一种测试信号生成方法及装置与流程

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种测试信号生成方法及装置。

背景技术：

随着工业自动化水平的逐步提高，以dcs(distributedcontrolsystem，分布式控制系统)和plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)为核心的大规模集散控制系统已经成为工业生产的必备，在控制系统运行过程中，pid(proportion-integral-differential，比例-积分-微分)控制器成为了生产设备运行的基础。

生产设备运行过程中，随着生产设备的老化、技术的改造或者生产工艺的调整，生产设备的运行状况发生了变化，导致pid控制器在投运初期设定的输入到生产设备中的控制参数不再适用于生产设备的运行状况，因此，需要对pid控制器的控制参数进行整定。一种非常有效的整定方法为内模控制整定法，而内模控制整定法的前提是对生产设备运行参数的确定，从而依据确定好的生产设备运行参数对pid控制器的控制参数进行整定。

对生产设备运行参数的确定过程，需要对生产设备模型不断输入测试信号，并获取生产设备模型的响应信号，从而依据测试信号以及响应信号得到生产设备运行参数。而测试信号的准确性直接影响着生产设备运行参数的准确性，进而影响着pid控制器的控制参数整定结果的准确定，基于此，如何提供一种测试信号生成方法，提高pid控制器的控制参数整定结果的准确定，成为目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种测试信号生成方法及装置，能够提高测试信号的准确性，进而提高pid控制器的控制参数整定结果的准确定。

一种测试信号生成方法，包括：

依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。

优选的，所述依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号的过程包括：

依据预设初始测试信号生成规则，对初始测试信号的信号类型以及信号特性进行设置，生成初始测试信号。

优选的，所述信号特性至少包括：信号起始点、信号幅值、信号激励时间、信号稳定时间以及信号测试时间。

优选的，所述依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件的过程包括：

依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行调整，直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差满足预设响应信号偏差条件。

优选的，所述依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行调整，直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差满足预设响应信号偏差条件的过程包括：

如果获取到的所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值小于预设偏差下限值，则增加所述初始测试信号的信号幅值；如果所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值大于预设偏差上限值，则减少所述初始测试信号的信号幅值；直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差处在预设偏差下限值与预设偏差上限值之间。

一种测试信号生成装置，包括：

初始测试信号生成模块，用于依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

响应信号获取模块，用于将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

初始测试信号调整模块，用于依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。

优选的，所述初始测试信号生成模块包括：

初始测试信号生成子模块，用于依据预设初始测试信号生成规则，对初始测试信号的信号类型以及信号特性进行设置，生成初始测试信号。

优选的，所述初始测试信号调整模块包括：

初始测试信号调整子模块，用于依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行调整，直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差满足预设响应信号偏差条件。

优选的，所述初始测试信号调整子模块具体用于：如果获取到的所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值小于预设偏差下限值，则增加所述初始测试信号的信号幅值；如果所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值大于预设偏差上限值，则减少所述初始测试信号的信号幅值；直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差处在预设偏差下限值与预设偏差上限值之间。

基于上述技术方案，本发明实施例公开了一种测试信号生成方法及装置，包括：依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。由于生产设备模型对初始测试信号与控制信号进行响应得到的响应信号能够反应生产设备模型运行状况，本发明实施例在对生产设备模型进行测试过程中，可以依据响应信号对初始测试信号进行实时调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件，从而能够得到符合生产设备模型运行状况的测试信号，提高了测试信号的准确性，进而提高了pid控制器的控制参数整定结果的准确定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测试信号生成方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种阶跃信号波形图；

图3为本发明实施例提供的另一种测试信号生成方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种响应信号与响应信号标准值之间的偏差示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种测试信号生成装置的结构框图；

图7为本发明实施例提供的一种测试信号生成装置的硬件结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于生产设备运行过程中，随着生产设备的老化、技术的改造或者生产工艺的调整，生产设备的运行状况发生了变化，导致pid控制器在投运初期设定的输入到生产设备中的控制参数不再适用于生产设备的运行状况，因此，需要对pid控制器的控制参数进行整定。对pid控制器的控制参数进行整定的前提是对生产设备运行参数的确定，从而依据确定好的生产设备运行参数对pid控制器的控制参数进行整定。

现有技术对生产设备运行参数的确定过程，需要对生产设备模型不断输入测试信号，并获取生产设备模型的响应信号，从而依据测试信号以及响应信号得到生产设备运行参数。而测试信号的准确性直接影响着生产设备运行参数的准确性，进而影响着pid控制器的控制参数整定结果的准确定。例如在测试信号的信号值估计较大时，比如针对生产设备模型中的回路稳态时间和噪声方差存在严重估计错误的情况下，会导致测试信号涉及不理想；在回路存在较大扰动时，初始时设置的测试信号幅值和激励时间不足，则无法通过测试信号得到准确的生产设备运行参数；在测试过程中，如果回路出现很大扰动导致回路出现异常情况，此时则需要及时中断测试信号的输入。

基于此，在对生产设备模型进行测试过程中，本申请能够实时依据生产设备模型运行状况，对测试信号进行实时调整，提高测试信号的准确性，进而提高pid控制器的控制参数整定结果的准确定。

图1示出了一种测试信号生成方法的流程图，本发明实施例中的测试信号生成方法应用于闭环控制系统，具体的，参照图1，所述方法可以包括：

步骤s100、依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

需要说明的是，本发明实施例中可以依据预设初始测试信号生成规则，对初始测试信号的信号类型以及信号特性进行设置，生成初始测试信号。

可选的，本发明实施例中可以选择阶跃信号作为初始测试信号的信号类型，因为针对一个n阶线性的生产设备模型，要求测试信号是2n维的持续激励信号，其频域为在区间(-π,π)中至少存在2n个频率点上的非零的信号谱，阶跃信号满足该性质，并且，阶跃信号的波形较简单，产生过程较简单，不需要很复杂的硬件设备，并且不需要测试信号产生设备的频繁动作，节省测试信号产生设备的使用寿命，保证整个生产过程的安全。

本发明实施例还可以采用其他类型的信号作为初始测试信号，例如伪随机二进制序列信号等，本发明实施例并不做具体限定。

本发明实施例中设置的所述信号特性至少包括：信号起始点、信号幅值、信号激励时间、信号稳定时间以及信号测试时间。

结合图2所示的阶跃信号波形图所示，信号起始点为测试信号波动的零点，该零点时间可以定在生产设备模型输出信号稳定之后的时间点，即生产设备模型的响应信号的值与响应信号标准值的偏差值持续小于预设偏差下限值时，开始测试信号的激励。具体的，零点时间可以定在生产设备模型的回路稳态时间之后。

需要说明的是，在加载测试信号之前，生产设备模型的响应信号仅是对控制器输入的控制信号进行响应得到的，在加载测试信号之后，所述响应信号为生产设备模型对初始测试信号与控制信号进行响应的响应信号。设置初始测试信号的零点所需的响应信号是对控制器输入的控制信号进行响应得到的。

信号幅值为测试信号在一个周期内，瞬时出现的最大绝对值。测试信号幅值的选择应兼顾到以下几个方面的考虑：若要保证信噪比较高，幅值应该设置的尽量大；若要保证不对生产设备模型产生严重的扰动，幅值应该设置的尽量小；若要保证生产设备模型过程工况处在线性范围，以保证生产设备模型的特性为线性，则需事先了解现场回路的线性度。正常情况下，测试信号幅值加倍，得到的生产设备运行参数的误差会减半。

基于以上考虑，本发明实施例中设置了信号幅值的计算公式为：

信号幅值＝(偏差e的方差*5)/模型增益。

其中，偏差e为响应信号的值与响应信号标准值的偏差；模型增益为生产设备模型的增益。

可选的，由于在测试信号投运后可以再次修正，因而初始设计时可以选取计算得到的幅值的一半进行设置。

信号激励时间为测试信号一次上升与一次下降之间的时间。需要说明的是，激励时间一般选择1/4至1倍的回路稳态时间。在不需要深入了解生产设备现场回路特性的前提下，可以根据生产设备回路类型确定回路稳态时间，比如流量回路的回路稳态时间为5-15分钟，液位回路的回路稳态时间为10-20分钟，温度回路的回路稳态时间为40-120分钟等，具体的，激励时间可以取回路稳态时间的1/2，本发明实施例不做具体限定。

对于信号稳定时间，每当测试信号激励完成后，需要一定时间恢复控制器运行状态，然后才进行第二次测试信号激励，这个时间间隔为稳定时间，可以设置为激励时间的1-2倍，本发明实施例不做具体限定。

信号测试时间为从加载测试信号至结束的时间总长。由于测试信号的激励时间越长，得到的生产设备运行参数误差越小，但时间越长，设备耗损越大，对现场的干扰也越大。一般信号测试时间最少选取激励周期的3-5倍，即3-5个激励周期便可以停止激励，其中，激励周期为信号激励时间与信号稳定时间的总和，可选的，信号测试时间还可以选取信号稳定时间的10倍，本发明实施例不做具体限定。

步骤s110、将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

测试过程中，控制器保持在闭环状态，本发明实施例中将初始测试信号叠加在控制器输出的控制信号上，一同输入到生产设备模型中。

控制器输出的控制信号为对生产设备模型执行控制功能的信号，控制器将控制信号输入到生产设备模型中，对生产设备模型执行控制功能。

所述响应信号为生产设备模型对初始测试信号与控制信号进行响应的响应信号。

步骤s120、依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。

由于生产设备模型对初始测试信号与控制信号进行响应得到的响应信号能够反应生产设备模型运行状况，本发明实施例在对生产设备模型进行测试过程中，可以依据响应信号对初始测试信号进行实时调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件，实现了测试信号的在线修正，从而能够得到符合生产设备模型运行状况的测试信号，提高了测试信号的准确性，进而提高了pid控制器的控制参数整定结果的准确定。并且，本发明实施例公开的测试信号在线修正的技术方案能够提升控制系统测试过程的效率。

图3示出了本发明实施例公开的另一种测试信号生成方法的流程图，本发明实施例中的测试信号生成方法应用于闭环控制系统，具体的，参照图3，所述方法可以包括：

步骤s200、依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

步骤s210、将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

步骤s220、依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行调整，直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差满足预设响应信号偏差条件。

响应信号标准值可以由本领域技术人员依据生产设备模型特性或者响应信号的信号类型来设置，本发明实施例不做具体限定。

由于在控制器输出的控制信号基础上叠加了测试信号，测试信号的输入，会导致生产设备模型的响应信号与响应信号标准值之间存在一定的偏差，请参照图4所示的响应信号与响应信号标准值之间的偏差示意图，由于响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差能够反应生产设备模型运行状况，依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行调整，直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差满足预设响应信号偏差条件，从而能够得到符合生产设备模型运行状况的测试信号，提高了测试信号的准确性，进而提高了pid控制器的控制参数整定结果的准确定。

另外，需要说明的是，本发明实施例公开的测试信号生成方法，应用于闭环控制系统，能够依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行反馈调整，在测试过程中可以使得控制器保持处于闭环运行状态，不影响系统运行的稳定性。在测试过程中或测试结束时，只要停止测试信号的激励，控制系统就会自动运行到正常生产状态。

具体的，如果获取到的所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值小于预设偏差下限值，则增加所述初始测试信号的信号幅值；如果所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值大于预设偏差上限值，则减少所述初始测试信号的信号幅值；直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差处在预设偏差下限值与预设偏差上限值之间。

需要说明的是，本发明实施例中可以按照预设的偏差值与信号幅值的比例关系来对信号幅值进行调整，偏差值与信号幅值之间的比例关系可以由本领域技术人员依据生产设备模型进行预先设定，本发明实施例并不做具体限定。

下面，以一个具体的例子详细说明本发明实施例公开的上述技术方案：

本发明实施例公开的测试信号生成方法针对如图5所示的电路结构，具体实现过程如下：

1、依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

3、获取所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差e，e＝|pv-sp|，pv为响应信号的信号值，sp为响应信号标准值；

在加载测试信号之前，生产设备模型的响应信号仅是对控制器输入的控制信号进行响应得到的。

4、设定偏差e的上限为e_l，下限为e_h；

5、在生产设备模型的输出端对偏差e的大小进行观察；

6、在偏差e持续小于下限e_l时，开始测试信号，将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

需要说明的是，在加载测试信号之后，此处的响应信号为生产设备模型对初始测试信号与控制信号进行响应的响应信号。

7、在激励时间结束后，如果偏差e的最大值小于下限e_l，则增加所述初始测试信号的幅值；

8、测试过程中，如果偏差e的最大值大于上限e_h时，则停止测试信号的激励，并减少幅值，然后返回执行步骤5。

下面对本发明实施例提供的网络传输性能测试装置进行介绍，下文描述的网络传输性能测试装置可与上文网络传输性能测试方法相互对应参照。

图6为本发明实施例提供的测试信号生成装置的结构框图，参照图6，该测试信号生成装置可以包括：

初始测试信号生成模块100，用于依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

响应信号获取模块110，用于将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

初始测试信号调整模块120，用于依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。

所述初始测试信号生成模块包括：

初始测试信号生成子模块，用于依据预设初始测试信号生成规则，对初始测试信号的信号类型以及信号特性进行设置，生成初始测试信号。

所述初始测试信号调整模块包括：

初始测试信号调整子模块，用于依据所述响应信号的信号值与响应信号标准值的偏差，对所述初始测试信号的信号幅值进行调整，直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差满足预设响应信号偏差条件。

所述初始测试信号调整子模块具体用于：如果获取到的所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值小于预设偏差下限值，则增加所述初始测试信号的信号幅值；如果所述响应信号的信号值与响应信号标准值的最大偏差值大于预设偏差上限值，则减少所述初始测试信号的信号幅值；直到得到的响应信号与响应信号标准值的偏差处在预设偏差下限值与预设偏差上限值之间。

可选的，测试信号生成装置可以为硬件设备，上文描述的模块可以设置于测试信号生成装置内的功能模块。图7示出了测试信号生成装置的硬件结构框图，参照图7，测试信号生成装置可以包括：处理器1，通信接口2，存储器3和通信总线4；其中处理器1、通信接口2、存储器3通过通信总线4完成相互间的通信；可选的，通信接口2可以为通信模块的接口，如gsm模块的接口；

处理器1，用于执行程序；存储器3，用于存放程序；程序可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机操作指令；

处理器1可能是一个中央处理器cpu，或者是特定集成电路asic

(applicationspecificintegratedcircuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路；存储器3可能包含高速ram存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

其中，程序可具体用于：

依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；

将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；

依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。

综上所述：

本发明实施例公开了一种测试信号生成方法及装置，包括：依据预设初始测试信号生成规则，生成初始测试信号；将所述初始测试信号与控制器输出的控制信号一同输入到生产设备模型中，得到响应信号；依据所述响应信号，对所述初始测试信号进行调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件。由于生产设备模型对初始测试信号与控制信号进行响应得到的响应信号能够反应生产设备模型运行状况，本发明实施例在对生产设备模型进行测试过程中，可以依据响应信号对初始测试信号进行实时调整，直到得到的响应信号满足预设响应信号条件，从而能够得到符合生产设备模型运行状况的测试信号，提高了测试信号的准确性，进而提高了pid控制器的控制参数整定结果的准确定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。