基于并行彌漫式智能搜索算法的工業(yè)過程建模系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種傳遞函數(shù)下基于智能搜索算法的任意測試信號系統(tǒng)辨識方法， 屬于工業(yè)過程模型辨識領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)過程中自動控制的目的在于使得工業(yè)過程快速準確地跟蹤給定工藝點的 變化，同時對各種干擾引起的被控參數(shù)偏差進行有效的校正，使得被控參數(shù)始終以較高的 精度達到期望值。很多控制器的設(shè)計（也就是控制器形式和參數(shù)的選擇）是要依賴于被控 過程的數(shù)學(xué)模型（也就是用于描述實際工業(yè)過程的數(shù)學(xué)表達式）的。比如：PID控制方法 的實施，主要包括兩大步驟：第一步是獲取能夠描述被控對象（某個實際工業(yè)過程）的數(shù)學(xué) 模型（數(shù)學(xué)表達式），第二步是在此基礎(chǔ)上，以數(shù)學(xué)模型為依據(jù)設(shè)計控制器，包括根據(jù)數(shù)學(xué) 模型反映出的工業(yè)過程的特征參數(shù)選取適合的PID控制形式和計算PID控制器參數(shù)。如果 被控工業(yè)過程對象模型建立的準確，則控制器設(shè)計也能準確控制效果良好；反之如果對象 模型建立的不夠準確，則控制器設(shè)計也會不準確，嚴重時影響控制效果。可以說控制方法在 工業(yè)過程中能否成功實施，在很大程度上取決于工業(yè)過程模型的建立是否準確匹配，過程 模型的準確獲取對于各類控制方法的成功實施具有非常重要的意義。
[0003] 建立工業(yè)過程的模型，就是確定出一個能夠代表系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型（數(shù)學(xué)表達 式）。主要有機理建模和系統(tǒng)辨識兩大類方法，其中機理建模就是在理論分析的基礎(chǔ)上， 依據(jù)工業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作過程中存在的各種能量傳遞和守恒關(guān)系建立方程組，解出待定 參數(shù)從而建立數(shù)學(xué)模型。由于實際工業(yè)過程往往設(shè)備結(jié)構(gòu)和能量傳遞關(guān)系非常復(fù)雜，采用 機理建模時理論分析和計算工作量都很大，加之理論分析和實際工業(yè)環(huán)境之間大多存在差 異，采用該方法建立的模型并不能完全準確的代表實際工業(yè)過程。在工業(yè)現(xiàn)場一般采用系 統(tǒng)辨識的方法獲取對象數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)辨識是依據(jù)系統(tǒng)工作過程中的實際輸入信號和相應(yīng) 的輸出信號數(shù)據(jù)作為建模的依據(jù)得到數(shù)學(xué)模型，并不需要了解對象構(gòu)造和能量守恒關(guān)系， 這大大減少了建模的工作量，在工業(yè)實踐中被廣泛采用。
[0004] 工業(yè)系統(tǒng)辨識技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，有方法很多，但工程中較多采取開環(huán)階躍測試法， 即在工業(yè)過程開環(huán)的條件下（不帶控制器），對系統(tǒng)輸入施加一個階躍信號，然后觀察其輸 出端的階躍響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到過程的數(shù)學(xué)模型。開環(huán)階躍測試法的優(yōu)點 是，操作方法簡便，在工業(yè)現(xiàn)場容易實施。然而，開環(huán)階躍測試法具有明顯的不足之處，包 括：首先，階躍測試法測試時間較長，系統(tǒng)運行情況以及條件的變化會在所難免地使測試結(jié) 果產(chǎn)生誤差；另外，在開環(huán)條件下進行測試，現(xiàn)場系統(tǒng)不帶控制器工作，輸出誤差較大時無 法及時校正，被控參數(shù)偏離工藝點設(shè)定值較大時會嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，并且存在生產(chǎn)安全 隱患，所以很多工業(yè)現(xiàn)場是不允許采用開環(huán)的方式進行模型辨識的；最后，階躍測試法要求 輸入信號必須是階躍信號，這極大的限制了測試條件，當某些工業(yè)過程不允許施加階躍測 試信號時則無法采用該方法進行系統(tǒng)模型辨識。
[0005] 在建立數(shù)學(xué)模型的過程中需要辨識代表系統(tǒng)特征的一些重要參數(shù)，也就是模型參 數(shù)。現(xiàn)在有一些使用優(yōu)化算法的方法得到模型參數(shù)，比如采用遺傳算法、粒子群算法等，但 由于這些優(yōu)化算法自身的問題（比如：粒子群算法具有早熟的缺陷，其優(yōu)化得到的有可能 是局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解，也就是實際待辨識參數(shù)）造成得到的模型參數(shù)不準確從而 模型不準確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出一種適用于任意輸入輸出數(shù)據(jù)的新型工業(yè)過程系統(tǒng)模型辨識新方法。 在系統(tǒng)辨識的過程中，利用一種并行彌漫式智能搜索新算法良好的搜索能力和快速收斂特 性，尋找到能使辨識效果最優(yōu)的衰減因子值，從而提高了辨識方法的精度和穩(wěn)定性。適用于 現(xiàn)場進行開環(huán)系統(tǒng)模型辨識和閉環(huán)系統(tǒng)模型辨識兩種需求。具體辨識原理如下：
[0007] 1、工業(yè)過程開環(huán)系統(tǒng)辨識
[0008]給一個工業(yè)系統(tǒng)施加激勵輸入信號r(t)時，會在系統(tǒng)輸出端引起相應(yīng)的輸出響 應(yīng)y(t)，如果輸出響應(yīng)能夠在時間趨于無窮大時收斂，也就是說待辨識系統(tǒng)是具有穩(wěn)定性 的，那么y(t)的傅里葉變換是存在的，可以用式（1)來表示。
[0010] 對于S> 0,如果t>tn時，y(t)e_st= 0,那么式⑴中t>、之后的信號就不 需要參與積分了，此時表達式可以近似表示為式（2):
[0012] 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)表示為式（3)，此時的G(s)就是待建模的工業(yè)過程對象的 傳遞函數(shù)。
[0014]將s=a+j?代入G(s)表達式（3)，可以得到式（4):
[0016]對式⑶在S域內(nèi)進行求導(dǎo)，可以分別得到對象傳遞函數(shù)G(s)關(guān)于s的一階導(dǎo)數(shù)G(1)(s)和二階導(dǎo)數(shù)G(2)(s)。通過選擇合適的s=a(定義a為衰減因子），就可以得到對 象傳遞函數(shù)G(s)的值，進一步可以求得G(1)(s)和G(2)(s)。然后利用G(s)、G(1)(s)和G(2) (s)形成聯(lián)立方程組，就可以求解出其中的待辨識未知模型參數(shù)。
[0017] 下面以一階工業(yè)過程對象（如：液位控制過程）為例，說明如何利用開環(huán)傳遞函數(shù) 求解過程模型參數(shù)。
[0018] 假設(shè)一階過程對象的模型為
I其中開環(huán)放大倍數(shù)kp、一階慣性 環(huán)節(jié)時間常數(shù)1;和純滯后環(huán)節(jié)滯后時間0為對象模型中的未知參數(shù)。對模型兩邊取對數(shù) 可以得到式（5):
[0019]lnG(s) =lnkp-ln(Tps+1) - 9s(5)
[0020] 對式（5)兩邊關(guān)于s分別求導(dǎo)，可以得到式（6):
[0022] 由式6可以得到G(s)、G(1) (s)與未知參數(shù)之間的關(guān)系，同時當s=a值已知時， G(s)、G(1)(s)的值可以求出，因此，選擇合適的衰減因子a的值就可以快速準確的計算出 待辨識參數(shù)值。對于工業(yè)中二階對象及高階復(fù)雜對象，其思想是一樣的，可以得到傳遞函數(shù) G(s)與模型未知參數(shù)之間的關(guān)系，然后利用衰減因子a值可精確計算出待辨識參數(shù)值。
[0023] 2、工業(yè)過程閉環(huán)系統(tǒng)辨識
[0024]系統(tǒng)進行閉環(huán)辨識時，由于反饋機制使得系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)與系統(tǒng)輸出之間存在線性 相關(guān)，傳統(tǒng)常規(guī)的辨識方法不能直接對其進行辨識。本發(fā)明采用基于頻率響應(yīng)的辨識方法， 該方法只需要知道輸入輸出數(shù)據(jù)，對于對象的先驗知識無特殊要求，通過頻率響應(yīng)算出傳 遞函數(shù)值，根據(jù)傳遞函數(shù)值與未知參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，能夠快速準確得到對象模型參數(shù) 的估計值。
[0025] 對于閉環(huán)辨識，需要求導(dǎo)出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)T(s)、一階導(dǎo)數(shù)T(1) (s)和二階導(dǎo) 數(shù)T(2)(s)，然后利用合適的衰減因子a值可精確計算出待辨識參數(shù)值。
[0026] 閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以用式（7)表示：
[0028]對式（7)兩邊關(guān)于s分別求導(dǎo)，可以得到式⑶：
[0030] 對式⑶兩邊關(guān)于S分別求導(dǎo)，可以得到式（9):
[0032]假設(shè)控制器為PID控制器，其傳遞函數(shù)表達式C(s)為式（10):
[0034]對式（10)兩邊關(guān)于s分別求導(dǎo)，得到其一階導(dǎo)數(shù)C(1) (s)表達式為式（11):
[0036]對式（11)兩邊關(guān)于s分別求導(dǎo)，可以得到其二階導(dǎo)數(shù)C(2)⑶表達式為（12):
[0038] 假設(shè)系統(tǒng)為單閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，可以得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)T(s)與對象傳遞函 數(shù)G(s)之間的關(guān)系式（13):
[0040]通過式（13)，可以換算得到對象傳遞函數(shù)G(s)與系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)T(s)之間的 關(guān)系式（14):
[0042]對式（14)兩邊關(guān)于s分別求導(dǎo)，可以得到其一階導(dǎo)數(shù)G(1)⑶表達式為式（15)
[0044]對式（15)兩邊關(guān)于s分別求導(dǎo)，可以得到其二階導(dǎo)數(shù)G(2)⑶表達式為式（16):
[0046]由于閉環(huán)傳遞函數(shù)T(s)、一階導(dǎo)數(shù)T(1) (s)和二階導(dǎo)數(shù)T(2) (s)和控制器傳遞函數(shù)C(s)、一階導(dǎo)數(shù)C(1)(S)和二階導(dǎo)數(shù)C(2)(S)的值均已經(jīng)分別在前面求解，于是對象傳遞函數(shù) G(s)、一階導(dǎo)數(shù)G(1) (S)和二階導(dǎo)數(shù)G(2) (S)的值也可以得到，然后根據(jù)推導(dǎo)出的G(s)、G(1) (S)和G(2)(S)與模型未知參數(shù)之間的關(guān)系，選擇合適的衰減因子a的值就可以快速準確的 計算出待辨識參數(shù)了。
[0047] 本發(fā)明所提出的辨識方法相對現(xiàn)有技術(shù)有以下幾點優(yōu)勢：
[0048] 1、可以采用任意信號作為測試激勵信號，比如：階躍信號、脈沖信號、指數(shù)衰減信 號、復(fù)合信號或者任意能使系統(tǒng)產(chǎn)生輸出并最終收斂穩(wěn)定且在s域二階可導(dǎo)的連續(xù)信號都 可以用作系統(tǒng)辨識測試激勵信號，使得辨識過程中輸入信號不再局限于階躍信號一種情 況，簡化了辨識復(fù)雜度，同時增加了現(xiàn)場辨