专利名称：控制对象频域幅值特性辩识方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热工控制技术领域，尤其涉及控制对象频域幅值特性辩识方法和装置。
背景技术：
火电厂热工控制对象具有大惯性、纯延时、以及时变性等特点，特别是控制对象的特性难以深入准确了解等因素，使得系统难以控制。如何有效克服各种不利影响，从而提高热工控制回路的调节品质，一直是热工控制领域不断追求的目标之一。为提高热工对象的控制品质，对控制对象模型辩识是非常重要的。现有的对象模型辩识技术主要是基于时域方面对过程对象模型的特性进行辩识，主要存在以下三大问题其一，时域辨识的实现算法复杂，因此，难以在现有DCS (Distributed Control System，分布式控制系统)中应用。其二，时域辩识的精度受过程干扰影响很大；热工对象是需要使用频谱资源的，其频谱的基本特点是以零频率为极点，从有限高的高频到无限低的低频连续的频谱。时域模型辩识技术最根本的问题在于需要使用到热工对象全部连续的频谱资源，在实验室的仿真过程中，可以做到这些频谱信号无任何噪声污染，能够获得良好的辨识效果。但在实际的应用过程中，工业过程信号并不干净， 对时域模型辩识影响很大，甚至使辨识的效果很差。其三是激励信号问题。为了获得较高的辩识精度，需要有较高幅度的充分激励信号，这对过程工艺正常生产影响较大。综合这些问题，使得现有的模型辩识技术难以在实践中得到广泛应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了控制对象频域幅值特性辩识方法和装置， 能够非常节约频谱资源地实现控制对象的频域幅值特性的辨识。本发明提供了控制对象频域幅值特性辩识方法，包括
在由调节器和控制对象组成的调节回路的输入信号中加入频谱辨识信号； 对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号；
对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号； 比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数。相应地，本发明还提供了控制对象频域特性辩识装置，包括
与调节器和控制对象组成的调节回路输入端相连的辨识信号发生模块，用于在调节回路的输入信号中加入频谱辨识信号；
与所述调节器输出端相连的参考频率滤波模块，用于对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号；
与控制对象输出端相连的过程频率滤波模块，用于对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号；与所述参考频率滤波模块、所述过程频率滤波模块分别相连的幅值比较模块，用于比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数。实施本发明，具有如下有益效果
本发明通过在由PID调节器和控制对象构成的闭环控制系统中，向过程给定信号加入方波频谱辩识信号。这样，在PID调节器的输出信号和过程输出信号中、均包含与频谱辩识信号相同的频谱成分，仅是频谱的幅值特性相对频谱辩识信号发生了变化，这种变化与PID 调节器特性和控制对象特性有着必然的内在联系。通过对PID调节器输出信号中频谱成分与过程输出信号中频谱成分的幅值比较，从而辩识控制对象的频域幅值特性。其重要的用途之一是用于对象模型传递函数的计算。与时域辩识方法不同，频域辩识方法非常节约频谱资源，不需要使用到热工对象全部连续的频谱资源，只使用到有限数量非连续的单频率点频谱，数量上仅占到热工对象全部连续频谱资源的极小部分。可以使用带通滤波器滤出这些单频率点频谱信号，将绝大部分的干扰信号排除在外。
图1是本发明控制对象频域幅值特性辩识方法的流程图； 图2是本发明获取参考频率信号的滤波方法的流程图3是本发明获取过程频率信号的滤波方法的流程图4是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的频率滤波模块的实施效果示意图； 图5是本发明获取控制对象频域传递幅值系数的幅值比较方法的流程图； 图6是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的示意图； 图7是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的参考频率滤波模块的示意图； 图8是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的过程频率滤波模块的示意图； 图9是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的幅值比较模块的结构示意图； 图10是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的实施效果之一示意图； 图11是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的实施效果之二示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。图1是本发明控制对象频域幅值特性辩识方法的流程图，包括
5101在由调节器和控制对象组成的调节回路的输入信号中加入频谱辨识信号；
5102对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号，所述参考频率信号包含与所述频谱辨识信号相同的频谱成分；
5103对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号，所述过程频率信号包含与所述频谱辨识信号相同的频谱成分；
S104:比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数。
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在由调节器和控制对象组成的调节回路中，调节回路的输入端接入的是过程给定信号，向所述过程给定信号中加入频谱辩识信号。所述调节器的输出端与所述控制对象的输入端相连，故此，在调节器的输出信号和控制对象的输出信号当中，均包含与所述频谱辩识信号相同的频谱成分，仅是频谱的幅值特性相对频谱辩识信号发生了变化，这种变化与调节器特性和控制对象特性有着必然的内在联系。通过将所述调节器的输出信号和所述控制对象的输出信号进行滤波，可以将绝大部分的干扰信号排除在外。与现有技术的时域辨识方法相比，本发明的抗干扰能力更强，能够更准确地对控制对象进行辨识。经过上述滤波，排除绝大部分干扰之后，将所述参考频率信号与所述过程频率信号进行幅值比较，获取控制对象频域传递幅值系数，从而辨识出控制对象的频域特性。与现有技术的时域辩识方法不同，本发明采用的频域辩识方法非常节约频谱资源，不需要使用到热工对象全部连续的频谱资源，只使用到有限数量非连续的单频率点频谱，数量上仅占到热工对象全部连续频谱资源的极小部分。另外，本发明还具有实现算法简单，容易在现有DCS中应用，对准确认识了解控制对象的频域幅值特性具有重要意义。另外，其重要的用途还包括用于对象模型传递函数的计算。所述频谱辨识信号包括由基波成分和预设数次谐波成分组成的方波辨识信号。典型的频谱辨识信号包括方波信号、脉冲激发信号、正弦波信号、余弦波信号等等。优选地，本发明采用方波辨识信号，其目的在于方波频谱辩识信号除了上升沿和下降沿有变化外、信号的中间过程无变化，另外所加方波频谱辩识信号的幅值较小，对过程工艺影响较小。理论上，由于方波的偶次频率为低电平，而奇次频率为高电平，所以，所述方波辩识信号成分包括基波成分和无限次的奇次谐波成分。但是，本发明不排除可以通过电路转换技术，将方波的偶次频率转换为高电平，而将奇次频率转为为低电平，一切基于本发明思想所作的类似修改或等同变换，应包含在本发明的保护范围之内。在基于方波的奇次频率为高电平的前提下，本发明所述的预设数次谐波成分，具体为预设数奇次谐波成分。由于高次数谐波的幅值会迅速下降，高阶对象对高次数谐波会迅速衰减，又由于A/D转换器位数限制和量化噪声限制，辨识高次数获取的频率信号的信噪比并不能得到保证。故此，为了满足工程实际需要，优选地，本发明采取由基波成分和第 3次至第21次的奇次谐波成分组成的方波辨识信号。图2是本发明获取参考频率信号的滤波方法的流程图，与图1相比，图2是步骤 S102的具体细化步骤，包括
S201 将所述调节器的输出信号中的基波成分进行带通滤波，获取基波的参考频率信号。将所述调节器的输出信号中的各个谐波成分进行带通滤波，获取各个谐波的参考频率信号，具体包括，步骤S202至步骤S211。S202 将所述调节器的输出信号中的3次谐波成分进行带通滤波，获取3次谐波的
参考频率信号。S203 将所述调节器的输出信号中的5次谐波成分进行带通滤波，获取5次谐波的
7参考频率信号。S204 将所述调节器的输出信号中的7次谐波成分进行带通滤波，获取7次谐波的
参考频率信号。S205 将所述调节器的输出信号中的9次谐波成分进行带通滤波，获取9次谐波的
参考频率信号。S206 将所述调节器的输出信号中的11次谐波成分进行带通滤波，获取11次谐波
的参考频率信号。S207 将所述调节器的输出信号中的13次谐波成分进行带通滤波，获取13次谐波
的参考频率信号。S208 将所述调节器的输出信号中的15次谐波成分进行带通滤波，获取15次谐波
的参考频率信号。S209 将所述调节器的输出信号中的17次谐波成分进行带通滤波，获取17次谐波
的参考频率信号。S210 将所述调节器的输出信号中的19次谐波成分进行带通滤波，获取19次谐波
的参考频率信号。S211 将所述调节器的输出信号中的21次谐波成分进行带通滤波，获取21次谐波的参考频率信号。图3是本发明获取过程频率信号的滤波方法的流程图，与图1相比，图3是步骤 S103的具体细化步骤，包括
S301 将所述控制对象的输出信号中的基波成分进行带通滤波，获取基波的过程频率
信号；
将所述控制对象的输出信号中的各个谐波成分进行带通滤波，获取各个谐波的过程频率信号，具体包括，步骤S302至步骤S311。S302 将所述控制对象的输出信号中的3次谐波成分进行带通滤波，获取3次谐波的过程频率信号。S303 将所述控制对象的输出信号中的5次谐波成分进行带通滤波，获取5次谐波的过程频率信号。S304 将所述控制对象的输出信号中的7次谐波成分进行带通滤波，获取7次谐波的过程频率信号。S305 将所述控制对象的输出信号中的9次谐波成分进行带通滤波，获取9次谐波的过程频率信号。S306 将所述控制对象的输出信号中的11次谐波成分进行带通滤波，获取11次谐波的过程频率信号。S307 将所述控制对象的输出信号中的13次谐波成分进行带通滤波，获取13次谐波的过程频率信号。S308 将所述控制对象的输出信号中的15次谐波成分进行带通滤波，获取15次谐波的过程频率信号。S309 将所述控制对象的输出信号中的17次谐波成分进行带通滤波，获取17次谐波的过程频率信号。
S310 将所述控制对象的输出信号中的19次谐波成分进行带通滤波，获取19次谐波的过程频率信号。S311 将所述控制对象的输出信号中的21次谐波成分进行带通滤波，获取21次谐波的过程频率信号。需要说明的是，如图2、图3所述的滤波方法采用的是带通滤波，优选地，可采用 LCR滤波器。对上述参考频率信号或过程频率信号进行滤波。由于干扰信号也是由各种频率成分构成的，而“带通滤波”最大特点是可将大部分不需要的频率成分排出在外。频域辨识最大优势也在于强抗干扰性，只取有用信号，将不需要的信号排除在外。不排除干扰信号频率与辨识频率相同或非常接近问题，这主要取决于信噪比的大小，如果信噪比足够高，也完全可以获得良好的性能，还因为辨识点数较多，计算传递函数3到4个点已足够了。另外，设计滤波器对相邻谐波或基波频率的衰减率大于40分贝，带宽0. 003rad/S，这样获得的频率信号比较干净，有较好的抗干扰性和响应时间，从加入方波开始，需要2 — 3个方波周期，滤波器输出幅值才会稳定。但频域辨识取的是稳态结果，响应时间不是最重要的。也可设计滤波器对相邻谐波或基波频率的衰减率大于80分贝，带宽0. 0005rad/S，可获得更好的性能，但需要6 - 7个方波周期，滤波器输出幅值才会稳定。故此，优选地，可采用LCR 滤波器进行四级滤波，可以达到上述性能指标。图4是本发明控制对象频域幅值特性辩识装置的频率滤波模块的实施效果示意图，选择参数下表所示
权利要求
1.一种控制对象频域幅值特性辩识方法，其特征在于，包括在由调节器和控制对象组成的调节回路的输入信号中加入频谱辨识信号； 对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号；对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号； 比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数。
2.根据权利要求1所述的控制对象频域幅值特性辩识方法，其特征在于所述频谱辨识信号包括由基波成分和预设数次谐波成分组成的方波辨识信号。
3.根据权利要求2所述的控制对象频域幅值特性辩识方法，其特征在于，对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号的步骤，包括将所述调节器的输出信号中的基波成分进行带通滤波，获取基波的参考频率信号； 将所述调节器的输出信号中的各个谐波成分进行带通滤波，获取各个谐波的参考频率信号。
4.根据权利要求3所述的控制对象频域幅值特性辩识方法，其特征在于，对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号的步骤，包括将所述控制对象的输出信号中的基波成分进行带通滤波，获取基波的过程频率信号； 将所述控制对象的输出信号中的各个谐波成分进行带通滤波，获取各个谐波的过程频率信号。
5.根据权利要求4所述的控制对象频域幅值特性辩识方法，其特征在于，比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数的步骤， 包括将参考频率信号、过程频率信号分别进行延时运算，获取延时信号； 比较延时信号的幅值与零值，分别获取参考频率信号的二进制逻辑信号、过程频率信号的二进制逻辑信号；将二进制逻辑信号的上升沿转换为脉冲输出信号，分别获取参考频率信号的参考脉冲输出信号、过程频率信号的过程脉冲输出信号；以参考脉冲输出信号对该参考频率信号的正峰值进行采样保持，获取该参考频率信号的幅值信号；以过程脉冲输出信号对该过程频率信号的正峰值进行采样保持，获取该过程频率信号的幅值信号；将过程频率信号的幅值信号除以与所述频率相对应的参考频率信号的幅值信号，获得控制对象在该频率的传递幅值系数，其中，所述该频率为基波频率或各个谐波频率。
6.一种控制对象频域幅值特性辩识装置，其特征在于，包括与调节器和控制对象组成的调节回路输入端相连的辨识信号发生模块，用于在调节回路的输入信号中加入频谱辨识信号；与所述调节器输出端相连的参考频率滤波模块，用于对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号；与控制对象输出端相连的过程频率滤波模块，用于对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号；与所述参考频率滤波模块、所述过程频率滤波模块分别相连的幅值比较模块，用于比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数。
7.根据权利要求6所述的控制对象频域幅值特性辩识装置，其特征在于，所述辨识信号发生模块包括方波函数单元，用于输出方波辨识信号，所述方波辨识信号包括基波成分和各个谐波成分。
8.根据权利要求7所述的控制对象频域幅值特性辩识装置，其特征在于，所述参考频率滤波模块包括参考基波滤波单元，用于将所述调节器的输出信号中的基波成分进行带通滤波，获取基波的参考频率信号；至少一个参考谐波滤波单元，用于将所述调节器的输出信号中的各个谐波成分进行带通滤波，获取各个谐波的参考频率信号。
9.根据权利要求8所述的控制对象频域幅值特性辩识装置，其特征在于，所述过程频率滤波模块包括过程基波滤波模块，用于将所述控制对象的输出信号中的基波成分进行带通滤波，获取基波的过程频率信号；至少一个过程谐波滤波单元，用于将所述控制对象的输出信号中的谐波成分进行带通滤波，获取各个谐波的过程频率信号。
10.根据权利要求9所述的控制对象频域幅值特性辩识装置，其特征在于所述幅值比较模块包括过程幅值检测模块，参考幅值检测模块，与所述过程幅值检测模块、所述参考幅值检测模块分别相连的幅值比较单元；所述参考幅值检测模块包括参考延时单元，用于将参考频率信号进行延时运算，获取参考频率信号的延时信号；与所述参考延时单元相连的参考比较单元，用于比较参考频率信号的延时信号的幅值与零值，获取参考频率信号的二进制逻辑信号；与所述参考比较单元相连的参考上升沿脉冲单元，用于通过参考频率信号的二进制逻辑信号获取参考频率信号的参考脉冲输出信号；与所述参考上升沿脉冲单元相连的参考数据采集保持单元，用于以参考频率信号的参考脉冲输出信号对该参考数据采集保持单元接入的参考频率信号的正峰值进行采样保持，获取该参考频率信号的幅值信号；所述过程幅值检测模块包括过程延时单元，用于将过程频率信号进行延时运算，获取过程频率信号的延时信号；与所述过程延时单元相连的过程比较单元，用于比较过程频率信号的延时信号的幅值与零值，获取过程频率信号的二进制逻辑信号；与所述过程比较单元相连的过程上升沿脉冲单元，用于通过过程频率信号的二进制逻辑信号获取过程频率信号的过程脉冲输出信号；与所述过程上升沿脉冲单元相连的过程数据采集保持单元，用于以过程频率信号的过程脉冲输出信号对该过程数据采集保持单元接入的过程频率信号的正峰值进行采样保持，获取该过程频率信号的幅值信号；所述幅值比较单元分别与所述过程幅值检测模块的过程数据采集保持单元、所述参考幅值检测模块的参考数据采集保持单元相连，用于将过程频率信号的幅值信号除以与所述频率相对应的参考频率信号的幅值信号，获得控制对象在该频率的传递幅值系数，其中，所述该频率为基波频率或各个谐波频率。
全文摘要
本发明公开了控制对象频域幅值特性辩识方法和装置。该方法包括在由调节器和控制对象组成的调节回路的输入信号中加入频谱辨识信号；对所述调节器的输出信号进行滤波，获取参考频率信号；对与所述调节器输出端相连的控制对象的输出信号进行滤波，获取过程频率信号；比较所述参考频率信号的幅值与所述过程频率信号的幅值，获取控制对象频域传递幅值系数。采用本发明，可以节约频谱资源地辩识控制对象的频域幅值特性，不需要使用到热工对象全部连续的频谱资源，只需使用到有限数量非连续的单频率点频谱，并通过使用滤波器滤出这些单频率点频谱信号，排除绝大部分的干扰信号。
文档编号G05B11/42GK102426416SQ20111026015
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者万文军, 李军, 杨宗秋, 高玮 申请人:广东电网公司电力科学研究院