控制器振荡性能监测方法及应用

作     者：严晓婷 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵均

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：控制回路性能 振荡检测 单频振荡 多频振荡 控制回路健康管理 

摘      要：现代工业过程不断往更大规模、更高集成化发展,给PID控制回路性能的检测诊断领域带来了挑战,运行过程中时常会出现控制性能不良的问题。性能不良的控制回路若无法及时得到改善,将会增加原材料的消耗及能耗,影响工业产品的产量与品质,甚至对工业过程的安全运行造成影响。控制性能下降的一个重要表现是控制回路产生振荡行为。由于工业过程的耦合和集成,单个振荡可能会在整个系统内广泛地传播,增加了系统的不稳定风险,因此,对控制回路的振荡行为进行检测诊断是至关重要的。本文围绕工业过程中控制回路振荡的检测、诊断以及健康管理问题开展了研究,主要的研究工作如下:1)面向工业现场实际,本文提出了 一种基于自相关函数（ACF）的单频振荡检测改进方法。相比于现有ACF方法,该方法采用控制回路所有的自相关系数进行计算,更充分地利用了数据信息。该方法在抗噪能力上表现出一定的优越性,提高了在工业有噪环境下振荡检测的准确性和可靠性。2)针对由多个振荡源叠加而形成的多个不同频率、不同振幅的多频振荡检测问题,本文在单频振荡检测的基础上,提出了 一种基于自相关函数（ACF）+经验小波变换（EWT）的多频振荡检测改进方法。利用EWT对多频振荡信号在特定频率区间进行分解重构,并结合改进的ACF计算实现了对多频振荡的检测。该方法可以提供所有分量振荡的信息,通过振荡能量占比,可以给出在回路中最显著分量的频率区间及该振荡分量的振荡周期,为现场操作人员后期进行回路维护提供了优先级推荐。该方法旨在解决多个频率振荡混杂对振荡检测及诊断影响的问题,能够有效地提高多频振荡检测的准确性。3)针对工业过程中PID回路的健康管理问题,设计开发了一个控制回路健康管理软件,实现了控制回路的性能评估、检测和诊断。该软件能够为所监测的每个回路提供投运率、饱和率、调节指数、振荡指数、粘滞指数、非线性指数六维度量化评估结果,并给出优、良、中、差的回路评级。同时,本文提出了一套振荡诊断流程,以确定引起回路振荡的设定值振荡、阀门粘滞、外部扰动三种不同的根源,为现场控制回路维护人员准确判断振荡根源并及时进行处理维护提供了依据。4)将开发的控制回路健康管理软件与振荡检测诊断方法应用于两个工业过程:某空分装置（8个回路）和某化工过程装置（25个回路）,利用实际的工厂数据,首先实现了多个工业回路性能的监测和评估,其次对评估的振荡回路进行了分析和溯源诊断,验证了本文提出方法的有效性、可靠性和实用性。