CN104932470A - 一种滞后对象时间补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滞后对象时间补偿控制方法，该方法在原有实际微分算法的基础上，利用DCS组态软件平台提供的功能码库，对被测参数变化率信号进行组态加工，形成补偿控制使能信号、补偿控制增益信号、补偿控制复位信号等中间信号，最终形成能够克服传统微分器缺点的补偿控制输出信号。按照被控参数变化率特征值状态，把控制模式设置为周期控制方式，在每一个周期控制时间中，针对其中的一部分时间实现补偿控制，使得与被控对象的滞后特性相匹配，改善和提高控制品质。

Description

一种滞后对象时间补偿控制方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，特别涉及一种滞后对象时间补偿控制方法。

背景技术

在过程控制应用中，热量等信号的转移或转换需经过一定的时间，这一现象造成了热工过程存在较大的滞后时间。在滞后时间阶段，无论是控制作用还是扰动作用对过程变量的影响是不可测的，因而导致了具有较大惯性和滞后特性的控制系统较难控制。为此在传统工业过程控制中，采用微分控制作用来改善系统在调节过程中的动态特性。采用“ 微分控制”能够预测误差变化的趋势，使得控制器的输出与误差的变化率成正比关系，一定程度上能够改善滞后对象的调节品质。但是由于滞后性和控制输出与误差的变化率成正比的原因，含有微分作用的控制器在调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

发明内容

针对传统控制中采用微分作用在调节过程中容易出现振荡甚至失稳的不足，本发明提供一种滞后对象时间补偿控制方法。该方法不仅具有微分作用的优点（迅速响应被控参数的变化），而且能方便地根据信号变化率的大小补偿滞后时段的所不可测的控制量，同时又能释放控制输出对被控信号变化率的固定依赖关系，从而在本质上克服了传统微分器的缺点。

本发明的目的是这样实现的：一种滞后对象时间补偿控制方法，具体包括以下步骤：

（1）补偿控制使能信号的形成：所述补偿控制使能信号是由于被控参数变化率信号超过设定的高限值H1或者低于设定的低限值L1且超限信号维持3~6秒形成的；

（2）补偿控制增益信号的形成：所述补偿控制增益信号是在补偿控制使能信号为开关量逻辑1后，通过RS触发器形成一个时间宽度为X的脉冲输出Gx，在脉冲输出Gx的前一段时间Y，经由数字加法器计算及限值处理形成的；所述时间宽度X和Y是二元值，为补偿值或复位休眠值，由被控参数变化率确定，当被控参数变化率处在高限值H2和低限值L2之间，说明系统处于平衡状态或微扰动状态，将复位休眠值赋值给X和Y，此时的X和Y相等，均为2秒左右；当被控参数变化率大于高限值H2或小于低限值L2，说明系统需要补偿控制，分别将补偿值赋值给X和Y，此时的X值为10分钟以内，Y<X；

（3）补偿控制复位信号的形成：所述补偿控制复位信号是在补偿控制使能信号为开关量逻辑1后，通过RS触发器形成一个时间宽度为X的脉冲输出Gx，该脉冲输出结束的信号经取非块、时间宽度为Z的另一脉冲输出Gz所形成的，所述时间宽度Z为一固定值，一般在5秒以内；

（4）补偿控制输出信号的形成：所述补偿控制输出信号是由补偿控制状态量A与可变增益的参数变化率B之和组成；所述补偿控制状态量A是由补偿控制增益信号与被控参数变化率及一个常系数相乘而来，此系数在0~1之间；所述可变增益的参数变化率B为被控参数变化率与可变增益相乘而来；所述可变增益为三元值，对应着一个补偿控制周期中三个时段的增益值：早期段、中间段和尾声段，一旦补偿控制周期开始，进行时间判断，若补偿控制使能信号存在的时间小于脉冲输出Gu的时间宽度U，则早期段增益值起作用；若补偿控制使能信号存在的时间处于延时输出Gv的时间宽度V（V=U）和脉冲输出Gw的时间宽度W与延时输出Gv的时间宽度V之和，即V+W之间，则中期段增益值起作用；若补偿控制使能信号存在的时间大于延时输出Gv的时间宽度V和脉冲输出Gw的时间宽度W之和即V+W，则尾期段增益值起作用；所述时间宽度U、 V和W是二元值，为补偿值或复位休眠值，由被控参数变化率确定；当被控参数变化率处在高限值H2和低限值L2之间，说明系统处于平衡状态或微扰动状态，将复位休眠值赋值给U、V和W，此时的U、V和W相等，均为2秒左右；当被控参数变化率大于高限值H2或小于低限值L2，说明系统需要补偿控制，分别将补偿值赋值给U、V和W，且V+W<X。

（5）补偿控制输出信号根据信号变化率的大小补偿滞后时段的所不可测的控制量，可以防止出现震荡甚至失稳的情况发生，还可以在一定程度上纠正过度补偿控制。

本发明的有益效果是：

1.  对不可测的滞后时间进行定量补偿控制，增强了被控参数的稳定性；

2.  仅采用为数不多的功能块，结构简单。

附图说明

图1为本发明滞后对象时间补偿控制方法中间信号集成控制图；

图2为本发明滞后对象时间补偿控制方法时间参数集成控制图；

图3为本发明滞后对象时间补偿控制方法输出信号集成控制图；

图4为可变增益早期段、中期段和尾期段示意图；

图5为不同扰动下的控制输出特性曲线示意图，其中图（a）为一次补偿控制即可达到较好稳定品质的时序图，图（b）为 多次补偿控制才可以达到较好稳定品质的时序图，图（c）为不足一次补偿控制也可以达到较好稳定品质的时序图， 图（d）为纠正过度补偿控制的时序图。

具体实施方式

结合附图将滞后对象时间补偿控制方法应用于国内某火电厂，进一步说明本发明滞后对象时间补偿控制方法。

本发明滞后对象时间补偿控制方法是在原有实际微分算法的基础上，利用DCS组态软件平台提供的功能码库，对被测参数变化率信号进行组态加工，形成补偿控制使能信号、补偿控制增益信号、补偿控制复位信号等中间信号，最终形成能够克服传统微分器缺点的补偿控制输出信号。该方法具体包括以下步骤：

（1）补偿控制使能信号的形成：

如图1所示，当被控参数变化率大于0.4或者小于-0.6（6895）且时间上超过6秒（6813）时（正负幅值也可以相等，本实施例中使用的正数的幅值较小，对应于温度控制时，防超温优先于防欠温），形成补偿控制使能触发信号。

设置一定的触发值（6791、6792）表明具有滞后性质的大扰动确实发生，需要对过去的时间实施补偿控制。

设置延时输出（6813）是一个可靠性处理，防止测量噪声引起的误发补偿控制使能信号。

（2）补偿控制增益信号的形成：

如图1所示，补偿控制使能信号一旦为开关量逻辑1后，通过RS触发器（6820）就会形成一个时间宽度为X的脉冲输出Gx（6822），在脉冲输出Gx的前一段时间Y（6789），X≥Y，经由数字加法器（6812）及限值处理（6817），形成补偿控制增益信号。

时间宽度X和Y是二元值，为补偿值或复位休眠值，由被控参数变化率决定，分别由自适应调参数块6809、6810调整，如图2所示。

当被控参数变化率处在[-0.2，0.2]范围内，说明系统处于平衡状态或微扰动状态，此时自适应调参数块6809、6810分别将复位休眠值2赋给X和Y（X和Y公用一个复位休眠值（6781）），无论在赋值前它们的地址值是“开关量逻辑1”还是“开关量逻辑0”， 在X和Y被赋值2秒后，将一定会为“开关量逻辑0”，补偿控制增益信号为零，是空信号，表明不需施加补偿控制量。

当被控参数变化率不处在 [-0.2，0.2]范围内，说明系统需补偿控制。此时自适应调参数块6809将补偿值300赋给X，自适应调参数块6810将补偿值120赋给Y，使补偿控制能够实现。

（3）补偿控制复位信号的形成：

如图1所示，当补偿控制使能信号为“开关量逻辑1 ”的时间较长时，把滞后补偿控制功能定义为周期补偿控制方式，功能块6780确定的时间值便是控制周期，功能块6782确定的时间值便是该控制周期内用于补偿滞后控制所占用的时间。这样可以实现一次补偿控制起不到应有的控制效果，还可以继续触发下一周期的补偿控制。因此，这种控制方式更能较好地适应滞后对象往往具有的非线性、时变性。

实现方式为功能块6822的地址值由“开关量逻辑1”变为“开关量逻辑0”时，功能块6793输出的“开关量逻辑1”，送至功能块6804，形成一个5秒时间的脉冲“补偿控制复位信号”，该信号的作用是去复位RS功能块6820，以便补偿控制使能触发信号为“开关量逻辑1 ”的时间超过1个控制周期时，能够顺利启动下一次补偿控制。

（4）补偿控制输出信号的形成：

如图3所示，补偿控制输出信号（6826）由两部分组成：补偿控制状态量A（6826的<S2>×S4）与可变增益的参数变化率B（6826的<S1>×S3）之和。

对于补偿控制状态量A，<S2>由被控参数变化率和补偿控制增益信号相乘而来，S4为1。补偿控制状态量代表了一个由补偿控制使能信号触发的矩形波补偿回路。矩形波宽度即为功能块6782所指定的补偿时间长短。矩形波高度为补偿控制开始时由功能块6824锁定的被控参数变化率值（6701）与补偿控制增益信号（6817）的乘积。

对于可变增益的参数变化率B，<S1>为被控参数变化率，S3为可变增益。可变增益是3元值，对应着一个补偿控制周期中3个时段的增益值：早期段，中间段，尾声段。早期段的增益数值由功能块6800确定，中间段的增益数值由功能块6819确定，尾声段的增益数值由功能块6799确定。早期段的增益值大于中间段增益值，中间段的增益值大于尾声段增益值，如图4所示。早期段的数值最大，目的是补偿滞后对象的滞后时间引起的参数变化所需要的控制量，尾声段的增益数值最小，目的是针对扰动有可能已经消失，此时可以减小、甚至可以停止控制器的输出，以及可以纠正早期段有可能补偿过度的影响。

一个补偿控制周期开始后，3个时段增益值的切换是由功能块6801、6802、6816、6815、6825通过如图3的组态连接来实现的。一旦补偿控制周期开始，进行时间判断，若补偿控制使能信号存在的时间小于脉冲输出Gu（6801）的时间宽度U，则早期段增益值起作用；若补偿控制使能信号存在的时间处于延时输出Gv（6802）的时间宽度V（V=U）和脉冲输出Gw（6816）的时间宽度W与延时输出Gv（6802）的时间宽度V之和，即V+W之间，则中期段增益值起作用；若补偿控制使能信号存在的时间大于延时输出Gv（6802）的时间宽度V和脉冲输出Gw（6816）的时间宽度W之和即V+W，则尾期段增益值起作用。所述时间宽度U、 V和W是二元值，为补偿值或复位休眠值，由被控参数变化率确定。当被控参数变化率处在[-0.2，0.2]范围内，说明系统处于平衡状态或微扰动状态，自适应调参数块6807、6811分别将复位休眠值2赋给U、V和W（U、V和W公用一个复位休眠值（6781））；当被控参数变化率不处在 [-0.2，0.2]范围内，说明系统需补偿控制，自适应调参数块6807将补偿值100赋给U，自适应调参数块6811将补偿值100赋给V，自适应调参数块6808将补偿值70赋给W。

在一系列不同扰动下，被控参数也呈现不同的响应曲线，图5为采用滞后对象时间补偿控制方法具有的控制输出特性曲线示意图。从图（a）、（b）、（c）中可以看出，无论是多次补偿控制还是不足一次补偿控制均可使被控参数达到较好的稳定性，从图（d）中还可以看出，被控参数因虚测或误测引起信号抖动时，虽然短时也能触发补偿控制输出，但它能够在一定程度上纠正过度补偿控制造成的不足。

Claims (1)

1.一种滞后对象时间补偿控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

（1）补偿控制使能信号的形成：所述补偿控制使能信号是由于被控参数变化率信号超过设定的高限值H1或者低于设定的低限值L1且超限信号维持3~6秒形成的；

（2）补偿控制增益信号的形成：所述补偿控制增益信号是在补偿控制使能信号为开关量逻辑1后，通过RS触发器形成一个时间宽度为X的脉冲输出Gx，在脉冲输出Gx的前一段时间Y，经由数字加法器计算及限值处理形成的；所述时间宽度X和Y是二元值，为补偿值或复位休眠值，由被控参数变化率确定，当被控参数变化率处在高限值H2和低限值L2之间，说明系统处于平衡状态或微扰动状态，将复位休眠值赋值给X和Y，此时的X和Y相等，均为2秒左右；当被控参数变化率大于高限值H2或小于低限值L2，说明系统需要补偿控制，分别将补偿值赋值给X和Y，此时的X值为10分钟以内，Y<X；

（3）补偿控制复位信号的形成：所述补偿控制复位信号是在补偿控制使能信号为开关量逻辑1后，通过RS触发器形成一个时间宽度为X的脉冲输出Gx，该脉冲输出结束的信号经取非块、时间宽度为Z的另一脉冲输出Gz所形成的，所述时间宽度Z为一固定值，一般在5秒以内；

（4）补偿控制输出信号的形成：所述补偿控制输出信号是由补偿控制状态量A与可变增益的参数变化率B之和组成；所述补偿控制状态量A是由补偿控制增益信号与被控参数变化率及一个常系数相乘而来，此系数在0~1之间；所述可变增益的参数变化率B为被控参数变化率与可变增益相乘而来；所述可变增益为三元值，对应着一个补偿控制周期中三个时段的增益值：早期段、中间段和尾声段，一旦补偿控制周期开始，进行时间判断，若补偿控制使能信号存在的时间小于脉冲输出Gu的时间宽度U，则早期段增益值起作用；若补偿控制使能信号存在的时间处于延时输出Gv的时间宽度V（V=U）和脉冲输出Gw的时间宽度W与延时输出Gv的时间宽度V之和，即V+W之间，则中期段增益值起作用；若补偿控制使能信号存在的时间大于延时输出Gv的时间宽度V和脉冲输出Gw的时间宽度W之和即V+W，则尾期段增益值起作用；所述时间宽度U、 V和W是二元值，为补偿值或复位休眠值，由被控参数变化率确定；当被控参数变化率处在高限值H2和低限值L2之间，说明系统处于平衡状态或微扰动状态，将复位休眠值赋值给U、V和W，此时的U、V和W相等，均为2秒左右；当被控参数变化率大于高限值H2或小于低限值L2，说明系统需要补偿控制，分别将补偿值赋值给U、V和W，且V+W<X；

（5）补偿控制输出信号根据信号变化率的大小补偿滞后时段的所不可测的控制量。