一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法，包括：根据基于条件维度和寿命维度的三维可靠性模型构建阀门迟滞模型；对构建的阀门迟滞模型进行辨识，从而得到整个条件维度的可靠性模型；根据阀门迟滞模型和辨识出的可靠性模型得到幅度可变补偿信号，从而根据控制信号调节补偿信号的幅度，并根据阀门的固有特性调节脉冲宽度进行迟滞补偿。本发明专利技术综合考虑了过程和时间对迟滞阻力的影响，更加精确地模拟了阀门的迟滞效应，精确度高；同时，基于该模型得到的幅度可变补偿信号，有效避免了过补偿和欠补偿的问题，减少了震荡的发生，从而达到最佳的补偿效果。本发明专利技术可广泛应用于工业控制领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法
本专利技术涉及工业控制领域，尤其是一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法。
技术介绍
阀门是过程控制中使用最为广泛的执行器之一，阀门的可靠性对控制过程的性能有显著的影响。研究表明实际工业过程中有百分之三十的控制回路不同程度遭受着阀门非线性特性带来的不良影响。阀门的迟滞现象是一种最为普遍和顽固的阀门非线性问题，它可以进一步导致回路的震荡，增加控制量的不确定性，并最终导致产品质量降低，带来经济损失。为了解决阀门迟滞问题，目前已有相关研究建立了阀门迟滞模型，并基于迟滞模型提出了相应的控制补偿方法。被广泛接受且实用性最强的迟滞模型是由Srinivasan提出的基于数据建立的单参数模型，该模型的表达式为：如图1所示，uc是控制器输出的控制信号，ua(t)是阀门的输出信号，d是迟滞带宽，由闭环输出的峰-峰距离得到。阀门的外界驱动力、控制信号与阀门位置的差|uc(t)-ua(t-1)|成正比。当外界驱动力能够克服迟滞阻力时，阀门移动到控制信号要求位置；当驱动力小于迟滞阻力时；阀门保持静止。在此基础上Hagglund在2002年提出了Knocker迟滞补偿方法，其回路基本结构如图2所示。该补偿方法的原理为：在控制器后面增加一个补偿器专门产生Knocker补偿信号与控制信号叠加后作用于阀门上。Knocker补偿信号的表达式为：其中，tp是前一个脉冲的起始时间，a,hk,τ是通过试验确定的已知常数。2005年Srinivasan等人通过试验讨论得出了最佳的参数组合：其中,d是模型(1)中的迟滞带宽，h是过程采样d的时间。Knocker补偿信号本质上为一系列幅度和作用时间恒定的脉冲信号，其方向由控制信号的变化趋势决定，如图3所示。经过Knocke补偿后的控制回路减小了输出信号的震荡幅度，但是却增加了震荡频率，如图4所示。在现有的单参数模型中，阀门的迟滞阻力一般用常数d表示，然而在实际的工业过程中阀门的迟滞阻力是一个依赖于位置和时间的变量，迟滞阻力会随着位置的不同和使用时间的不同而有所不同。而传统的Knocker补偿信号则为恒定幅度的信号，当控制信号本身较大时会导致过补偿，而当控制信号非常小时可能会补偿不足；这些间歇出现的过补偿和欠补偿使过程不可避免地持续震荡，虽然减小了幅度但是却增加了频率，加速了阀门的磨损。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是：提供一种精确度高，能有效避免过补偿和欠补偿问题的，基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法，包括：A、根据基于条件维度和寿命维度的三维可靠性模型构建阀门迟滞模型，所述阀门迟滞模型的表达式为：其中，uc(t)是t时刻控制器输出的控制信号，ua(t)是t时刻阀门的输出信号，uc(t-1)是t-1时刻控制器输出的控制信号，ua(t-1)是t-1时刻阀门的输出信号，P为概率，R为阀门的条件维度可靠度，且R为|uc(t)-uc(t-1)|的函数；B、对构建的阀门迟滞模型进行辨识，从而得到整个条件维度的可靠性模型；C、根据阀门迟滞模型和辨识出的可靠性模型得到幅度可变补偿信号，从而根据控制信号调节补偿信号的幅度，并根据阀门的固有特性调节脉冲宽度进行迟滞补偿。进一步，所述步骤B，其包括：B1、搭建由阀门和过程模型组成的测试回路；B2、根据阀门当前输入的控制信号以及选用的过程模型进行计算，从而得到当前输入条件下的可靠性；B3、分别以不同的输入控制信号作为阀门当前输入的控制信号，返回步骤B2，从而得到不同输入条件下的可靠性；B4、对不同输入条件下的可靠性进行曲线拟合，从而得到整个条件维度的可靠性模型。进一步，所述步骤B2，其包括：B21、选取过程模型为FIR模型，所述FIR模型的表达式为：其中，是已知的过程参数，为测试回路的输出，n和m为正整数；B22、对FIR模型的等式两端取期望值，从而得到测试回路输出的期望值所述测试回路输出的期望值的表达式为：B23、通过马尔科夫模型推导和化简，得到化简后的阀门输出信号E(ua(i))，所述化简后的阀门输出信号E(ua(i))表达式为：E(ua(i))≈uc(i)R+uc(i-1)R(1-R)；B24、将化简后的阀门输出信号E(ua(i))代入测试回路输出期望值的表达式中，并进行求解，从而得到当前输入条件下的可靠性R(Δu)，所述当前输入条件下的可靠性R(Δu)的表达式为：进一步，所述步骤B23，其包括：B231、通过马尔科夫模型推导出阀门输出信号期望值E′(ua(i))的表达式，所述阀门输出信号期望值E′(ua(i))的表达式为：其中，k为控制器输出系数，i,j均为正整数；B232、根据可靠性的定义对阀门输出信号E′(ua(i))的表达式进行化简，从而得到化简后的阀门输出信号E(ua(i))，所述化简后的阀门输出信号E(ua(i))表达式为：E(ua(i))≈uc(i)R+uc(i-1)R(1-R)。进一步，所述步骤C，其包括：C1、根据阀门迟滞模型和辨识出的可靠性模型计算随机迟滞带宽的概率密度，所述随机迟滞带宽D的概率密度f(D)的表达式为：其中，R'(D)表示R(D)的导数，d是单参数模型中迟滞带宽；C2、根据计算的概率密度f(D)得到补偿信号C幅度的期望值E(C)以及补偿信号作用过程中阀门移动的距离s，所述补偿信号C幅度的期望值E(C)以及补偿信号作用过程中阀门移动的距离s的表达式为：其中，x为积分变量，us(t)为补偿后的总控制信号，k和m均为阀门的固有属性，Δt为脉冲宽度；C3、根据补偿信号C幅度的期望值E(C)以及补偿信号作用过程中阀门移动的距离s和脉冲宽度t的关系，采用Hagglund提出的回路结构进行迟滞补偿。本专利技术的有益效果是：基于条件维度和寿命维度的三维可靠性模型构建阀门迟滞模型，综合考虑了过程和时间对迟滞阻力的影响，更加精确地模拟了阀门的迟滞效应，精确度高；同时，基于该模型得到的幅度可变补偿信号会根据控制信号调节补偿信号的幅度，并根据阀门固有特性调节脉冲宽度，有效避免了过补偿和欠补偿的问题，减少了震荡的发生，从而达到最佳的补偿效果。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为单参数模型的回路结构图；图2为Knocker迟滞补偿方法的回路结构图；图3为Knocker补偿信号的波形图；图4为Knocker补偿前后的效果对比图；图5为本专利技术一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法的整体流程图；图6为本专利技术步骤B的流程图；图7为本专利技术步骤B2的流程图；图8为本专利技术步骤B23的流程图；图9为本专利技术步骤C的流程图；图10为本专利技术实施例二的测试回路结构图；图11为本专利技术实施例三进行模型辨识所得到的拟合曲线；图12.1为无阀门迟滞效应时的输入输出；图12.2为有阀门迟滞效应时的输入输出；图13.1为补偿参数K取0.05时的输入输出；图13.2为补偿参数K取0.05时的补偿信号C；图14.1为补偿参数K取0.5时的输入输出；图14.2为补偿参数K取0.5时的补偿信号C；图15.1为补偿参数K取1.0时的输入输出；图15.2为补偿参数K取1.0时的补偿信号C。具体实施方式参照图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法，其特征在于：包括：A、根据基于条件维度和寿命维度的三维可靠性模型构建阀门迟滞模型，所述阀门迟滞模型的表达式为：ua(t)=uc(t),P=R(|uc(t)-uc(t-1)|)ua(t-1),P=1-R(|uc(t)-uc(t-1)|),]]>其中，uc(t)是t时刻控制器输出的控制信号，ua(t)是t时刻阀门的输出信号，uc(t‑1)是t‑1时刻控制器输出的控制信号，ua(t‑1)是t‑1时刻阀门的输出信号，P为概率，R为阀门的条件维度可靠度，且R为|uc(t)‑uc(t‑1)|的函数；B、对构建的阀门迟滞模型进行辨识，从而得到整个条件维度的可靠性模型；C、根据阀门迟滞模型和辨识出的可靠性模型得到幅度可变补偿信号，从而根据控制信号调节补偿信号的幅度，并根据阀门的固有特性调节脉冲宽度进行迟滞补偿。

【技术特征摘要】
1.一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法，其特征在于：包括：A、根据基于条件维度和寿命维度的三维可靠性模型构建阀门迟滞模型，所述阀门迟滞模型的表达式为：其中，uc(t)是t时刻控制器输出的控制信号，ua(t)是t时刻阀门的输出信号，uc(t-1)是t-1时刻控制器输出的控制信号，ua(t-1)是t-1时刻阀门的输出信号，P为概率，R为阀门的条件维度可靠度，且R为|uc(t)-uc(t-1)|的函数；B、对构建的阀门迟滞模型进行辨识，从而得到整个条件维度的可靠性模型；C、根据阀门迟滞模型和辨识出的可靠性模型得到幅度可变补偿信号，从而根据控制信号调节补偿信号的幅度，并根据阀门的固有特性调节脉冲宽度进行迟滞补偿。2.根据权利要求1所述的一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法，其特征在于：所述步骤B，其包括：B1、搭建由阀门和过程模型组成的测试回路；B2、根据阀门当前输入的控制信号以及选用的过程模型进行计算，从而得到当前输入条件下的可靠性；B3、分别以不同的输入控制信号作为阀门当前输入的控制信号，返回步骤B2，从而得到不同输入条件下的可靠性；B4、对不同输入条件下的可靠性进行曲线拟合，从而得到整个条件维度的可靠性模型。3.根据权利要求2所述的一种基于可靠性理论的阀门迟滞建模和控制补偿方法，其特征在于：所述步骤B2，其包括：B21、选取过程模型为FIR模型，所述FIR模型的表达式为：其中，是已知的过程参数，为测试回路的输出，n和m为正整数；B22、对FIR模型的等式两端取期望值，从而得到测试回路输出的期望值所述测试回路输出的期望值的表达式为：B23、通过马尔科夫模型推导和化简，得到化简后的阀门输出信号E(ua(i))，所述化简后的阀门输出信号E(ua(i))表达式为：E(ua(i))≈uc(i)R+uc(i-1)R(1-R)B24、将化简后的阀门输出信...

【专利技术属性】
技术研发人员：南东，高福荣，王卓，姚科，
申请(专利权)人：广州市香港科大霍英东研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44