專利名稱：一種控制回路性能實(shí)時監(jiān)視裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于控制系統(tǒng)的性能評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種控制回路性能實(shí)時監(jiān)視裝置。
技術(shù)背景當(dāng)前我國單位GDP的能耗與污染物排放水平還明顯高于發(fā)達(dá)國家。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，火電機(jī)組要承擔(dān)更重要的節(jié)能減排責(zé)任。為此，除了購置先進(jìn)的發(fā)電設(shè)備，還必須采取有效的措施來提高機(jī)組的運(yùn)行水平，以保證機(jī)組的安全，經(jīng)濟(jì)，環(huán)保運(yùn)行。不僅是電力行業(yè)，我國的整個工業(yè)系統(tǒng)都面臨著節(jié)能減排、提高生產(chǎn)效率的重任，控制系統(tǒng)的實(shí)時性能監(jiān)視(Real-time Control Performance Monitoring, RCPM)技術(shù)不失為一種經(jīng)濟(jì)有效地解決途徑。同時，RCMP為提前預(yù)知系統(tǒng)性能的改變，預(yù)警系統(tǒng)故障，提升系統(tǒng)的性能提供了有效的平臺。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在當(dāng)前很多工業(yè)控制器存在著性能差的問題，這個比例高達(dá)60%，同時隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，控制系統(tǒng)的回路數(shù)越來越多，單純靠人來做維護(hù)檢查不現(xiàn)實(shí)也不合理，而當(dāng)控制系統(tǒng)的性能變差時，不僅產(chǎn)品的質(zhì)量得不到保證、而且還會導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備壽命的降低，嚴(yán)重的還可能產(chǎn)生意想不到的事故；另一方面，即便是在運(yùn)行之初性能很好的控制器，隨著使用時間的延長，控制器也會老化，控制性能會相應(yīng)地降低；再者對于控制器潛在退化的原因是多方面的，首先就是當(dāng)前的擾動和死區(qū)，以及系統(tǒng)的其他動態(tài)如不可逆的零點(diǎn)等，再就是控制器參數(shù)整定的不合適，還有設(shè)備的勞損、故障、控制系統(tǒng)的硬件失效等都會成為控制器性能退化的潛在原因。如果能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的性能進(jìn)行有效地監(jiān)視，將大大提高其工作效率，降低生產(chǎn)成本，提高控制的有效性。對控制回路存在的問題提出早期的識別和診斷是控制系統(tǒng)性能評價(jià)與診斷的主要目的之一，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)視，對現(xiàn)場的工程師提供有前瞻性的指導(dǎo)意見。而缺少必要的評價(jià)手段和評價(jià)方法，則只能是等問題出現(xiàn)后才能發(fā)現(xiàn)，如果我們能在早期做出診斷，那么，可以通過控制器參數(shù)的再整定，控制器參數(shù)硬件維護(hù)，應(yīng)用新的可替代的控制算法，通過過程修正減少延遲或者消除部分?jǐn)_動，應(yīng)用前饋，改變操作變量等補(bǔ)救措施使系統(tǒng)的性能達(dá)到相應(yīng)的要求。因此，控制器性能監(jiān)視這一領(lǐng)域的相關(guān)研究倍受關(guān)注。
發(fā)明內(nèi)容針對上述背景技術(shù)中提到現(xiàn)有控制系統(tǒng)的性能難以作出性能評價(jià)及缺少評價(jià)方法等不足，本實(shí)用新型提出了一種控制回路性能實(shí)時監(jiān)視裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種控制回路性能實(shí)時監(jiān)視裝置，其特征是該裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時狀態(tài)判別模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊、實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊分別與預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；預(yù)處理模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊連接；實(shí)時趨勢提取模塊分別與實(shí)時狀態(tài)判別模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時狀態(tài)判別模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時延遲估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊連接；所述實(shí)時趨勢提取模塊通過從實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時提取運(yùn)行數(shù)據(jù)的趨勢作為狀態(tài)估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊的輸入；所述實(shí)時狀態(tài)判別模塊以實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)作為輸入，計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的時延作為控制系統(tǒng)性能評價(jià)的輸入用于計(jì)算系統(tǒng)的性能。本實(shí)用新型通過趨勢提取后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理將誤差分解，得到誤差的隨機(jī)性誤差分量和確定性誤差分量。通過誤差的隨機(jī)性分量計(jì)算系統(tǒng)隨機(jī)性能指標(biāo)，通過誤差的確定性分量計(jì)算系統(tǒng)的確定性性能指標(biāo)。本實(shí)用新型所述的控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能實(shí)時監(jiān)視技術(shù)路線清楚、方法實(shí)用，易于工程技術(shù)人員在實(shí)際中運(yùn)用和實(shí)現(xiàn)。
圖I為實(shí)時性能監(jiān)視；圖2為實(shí)時數(shù)據(jù)趨勢提取流程圖；圖3為延遲估計(jì)模塊步驟；圖4為性能評價(jià)步驟。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實(shí)用新型的范圍及其應(yīng)用。為實(shí)時監(jiān)視控制回路的性能，以提升控制系統(tǒng)的控制水平，本實(shí)用新型提供了控制回路實(shí)時性能評價(jià)的整體方案和具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)。實(shí)時性能監(jiān)視RCPM的實(shí)現(xiàn)過程首先是通過實(shí)時提取運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時趨勢進(jìn)而判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時通過實(shí)時數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的時間延遲。在延遲，趨勢，狀態(tài)已知的情況下選擇合適的算法計(jì)算系統(tǒng)的隨機(jī)性能指標(biāo)與確定性性能指標(biāo)。同時可以對經(jīng)過預(yù)處理的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，功率譜分析，標(biāo)準(zhǔn)差分析，自相關(guān)性分析，進(jìn)而全面的監(jiān)視系統(tǒng)的性能。本實(shí)用新型的流程如圖I所示。包括數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時狀態(tài)判別模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊、實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊。其中實(shí)時趨勢提取模塊，通過從實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時提取運(yùn)行數(shù)據(jù)的趨勢作為狀態(tài)估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊的輸入；實(shí)時狀態(tài)判別模塊，以實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)作為輸入，計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的時延作為控制系統(tǒng)性能評價(jià)的輸入用于計(jì)算系統(tǒng)的性能；實(shí)時性能計(jì)算模塊，以數(shù)據(jù)采集模塊的輸出、實(shí)時延遲估計(jì)模塊的輸出、實(shí)時狀態(tài)估計(jì)模塊的輸出作為輸入計(jì)算控制系統(tǒng)的性能。具體的模塊實(shí)現(xiàn)如下I、實(shí)時趨勢提取模塊本實(shí)用新型中實(shí)時趨勢提取通過分段線性擬合的方式來實(shí)現(xiàn)。每一段的趨勢用該段最優(yōu)的線性模型上的點(diǎn)來表示。各段的趨勢組合成總的趨勢。其中線性分段標(biāo)準(zhǔn)是基于擬合誤差平方和的平均數(shù)(SSE, Sum of Square Error)。具體的實(shí)施如下在當(dāng)前時刻t，當(dāng)前的線性模型用向量表示，記為印+取(0,夕。(0人(0,免(0]，對
讀入的值按照當(dāng)前的線性模型得到的預(yù)測值j>( )為(j)(0 - j)0 {i)){te (i) -10 (/)) = (ye (i) - j)0 -10 (/))(I)其中tQ(i)為該段初始時刻；j)Q(/)為該段初始時刻的預(yù)測值；te(i)為該段末時刻；義(/)為該段末時刻的預(yù)測值。計(jì)算誤差e(t) = y(t) - y(t)(2)其中e(t)為t時刻的誤差；y(t)為t時刻的實(shí)際值。計(jì)算當(dāng)前段的SSE指標(biāo)SSE(i) = — V e(j)2(3)
nj=m其中n 為數(shù)據(jù)個數(shù)，n = (t_tQ(i))/Ts ;Ts為采樣時間。SSE與兩者比較有三種情況1)SSE彡S1，模型不變；2) S1 < SSE ( S2是，將其時刻和值存入異常值組中；3) SSE > S2，進(jìn)行模型更新，得到新模型后，SSE置零，異常值數(shù)組置空。得到了該段的線性模型，將時間帶入即可得該段的運(yùn)行數(shù)據(jù)的趨勢。以此類推得到各段的趨勢，再將各段的趨勢組合得到總的趨勢完成趨勢提取。其實(shí)時趨勢提取的總的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。2、實(shí)時狀態(tài)判別模塊提取了趨勢后，通過當(dāng)前段(第i段)和前一段(第i_l段)可以定義三個斜率
「 ， /r_ (O-^e O-1)廣？、k-U)
C(z)_4(z _1)
7 V0 (/) - V (/ -1) V0 (/) - V (/ -1)...
剛(5)其中[0054]k為總斜率；kd為間斷斜率；ks為本段斜率；ye(i - I)分別為第i_l段的預(yù)測值；te(i-l)為第i段的末時刻。通過包含了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息三個斜率來做判斷還需要選擇門限值。門限值的選擇通過選擇斜率傾角來實(shí)現(xiàn)，斜率的傾角小于e，可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)，當(dāng)其大于0d則認(rèn)為是瞬變的，介于兩者之間的則認(rèn)為是漸變的。具體判別圖2所示，通過不同的三個斜率值與符 號包含的狀態(tài)信息組合來獲得系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，動態(tài)(正階躍，負(fù)階躍，瞬增，瞬減，漸增，漸減)中那種狀態(tài)。表I給出的狀態(tài)判別表來實(shí)現(xiàn)實(shí)時狀態(tài)判別。通過斜率的值與符號來判斷系統(tǒng)的狀態(tài)。
權(quán)利要求1 一種控制回路性能實(shí)時監(jiān)視裝置，其特征是該裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時狀態(tài)判別模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊、實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊； 所述數(shù)據(jù)采集模塊分別與預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；預(yù)處理模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊連接；實(shí)時趨勢提取模塊分別與實(shí)時狀態(tài)判別模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時狀態(tài)判別模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時延遲估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊連接； 所述實(shí)時趨勢提取模塊通過從實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時提取運(yùn)行數(shù)據(jù)的趨勢作為狀態(tài)估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊的輸入； 所述實(shí)時狀態(tài)判別模塊以實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)作為輸入，計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的時延作為控制系統(tǒng)性能評價(jià)的輸入用于計(jì)算系統(tǒng)的性能。
專利摘要本實(shí)用新型公開了控制系統(tǒng)的性能評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種控制回路性能實(shí)時監(jiān)視裝置。本實(shí)用新型包括數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時狀態(tài)判別模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊、實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊；數(shù)據(jù)采集模塊分別與預(yù)處理模塊、實(shí)時趨勢提取模塊、實(shí)時延遲估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；預(yù)處理模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊連接；實(shí)時趨勢提取模塊分別與實(shí)時狀態(tài)判別模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時狀態(tài)判別模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時延遲估計(jì)模塊和實(shí)時性能計(jì)算模塊連接；實(shí)時性能計(jì)算模塊和實(shí)時監(jiān)視模塊連接。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)性能的實(shí)時監(jiān)視，方便工程技術(shù)人員掌握控制系統(tǒng)的性能。
文檔編號G05B23/02GK202421881SQ20112034440
公開日2012年9月5日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者劉吉臻, 孟慶偉, 房方 申請人:華北電力大學(xué)