[发明专利]工业调节阀非线性工作特性诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业控制系统中的故障诊断领域，具体涉及一种工业调节阀非线性工作特性诊断方法。

背景技术

现代工业流程设备具有规模大、复杂度高、变量多，且在闭环控制下运行的特点，对于复杂的化工生产过程，往往具有成千上万个回路，而且，这些回路互相影响，非线性强，然而，控制回路的振荡现象由于控制器过整定的普遍存在，极大地影响了工业流程设备运行的经济效益和稳定性。

对工业流程设备进行初步准确的振荡检测与故障诊断可以减少停产时间，增加工业流程设备运行的安全性，同时降低制造成本，实际生产中，大约30％的控制回路振荡问题是由调节阀的因素造成的，但是，传统的性能监控和振荡故障检测并不能有效判断控制回路中出现的振荡是否是由调节阀非线性特性引起的，不能为恢复和提高工业流程设备性能提供充足的诊断信息。

在实际工业生产过程中，调节阀非线性工作特性是导致过程振荡的原因之一。工业中选用调节阀的流量特性时须首先满足工业生产系统特性的合理补偿，然而在实际工业应用中，由于生产过程中存在复杂的非线性环节并且容易随运行时间的变化而变化，调节阀的流量特性并不能将非线性生产过程补偿至线性，总是存在过补偿或欠补偿。

对于百分比、快开和抛物线型等非线性工作特性的调节阀，其小开度和大开度时的增益不同，在控制器调节过程中，容易导致过程出现振荡现象，另外，线性调节阀由于缺乏维护导致内漏和硬件磨损等原因，也使之具有一定的非线性工作特性。

因此，准确诊断调节阀是否具有非线性工作特性，对于诊断过程振荡的故障源具有重要意义。

现有技术中，对于振荡检测以及故障源诊断，许多检测算法都是适用于过程明显振荡的数据。其主要思路有两种：一种是基于非线性Hammerstein模型进行调节阀粘滞性参数辨识；另一种是对该过程PID控制器参数进行辨识。这些检测方法在实际应用中存在两点局限性有，其一，这些检测和诊断算法只能区分调节阀粘滞性、控制器过整定和外部周期振荡扰动，调节阀的非线性工作特性被并入其粘滞性参数中；其二，采用辨识技术的诊断算法，需要过程输出和控制器输出两组数据，导致计算复杂度大幅上升，计算准确度取决于较多参数的选取，对于动态特性复杂多样且未知的系统来说，实际应用有比较大的困难。

在过程振荡检测算法的实际应用中，诊断工业调节阀是否具有非线性工作特性，并定量评估过程的非线性指数，对于准确诊断过程振荡的故障源有非常重要的实用意义，也有利于提高调节阀粘滞性特征参数计算的准确性。

发明内容

本发明提供了一种工业调节阀非线性工作特性诊断方法，能够适用于存在非线性工作特性调节阀的过程，只需一组常规运行数据，无需复杂的计算和过程机理知识，即可实现对过程非线性特征的定量评估，可以提高振荡过程中故障源的定位精度，在提高经济效益方面具有重要的实用价值。

一种工业调节阀非线性工作特性诊断方法，包括如下步骤：

(1)在待诊断工业调节阀对应的控制回路中，采集一组平稳过程数据，记为x(t)，确定该平稳过程数据的振荡周期T₀。

过程数据可以是温度、压力或流量等工艺过程数据，该过程数据一般要求是平稳过程数据，或经过平稳化处理的过程数据。

在确定振荡周期为T₀时可以采用现有技术，例如依据文献(N.F.Thornhill，Detection of multiple oscillations in control loops.Journal of Process Control，2003.13：p.91-100.)提供的方法。

(2)针对所述平稳过程数据计算半振荡周期中值线常数，记为HOPML；

(3)记平稳过程数据中每个振荡周期的最大数值和最小数值分别为e_max和e_min；针对平稳过程数据中所有的振荡周期，计算最大数值和最小数值的平均值分别为和

(4)计算非线性指数I_NL为：