張學(xué)華

摘 要：近幾十年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，不僅節(jié)約了大量人力資源，而且給社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)今企業(yè)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的要求越來(lái)越高，規(guī)模也越來(lái)越大，其工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的控制器也越來(lái)越多，控制系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。本文就過(guò)程控制系統(tǒng)性能評(píng)估方法進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：過(guò)程控制系統(tǒng);評(píng)估方法;應(yīng)用研究

1 過(guò)程控制系統(tǒng)性能評(píng)估方法研究

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)的技術(shù)人員，希望技術(shù)部門(mén)幫助他們開(kāi)發(fā)軟件能夠準(zhǔn)確掌握各個(gè)控制回路的實(shí)際工作情況。對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估的目的是希望通過(guò)此技術(shù)能幫助工程技術(shù)維護(hù)人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并對(duì)這些潛在問(wèn)題采取相應(yīng)維護(hù)措施;它的作用是能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別和判斷控制系統(tǒng)的控制性能。如果不使用控制系統(tǒng)性能評(píng)估技術(shù)，那么很多潛在于控制系統(tǒng)內(nèi)部的問(wèn)題就無(wú)法提前獲知并預(yù)防，而只能等故障或事故出現(xiàn)之后才能被發(fā)現(xiàn)。因此就需要一些先進(jìn)的評(píng)估技術(shù)對(duì)整個(gè)工廠過(guò)程系統(tǒng)控制回路進(jìn)行工作監(jiān)控，以達(dá)到能夠及時(shí)的診斷出控制系統(tǒng)存在的性能問(wèn)題，從而幫助維護(hù)人員能通過(guò)性能評(píng)估信息對(duì)控制系統(tǒng)采取相應(yīng)維護(hù)措施，保證整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行在較好的工作狀態(tài)。所以，發(fā)展和研究控制系統(tǒng)性能評(píng)估和監(jiān)控技術(shù)，不僅具有理論上的意義，而且具有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景[1]。

2基于最小方差控制基準(zhǔn)的性能評(píng)估方法研究

2.1控制系統(tǒng)性能評(píng)估的基本原理

對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估，它的主體設(shè)計(jì)思想是：針對(duì)待要進(jìn)行控制性能評(píng)估的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)適合的性能評(píng)價(jià)方法，找到一個(gè)控制器在最佳性能下用作參照的基準(zhǔn)，然后通過(guò)對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)處理得到實(shí)際工作狀態(tài)下的控制器運(yùn)行性能參數(shù)，然后把此性能參數(shù)與最佳性能基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比[2]，通過(guò)兩者比值情況來(lái)評(píng)估控制器運(yùn)行性能的好壞，如果得到的控制系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)較低，則就要進(jìn)一步找出導(dǎo)致性能不好的原因，并提供提高控制器性能的建議。

2.2控制系統(tǒng)性能評(píng)估的發(fā)展概況

在前人大量研究工作的基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)性能評(píng)估技術(shù)作了進(jìn)一步的深入研究，針對(duì)多變量控制系統(tǒng)使用最小方差控制（MVC）性能評(píng)價(jià)方法所造成的性能評(píng)估缺陷，以及在評(píng)價(jià)中涉及到求解復(fù)雜的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣問(wèn)題，提出基于主元分析-最小二乘支持向量機(jī)（PCA-LSSVM）技術(shù)的性能評(píng)價(jià)方法，解決多變量控制系統(tǒng)使用基本性能評(píng)價(jià)方法所面臨的這些難題;針對(duì)當(dāng)前大多研究者對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)，大都只是僅僅針對(duì)線性控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并沒(méi)有考慮到非線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中基本都是非線性系統(tǒng)，提出基于核主元分析的非線性系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)非線性控制系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得到準(zhǔn)確的性能評(píng)價(jià)結(jié)果;最后，對(duì)某煉油廠氣體分餾裝置進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，確定控制對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行階躍測(cè)試，得到控制對(duì)象的模型。結(jié)合該廠的產(chǎn)品需求，并對(duì)該裝置進(jìn)行了控制系統(tǒng)性能評(píng)估測(cè)試，得到了較好的性能評(píng)估結(jié)果。

2.3 評(píng)估指標(biāo)

1989年Harris首次提出利用最小方差控制基準(zhǔn)方法作為控制系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)。自從該方法提出至今，許多學(xué)者相繼對(duì)最小方差基準(zhǔn)進(jìn)行了一系列的研究，使最小方差性能評(píng)價(jià)基準(zhǔn)得到了完善和發(fā)展。該方法作為控制系統(tǒng)性能評(píng)估起始理論源泉，在此方法的基礎(chǔ)上又研究了一系列以其它性能指標(biāo)為基準(zhǔn)的性能評(píng)價(jià)方法，因此該方法無(wú)論何時(shí)對(duì)于控制系統(tǒng)性能評(píng)估的研究者來(lái)說(shuō)，都具有極高的意義和價(jià)值。要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)價(jià)就必須知道系統(tǒng)可靠的過(guò)程響應(yīng)延遲時(shí)間，特別是對(duì)于使用最小方差（MV）控制評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，延遲時(shí)間的估計(jì)非常重要。在絕大多數(shù)系統(tǒng)中，時(shí)間延遲是由于生產(chǎn)原料在設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中造成的，一般情況下是可以通過(guò)基本的常規(guī)計(jì)算求得的;但在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，延遲時(shí)間是無(wú)法通過(guò)狀態(tài)變量測(cè)量得到的。

3基于PCA-LSSVM方法的多變量控制系統(tǒng)性能評(píng)估

為了提高對(duì)多變量控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)和簡(jiǎn)化其評(píng)價(jià)過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜度，提出基于主元分析（PCA）與最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）相結(jié)合的多變量控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法。該方法將原始自變量數(shù)據(jù)通過(guò)PCA方法進(jìn)行降維處理，支持向量機(jī)中的不敏感損失函數(shù)被二次損失函數(shù)替換，使用等式約束代替不等式約束，從而將問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性方程組的求解，并且本文改進(jìn)了最小二乘支持向量機(jī)的參數(shù)選取，可以提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性。該方法在性能評(píng)價(jià)中不需要求解系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣，大大地簡(jiǎn)化了求解的復(fù)雜性。最后通過(guò)仿真實(shí)例驗(yàn)證了基于PCA-LSSVM的性能評(píng)價(jià)方法更能反映控制系統(tǒng)真實(shí)性能。復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程通常包含許多控制回路，保證這些回路長(zhǎng)期、有效地運(yùn)行是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估和監(jiān)控是保證其正常運(yùn)行的重要手段，因此，控制系統(tǒng)性能評(píng)估的理論研究得到了迅速的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了不少新的研究成果。當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制回路大多是多變量控制系統(tǒng)，因此研究多變量控制系統(tǒng)的性能評(píng)估方法是有長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的。但是當(dāng)前對(duì)于多變量控制系統(tǒng)性能評(píng)估的理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面，還是一個(gè)挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

4基于核主元分析方法的非線性控制系統(tǒng)性能評(píng)估

針對(duì)實(shí)際過(guò)程中存在的一類(lèi)同時(shí)具有執(zhí)行器非線性和過(guò)程輸出非線性的特殊非線性系統(tǒng)，提出了一種基于核主元分析（KPCA）的非線性控制系統(tǒng)性能評(píng)估方法。該方法首先利用核主元分析方法估計(jì)其噪聲序列，其次討論了該類(lèi)非線性系統(tǒng)反饋不變量的存在性，推導(dǎo)了系統(tǒng)的最小方差下限，并將其作為系統(tǒng)的性能基準(zhǔn)。最后將所提方法與其它評(píng)價(jià)方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明所提出的方法是有效的，更能實(shí)際反映出該類(lèi)非線性系統(tǒng)的真實(shí)性能。

一個(gè)典型的工業(yè)過(guò)程通常包含許多控制回路，對(duì)這些回路進(jìn)行檢查及維護(hù)以使其保持良好的工況是一項(xiàng)繁重的工作。保證這些回路長(zhǎng)期、有效及穩(wěn)定地運(yùn)行是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)?？刂破餍阅茉u(píng)估正是一種保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的強(qiáng)有力技術(shù)，被公認(rèn)為是一個(gè)有效的工具，可以幫助工程師提高控制回路的性能。目前，控制系統(tǒng)性能評(píng)估的理論研究正在迅速的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了不少新的研究成果。

實(shí)際中，還存在著一類(lèi)特殊的非線性系統(tǒng)，該類(lèi)系統(tǒng)可以同時(shí)表現(xiàn)出執(zhí)行器非線性和過(guò)程輸出非線性，并且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，階次較高。然而針對(duì)這類(lèi)非線性控制系統(tǒng)采用上述的性能評(píng)估方法則會(huì)產(chǎn)生過(guò)估計(jì)的錯(cuò)誤評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，針對(duì)該類(lèi)特殊的非線性控制系統(tǒng)，提出了一種基于核主元分析的非線性控制系統(tǒng)性能評(píng)估方法，該方法通過(guò)非線性函數(shù)把輸入空間映射到高維空間，引入核函數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理在特征空間中，非線性變換后的特征空間內(nèi)積運(yùn)算轉(zhuǎn)換為原始空間的核函數(shù)運(yùn)算。文中首先利用核主元分析（KPCA）方法估計(jì)噪聲序列，并且探索非線性系統(tǒng)最小方差下限，建立該類(lèi)非線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)基準(zhǔn)，討論該類(lèi)非線性系統(tǒng)的反饋不變量的存在性。

5結(jié)論

作為新興領(lǐng)域的控制系統(tǒng)性能評(píng)估技術(shù)，從提出到發(fā)展至現(xiàn)在也僅僅二十余年的時(shí)間，自Harris提出了基于最小方差基準(zhǔn)的性能評(píng)估方法，讓性能評(píng)估技術(shù)得以應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)中成為可能，從那以后針對(duì)控制系統(tǒng)性能評(píng)估技術(shù)的研究也成為了熱門(mén)，各種改進(jìn)的性能評(píng)價(jià)方法和基于新的基準(zhǔn)的性能評(píng)估方法層出不盡，也讓性能評(píng)估這一領(lǐng)域得到了充實(shí)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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