控制回路性能评估的算法研究及软件开发

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.41MB 68 页 15积分

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摘要

控制回路是自动化系统中的重要组成成分。产品质量、操作安全、原材料

和能源消耗以及经济性能等都直接或者间接的与控制系统性能有关。因此，对

于厂商来说，使控制回路达到和维持在高性能的运行状态一直是他们特别关注

的问题。控制回路性能评估提供了一个自动的系统的框架，评估回路性能、检

测和诊断性能变差的主要原因以及给出一些改进性能和防止性能下降的方法策

略等。控制回路性能评估是维持工业过程中的控制系统经济高效运行的一项非

常重要技术。通过提供在线自动运行的监控软件，分析日常运行数据的统计特

性，分析和评估出当前控制回路的运行状态，为工厂操作和维护人员提供当前

控制回路的健康状态。

在本文中，在研究国内外控制回路性能评估算法的基础上，以 Visual Basic

为软件开发环境，采用 OPC 通讯技术，设计并开发基于 OPC 的控制回路评估软

件。这个评估软件提供了实时在线评估和历史数据离线评估，并辅助以对历史

数据的频率特性分析。为过程工程师们在现场对控制回路性能进行评估提供方

便。本文的主要研究工作和创新点总结如下：

1.在广泛的查阅和研究了控制回路性能评估相关的国内外文献、书籍和技

术资料的基础上，详细地概况和论述了控制回路性能评估的研究背景和意义。

分析了现在工业控制回路的工作状态，对导致控制回路性能变差的根本原因进

行了探讨。简要介绍了控制回路性能评估的主要内容、评估准则和基本的流

程，为后续章节性能评估的研究工作做铺垫。

2.使用自回归移动平均模型 ARMAX 描述控制系统，以此为基础详细地介绍

了最小方差控制的原理和最小方差性能指标的计算过程。接着采用时间序列分

析技术计算最小方差指标，给出了最小方差性能评估的算法。介绍了扩展时域

性能评估指标、历史数据指标和广义最小方差指标的原理和算法。对本文软件

设计采用的在线评估算法做了简要的说明，为后续章节软件的设计做基础。

3.简要的介绍了工业通信标准 OPC 通信技术、OPC 服务器和包装 DLL 以及

OPC 的主要功能。对本文评估应用软件设计过程中需要的 OPC 数据访问自动化

接口的设计过程进行了详细的说明。

4.详细介绍了控制回路性能评估软件的设计和开发流程。详细地说明了本

文评估软件的系统整体架构设计，包括 OPC 客户端软件控制结构和评估软件总

体结构。针对本文软件的设计，给出了控制回路性能评估软件四个主要模块：

OPC 通讯接口模块、核心算法模块、数据处理模块和人机操作界面模块的设计

开发过程。最后，给出了本文评估软件运行的实际效果图，并对在线评估和离

线评估的操作方法做了演示。

5.对控制回路性能评估算法中的一些关键参数的选择和设置作了简单的说

明。采用本文所研究的控制回路性能评估算法对工业蒸馏控制系统和火电机组

控制系统进行性能评估，仿真结果说明了评估算法和评估软件的有效性。

6. 在本文的最后对控制回路性能评估的算法研究和评估软件开发工作进行

了总结，并对以后的评估算法研究和软件开发做出展望。

关键词：性能评估最小方差性能指标 OPC

ABSTRACT

Control loops are the most important components in automation systems. Product

quality, operation safety, material and energy consumption, and thus the financial

performance, are directly or indirectly linked to the performance of control systems.

To achieve, restore and sustain top performance of control loops is thus a vital interest

for any company. Control performance assessment (CPA) provides a framework for

automatically and systematically assessing the performance of control loops, detecting

and diagnosing root causes of poor performance, as well as suggesting measures to

improve control performance or avoid performance degradation. CPA is an important

asset management technology to maintain systems highly efficient operation

performance of automation systems in production plants.CPA provide an online

automated procedure that delivers information to plant personnel for determining

whether specified performance targets and that evaluates the performance of the

control system.

In this paper, after studying the domestic and international algorithm of control

loop performance assessment, we design and development control loop evaluation

software based on OPC using Visual Basic software development environment, which

includes OPC communication interface. This evaluation software provides online real-

time and offline historical data assessment, and assisted with frequency characteristic

analysis of the historical data, which is convenient to process engineers to evaluate

control loop performance at the scene. The main research work and innovation points

of this article are as follows:

1. On the basis of studying domestic and international literatures, books and

technical data of control loop performance assessment, this article discusses the

background and significance of control loop performance assessment. In this paper,

the states of current industrial control loop are analyzed and the root causes of the

poor control loop performance are discussed. Briefly introducing the main content,

assessment criteria and basic process of the control loop performance assessment,

which pave the way and lay the theoretical basis for the follow chapters.

2. Using autoregressive moving average (ARMAX) model describes the control

system, and then the principle of minimum variance control and the calculation of

minimum variance performance index are introduced in detail. Then the minimum

variance index is calculated by using of time series analysis technology and gives the

algorithm of the minimum variance performance assessment. The extended horizon

index, historical data benchmark, generalized minimum variance principle and online

assessment algorithm are also introduced in this paper, which are the foundation for

software design of follow chapters.

3. The industrial communication standard OPC technology, OPC server and

packaging DLL, and the main function of OPC briefly introduced. The foundation

OPC knowledge required for developing the applications which use OPC data access

automation interface is illustrated.

4. In this paper, the design and development process of control loop performance

assessment software are introduced in detail. The overall system architecture design of

assessment software which includes the OPC client software control structure and

assessment software general structure is illustrates in detail. This paper gives design

and development process of the four main modules of the control loop performance

assessment software, including OPC communication interface module, the core

algorithm module, the data processing module and the man-machine interface module.

In the end, this paper gives the actual effect pictures of the assessment software, and

operation method of the online and offline assessment is presented.

5. Make a simple description for the selection and settings of some key parameters

of control loop performance assessment algorithm. Assessment the performance of

industrial distillation control system and thermal power unit control system using the

control loop performance assessment algorithm introduced in the second chapter, the

simulation results show the effectiveness of evaluation algorithm.

6. At the end of this article, the study of the control loop performance assessment

algorithm and development of assessment software are summarized, and then looks to

future research work of the assessment algorithm and software development.

Key Word：performance assessment, minimum variance,

performance index, OPC

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................... 1

1.1 课题的研究背景及意义 ....................................... 1

1.1.1 工业过程控制性能状态 .................................. 1

1.1.2 控制性能问题的根源 .................................... 2

1.2 控制回路性能评估的内容和准则 ............................... 4

1.2.1 性能评估的内容 ........................................ 4

1.2.2 控制性能指标 .......................................... 4

1.2.3 性能评估的基本步骤 .................................... 5

1.3 控制回路性能评估的国内外研究现状 ........................... 6

1.4 本文的主要内容和组织结构 ................................... 8

第二章控制回路性能评估算法研究 .................................. 10

2.1 引言 ...................................................... 10

2.2 最小方差指标 .............................................. 11

2.2.1 最小方差控制 ......................................... 11

2.2.2 最小方差的自相关性检测 ............................... 13

2.2.3 最小方差指标 ......................................... 14

2.3 扩展时域性能指标 .......................................... 16

2.4 历史数据指标 .............................................. 17

2.5 广义最小方差指标 .......................................... 17

2.5.1 广义最小方差控制 ..................................... 18

2.5.2 权重选择 ............................................. 18

2.5.3 广义最小方差指标 ..................................... 19

2.6 在线性能评估方法 .......................................... 19

第三章控制回路性能评估软件设计与开发 ............................ 21

3.1 引言 ...................................................... 21

3.2 系统整体架构设计 .......................................... 21

3.2.1 OPC 客户端软件结构 ................................... 21

3.2.2 评估软件总体结构 ..................................... 22

3.2.3 评估软件主要功能和模块 ............................... 23

3.3 核心算法模块设计 .......................................... 24

3.3.1 评估算法流程 ......................................... 24

3.3.2 部分算法程序 ......................................... 25

3.4 OPC 通讯接口设计........................................... 27

3.4.1 利用 OPC 的控制系统构成 .............................. 28

3.4.2 基于 COM 技术的 OPC .................................. 29

3.4.3 OPC 服务器和包装 DLL ................................. 31

3.4.4 OPC 的主要功能 ...................................... 32

3.4.5 OPC 的对象 .......................................... 34

3.4.6 OPC 客户端开发 ...................................... 36

3.5 软件运行结果 .............................................. 39

3.5.1 连接参数配置界面 ..................................... 39

3.5.2 评估软件主界面 ....................................... 40

3.5.3 在线评估结果 ......................................... 41

3.5.4 离线评估 ............................................. 43

第四章性能评估软件的实际应用 .................................... 47

4.1 评估算法参数选择 .......................................... 47

4.2 蒸馏控制系统性能评估....................................... 50

4.2.1 蒸馏控制系统 ......................................... 50

4.2.2 数据采集 ............................................. 51

4.2.3 性能评估 ............................................. 52

4.3 火电机组控制回路性能评估 .................................. 53

4.3.1 火电机组协调控制系统 ................................. 53

4.3.2 火电机组线性模型 ..................................... 54

4.3.3 控制系统性能评估 ..................................... 55

第五章总结与展望 ................................................ 58

5.1 工作总结................................................... 58

5.2 工作展望 .................................................. 59

参考文献 ......................................................... 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................... 64

致谢 ........................................................... 65

第一章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

控制工程研究控制系统的理论、设计和应用。控制系统的主要目标是在满足

产品质量规范、操作约束、安全和环境法规等准则下，将原材料转变为产品以达

到利润最大化。控制方案的第一阶段是控制策略和控制器的设计、整定和实施。

一般正确实施控制方案后，这一阶段的控制性能是很好的。但是，在运行一段时

间以后，产品特性的改变、操作策略的更改以及工厂设备状态的变化（如老化、

磨损、积垢或组件变动等）就可能会导致控制性能的变差。即使是精心设计的控

制回路出于各种原因也存在性能变差的问题。因此，需要重新整定控制回路，其

中更困难的是传感器和控制器可能发生未知形式的改变。

控制方案的第二阶段应该是对控制回路的监控和对性能恶化的早期探测。这

项工作早期一直由控制或维护人员负责。但是最近几十年，竞争压力的增大导致

过程工业大量裁员，以及过程工业不断增长的对产品质量、生产力和环境法规的

需求。这些都迫使企业经营工厂在最佳性能状态，因此需要控制系统持续运行在

高性能状态。控制系统也日益被视为应该维护、监控和日常自动改进的资本资

产。这些工作目前都被纳入控制性能监控的框架下，最近几年也吸引了学术界和

产业界越来越多人的注意。

1.1.1 工业过程控制性能状态

国内外有许多对过程工业中不同控制回路的性能状态的调查报告，得出的主

要结论是当传感器和执行器选择或维护不恰当时，常常忽略其基本控制原理、错

误的选择控制策略或错误的整定。因此，许多回路的控制性能都可以通过适当的

重调回路、重新设计控制器或设备维护得到显著提高。过程工业中一些已经发表

的对控制系统健康状态的总结如下（健康等级如表 1.1 所示）：

 Paulonis and Cox(2003)[1] 这份评估报告覆盖了全球 9个地点 40 多个工厂超

过9千个 PID 控制器（涉及流量、压力、液位和温度等）。其中 41%的控制

回路属于差和比较差的等级，特别是由硬件问题（阀门/定位器/传感器）所导

致的。

 Ruel(2003)[2] 不同的研究和观测表明，北美控制回路典型性能分布如下：控

制回路的 30%存在控制阀质量差或状态不佳的问题，60%存在控制器整定

上海理工大学硕士学位论文

差，85%回路设计差，15%控制器运行在手操模式，30%并不跟着控制目标运

行，85%运行在自动模式比手操模式会更好。

 Torres et al.(2006)[3] 从2004 年7月到 2005 年10 月调查 12 个不同的巴西公

司(石油化工、纸浆造纸、水泥、化工、钢铁和矿业领域) 共700 多个控制回

路。平均结果如下： 14%的回路存在阀门过度磨损，15%的阀门存在摩擦和

滞后问题，16%的回路运行在手操模式，16%的回路有严重的整定问题，24%

的回路控制器大多数时候输出饱和，41%的回路由于整定问题、耦合、干扰

和执行器问题而振荡。

当然，有些问题可能在最近几年通过实施改进方案已解决。然而，最近的一

些研究表明，虽然已经有大量的在控制回路监控领域的学术研究，但是这一时期

控制性能并没有多大改善。很难通过仅仅观察测量数据的趋势来区分一些导致回

路性能变差的原因。因此，为了辨别导致性能差的原因，需要适当的性能指标和

诊断方法。

表1.1 控制性能等级分类

类（颜色）

描述

Best（很好）

（深绿色）

没有震荡，也没有明显的偏差。

Good（好）

（淡绿色）

有一点稳态余差，或有一点小振荡。

Fair（比较差）

（黄色）

跟踪慢或遇到干扰有大的震荡，有明确的性能改进空间，建

议改善这些回路。

Poor（差）

（红色）

回路通常有严重的性能问题，震荡特性明显，很大的偏差。

很有必要检查这些回路，且有很大的性能改善空间。

1.1.2 控制性能问题的根源

了解导致控制回路性能问题的根本原因对采取恰当的策略来解决性能问题是

至关重要的。在实际中，通常只有在调试阶段整定控制器，以后不再整定。而控

制回路在运行初期性能很好，但除非采取持续的维护，控制性能会随着时间而退

化。因此，建议采取持续的性能监控来监测性能退化和从新整定控制器来维持回

路在最佳性能状态，如图 1-1 所示。

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摘要：

摘要控制回路是自动化系统中的重要组成成分。产品质量、操作安全、原材料和能源消耗以及经济性能等都直接或者间接的与控制系统性能有关。因此，对于厂商来说，使控制回路达到和维持在高性能的运行状态一直是他们特别关注的问题。控制回路性能评估提供了一个自动的系统的框架，评估回路性能、检测和诊断性能变差的主要原因以及给出一些改进性能和防止性能下降的方法策略等。控制回路性能评估是维持工业过程中的控制系统经济高效运行的一项非常重要技术。通过提供在线自动运行的监控软件，分析日常运行数据的统计特性，分析和评估出当前控制回路的运行状态，为工厂操作和维护人员提供当前控制回路的健康状态。在本文中，在研究国内外控制回路性能评...

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