一种适用于烟草加工过程单回路控制系统的实时性能评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及烟草加工过程控制的相关技术领域，具体地说是一种针对烟草加工过 程单回路控制系统的性能评价方法。
【背景技术】
[0002] 烟草加工过程是连续生产过程，经过长时间的生产运行后，各控制回路性能会不 同程度的下降，如何利用过程生产数据对控制性能进行评价，及时发现控制系统性能的潜 在退化，进而采取预防改进措施，提高过程控制水平和生产维护效率，是过程控制人员亟待 解决的问题。
[0003] 烟草加工过程工序众多，各工序包含很多不同类型的控制回路。单回路仍然 是其中最基本、最常见的控制回路。Harris通过对单回路常规操作数据采用时间序列 分析的方法，找到反馈不变项并作为评价控制系统的最小方差基准（CanJ化em化邑， 1989化7) :856-861)。在此基础上，各种不同类型的评价方法及计算方法也被提出来评价控 制系统性能。虽然性能评价方法很多，但最小方差性能评价方法由于需要的过程知识少、计 算相对简单，仍是现在使用最广泛的评价方法。
[0004] 但运种常规的最小方差性能评价方法在实际应用中面临W下主要问题：一是运种 方法是利用常用的辨识方法巧日：最小二乘；Burg方法等）对操作数据的时间序列模型进行 辨识，辨识所得模型的准确度不高，影响了性能评价的准确性；二是由于辨识方法所限，通 常是分批次对操作数据进行分析评价，缺乏对生产数据的实时滚动分析，性能评价的实时 性不高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的正是针对上述现有最小方差性能评价技术存在的问题，提出了一种 适应于烟草加工过程单回路控制系统的实时性能评价方法。通过用带变遗忘因子的最小二 乘法来实时辨识操作数据的时间序列模型，提高模型辨识的准确性；并在性能评价中，采用 滑动窗口的形式对操作数据进行实时滚动分析，提高性能评价的实时性。
[0006] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的： 一种适用于烟草加工过程单回路控制系统的实时性能评价方法，具体包括W下步骤： (1) 针对烟草加工流程中的特定加工工序，选定待评价的单回路控制系统，确定相应的 被控变量(操作数据）； (2) 确定采集规则：包括采样时间、评价数据范围、初始采样范围。根据烟草加工过程 的特点，采样时间为5-15秒；评价数据范围选取生产过程稳定运行的数据段(除去料头、料 尾W及故障阶段的生产数据）；初始采样范围为100-200个数据。
[0007] (3 )对采集的操作数据进行预处理，包括奇异值剔除W及平稳性检验。若平稳性检 验未通过，则可W对数据进行一次或二次差分处理，并将操作数据减去其设定值作为辨识 模型用数据； (4) 采用带变遗忘因子的最小二乘方法对辨识数据进行自回归（AR)时间序列模型建 模； (5) 由上面的时间序列模型通过"白化"获得噪声或残差的方差奇；利用先验知识或操 作数据，估计控制系统的时间延迟d; (6) 结合时间延迟d，利用长除法从获得的时间序列模型中求取控制反馈不变项；并结 合噪声方差:ifl，求取操作数据最小方差意义下的最小方差ο??Ρ; (7) 从操作数据的采样范围内求取过程输出的实际方差，从而求取评价该采样范 围内控制系统的性能评价指标
； (8) 采用滑动窗口的形式，对整个评价数据范围进行滚动分析，获得连续的性能评价指 标。
[0008] 步骤（3)中，奇异值剔除是对明显不符合稳定生产过程或故障段的数据进行人工 剔除；平稳性检验采用非参数检验法ADF;数据的一次或二次差分处理如下式：
步骤（4)中，采用带变遗忘因子的最小二乘方法对辨识数据进行自回归（AR)时间序列 模型，辨识后的自回归模型结构如下式所示：
其中，別:巧为当前时刻的输出操作数据；與。为自回归模型的估计系数；邸为噪声； 巧-巧为中间变量，初始值根据实际情况设定。3为遗忘因子，满足下面的修正曲线：
其中，分别为遗忘因子的最小值和最大值，视具体情况设定。
[0009] 步骤（5)中，方差由辨识得到的自回归模型"白化"得到，即由下式求出：
步骤（6)中，操作数据最小方差意义下的最小方差通过下述方法求取： 首先，将时间序列模型（AR)表达式表示为一个无限项的滑动平均模型：
其中d为控制时间延迟。然后，求取前d项控制反馈不变项，则最小方差控制下的最小 方差为：
步骤（7)中，过程输出的实际方差由下式计算：
其中，η为评价数据的个数。
[0010] 步骤（8)中，由于采用了动态辨识模型的方式，在对整个评价范围内的数据进行性 能评价时采用滑动窗口的形式进行滚动计算分析。
[0011] 采用本发明提出的方法，遗忘因子随着模型拟合误差的变化而变化。当离期望误 差较大时，适当减小遗忘因子的值来提高辨识灵敏度；当离期望误差较小时，适当增大遗忘 因子的值来提高辨识精度。并且，基于该方法的实时辨识能力，在性能评价中对操作数据采 用滑动窗口的形式进行实时分析，从而提高性能评价的准确度和实时性，提升烟草过程的 性能评价水平。
【附图说明】
[0012] 图1为常见的单回路控制系统； 图2为离散自适应滤波器； 图3为本发明最小方差性能指标滚动计算流程图(该图作为摘要附图）； 图4为实施例SH93水分控制回路采用本发明的最小方差性能滚动分析图； 图5为实施例SH93水分控制回路采用原方法的最小方差性能批次分析图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述： W某卷烟厂甜93型气流烘丝机(烘前砰流量5100kg/h)水分控制回路为评价对象(控 制系统如图1所示)。具体的实施步骤如下巧日图3所示）： (1) 选