CN100370385C - 锅炉汽包水位模型辨识的方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机应用技术领域的锅炉汽包水位模型辨识的方法。本发明在现有的化工锅炉汽包水位控制***中添加带滞环的偏置继电辨识模块，通过对***在继电特性作用下的周期振荡极限环进行分析，获得汽包水位模型中四个参数的辨识公式。本发明针对化工过程中常见的汽包水位问题，提出一种新型的在线精确继电辨识方法，能在不需要任何时滞和静态增益等先验信息的情况下，根据时域分析得到的准确解析表达式精确计算出四个待辨识参数，从而得到逆响应的时滞模型与实际***相匹配。

Description

锅炉汽包水位模型辨识的方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机应用技术领域的方法，具体是一种锅炉汽包水位模型辨识的方法。

背景技术

影响锅炉汽包水位的扰动主要有四个来源：一是给水方面的扰动；二是蒸汽负荷的变化；三是燃料量的变化；四是汽包压力的变化。其中，影响汽包水位变化的因素主要是给水流量、蒸汽流量和燃料量，选定汽包水位作为输出变量y，给水流量作为控制变量u，则汽包水位对象在水流量作用下的动态特性，是由积分环节、逆响应环节、一阶惯性环节和时滞环节组成的，其传递函数模型G(s)可以表示成

$G\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{K_p(-{\mathrm{\τ}}_{1}s+1)}{({-\mathrm{\τ}}_{2}s+1)s}{e}^{-\mathrm{\θs}}$

这里K_p是静态增益，τ₁和τ₂是时间常数，θ是时滞。当前的突出问题是如何精确辨识出这四个模型参数。采用基于常规的辨识方法(例如阶跃响应法)时，不能同时辨识出所有模型参数，需要事先估算时滞和静态增益大小，而且辨识精度不高，特别是容易受到外界噪声干扰，这种不精确辨识偏差会导致据此设计的控制器失效，严重的会引起汽包破裂或***，这对实际生产非常不利和有害。因此精确辨识上述一阶积分逆响应时滞过程是化工实践中很困难并亟待解决的问题，必须采用先进的辨识技术来解决。

strm，K.J.等在1984最早提出了继电反馈辨识方法，该方法可保障被控过程的稳定闭环振荡响应，从而便捷地获取过程临界信息，为PID控制器参数整定提供基础，因此近年来已广泛应用于工业PID控制器参数自整定***中。许多改进和扩展的继电反馈辨识方法相继被提出来。

经对现有技术的文献检索发现，针对稳定时滞对象，Wang，Q.G.在文献Low-order modeling from relay feedback，(基于继电反馈的低阶建模方法，发表在Industrial & Engineering Chemistry Research，化工工业与工程研究，1997，36(2)，375-381.)中首次应用带滞环的偏置继电器获得更为精确的辨识结果。但由于锅炉汽包水位对象的动态特性比较特殊，既有积分和时滞环节，又必须考虑“虚假水位”现象所对应的逆响应环节。Wang，Q.G.的方法只适用于辨识包含三个参数的稳定时滞对象。Luyben，W.L.在文献Identification and tuning of integrating processes with deadtime andinverse response(具有时滞和反向响应的积分对象的辨识和整定，发表在Industrial & Engineering Chemistry Research，化工工业与工程研究，2003，42，3030-3035.)中提出了一种阶跃响应辨识法，但该方法不仅需要事先知道时滞，且在有干扰噪声的情况下辨识精度很差。如何设计继电反馈实验快速有效的在线辨识出四个模型参数，如何提高辨识精度，如何克服外界干扰和模型失配问题，从而缓解辨识误差带给***的控制难题一直都没有得到彻底的解决。

发明内容

本发明的目的在于针对化工过程中常见的锅炉汽包水位控制***中，现有辨识技术的不足，提出一种锅炉汽包水位模型辨识的方法，能在不需要任何时滞和静态增益等先验信息的情况下，根据对周期振荡极限环的时域分析得到准确解析表达式，从而精确计算出待辨识参数，使逆响应时滞模型与实际***相匹配，进而为设计汽包水位PID控制器提供基础。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括以下步骤：

步骤一：偏置继电器输出值μ₊，μ_-和滞环ε已知参数送到存储单元RAM中。

步骤二：通过继电辨识测试，上位机记录辨识过程的输入输出函数u和y，读取多个稳定振荡极限环周期参数的平均值，即周期P_u1，P_u2，幅值A_p，A_d，时间间隔

和

，将各参数送到存储单元RAM中。

步骤三：调用事先编制好的算法程序解析辨识出***模型的四个参数，具体算法步骤如下：

A)读取内存中的μ₊，μ_-，ε，P_u1，P_u2，

和

代入方程(1)式，计算待辨识的时间常数τ₂。

${-\mathrm{\τ}}_2\ln \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{+}(1-e^{{-P}_{u1}/{\mathrm{\τ}}_2})}{-{\mathrm{\μ}}_{\_}(1-e^{{-P}_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)={\tilde{t}}_{\min }-{\tilde{t}}_{\max }---\left(1\right)$

B)将τ₂代入方程组(2)、(3)和(4)，读取内存中的A_p和A_d，计算待辨识的时间常数τ₁。

$\mathrm{\θ}={\tilde{t}}_{\min }+{\mathrm{\τ}}_2\ln \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{+}(1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})}{2\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1/{\mathrm{\τ}}_2+1)(1-e^{{-P}_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)---\left(2\right)$

$K_p=\frac{A_p-A_d}{({\mathrm{\μ}}_{+}{P}_{u1}+{2\mathrm{\μ\τ}}_1)-{\mathrm{\τ}}_2[\mathrm{\μ}\_\ln \left(\frac{-\mathrm{\μ}\_(1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})}{2\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1/{\mathrm{\τ}}_2+1)(1-e^{-P_{u1}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)-{\mathrm{\μ}}_{+}\ln \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{+}(1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})}{2\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1/{\mathrm{\τ}}_2+1)(1-e^{-P_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)]}---\left(3\right)$

$-K_p(\mathrm{\μ}\_P_{u2}+2\mathrm{\μ\θ})-2K_p\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2)[1-\frac{e^{\mathrm{\θ}/{\mathrm{\τ}}_2}}{1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2}}(e^{-P_{u1}/{\mathrm{\τ}}_2}+e^{-P_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2}-{2e}^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})]=2\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

C)将τ₁和τ₂代入方程(2)计算出待辨识参数θ。

D)将τ₁和τ₂代入方程(3)计算出待辨识参数K_p。

在以上各式中，

K_p——对象静态增益，τ₁——对象时间常数一，τ₂——对象时间常数二，

θ——对象时滞，μ₊——继电器输出高电平，μ_-——继电器输出低电平，

ε——偏置继电器的滞环，P_u1——继电器输出高电平的维持时间，

P_u2——继电器输出低电平的维持时间，A_p——对象输出振荡曲线的正峰值，

A_d——对象输出振荡曲线的负峰值，

——从继电器跳变到对象达到正峰值的时间间隔，

——从继电器跳变到对象达到负峰值的时间间隔。

本发明在现有的化工锅炉汽包水位控制***中添加带滞环的偏置继电辨识模块，通过对***在继电特性作用下的周期振荡极限环进行分析，获得汽包水位模型中四个参数的辨识公式。

本发明在现有工控计算机上可以直接运行实施，在线辨识出锅炉汽包水位模型。本发明应用过程可以大致分为两个阶段，第一，锅炉汽包水位调试控制器参数初期，在继电器作用下，整个闭环***进入稳定振荡过程。在此过程中，分别记录下继电器和对象输出数组，并保存在RAM中，通过简单的数据分析，得到多个关键的量测信息。第二，在振荡周期的多个关键量测信息已经存入工控机实时数据库后，调用事先编制好的程序解析辨识出***模型参数。此算法正是在精确时域分析的基础上创新得出的。本发明全套调节过程可以在工控机仿真控制界面上完成。

在实际化工过程控制现场采用本发明方法，只需单次继电辨识实验即可根据以上解析方法精确地得到四个参数，因而操作简便迅速，并能有效克服噪声干扰，从而克服了传统辨识方法的主要缺点。本发明给出的辨识方法可广泛应用于能源、冶金、石化、火力发电、纺织等行业中带时滞的逆响应生产过程的辨识中。

附图说明

图1为本发明继电辨识组成原理图；

图2为本发明所应用带滞环偏置继电器的特性；

图3为***及继电特性输出波形；

图4为工控机仿真控制界面；

图5为辨识算法程序流程图；

图6为具体实施例子应用本发明继电辨识方法与现有其他辨识方法辨识结果比较图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例：

对于一个化工锅炉汽包水位对象，在前向给水流量在水流量作用下的动态特性如下：

$0.6\frac{-0.4s+1}{(s+1)s}{e}^{-0.1s}$

应用本发明给出的辨识方法，第一步：按照附图1所示结构图组建一个继电辨识***；并将偏置继电器相关参数送到存储单元RAM中。

μ₊＝1.2，μ_-＝-0.8，ε＝0.2

第二步：通过继电辨识测试，上位机记录辨识过程的输入输出函数u和y，读取10个稳定振荡极限环周期参数的平均值，即周期P_u1＝2.8804，P_u2＝4.3206，幅值A_p＝0.7952，A_d＝-0.5838，时间间隔 ${\tilde{t}}_{\min }=1.2959$ 和 ${\tilde{t}}_{\max }=0.9348$ 也送到存储单元RAM中。

第三步；调用事先编制好的算法程序解析辨识出***模型的四个参数：

A)读取内存中的μ₊，μ_-，ε，P_u1，P_u2，

和

代入方程(1)式，计算待辨识的时间常数τ₂＝1.0000。

B)将τ₂代入方程组(2)、(3)和(4)，读取内存中的A_p和A_d，计算待辨识的时间常数τ₁＝0.3999。

C)将τ₁和τ₂代入方程(2)计算出待辨识参数θ＝0.1002。

D)将τ₁和τ₂代入方程(3)计算出待辨识参数K_p＝0.6000。

以上阐述的是本发明给出的一个实施例表现出的精确辨识效果。需要指出，本发明不只限于上述实施例，本发明针对工业过程中一般逆响应时滞过程模型给出了继电反馈的辨识方法，所以适用于各种有此动态特性的生产过程。

Claims (2)

1.一种锅炉汽包水位模型辨识的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：偏置继电器输出值μ₊，μ_-和滞环ε已知参数送到存储单元RAM中；

步骤二：通过继电辨识测试，上位机记录辨识过程的输入输出函数u和y，读取多个稳定振荡极限环周期参数的平均值，即周期P_u1，P_u2，幅值A_p，A_d，时间间隔

和

将各参数送到存储单元RAM中；

步骤三：调用事先编制好的算法程序解析辨识出***模型的四个参数，具体算法步骤如下：

A)读取内存中的μ₊，μ_-，ε，P_u1，P_u2，和

代入方程(1)式，计算待辨识的时间常数τ₂：

${-\mathrm{\τ}}_2\ln \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{+}(1-e^{-P_{u1}/{\mathrm{\τ}}_2})}{-{\mathrm{\μ}}_{-}(1-e^{{-P}_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)={\tilde{t}}_{\min }-{\tilde{t}}_{\max }---\left(1\right)$

B)将τ₂代入方程组(2)、(3)和(4)，读取内存中的A_p和A_d，计算待辨识的时间常数τ₁：

$\mathrm{\θ}={\tilde{t}}_{\min }+{\mathrm{\τ}}_2\ln \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{+}(1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})}{2\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1/{\mathrm{\τ}}_2+1)(1-e^{-P_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)---\left(2\right)$

$K_p=\frac{A_p-A_d}{({\mathrm{\μ}}_{+}{P}_{u1}+{2\mathrm{\μ\τ}}_1)-{\mathrm{\τ}}_2[{\mathrm{\μ}}_{-}\ln \left(\frac{-{\mathrm{\μ}}_{-}(1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})}{2\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1/{\mathrm{\τ}}_2+1)(1-e^{-P_{u1}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)-{\mathrm{\μ}}_{+}\ln \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{+}(1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})}{2\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1/{\mathrm{\τ}}_2+1)(1-e^{-P_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2})}\right)]}---\left(3\right)$

$-K_p({\mathrm{\μ}}_{-}{P}_{u2}+2\mathrm{\μ\θ})-{2K}_p\mathrm{\μ}({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2)[1-\frac{e^{\mathrm{\θ}/{\mathrm{\τ}}_2}}{1-e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2}}(e^{-P_{u1}/{\mathrm{\τ}}_2}+e^{-P_{u2}/{\mathrm{\τ}}_2}-2e^{-(P_{u1}+P_{u2})/{\mathrm{\τ}}_2})]=2\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

C)将τ₁和τ₂代入方程(2)计算出待辨识参数θ；

D)将τ₁和τ₂代入方程(3)计算出待辨识参数K_p；

在以上各式中，

K_p——对象静态增益，τ₁——对象时间常数一，τ₂——对象时阀常数二，

θ——对象时滞，μ₊——继电器输出高电平，μ_-——继电器输出低电平，

ε——偏置继电器的滞环，P_u1——继电器输出高电平的维持时间，

P_u2——继电器输出低电平的维持时间，A_p——对象输出振荡曲线的正峰值，

A_d——对象输出振荡曲线的负峰值，

——从继电器跳变到对象达到正峰值的时间间隔，

——从继电器跳变到对象达到负峰值的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的锅炉汽包水位模型辨识的方法，其特征是：在现有工控计算机上直接运行实施，全套调节过程在工控机仿真控制界面上完成。

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