CN100356280C - 离散控制中测量失真的动态补偿法及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种离散控制中测量失真的动态补偿法及其控制系统，本发明方法为：将转换为数字信号后的测量信号再转换为模拟信号，并将转换得到的该模拟信号与原始的模拟测量信号进行比较；将比较得到的偏差信号送入与控制系统控制器传递函数相同的另一模拟控制器处理，给出动态补偿信号；将该动态补偿信号与离散调节回路中数模转换器输出到执行机构的模拟信号叠加，作为该执行机构的控制信号。本发明控制系统在原有离散控制系统中增加了由数模转换器、模拟比较器、与原控制器传递函数相同的模拟控制器以及加法器组成的动态补偿回路，来实现上述功能。本发明在不改变采样频率的情况下，补偿了对信号采样保持产生的测量失真，提高了需要快速响应的控制系统的动态性能。

Description

离散控制中测量失真的动态补偿法及其控制系统
技术领域
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种离散控制中对采样保持器带来的测量失真进行动态补偿的方法和相关的控制系统。
背景技术
自动控制可以分为连续控制和离散控制两大类，连续控制系统中的给定、反馈信号都是模拟信号，而离散控制系统中的测量信号需要转换为数字信号后由计算机进行处理，然后再转换成模拟信号，控制执行机构。
计算机控制系统为离散控制系统，在处理多信号和复杂的控制策略运算任务中具有绝对的优势，但在处理快速反馈控制时，采样周期处理不当会导致系统稳定性下降。图1所示为汽轮机转速调节回路，测速板16给出模拟转速信号na，经过模数转换器17(也可置于测速板内)给出的数字量转速信号nd，后者送入数字比较器11和给定转速信号ns比较，输出的信号ns-nd经数字比例调节器(即图中的1/δ)12得到离散控制信号(ns-nd)/δ，再经数模转换器13给出总阀位给定模拟信号Fs＝(ns-nd)/δ，控制油动机14来调节汽轮发电机转子15的转速。
在对转速信号进行模数转换时需要进行采样保持，如图2所示，在每一个采样点上采样得到的转速信号值与模拟量转速信号值相同，但是在两个采样点之间，数字量转速信号的值是保持为前一采样点的值，这样，在转速变化时，两个采样点之间的数字量转速信号值nd就与实际的模拟量转速信号值nα不同，形成转速信号的动态测量误差nd-na。实践证明，该动态误差会影响转速调节回路的稳定性。采样周期越长，影响越大。采用MATLAB软件进行分析，结果证明上述现象是存在的。
目前，在发电厂的自动控制系统中，采样周期一般采用250ms或125ms，当机组在大电网并列运行时，其稳定性可以满足一般的控制需要。但是，当汽轮发电机组在小电网并列运行时，稳定性较差的调速系统会引起转速波动，造成电网频率波动。当机组为单机运行时，这种波动影响更大，造成机组不能正常运行。
要提高此类响应速度很快的离散控制系统的稳定性，一个方法是提高采样频率，如上述汽轮机的调速控制，将采样周期设为50ms左右时，系统的稳定性接近连续调节。但是，某一局部控制系统采样频率的提高会受到整个自动控制系统采样频率的限制，因为采样频率的增加会大大增加系统的运算量。而如果只提高局部的控制系统的采样频率，则需要对现有的组态软件进行局部修改，或对组态软件的控制策略进行整体的修改，这将对工程实践和技术管理带来较大的麻烦。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种离散控制中测量失真的动态补偿法，可以对采样产生的测量失真进行动态补偿。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种离散控制中测量失真的动态补偿法，应用于包含控制器、执行机构、控制对象、测量装置、模数转换器和数模转换器构成的闭环离散控制系统中，包括以下步骤：
(a)将转换为数字信号后的测量信号再次转换为模拟信号，并将转换得到的该模拟信号与原始的模拟测量信号进行比较；
(b)将比较得到的偏差信号送入与控制系统控制器传递函数相同的另一模拟控制器处理，给出动态补偿信号；
(c)将该动态补偿信号与离散调节回路中数模转换器输出到执行机构的模拟信号叠加，作为该执行机构的控制信号。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种可对离散控制中测量失真进行动态补偿的控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可对离散控制中测量失真进行动态补偿的控制系统，包括控制器、执行机构、控制对象、测量装置、与所述测量装置连接的模数转换器以及输出控制信号到所述执行机构的第一数模转换器，其特征在于：
还包括一个动态补偿回路，该动态补偿回路包括第二数模转换器、模拟比较器、与所述控制器传递函数相同的模拟控制器以及第一加法器，所述第二数模转换器接收从所述模数转换器输出的已经转换为数字信号的测量信号，将其转换为模拟信号后输入所述模拟比较器，在该模拟比较器中与所述测量装置输出的模拟量测量信号进行比较，得到的偏差信号经所述模拟控制器处理后得到动态补偿信号，再送入所述加法器与所述第一数模转换器输出的模拟信号叠加，给出所述执行机构的控制信号。
进一步地，上述控制系统还可具有以下特点：所述动态补偿回路增加了一个微分校正回路和一第二加法器，该微分校正回路对输入的模拟量测量信号处理后，与所述模拟控制器的输出信号在所述所述第二加法器中叠加，得到的信号再作为所述动态补偿信号输出。
由上可知，本发明针对离散控制中测量失真造成闭环控制稳定性下降的问题，在不改变采样频率的情况下，对信号采样保持产生的测量失真进行动态补偿，使快速反馈控制离散控制系统实现了达到连续控制的效果，提高了需要快速响应的控制系统的稳定性。进一步地，可以在动态补偿回路中增加了一个微分校正回路，进一步改善控制系统的动态特性。
附图说明
图1是现有汽轮机转速离散调节回路的方框图。
图2是对模拟量进行采样保持处理的示意图。
图3是本发明第一实施例汽轮机转速离散调节回路和动态补偿回路的方框图。
图4是本发明第二实施例汽轮机转速离散调节回路和动态补偿回路的方框图。其中，动态补偿回路增加了一个微分器。
具体实施方式
下面仍以汽轮机的转速调节回路为例来说明本发明的方法。
第一实施例
如图3所示，本实施例的调节回路在原有的控制环节的基础上，增加了一个动态补偿回路，由另一数模转换器18、模拟比较器19、模拟比例调节器20和加法器21组成。其中模拟比较器19、模拟比例调节器20和加法器2 1均采用对模拟信号进行处理的模拟电路。
动态补偿回路中的数模转换器18接收从模数转换器17输出的已经转换为数字信号的转速测量信号nd，将其转换为模拟信号后输入模拟比较器19。模拟比较器19的另一路输入来自测速板16输出的模拟量转速信号nα，对两路信号进行比较后，将两者的差值信号(nd-na)输出到模拟比例调节器20，该模拟比例调节器20与数字比例调节器12实现相同的传递函数，即图中的1/δ，其输出的动态补偿信号(nd-na)/δ送入到加法器21，与离散调节回路中数模转换器13输出的离散控制信号(ns-nd)/δ相叠加，得到的总阀位给定信号Fs＝(ns-na)/δ。可以看出，经过动态补偿后的总阀位给定信号消除了转速信号的动态测量误差，使系统的稳定性达到连续控制的效果。
稳态时，nd＝na，动态补偿信号为0，控制系统的静态特性仍然取决于原来的数字量控制系统。
上述在离散控制系统中针对测量失真采用的动态补偿方法可以概括为以下步骤：
(a)将转换为数字信号后的测量信号再次转换为模拟信号，并将转换得到的该模拟信号与原始的模拟测量信号进行比较；
(b)将比较得到的偏差信号送入与控制系统控制器传递函数相同的另一模拟控制器处理，给出动态补偿信号；
(c)将该动态补偿信号与控制系统输出到执行机构的模拟信号叠加，作为该执行机构的控制信号。
因此，本发明的动态补偿法在不对原有控制系统进行改动的基础上，可以有效地对测量失真进行补偿，特别适用于响应速度很快的离散控制系统，可以弥补因采样频率不足带有的测量失真，从而提高控制系统的性能尤其是抗干扰能力。
第二实施例
本实施例的控制系统只是在第一实施例的动态补偿回路中增加了一个由模拟微分器22组成的微分校正回路和一加法器23，该微分器22对输入的模拟量测量信号处理后，与模拟比例调节器20输出的信号在新增的加法器23中叠加后，再作为动态补偿信号输出。
本实施例在原有离散控制系统中增加了一个模拟的微分校正回路，可以进一步改善响应速度很快的控制系统的动态性能。
在具体实现时，有时测速板给出的是已经离散化了的转速信号，这时上述实施例中的模数转换器17应为采样保持器，这类功能模块分割上的变化应视为上述实施例的等同方案。
应该说明的是，本发明的动态补偿方法和控制系统完全可以应用于类似的其他快速反馈控制的离散控制系统。

Claims (3)

1、一种离散控制中测量失真的动态补偿法，应用于包含控制器、执行机构、控制对象、测量装置、模数转换器和数模转换器构成的闭环离散控制系统中，包括以下步骤：
第一步：将转换为数字信号后的测量信号再次转换为模拟信号，并将转换得到的该模拟信号与原始的模拟测量信号进行比较；
第二步：将比较得到的偏差信号送入与控制系统控制器传递函数相同的另一模拟控制器处理，给出动态补偿信号；
第三步：将该动态补偿信号与离散调节回路中数模转换器输出到执行机构的模拟信号叠加，作为该执行机构的控制信号。
2、一种可对离散控制中测量失真进行动态补偿的控制系统，包括控制器、执行机构、控制对象、测量装置、与所述测量装置连接的模数转换器以及输出控制信号到所述执行机构的第一数模转换器，其特征在于：
还包括一个动态补偿回路，该动态补偿回路包括第二数模转换器、模拟比较器、与所述控制器传递函数相同的模拟控制器以及第一加法器，所述第二数模转换器接收从所述模数转换器输出的已经转换为数字信号的测量信号，将其转换为模拟信号后输入所述模拟比较器，在该模拟比较器中与所述测量装置输出的模拟量测量信号进行比较，得到的偏差信号经所述模拟控制器处理后得到动态补偿信号，再送入所述第一加法器与所述第一数模转换器输出的模拟信号叠加，给出所述执行机构的控制信号。
3、如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，还包括一个微分校正回路和一第二加法器，该微分校正回路对输入的模拟量测量信号处理后，与所述模拟控制器的输出信号在所述第二加法器中叠加，得到的信号再作为所述动态补偿信号输出。
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