法，并撰寫開題報告及文獻綜述。2012年12月2013年1月 完成基于多步預測誤差的MPC次優(yōu)性能指標的研究和仿真。2013年2月2013年5月 研究數(shù)