Matlab工业过程控制方差性能评估算法的设计仿真(2)
对于上述性能文护的问题，迫切需要一种不影响生产的，简便、高效的方法来对控制系统的性能进行评价、诊断和文护。这些方法应该具备下面的条件：能在闭环条件下工作；不需要附加测试信号；能够监控控制回路并及时指出回路是否需要整定[1]。控制性能监控与评估技术在此背景下应运而生。它不仅可以根据设计目标来评价控制器性能，还能通过其他方法诊断和解决存在的问题。
控制回路性能监控与评估(control performance monitoring/control performance assessment, CPM/CPA)技术是用以文持生产车间自动化生产设备高效运行的一种重要的技术。CPA技术考虑的问题如图1所示[2]：控制器是否“健康”？它工作的是否让人满意？如果不是，为什么它不健康？怎样安排一个性能指标，找出其改进潜力而不影响系统的运行？怎样才能从常规操作数据中获得更多关于控制回路运行情况的信息？
图1 控制回路性能评估问题描述
评估控制回路性能的过程包括以下几步：
1）确定运行中控制回路的性能
包括量化当前的性能,分析量测数据并根据量测数据计算当前控制回路的性能(如输出的方差)。
2）为当前控制回路的性能选择和设计合适的性能评估基准
这个基准可以是最小方差(作为不可达的性能边界)或者其他一些由用户自定义的基准。这一基准应指出当前被控对象和控制装置所能达到的最为理想的性能。
3）对可能存在故障的回路进行评估
这一步需要检验当前控制回路性能与所选择的评估基准之间的偏差。更主要的是,由此可以发现当前控制回路性能是否具有提高的可能性。
4）诊断故障发生的原因
如果评估表明,控制回路的性能偏离了性能评估的基准,那么就需要找出故障产生的原因。这一步在控制回路性能评估中是最为困难的工作,相关的方法或研究很少。因而在许多场合需要文护人员根据经验完成故障诊断工作。
5）提出改善控制回路性能的措施
在诊断出导致控制回路性能变差的原因后,必须制定相应的措施使控制回路性能恢复到良好状态。实践表明,工业生产中的多数控制器可以通过重新整定(调节控制器参数)来改善性能。但是,当诊断结果表明重新整定控制器无法改善其性能时,则要考虑重新设计控制结构或者改变被控对象的特性等措施来提高控制回路的性能。
评估流程图如图2所示：
图2 控制回路评估监测和诊断的基本流程
控制回路性能评估应用较为广泛的领域包括炼油、石化、造纸和其他流程工业制造过程等领域。通过分析性能评估方法的使用情况可知，使用最为广泛的方法是基于最小方差控制的性能评估方法，大约占到应用的60%。这说明基于最小方差的性能评估技术已经较为成熟，并已成为日常生产中使用的标准方法。其他控制性能评价方法近年来也得到了长足发展，并在工业过程的应用中取得良好的效果。随着控制性能评价理论不断完善，各种评价方法将更广泛地应用于工业过程。所以控制性能评价的应用前景相当广阔。
本课题针对一类典型的单变量过程模型，研究仅利用过程I/O数据，评估控制方差性能的算法设计，并以Matlab为开发平台，设计出相应的性能评估算法程序，实现模拟仿真演示软件。通过设计的算法和演示软件可在模拟环境下对单变量过程输出方差性能进行评估。
1．2 控制回路性能评价的发展现状
控制系统的性能涉及到其处理被控变量与其设定值之间的偏差的能力。这些偏差可以用一个单独的数字来量化，即性能指标。传统的性能指标有上升时间，稳定时间，超调，相对于设定值的偏离等[3]。但是方差是使用的最为广泛的评价准则。如果被控变量的方差超过临界值，那么就认为这个控制回路是性能不佳的，因为这将直接影响到控制过程的性能、产品质量以及利润等。
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