CN108732924A - 一种超前串级控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种超前串级控制方法和装置，通过将现有技术中的常规积分器和常规微分器进行改进，通过滑动窗滤波器来将现有的常规积分器和常规微分器分别改进成类似积分器和滑动窗跟踪微分器，类似比例积分控制属于滞后控制，而类似比例微分控制属于超前控制，因此构成了本发明实施例的超前串级控制方法。本发明实施例提供的一种超前串级控制方法，相对于常规比例积分微分控制器，在开环条件下，本发明实施例的输出速度更快，表明在闭环控制中，本办法实施例能够有效提高过程输出跟踪给定的速度，且本发明实施例构成的闭环控制回路对难控过程有较好的控制品质。
Description
技术领域
本发明涉及对火电厂过程控制技术领域，尤其涉及一种超前串级控制方法和装置。
背景技术
在火电厂的过程控制中，大滞后过程是普遍存在的，所谓大滞后是高阶较大惯性和较大纯滞后特性的一种简称。通常认为：在大滞后过程中，纯滞后比例在40％以上时，则该过程属于一种难控过程。难控过程一直是困扰火电厂过程控制的技术难题之一。
在工业控制过程中，PID控制器是应用最广泛的控制器。通常，工程师设计PID控制器需要知道被控制对象的精确模型，但是在实际工程中，精确模型往往很难获得。在无模型的情况下，设计和整定PID控制参数是一项复杂的调试过程，如果现场的工程技术人员不了解被控对象的特性，不适当的调试方法可能使系统发散，引发事故，装置调试过程是一项费时费力的工作，还不一定能够获得满意的控制品质。现有的PID控制器主要存在两方面的问题，一是微分控制在跟踪微分的效率不高，二是积分控制跟踪稳态偏差的效率不高。
发明内容
本发明实施例提供了一种超前串级控制方法，能依据过程响应的一些信息进行参数整定，对于惯性加纯滞后过程，无需知道过程的模型，较好地实现了不依赖模型的对难控过程实施控制，且能够取得较好的控制特性；本发明实施例所采用的类似通过类似积分器和滑动窗跟踪微分器来对难控过程实施控制，能够提高剁成输出跟踪过程给定的速度，对难控过程有较好的控制品质。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种超前串级控制方法，包括：
将过程给定量进行标幺化，并将所述过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出量；
将所述过程偏差输出量输入到比例控制环节得到比例控制输出量；
将第一滑动滤波输出量输入到第一加法环节的第一输入端，所述比例控制输出量输入到第一加法环节第二输入端，得到的第一加法输出量经过第一滑动窗滤波环节输入到第二加法环节的第一输入端，并将所述比例控制输出量输入到所述第二加法环节的第二输入端，所述第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
将所述类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节输入到第二减法环节的第一输入端，以及将所述类似比例积分控制输出量输入到所述第二减法环节的第二输入端，得到的减法输出量进入第三加法环节的第一输入端，所述类似比例积分控制输出量进入所述第三加法环节的第二输入端，所述第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，所述过程对象环节根据所述类似比例微分控制输出量输出所述第二过程输出量，并令所述第二过程输出量为所述第一过程输出量输入到所述第一减法环节。
优选的，所述将过程给定量和第一过程输出量进行标幺化通过第一公式表达为：
式中，P(t)为所述过程给定量；Prange为过程给定量的量程，单位由具体的系统所决定；Pstandard(t)为标幺化过程给定量，单位无量纲。
优选的，所述第一滑动窗滤波环节具体为滑动窗滤波器。
优选的，所述滑动窗滤波器通过第二公式表达如下：
式中，WSI(s)为类似积分器的传递函数，WSI-SWF(s)为类似积分器中滑动窗滤波的传递函数，TSI-SW为类似积分器中滑动窗时间长度，单位s。
优选的，所述第二滑动窗滤波环节具体为滑动窗跟踪微分器。
优选的，所述滑动窗跟踪微分器通过第三公式表达如下：
式中，WSWTD(s)为滑动窗跟踪微分器的传递函数，WSWTD-SWF(s)为滑动窗跟踪微分器中滑动窗滤波的传递函数，TSWTD-SW为滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，单位s。
优选的，所述将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，得到第二过程输出量具体包括：
所述类似比例微分控制输出量输入到所述过程对象环节，所述过程对象环节通过过程对象函数对所述类似比例微分控制输出量进行计算，得到所述第二过程输出量；其中，所述过程对象传递函数通过第四公式表达为：
式中，WPO(s)为所述过程对象传递函数。
优选的，所述将过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出具体包括：将过程给定量输入到第一减法环节的被减输入端，第一过程输出量输入到所述第一减法环节的减输入端。
优选的，所述第二减法环节的第一输入端具体为所述第二减法环节的被减输入端，所述第二减法环节的第二输入端具体为所述第二减法环节的减输入端。
本发明实施例第二方面提供一种超前串级控制装置，包括：
输出过程偏差模块，用于将过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出；
输出比例控制模块，用于将所述过程偏差输出量输入到比例控制环节得到比例控制输出量；
输出类似比例积分控制模块，用于将第一滑动滤波输出量和所述比例控制输出量分别输入到第一加法环节的第一输入端和所述第一加法环节的第二输入端，得到的第一加法输出量经过第一滑动窗滤波环节输入到第二加法环节的第一输入端，并将所述比例输出量输入到所述第二加法环节的第二输入端，所述第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
输出类似比例微分控制模块，用于将所述类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节输入到第二减法环节的第一输入端，以及将所述类似比例积分控制输出量输入到所述第二减法环节的第二输入端，得到的减法输出量进入第三加法环节的第一输入端，所述类似比例积分控制输出量进入所述第三加法环节的第二输入端，所述第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
输出过程输出模块，用于将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，得到第二过程输出量，输出所述第二过程输出量，并令所述第二过程输出量为所述第一过程输出量输入到所述第一减法环节。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例提供的超前串级控制方法和装置，其中方法具有以下优点：在本发明实施例中，提供了一种超前串级控制方法，通过将现有技术中的常规积分器和常规微分器进行改进，通过滑动窗滤波器来将现有的常规积分器和常规微分器分别改进成类似积分器和滑动窗跟踪微分器，类似比例积分控制属于滞后控制，而类似比例微分控制属于超前控制，因此构成了本发明实施例的超前串级控制方法。
本发明实施例提供的一种超前串级控制方法，相对于常规比例积分微分控制器，在开环条件下，本发明实施例的输出速度更快，表明在闭环控制中，本办法实施例能够有效提高过程输出跟踪过程给定的速度，且本发明实施例构成的闭环控制回路对难控过程有较好的控制品质。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的超前串级控制方法的控制流程示意图；
图2为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法应用于锅炉主控系统的优化示意图；
图3为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法应用于锅炉主控系统系统后的优化特性示意图；
图4为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一过程输出结果示意图；
图5为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一控制输出结果示意图；
图6为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一结果示意图；
图7为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二过程输出结果示意图；
图8为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二控制输出结果示意图；
图9为本发明第三实施例提供的超前串级控制装置的结构示意图。
图1中：1：第一减法环节；2：比例控制环节；3：第一加法环节；4：第一滑动窗滤波环节；5：第二加法环节；6：第二滑动窗滤波环节；7：第二减法环节；8：第三加法环节；9：过程对象环节。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供的超前串级控制方法的控制流程示意图。
本发明第一方面提供了一种超前串级控制方法，包括：
将过程给定量进行标幺化，并将所述过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节1，所述第一减法环节1输出过程偏差输出量；
将所述过程偏差输出量输入到比例控制环节2得到比例控制输出量；
将第一滑动滤波输出量输入到第一加法环节3的第一输入端，所述比例控制输出量输入到第一加法环节3第二输入端，得到的第一加法输出量经过第一滑动窗滤波环节4输入到第二加法环节的第一输入端，并将所述比例控制输出量输入到所述第二加法环节5的第二输入端，所述第二加法环节5输出类似比例积分控制输出量；
将所述类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节6输入到第二减法环节7的第一输入端，以及将所述类似比例积分控制输出量输入到所述第二减法环节7的第二输入端，得到的减法输出量进入第三加法环节8的第一输入端，所述类似比例积分控制输出量进入所述第三加法环节8的第二输入端，所述第三加法环节8输出类似比例微分控制输出量；
将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节9，所述过程对象环节根据所述类似比例微分控制输出量输出所述第二过程输出量，并令所述第二过程输出量为所述第一过程输出量输入到所述第一减法环节。
需要说明的是，在本发明第一实施例提供的超前串级控制方法中，首先将本次的过程给定量进行标幺化，标幺化后获得过程给定量的无量纲值，以使后续的所有计算环节都不需要考虑单位，输入到第一减法环节的第一输入端，以及将上一个过程输出量输入到第一减法环节的第二输入端，讲过程给定量与上一个过程输出量共同输入到第一减法环节中，以使第一减法环节输出过程偏差输出量；
通过第五公式获得预设数的比例增益的比例控制输出：WP(s)＝KP (5)
式中，WP(s)为比例控制环节的传递函数，KP为所述预设数的比例增益，单位无量纲。
将前述获得的过程偏差输出输入到比例控制环节的输入端，以获得比例控制输出量。
将第一滑动窗滤波环节的第一滑动滤波输出量输入到第一加法环节的第一输入端，将前述过程获得的比例控制输出量输入到第一加法环节的第二输入端，然后将从第一加法环节获得的第一加法输出量输入到第一滑动窗滤波环节的输入端，并将第一滑动窗滤波环节的输出量输入到第二加法环节的第一输入端，且将前述获得的比例输出量输入到第二加法环节的第二输入端，最后第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
首先将上述步骤获得的类似比例积分控制输出量输入到第二滑动窗滤波环节的输入端，并通过该第二滑动窗滤波环节的输出端输入到第二减法环节的第一输入端，即将类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节和第二减法环节，最后输入到第三加法环节的第一输入端，再将该类似比例积分控制输出直接输入到该第三加法环节的第二输入端，此处，类似比例积分控制输出量通过两条路径分别输入到第三加法环节，最后第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
最后将经过上述步骤获得的类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节后，过程对象环节输出第二过程输出量，当要再次获取过程输出量时，将以该第二过程输出量为第一过程输出量，与过程给定量分别输入到前述的第一减法环节中。
本发明第一实施例提供的超前串级控制方法，相对于常规的比例积分控制器，在开环条件下，本发明实施例的输出速度更快，也即在闭环控制中，本发明实施例提供的超前串级控制方法能够有效提高过程输出跟踪过程给定量的速度，且本发明实施例构成的闭环控制回路对难控制过程有较好的控制品质。
请参阅图2-8，图2为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法应用于锅炉主控系统的优化示意图；图3为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法应用于锅炉主控系统系统后的优化特性示意图；图4为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一过程输出结果示意图；图5为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一控制输出结果示意图；图6为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二结果示意图；图7为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二过程输出结果示意图；图8为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二控制输出结果示意图；以下将在上述本发明第一实施例提供的一种超前串级控制方法的基础上，结合图2-8对本发明第二实施例提供的一种超前串级控制方法的实施步骤进行具体详尽的描述：
优选的，所述将过程给定量和第一过程输出量进行标幺化通过第一公式表达为：
式中，P(t)为所述过程给定量；Prange为过程给定量的量程，单位由具体的系统所决定；Pstandard(t)为标幺化过程给定量，单位无量纲。
优选的，所述第一滑动窗滤波环节具体为滑动窗滤波器。
优选的，所述滑动窗滤波器通过第二公式表达如下：
式中，WSI(s)为类似积分器的传递函数，WSI-SWF(s)为类似积分器中滑动窗滤波的传递函数，TSI-SW为类似积分器中滑动窗时间长度，单位s。
优选的，所述第二滑动窗滤波环节具体为滑动窗跟踪微分器。
优选的，所述滑动窗跟踪微分器窗通过第三公式表达如下：
WSWTD(s)＝1-WSWTD-SWF(s)
式中，WSWTD(s)为滑动窗跟踪微分器的传递函数，WSWTD-SWF(s)为滑动窗跟踪微分器中滑动窗滤波的传递函数，TSWTD-SW为滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，单位s。
优选的，所述将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，得到第二过程输出量具体包括：
所述类似比例微分控制输出量输入到所述过程对象环节，所述过程对象环节通过过程对象函数对所述类似比例微分控制输出量进行计算，得到所述第二过程输出量；其中，所述过程对象传递函数通过第四公式表达为：
式中，WPO(s)为所述过程对象传递函数。
优选的，所述将过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出具体包括：将过程给定量输入到第一减法环节的被减输入端，第一过程输出量输入到所述第一减法环节的减输入端。
优选的，所述第二减法环节的第一输入端具体为所述第二减法环节的被减输入端，所述第二减法环节的第二输入端具体为所述第二减法环节的减输入端。
需要说明的是，在第一实施例的基础上，本发明第二实施例提供的超前串级控制方法，首先将本次的过程给定量根据第一公式进行标幺化为：
以使后续的流程都能进行无量纲运算，将标幺化后的过程给定量输入到第一减法环节的被减输入端，以及将上一个过程输出量输入到第一减法环节的减输入端，将过程给定量与上一个过程输出量共同输入到第一减法环节中，以使第一减法环节输出过程偏差输出量；
通过第六公式获得预设数的比例增益的比例控制输出：WP(s)＝KP (6)
式中，WP(s)为比例控制环节的传递函数，KP为所述预设数的比例增益，单位无量纲。
将前述获得的过程偏差输出输入到比例控制环节的输入端，以获得比例控制输出量。
将第一滑动窗滤波环节的第一滑动滤波输出量输入到第一加法环节的第一输入端，将前述过程获得的比例控制输出量输入到第一加法环节的第二输入端，然后将从第一加法环节获得的第一加法输出量输入到第一滑动窗滤波环节的输入端，并将第一滑动窗滤波环节的输出量输入到第二加法环节的第一输入端，且将前述获得的比例输出量输入到第二加法环节的第二输入端，最后第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
特别地，在常规积分器中，正反馈环节的表达式通过第七公式表示为：
式中,WI(s)为常规积分器的传递函数，TI为积分时间常数，单位s。数量上，TI＝Tα。
而在本发明第二实施例提供的超前串级控制方法中采用一种滑动窗滤波器取代一阶惯性滤波器，以得到一种类似积分器，且该类似积分器的正反馈环节的表达式用第八公式表达如下：
式中，WSI(s)为类似积分器的传递函数。WSI-SWF(s)为类似积分器中滑动窗滤波的传递函数。TSI-SW为类似积分器中滑动窗时间长度，单位s。
类似积分器具有常规比积分器更高的输出效率。
首先将上述步骤获得的类似比例积分控制输出量输入到第二滑动窗滤波环节的输入端，并通过该第二滑动窗滤波环节的输出端输入到第二减法环节的第一输入端，即将类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节和第二减法环节，最后输入到第三加法环节的第一输入端，再将该类似比例积分控制输出直接输入到该第三加法环节的第二输入端，此处，类似比例积分控制输出量通过两条路径分别输入到第三加法环节，最后第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
特别地，常规的一阶惯性跟踪微分器通过第九公式表达为：
式中，WFOITD(s)为一阶惯性跟踪微分器的传递函数。TD为微分时间常数，单位s。WFOIF(s)为一阶惯性滤波器(First order inertial filter，FOIF)的传递函数。Tα为惯性滤波时间常数，单位s。数量上，TD＝Tα。
而在本发明第二实施例提供的超前串级控制方法所采用的的一种滑动窗滤波来得到一种滑动窗跟踪微分器，该滑动窗跟踪微分器表达式通过第十公式表达为：
式中，WSWTD(s)为滑动窗跟踪微分器的传递函数。WSWTD-SWF(s)为滑动窗跟踪微分器中滑动窗滤波的传递函数。TSWTD-SW为滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，单位s。
相对一阶惯性跟踪微分器,滑动窗跟踪微分器有效提高了微分性能。采用滑动窗跟踪微分器取代常用微分环节，能够有效地提高控制回路稳定性能。
而且，该滑动窗跟踪微分器可用于构造类似比例微分控制，类似比例积分通过第十一公式表示为：
WSPI(s)＝1+WSI(s) (11)
式中，WSPI(s)为类似比例积分控制的传递函数，类似比例积分控制的比例增益固定为1。
类似比例微分控制的表达式通过第十二公式表达为：
WSPD(s)＝1+WSWTD(s) (12)
式中，WSPD(s)为类似比例微分控制的传递函数，类似比例微分控制的比例增益固定为1。
在控制性质上，比例控制属于一种当前控制，而类似比例积分控制属于一种滞后控制，类似比例微分控制属于一种超前控制。由此，将由比例、类似比例积分控制和类似比例微分控制构成的串级控制称为：当前滞后超前串级控制，且控制表达式通过第十三公式表达为：
式中，WNLAC(s)为当前滞后超前串级控制的传递函数。WP(s)为比例控制的传递函数。WSPI(s)为类似比例积分控制的传递函数。WSPD(s)为类似比例微分控制的传递函数；KP为比例控制的比例增益，单位无量纲。TSI-SW为类似比例积分控制中、类似积分器中滑动窗时间长度，单位s。T0.63为过程滞后时间，单位s；TSWTD-SW为类似比例微分控制中、滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，单位s。PG为过程增益，单位无量纲。
最后将经过上述步骤获得的类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节后，过程对象环节输出第二过程输出量，当要再次获取过程输出量时，将以该第二过程输出量为第一过程输出量，与过程给定量分别输入到前述的第一减法环节中。
特别地，在本发明第一实施例提供的超前串级控制方法中，第一减法环节、比例控制环节和第一加法环节等等采用“XXX环节”所表示的是对过程给定量所进行的运算的简化说法，在本领域是通用的说法，在本申请的所有实施例中不代表任何实质的硬件装置。
参见图2，为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法应用于锅炉主控系统的优化示意图：
在火电厂的一些过程控制系统中，比如在机组协调控制系统的过程给定量采用斜坡函数(Steep hill，SH)，由此带来的一些过程内扰和外扰在一定时间内具有斜坡的性质。对于过程给定量为斜坡函数的情况，本发明第二实施例提供的超前串级控制方法能够有效提高过程输出跟踪过程给定的性能。且对于斜坡外扰的情况，本发明第二实施例能有效提高斜坡外扰的抑制性能。
将本发明第二实施例提供的超前串级控制方法运用于某电厂的1000MW超临界燃煤机组的协调控制系统的优化，机组协调控制系统由锅炉主控系统和汽机主控系统所组成，其中锅炉主控系统主要用于控制锅炉主汽压力，优化的主要目的是改善锅炉主汽压力跟踪锅炉主汽压力给定的动态特性。
该锅炉主控系统是一个多变量加PID(Proportion integrationdifferentiation，分别包括比例、积分和微分的控制器)的控制系统，PID主要起到了一种反馈校正作用。由于PID的控制性能不高，实际PID的作用比较弱。主要存在问题是锅炉主控输出的波动较大，波动主要是前馈控制量的误差引起的。在稳态负荷下，主汽压力波动(4小时内)的最大值为0.52MPa.在变负荷过程，主汽压力的最大动态偏差为1.35MPa。
采用本发明第二实施例提供的超前串级控制方法对所述锅炉主控系统进行优化，并且加强了超前串级控制方法在多变量控制系统中的反馈校正作用,如图2所示。
在图2中，负荷修正函数在不同的负荷指令下，修正本发明第二实施例提供的当前滞后超前串级控制的参数，以对过程的慢时变有一定的跟踪特性。
在机组825MW负荷，现场试验测得该锅炉主控输出，即主控压力对象的二阶模型通过第十四公式表示为：
式中，GSOM(s)为SOM的传递函数。
SOM对应的T0.63≈540s，设置在机组负荷825MW的当前滞后超前串级控制参数为：
得到所述过程滞后时间T0.63≈540s，所述过程增益PG＝0.89；设置所述类似积分器中滑动窗时间长度，即TSI-SW＝T0.63＝540s。设置所述滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，即TSWTD-SW＝0.25～0.5T0.63，实际取TSWTD-SW＝0.38T0.63≈205s。设置所述预设数的比例增益，即KP＝0.5/PG≈0.56。
其中在机组650MW至800MW至710MW的变负荷过程,得到锅炉主控系统采用当前本发明第二实施例提供的超前串级控制方法优化后的控制特性,如图3所示。
其中，锅炉主控输出为：400-1000MW，锅炉压力给定为：17-32MPa，机组负荷指令为：450-850MW，锅炉主汽压力为：17-32MPa；
由图3可见，采用本发明第二实施例提供的超前串级控制方法后，锅炉主控输出变化比较平稳。根据数据统计结果表明，在变负荷过程，锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态偏差一般不超过0.93MPa。在稳态负荷下，主汽压力波动(4小时内)一般不超过0.37Mpa。相对于常规的PID控制方法，本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的改善率在25％～30％左右。
前述的过程对象环节通过第四公式表示为：
式中，WPO(s)为所述过程对象传递函数。
能够求得过程滞后时间T0.63≈411s，所述过程增益PG＝1；设置所述类似积分器中滑动窗时间长度，即＝T0.63＝411s。设置所述滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，即TSWTD-SW＝0.25～0.5T0.63，实际取TSWTD-SW＝0.38T0.63≈156s。设置所述预设数的比例增益，即KP＝0.5/PG＝0.5。
特别地，在本发明第二实施例提供的超前串级控制方法列出的具体的应用例中，由于应用场景的特殊性，在本发明第一实施例和本发明第二实施例中所提到的过程偏差输出量、比例控制输出量、第一加法输出量、类似比例积分控制输出量、减法输出量、类似比例微分控制输出量等等都与过程给定量有关，是在具体对过程给定量进行控制时每一个环节的输出量，而在实际的控制过程中，这些输出量难以获取具体数值，因为整个控制环节是一体的。
参见图4-6，其中：图4为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一过程输出结果示意图；图5为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一控制输出结果示意图；图6为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验一的结果示意图。
当过程给定量＝1,外扰＝0.5时，所得到的过程对象环节输出的仿真实验结果的如图4和图5所示：图4为过程输出量的仿真实验结果示意图，图5为通过本发明第二实施例的超前串级控制方法的控制输出量的仿真实验结果示意图。
改变所述滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，即TSWTD-SW，分别设置TSWTD-SW＝103s、154s、206s，得到的实验结果如图6所示，图6表明所述滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，即TSWTD-SW在较大范围变化时，对本发明第二实施例提供的超前串级控制方法控制特性的影响并不明显。
将过程对象环节改成通过第十五公式表示为：
参见图7和图8，图7为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二过程输出结果示意图；图8为本发明第二实施例提供的超前串级控制方法的仿真实验二控制输出结果示意图；
在不改变已给出的控制参数的前提下，在该过程给定＝1，外扰＝0.5时，所得到的过程对象环节的控制结果的仿真实验结果分别如图7和图8所示。出于比较，图4的实验对象为纯滞后比例近50％的难控过程，图7的实验对象为纯滞后比例75％的难控过程，从图4和图7能够表明，在不改变已给出的控制参数的前提下，本发明第二实施例提供的超前串级控制方法对难控过程具有较好的控制特性，依据过程响应的信息进行参数整定，完全不依赖模型。本发明第二实施例提供的超前串级控制方法构造的类似比例积分控制提高了跟踪稳态偏差的效率，即提高了积分控制性能；构造的类似比例微分控制，提高了跟踪输入微分的效率，也即提高了微分控制性能。
本发明实施例第二方面提供一种超前串级控制装置，包括：
输出过程偏差模块10，用于将过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出；
输出比例控制模块20，用于将所述过程偏差输出量输入到比例控制环节得到比例控制输出量；
输出类似比例积分控制模块30，用于将第一滑动滤波输出量和所述比例控制输出量分别输入到第一加法环节的第一输入端和所述第一加法环节的第二输入端，得到的第一加法输出量经过第一滑动窗滤波环节输入到第二加法环节的第一输入端，并将所述比例输出量输入到所述第二加法环节的第二输入端，所述第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
输出类似比例微分控制模块40，用于将所述类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节输入到第二减法环节的第一输入端，以及将所述类似比例积分控制输出量输入到所述第二减法环节的第二输入端，得到的减法输出量进入第三加法环节的第一输入端，所述类似比例积分控制输出量进入所述第三加法环节的第二输入端，所述第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
输出过程输出模块50，用于将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，得到第二过程输出量，输出所述第二过程输出量，并令所述第二过程输出量为所述第一过程输出量输入到所述第一减法环节。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超前串级控制方法，其特征在于，包括：
将过程给定量进行标幺化，并将所述过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出量；
将所述过程偏差输出量输入到比例控制环节得到比例控制输出量；
将第一滑动滤波输出量输入到第一加法环节的第一输入端，所述比例控制输出量输入到所述第一加法环节的第二输入端，得到的第一加法输出量经过第一滑动窗滤波环节输入到第二加法环节的第一输入端，并将所述比例控制输出量输入到所述第二加法环节的第二输入端，所述第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
将所述类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节输入到第二减法环节的第一输入端，以及将所述类似比例积分控制输出量输入到所述第二减法环节的第二输入端，得到的减法输出量进入第三加法环节的第一输入端，所述类似比例积分控制输出量进入所述第三加法环节的第二输入端，所述第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，所述过程对象环节根据所述类似比例微分控制输出量输出所述第二过程输出量，并令所述第二过程输出量为所述第一过程输出量输入到所述第一减法环节。
2.根据权利要求1所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述将过程给定量和第一过程输出量进行标幺化通过第一公式表达为：
式中，P(t)为所述过程给定量；Prange为过程给定量的量程，单位由具体的系统所决定；Pstandard(t)为标幺化过程给定量，单位无量纲。
3.根据权利要求1所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述第一滑动窗滤波环节具体为滑动窗滤波器。
4.根据权利要求3所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述滑动窗滤波器通过第二公式表达如下：
式中，WSI(s)为类似积分器的传递函数，WSI-SWF(s)为类似积分器中滑动窗滤波的传递函数，TSI-SW为类似积分器中滑动窗时间长度，单位s。
5.根据权利要求1所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述第二滑动窗滤波环节具体为滑动窗跟踪微分器。
6.根据权利要求5所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述滑动窗跟踪微分器通过第三公式表达如下：
式中，WSWTD(s)为滑动窗跟踪微分器的传递函数，WSWTD-SWF(s)为滑动窗跟踪微分器中滑动窗滤波的传递函数，TSWTD-SW为滑动窗跟踪微分器中滑动窗时间长度，单位s。
7.根据权利要求1所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，得到第二过程输出量具体包括：
所述类似比例微分控制输出量输入到所述过程对象环节，所述过程对象环节通过过程对象函数对所述类似比例微分控制输出量进行计算，得到所述第二过程输出量；其中，所述过程对象传递函数通过第四公式表达为：
式中，WPO(s)为所述过程对象传递函数。
8.根据权利要求1所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述将过程给定量和第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出具体包括：将过程给定量输入到第一减法环节的被减输入端，第一过程输出量输入到所述第一减法环节的减输入端。
9.根据权利要求1所述的超前串级控制方法，其特征在于，所述第二减法环节的第一输入端具体为所述第二减法环节的被减输入端，所述第二减法环节的第二输入端具体为所述第二减法环节的减输入端。
10.一种超前串级控制装置，其特征在于，包括：
输出过程偏差模块，用于将过程给定量进行标幺化，并将所述过程给定量和所述第一过程输出量输入到第一减法环节，所述第一减法环节输出过程偏差输出；
输出比例控制模块，用于将所述过程偏差输出量输入到比例控制环节得到比例控制输出量；
输出类似比例积分控制模块，用于将第一滑动滤波输出量和所述比例控制输出量分别输入到第一加法环节的第一输入端和所述第一加法环节的第二输入端，得到的第一加法输出量经过第一滑动窗滤波环节输入到第二加法环节的第一输入端，并将所述比例输出量输入到所述第二加法环节的第二输入端，所述第二加法环节输出类似比例积分控制输出量；
获取类似比例微分控制模块，用于将所述类似比例积分控制输出量经过第二滑动窗滤波环节输入到第二减法环节的第一输入端，以及将所述类似比例积分控制输出量输入到所述第二减法环节的第二输入端，得到的减法输出量进入第三加法环节的第一输入端，所述类似比例积分控制输出量进入所述第三加法环节的第二输入端，所述第三加法环节输出类似比例微分控制输出量；
获取过程输出模块，用于将所述类似比例微分控制输出量输入到过程对象环节，得到第二过程输出量，输出所述第二过程输出量，并令所述第二过程输出量为所述第一过程输出量输入到所述第一减法环节。
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