CN109100933B - 一种限幅微分控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种限幅微分控制方法，用于提高大惯性、大滞后、被控对象的控制品质，其技术方案是，所述方法采用限幅微分控制器对被控对象进行控制，当限幅微分控制器的输出小于或等于限幅值时，不对限幅微分控制器的输出进行限制；当限幅微分控制器的输出大于限幅值时，在对限幅微分控制器的输出进行限幅的同时，对微分环节中的惯性时间进行闭环调整，通过增加微分控制惯性时间的方法减小微分输出幅度并使总的微分控制量保持不变。本发明在保持总的微分控制作用不变的条件下，将微分的输出控制在合理的范围内，在大滞后、大惯性对象以及需要大的微分作用进行动态补偿的控制系统中，控制效果明显优于传统微分控方法。本发明各参数物理意义明确，现场调试简便快捷。

Description

一种限幅微分控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于大惯性、大滞后、强干扰被控对象的微分控制方法，属于控制技术领域。
背景技术
过程控制中应用最多的控制器为PID(比例、积分、微分)控制器。特别是对于大惯性、大滞后被控对象，需要依靠微分控制能够提前反映被控参数变化趋势以及调节相位超前的特性，来加速调节过程，提高参数的控制品质和系统的闭环稳定性。另外，对于无自平衡能力被控对象，微分控制作用等效为有自平衡能力被控对象控制系统中的比例控制作用，增加微分控制的作用可以显著提高无自平衡能力被控对象的控制品质。再者，大微分作用也常应用于许多如动态前馈、动态特性补偿、预测校正、高通滤波等信号处理和控制逻辑中。但是，传统微分控制存在着明显的不足，微分作用会放大控制偏差输入信号中的高频分量和快速变化的部分，导致控制输出动作的幅度和频率增加，引起执行结构过载、磨损等故障；同时微分控制抗扰动能力特别是高频扰动能力差，微分作用会放大扰动的变化，导致控制系统产生不必要的动作。
微分的数学表达式为：
Figure 1
其中：x&为微分输出信号；x为输入信号；d/dt为微分算子。
微分的物理意义是计算输入信号的瞬时变化速率。理论上，其输出值的大小与输入信号的变化幅度无关，而仅与输入信号的变化速率有关。在实际控制系统中，使用微分控制可能出现以下情况：虽然输入信号变化幅度很小，但只要变化速率足够快，控制器就可以产生一个极大的瞬时输出。为了避免这种情况，实际控制系统中都需要对微分控制进行滤波和限幅处理。
工程上常用的实际微分控制器的传递函数Gd(s)为：
Figure BDA0001727275400000021
其中：Td为微分时间，s；Kd为惯性时间，s；s为拉式变换的复变量，无单位。
实际微分控制器可以通过调整惯性时间的大小对输出进行惯性滤波，惯性时间越大，惯性滤波作用越强，抑制输出变化和高频干扰的能力越强，但过大的惯性作用会削弱微分的超前调节作用。限幅作用可以将微分输出的变化限定在合理范围内，保证微分输出不越限，但显而易见的缺点是输出被限幅时会减少微分作用的总量，削弱微分的调节或动态补偿作用。
发电、化工等过程自动化领域内存在很多大惯性、大滞后、强干扰被控对象，例如火电机组过热/再热汽温控制、主蒸汽压力控制；循环流化床机组的床温控制、炉内脱硫控制；化工行业的蒸馏塔温度控制等。传统微分控制器在应用中存在两难的选择，增加惯性滤波和限幅作用，微分控制作用弱，系统控制品质差；而减弱惯性滤波和限幅作用，控制器输出动作幅度大，执行机构磨损严重。现场很难找到参数调试的平衡点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种限幅微分控制方法，以提升大滞后、大惯性对象以及需要大的微分作用进行动态补偿的控制系统的控制品质。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种限幅微分控制方法，所述方法采用限幅微分控制器对被控对象进行控制，当限幅微分控制器的输出小于或等于限幅值时，不对限幅微分控制器的输出进行限制；当限幅微分控制器的输出大于限幅值时，在对限幅微分控制器的输出进行限幅的同时，对微分环节中的惯性时间进行闭环调整，通过增加微分控制惯性时间的方法减小微分输出幅度并使总的微分控制量保持不变。
上述限幅微分控制方法，当限幅微分控制器的输出大于限幅值时，惯性时间的调整方法如下：
Kds＝Kd+KdK1|Δe|
其中：Kd为惯性时间，Kds为限幅微分控制器的调整惯性时间，K1为放大倍数，|Δe|为限幅前微分输出减限幅后微分输出之差的绝对值。
上述限幅微分控制方法，所述限幅微分控制器包括增益模块、积分计算模块、高低限幅模块、绝对值计算模块、两个乘法计算模块、四个求和计算模块和两个除法计算模块；微分时间与需要进行微分计算的信号输入第一乘法计算模块；惯性时间与增益模块的输出值输入第二乘法计算模块，第二乘法计算模块的输出值与惯性时间由第一求和计算模块求和后作为两个除法计算模块输入端的除数，第一乘法计算模块与积分计算模块的输出在第二求和计算模块中求差后作为第一除法计算模块输入端的被除数，第一除法计算模块的输出作为积分计算模块的输入，积分计算模块与第一乘法计算模块的输出在第三求和计算模块中求差后作为第二除法计算模块输入端的被除数，第二除法计算模块的输出经过高低限幅模块得到微分信号输出，高低限幅模块的输入与输出值在第四求和计算模块中求差，得到绝对值计算模块的输入值，绝对值计算模块的输出值作为增益模块的输入值。
上述限幅微分控制方法，所述增益模块的放大倍数的取值范围为10～50。
本发明在保持总的微分控制作用不变的条件下，将微分的输出限制在合理的范围内，在大滞后、大惯性对象以及需要大的微分作用进行动态补偿的控制系统中，控制效果明显优于传统微分控制方法。本发明的具体优点为：
(1)控制效果好。本发明提出的限幅微分控制方法，可以在保持总的微分控制作用不变的条件下，将微分的输出限制在合理的范围内。在大滞后、大惯性对象以及需要大的微分作用进行动态补偿的控制系统中，应用效果明显优于传统微分控制器。
(2)现场调试简便快捷。限幅微分控制器只有两个调试参数，各参数物理意义明确，调试简单方便。
下面结合附图对本发明作进一步详述。
附图说明
图1是可调整惯性时间的一阶惯性环节的系统结构框图；
图2是限幅微分控制器结构。
文中各符号分别表示为：x&为微分输出信号；x为输入信号；d/dt为微分算子；Gd(s)为实际微分控制器的传递函数；Td为微分时间；Kd为惯性时间；s为拉式变换的复变量，Kds为限幅微分控制器的调整惯性时间；K1为放大倍数；|Δe| 为限幅前微分输出减限幅后微分输出之差的绝对值；r为可调整惯性时间的一阶惯性环节的输入信号；y为可调整惯性时间的一阶惯性环节的输出信号；K1为增益模块K1；MUL1为第一乘法计算模块；MUL2为第二乘法计算模块；SUM1～ SUM4为第一求和计算模块～第四求和计算模块；DIV1为第一除法计算模块， DIV2为第二除法计算模块，带标志“B”的输入端为被除数；INTE为积分计算模块；H//L为高低限幅模块；ABS为绝对值计算模块。
具体实施方式
本发明针对采用惯性滤波和输出限幅的微分控制器应用于大惯性、大滞后、强干扰对象控制时存在的不足，提出了一种限幅微分控制方法。该限幅微分控制方法能够在保证总的微分控制作用不变的条件下，通过闭环调整实际微分环节中的惯性时间，将微分控制器输出的变化幅度限制在合理范围内。当输入信号慢速变化、微分控制输出的变化幅度较小时，限幅微分控制器同传统实际微分控制器无异；当输入信号快速变化、微分控制输出的变化幅度较大时，限幅微分控制器的输出将被限制在合理范围内，以增加微分控制的惯性时间为代价换取总的微分控制量保持不变。同传统附加惯性滤波、限幅的实际微分控制器相比，能够达到更好的控制效果。
本发明的技术原理是：
对式2变形后可得式3：
Figure BDA0001727275400000041
式3为两项相乘，其中Td/Kd为增益项，增益与惯性时间Kd成反比；其中 1-1/(1+Kds)为利用惯性环节构造的微分项，对于幅值为1的阶跃输入，微分项的最大输出幅值为1，然后逐渐减小至0，即微分项的动态增益为1，而微分作用的持续时间，则与惯性时间Kd成正比。所以，通过调整惯性时间Kd，可以调整微分输出的变化幅度和微分作用的持续时间，输出变化幅度大时微分作用持续时间短，输出变化幅度小时微分作用持续时间长，并且总微分量保持不变。
基于以上分析可以设计一种变参数控制策略：当微分控制器输出超过限幅值时，迅速增加微分控制器的惯性时间，通过延长微分作用的持续时间来降低微分控制器输出的幅值，保持微分量不变。一种可采用的控制策略的输入输出表达式为：
Kds＝Kd+KdK1|Δe| (4)
其中：Kds为限幅微分控制器的调整惯性时间，s；K1为偏差放大倍数，无单位； |Δe|为限幅前微分输出减限幅后微分输出之差的绝对值，无单位。
由式4可以看到，限幅前微分输出和限幅后微分输出的偏差的绝对值越大，限幅微分控制器的调整惯性时间越大。并且，偏差放大倍数的设置方式与原始微分时间Td值大小无关。
可调整惯性时间的一阶惯性环节的系统结构框图如图1所示，图1得到的闭环传递函数Ggs(s)如式5。在图1所示的结构中，可以直接改变Kds。
Figure BDA0001727275400000051
发明技术方案
实现本发明的控制器结构示意图如图2所示，图中：K1为增益模块，增益值设置为K1；MUL1为第一乘法计算模块；MUL2为第二乘法计算模块；SUM1～ SUM4为第一求和计算模块～第四求和计算模块；DIV1为第一除法计算模块， DIV2为第二除法计算模块，带标志“B”的输入端为被除数；INTE为积分计算模块；H//L为高低限幅模块；ABS为绝对值计算模块。
下面按功能介绍各部分控制逻辑。
限幅微分控制器包括3个输入端，一个为信号输入端，输入需要进行微分计算的信号；另外两个为参数输入端，分别输入微分计算的微分时间和原始惯性时间。
其中第二求和计算模块SUM2、第一除法计算模块DIV1、积分计算模块INTE 构成惯性时间可调整的一阶惯性逻辑，再同第三求和计算模块SUM3一起构成动态增益为1的微分逻辑，进一步同第一乘法计算模块MUL1、第二除法计算模块DIV2一起构成式3描述的实际微分逻辑。
高低限幅模块H//L对实际微分逻辑的输出进行限幅。
第四求和计算模块SUM4、绝对值计算模块ABS、增益模块K1、第二乘法计算模块MUL2、第一求和计算模块SUM1构成式4所描述的调整惯性时间的计算逻辑。
限幅微分控制器包括2个可调参数：增益模块K1中的放大倍数K1，取值范围10～50之间，放大倍数越大，可调整惯性时间的计算误差越小，微分总量的累积误差越小，但系统高频振荡的风险增加；高低限幅模块H//L中的高低限幅值，根据现场需要确定。
实施步骤
(1)实施条件确认
本发明适用需要采用大的微分控制作用、且对微分输出变化幅度有限制的控制系统或信号处理逻辑，特别适用于大惯性、大滞后对象的控制，也适合于各种采用大的微分作用进行动态补偿、高通滤波等场合的应用。
(2)控制逻辑修改
在DCS(分散控制系统)、PLC(可编程控制器)等控制设备中，以组态或编程的方式实现图2所示的限幅微分控制逻辑，替换掉原有微分及附属的滤波、限幅逻辑。替换方法包括：直接删除原组态逻辑或控制程序，更换为新的限幅微分控制逻辑；对于一些微分功能和其它功能封装在一起不可拆分的控制模块或控制程序，可以采用将原逻辑输入信号接入新的限幅微分控制逻辑，将限幅微分输出与原输出求和，并将原控制模块或程序中的微分时间设置为0的方式进行修改。
(3)参数调试
根据现场对微分作用输出幅度变化范围的要求设置高低限幅模块H//L的高低限；根据对微分总量偏差控制的要求调整增益模块K1中的放大倍数K1，K1合适的取值范围在10～50之间。
参数调试完成后，限幅微分控制器可以投入使用。

Claims (2)

1.一种限幅微分控制方法，其特征是，所述方法采用限幅微分控制器对被控对象进行控制，当微分控制器的输出小于或等于限幅值时，不对限幅微分控制器的输出进行限制；当微分控制器的输出大于限幅值时，在对微分控制器的输出进行限幅的同时，对微分环节中的惯性时间进行闭环调整，通过增加微分控制惯性时间的方法减小微分输出幅度并使总的微分控制量保持不变；
当限幅微分控制器的输出的绝对值大于限幅值时，惯性时间的调整方法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：K d为惯性时间，K ds为限幅微分控制器的调整惯性时间，K 1为放大倍数，|Δe|为限幅前微分输出减限幅后微分输出之差的绝对值；
所述限幅微分控制器包括增益模块（K1）、积分计算模块（INTE）、高低限幅模块（H//L）、绝对值计算模块（ABS）、两个乘法计算模块、四个求和计算模块和两个除法计算模块；微分时间与需要进行微分计算的信号输入第一乘法计算模块（MUL1）；惯性时间与增益模块（K1）的输出值输入第二乘法计算模块（MUL2），第二乘法计算模块（MUL2）的输出值与惯性时间由第一求和计算模块（SUM1）求和后作为两个除法计算模块输入端的除数，第一乘法计算模块（MUL1）与积分计算模块（INTE）的输出在第二求和计算模块（SUM2）中求差后作为第一除法计算模块（DIV1）输入端的被除数，第一除法计算模块（DIV1）的输出作为积分计算模块（INTE）的输入，积分计算模块（INTE）与第一乘法计算模块（MUL1）的输出在第三求和计算模块（SUM3）中求差后作为第二除法计算模块（DIV2）输入端的被除数，第二除法计算模块（DIV2）的输出经过高低限幅模块（H//L）得到微分信号输出，高低限幅模块（H//L）的输入与输出值在第四求和计算模块（SUM4）中求差，得到绝对值计算模块（ABS）的输入值，绝对值计算模块（ABS）的输出值作为增益模块（K1）的输入值。
2.根据权利要求1所述的限幅微分控制方法，其特征是，所述增益模块（K1）的放大倍数的取值范围为10～50。
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