中文題目：基于可靠辨識不同工況下的長周期過程智能PID整定

論文題目：Reliable identification based intelligent PID tuning for long-period process control under different working conditions

錄用期刊/會議：【Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers】 (中科院大類 3區，JCR Q1)

原文DOI：10.1016/j.jtice.2024.105630

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jtice.2024.105630

錄用/見刊時間： 2024.06.14

封面圖片：

封面摘要：該研究成果由王珠老師團隊完成，已被Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers(中科院大類 3區，JCR Q1)收錄。

作者列表：

1）周建橋 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制工程專業 博 21

2）王珠 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系教師

3）羅雄麟 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系教師

摘要:

本文提出了一種基于可靠辨識技術的智能PID調節方法。主要貢獻包括:(i)利用Lyapunov理論，保證了所提算法辨識誤差的有界性；(ii)提出了LMPSO算法，提高了全局搜索能力和搜索效率；(iii)針對全過程在線閉環智能PID控制器提出了一種新的優化方案。該方案旨在不改變工業控制器結構的情況下提高其性能。

背景與動機:

化工過程模型會隨著運行條件的變化而經常改變。然而，工業大多采用離線校準和在線定值調試方案，難以保證控制質量。因此，需要一種長周期在線智能PID控制器整定方案。

設計與實現:

(1) 時間序列動態數據采集過程：在當前的運行控制系統中，所有控制回路的OP和PV數據均以最高頻率從DCS實時數據庫中采集并存儲到本地數據庫中。

(2) 建立數字孿生系統：從本地數據庫中獲取實時數據。利用可靠的遞歸辨識技術構建動態過程模型，用于后續的擬合函數計算。同時，實時更新本地數據庫中的模型參數。

(3) 確定控制目標和性能指標：根據控制目標選擇合適的性能指標和權重。

(4) 粒子群智能搜索：確定粒子群的大小和迭代次數，每個粒子代表一個PID控制參數組合。

(5) 進行系統性能評估：應使用最優參數重新運行控制系統，并評估系統的性能指標。

(6) 長周期可靠運行：確定慢率更新間隔，重復步驟1至5?！奥省笔侵窹ID的更新頻率遠低于傳感器的數據采集頻率。

圖1 算法流程圖

主要內容:

1. 可靠遞推辨識

采用高階線性時變模型作為辨識模型，并利用可靠的遞歸辨識算法來跟蹤的時變參數。"可靠"包含兩層含義：(i)在較小激勵輸入下的可辨識性；(ii)有界隨機噪聲下辨識誤差的有界性。本文提出一種具有離散Nussbaum增益的遞推辨識算法，并對該辨識算法進行了收斂性分析。

2. 智能PID整定

本文對PSO算法進行改進，提出LMPSO算法，慣性權重由Levy飛行決定。Levy飛行能使粒子有概率出現較大步前進，幫助粒子群擺脫局部最優?！坝洃洝币辉~指的是PSO群體具有精英粒子記憶能力，這可以提高粒子群搜索的效率。為了實現控制目標，本文采用了綜合性能指標，“性能”包括積分誤差性能和時域性能。

實驗結果及分析:

本文在中國石油大學煉油與自動化模擬實習基地進行的工業實驗。本文利用UniSim仿真系統對500萬噸常壓和真空蒸餾裝置進行了模擬，如圖2所示

圖2 常壓塔工藝流程圖

通過分析性能指標，發現時域性能指標更適合應用于該實驗環境。利用該性能指標，驗證數字孿生系統中十個控制回路的控制效果，如圖3所示。

圖3 數字孿生系統中回路控制效果

通過使用時域性能指標來比較UniSim仿真系統優化前后12個控制回路的控制效果，控制器的性能得到了極大改善，如表1所示。

表1 智能優化前后控制器性能比較

結論:

在應對不同的運行條件時，過程變化和非線性因素的重要性毋庸置疑。為了確保最佳的動態過渡性能，本文結合可靠的遞歸識別技術、全面的性能指標分析和改進的PSO算法，提出了一種在線慢率LMPSO-PID整定方案。然而，本文提出的在線慢率PID更新方案中涉及的大部分超參數值都是通過仿真測試獲得的，缺乏理論依據。今后，將結合工業現場人工經驗和數學理論知識，定量確定超參數值，如PID參數值范圍、模型階次選擇和權重等。此外，基于PSO算法的控制器的理論驗證也值得進一步研究。

通訊作者簡介:

王珠，男，博士，中共黨員，現任中國石油大學（北京）副教授、碩士生導師。2016年至今在中國石油大學（北京）自動化系工作，現任北京人工智能學會理事、中國化工學會信息技術應用專業委員會青年委員。

長期從事系統辨識與智能控制、石化過程故障預警、工藝優化、及基于深度學習與數據挖掘的時間序列預測等方面研究工作，以第一作者或通訊作者身份發表高水平學術期刊論文20余篇。主持國家自然科學基金項目及多個重點流程工業企業的橫向項目。