CN109445275B - 一种比例滞后控制方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种比例滞后控制方法、装置、设备及计算机可读存储介质，其方法包括：S1：将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；S2：根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；S3：对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；S4：对输入信号与积分信号进行加法运算，得到比例积分信号；S5：对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号，返回步骤S2。相对于现有技术，本申请所提供的比例滞后控制方法有效提高了滞后控制跟踪稳态偏差的效率，并且容易工程运用。

Description

一种比例滞后控制方法、装置及设备

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种比例滞后控制方法、装置及设备。

背景技术

PID(Proportion integration differentiation)控制技术在过程控制领域有广泛的应用，PID控制性能高于PI(Proportion integration)控制，但是PID控制的高频增益也高于PI控制，在一些存在随机干扰比较严重的过程中，由于PI控制的高频增益相对较低，只适合选用PI控制。PID或PI控制中的积分控制是一种滞后控制，现有的滞后控制主要存在跟踪稳态偏差效率不高的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种比例滞后控制方法、装置及设备，有效提高了滞后控制存在跟踪稳态偏差的效率，容易工程运用。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种比例滞后控制方法，所述方法包括：

S1：将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；

S2：根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；

S3：对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；

S4：对输入信号与积分信号进行加法运算，得到比例积分信号；

S5：对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号，返回步骤S2。

可选地，

所述预设值具体为10。

可选地，

所述将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数之前，还包括：

获取低通滤波时间常数。

本申请第二方面提供了一种比例滞后控制装置，包括：转换模块、运算模块、滤波模块、积分模块、循环输出模块；

所述转换模块，用于将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；

所述运算模块，用于根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；

所述滤波模块，用于对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；

所述积分模块，用于对输入信号与积分信号进行加法运算，得到比例积分信号；

所述循环输出模块，用于对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号，返回运算模块。

可选的，还包括获取模块；

所述获取模块，用于获取低通滤波时间常数。

本申请第三方面提供了一种比例滞后控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上述第一方面所述的比例滞后控制方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上述第一方面所述的比例滞后控制方法。

本申请第五方面提供了一种包括指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行如上述第一方面所述的比例滞后控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种比例滞后控制方法和装置，通过将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号，再将积分信号与输入信号进行加法运算，得到比例积分信号，最后对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号返回1阶惯性运算，使得持续输出比例滞后控制输出信号。相对于现有技术，本申请实施例所提供的比例滞后控制方法所应用的比例积分控制器在开环条件下的输出速度更快；在闭环控制中，本申请实施例能够有效提高过程输出跟踪过程给定的速度；在本申请实施例构成的闭环控制回路中，对难控过程具有较好的控制品质。

附图说明

图1为本申请实施例中比例滞后控制方法第一实施例的方法流程图；

图2为本申请实施例中比例滞后控制方法第二实施例的方法流程图；

图3为本申请实施例中比例滞后控制方法中预设值为10时的运算流程示意图；

图4为本申请所提供的惯性组合滤波方式对应的滤波器与现有技术中滤波器的滤波特性对比示意图；

图5为常规积分器的信号传输示意图；

图6为本申请实施例所提供的比例滞后控制方式对应的新型积分器的信号传输示意图；

图7为本申请所提供的积分信号获取方法对应的新型积分器和常用积分器的输出特性对比示意图；

图8为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验流程示意图；

图9为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验第一种效果示意图；

图10为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验第二种效果示意图；

图11为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验第三种效果示意图；

图12为本申请实施例所提供的比例滞后控制装置的结构示意图

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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。

本申请设计了一种比例滞后控制方法，有效提高了积分控制存在跟踪稳态偏差的效率，容易工程运用。

以下为本申请所提供的比例滞后控制方法的第一实施例。请参阅图1，图1为本申请实施例中比例滞后控制方法第一实施例的方法流程图，具体包括：

步骤101，将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；

可以理解的是，滤波器有固定的低通滤波时间常数，本申请所提供的方法首先需要将时间常数除以一个预设值，得到本申请所需要的1阶惯性时间常数，这个预设值可以根据要求进行选择。

步骤102，根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；

用得到的1阶惯性时间常数对输入信号进行1阶惯性运算，需要说明的是，对低通滤波时间常数除以的预设值，即为进行1阶惯性运算的次数。例如，将低通滤波时间常数除以16，那么就对输入信号进行16次1阶惯性运算，其中，运算所用的时间常数为1阶惯性时间常数。每一次运算均可以得到一个输出信号，并将此输出信号作为下一次运算的输入信号，因此，会得到预设值个输出信号。

步骤103，对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；

在得到预设值个输出信号后，对得到的预设值个输出信号求平均值，可以得到积分信号。

步骤104，对输入信号与积分信号进行加法运算，得到比例积分信号；

在得到积分信号后，将输入信号和积分信号相加，得到比例积分信号。

步骤105，对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号，返回步骤102。

对比例积分信号进行比例运算，即输出得到比例滞后控制输出信号。

其中，可以用K_PL表达比例运算的比例增量。可以理解的是，K_PL的范围在0.4至0.5之间，其中，当K_PL＝0.4时，在过程给定阶跃变化时，过程输出无超调；K_PL＝0.5时，过程输出超调量小于7％；K_PL＝0.45时，过程输出超调量小于3.5％。

同时，将比例积分信号作为输入信号，返回步骤102继续进行1阶惯性运算，持续得到比例滞后控制输出信号。

将实施例用于过程控制仿真实验步骤：获取过程给定与过程输出的过程偏差信号；用过程偏差信号替换输入信号；将比例滞后控制输出信号接入到仿真过程对象的输入端；仿真过程对象的输出为过程输出。

仿真过程对象的传递函数为

式中，W_PO(s)为过程对象的的传递函数。K_PO为过程增益，单位无量纲。n为整数阶次，单位无量纲；T_PO为惯性时间常数，单位s。T_L为纯滞后常数，单位s。

实施例参数设置，表达为

T_F＝T_0.63 (2)

式中，T_0.63为过程滞后时间，单位s；P_G为过程增益，单位无量纲。

本申请实施例所提供的比例滞后控制方法通过将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号，再将积分信号与输入信号进行加法运算，得到比例积分信号，最后对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号返回1阶惯性运算，使得持续输出比例滞后控制输出信号。相对于现有技术，本申请实施例所提供的比例滞后控制方法所应用的比例积分控制器在开环条件下的输出速度更快；在闭环控制中，本申请实施例能够有效提高过程输出跟踪过程给定的速度；在本申请实施例构成的闭环控制回路中，对难控过程具有较好的控制品质。

为了便于理解，本申请所提供了第二实施例，其中，预设值具体为10，请参阅图2，图2为本申请实施例中比例滞后控制方法第二实施例的方法流程图，具体包括：

步骤201，获取低通滤波时间常数；

可以理解的是，如果滤波器的提供滤波时间常数未知，那么在进行本申请的比例滞后控制前，需要先获取低通滤波时间常数。

步骤202，将低通滤波时间常数除以10，得到1阶惯性时间常数；

例如，滤波器的低通滤波时间常数为200s(秒)，本申请实施例所需的1阶惯性时间常数为20s。

步骤203、步骤204、步骤205和步骤206的具体流程示意图请同时参考图3，图3为本申请实施例中比例滞后控制方法中预设值为10时的运算流程示意图。

步骤203，根据1阶惯性时间常数对输入信号进行10次1阶惯性运算，得到10个输出信号；

可以理解的是，此步骤具体为：

对输入信号进行1阶惯性运算，得到第1输出信号；

对第1输出信号进行1阶惯性运算，得到第2输出信号；

对第2输出信号进行1阶惯性运算，得到第3输出信号；

对第3输出信号进行1阶惯性运算，得到第4输出信号；

对第4输出信号进行1阶惯性运算，得到第5输出信号；

对第5输出信号进行1阶惯性运算，得到第6输出信号；

对第6输出信号进行1阶惯性运算，得到第7输出信号；

对第7输出信号进行1阶惯性运算，得到第8输出信号；

对第8输出信号进行1阶惯性运算，得到第9输出信号；

对第9输出信号进行1阶惯性运算，得到第10输出信号。

当预设值根据要求设定为8、12、16等值时，均可以进行上述1阶惯性运算。

步骤204，对10个输出信号求平均值，得到积分信号。

可以理解的是，此步骤具体为：

将第1输出信号、第2输出信号、第3输出信号、第4输出信号、第5输出信号、第6输出信号、第7输出信号、第8输出信号、第9输出信号、第10输出信号相加，得到第11输出信号；并对第11输出信号进行比例运算，并输出为第12输出信号，即积分信号。其中，比例运算的增益为0.1。

即，对第1输出信号、第2输出信号、第3输出信号、第4输出信号、第5输出信号、第6输出信号、第7输出信号、第8输出信号、第9输出信号、第10输出信号求平均值。

步骤205，对输入信号与积分信号进行加法运算，得到比例积分信号。

此步骤与第一实施例中的步骤104一致，将属于信号与第12输出信号进行加法运算，得到比例积分信号。

步骤206，对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号，返回步骤203。

此步骤与第一实施例中的步骤105一致，此处不再赘述。

本申请实施例所提供的比例滞后控制方式的预设值为10，随着预设值的提高，输出跟踪输入的速度趋于饱和，因此，根据实验和工程应用角度看，预设值为10为优选的选取数值。

本申请实施例中，获取积分信号的方法即为获取滤波信号的方法，获取滤波信号的方法为本申请提供的惯性组合滤波方式，其对应的惯性组合滤波器(Inertialcombination filter,ICF)的表达式为：

式中，W_ICF(s)为ICF的传递函数；T_ICF为低通滤波时间常数,单位s；n为整数阶次,即预设值，单位无量纲；W_ICF(jω)为ICF的频域函数；G_ICF(ω)为ICF的幅频增益,单位无量纲；PH_ICF(ω)为ICF的相频相位,单位°；ω为正弦频率,单位rad/s。

ICF具有典型的低通滤波(Low pass filter,LPF)特性。其中，现有技术中的一阶惯性滤波器(First order inertial filter,FOIF)是n＝1的本申请所提供的ICF的特殊形式。

FOIF表达式为：

式中，W_FOIF(s)为FOIF的传递函数；T_FOIF为惯性时间常数，单位s；W_FOIF(jω)为FOIF的频域函数；G_FOIF(ω)为FOIF的幅频增益，单位无量纲；PH_FOIF(ω)为FOIF的相频相位，单位°。

设定T_ICF＝200s，分别取n＝1、n＝3、n＝10时得到的实验结果请参阅图4，图4为本申请所提供的惯性组合滤波方式对应的滤波器与现有技术中滤波器的滤波特性对比示意图。

n越大，ICF输出跟踪输入的速度也越快。但是随着n的提高，输出跟踪输入的速度趋于饱和，从工程应用角度看，取n＝10已经足够了。

在PID中,积分(Integration,I)控制起到了一种消除稳态偏差的作用.但是常规的积分控制存在跟踪稳态偏差的效率不高的问题，当用FOIF构建一种正反馈环境，可以得到常规的积分器，请参阅图5，图5为常规积分器的信号传输示意图。

I的表达式为：

式中，W_I(s)为I的传递函数；T_I为积分时间常数，单位s。数量上，T_I＝T_FOIF。

采用ICF构造本申请所提供的比例滞后控制方法中积分信号提取方法所应用的新型积分器(New Integration，NI)，请参阅图6，图6为本申请实施例所提供的比例滞后控制方式对应的新型积分器的信号传输示意图。

NI的表达式为：

T_NI＝T_ICF

式中，W_NI(s)为NI的传递函数；T_NI为ND的积分时间常数，单位s；数量上,T_NI＝T_ICF。

用Y_S-NI(t)和Y_S-I(t)分别表达NI和I在单位阶跃输入的过程输出，在n＝10，T_NI＝T_I＝200s，得到的实验结果请参考图7，图7为本申请所提供的积分信号获取方法对应的新型积分器和常用积分器的输出特性对比示意图。由图可知，NI具有比I更高的输出效率。

将NI用于构造本申请所提供的比例滞后控制方法应用的比例滞后控制器(Proportion lagging,PL)。

PL表达式为：

W_PL(s)＝K_PL[1+W_NI(s)] (7)

式中，T_0.63为过程滞后时间，单位s；P_G为过程增益，单位无量纲。

K_PL的范围在0.4至0.5之间，其中，当K_PL＝0.4时，在过程给定阶跃变化时，过程输出无超调；K_PL＝0.5时，过程输出超调量小于7％；K_PL＝0.45时，过程输出超调量小于3.5％。

这种PL参数整定方法避开了模型辨识、模型降价、类似PID参数整定等繁琐的问题，适用范围从一阶惯性过程(First order inertial filter Process,FOIP)到无穷阶过程(Infinite order Process,IOP)，其中纯滞后过程是一种IOP。

请参考图8，图8为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验流程示意图；

在仿真实验训练上，采用一种黑匣子方法，即实验者不知道具体的模型，并且模拟实际的过程时间，目的是考察PL参数整定的效率。以控制一个总滞后为200s的过程为例，实验发现：对于PL控制，多数实验者在不到30分钟的时间已经能够获得满意的实验结果。但是对于PID或PI控制，多数实验者即便花费2小时也难以获得满意的实验效果。

控制一个2阶100s惯性加200s纯滞后过程，设置T_NI＝412s，K_PL＝0.45,在输入1，外扰0.5，得到的仿真实验结果如图9所示，图9为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验第一种效果示意图。

在不改变PL控制参数的情况下,对于400s纯滞后过程,得到的仿真实验结果如图10所示，图10为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验第二种效果示意图。

在不改变PL控制参数的情况下,对于4阶100s惯性过程,得到的仿真实验结果如图11所示，图11为本申请实施例所提供的一种比例滞后控制方法用于过程控制仿真实验第三种效果示意图。

本申请第二方面提供了一种比例滞后控制装置。

请参考图12，图12为本申请实施例所提供的比例滞后控制装置的结构示意图，包括：转换模块301，运算模块302，滤波模块303，积分模块304，循环输出模块305。

转换模块301，用于将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；

运算模块302，用于根据1阶惯性时间常数对输入信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；

滤波模块303用于对预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；

积分模块304，用于对输入信号与积分信号进行加法运算，得到比例积分信号；

循环输出模块305，用于对比例积分信号进行比例运算并输出，同时将比例积分信号作为输入信号，返回运算模块302。

进一步的，还包括获取模块306：

获取模块306，用于获取低通滤波时间常数。

本申请第三方面提供了一种比例滞后控制设备，包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行本申请第一方面所提供的比例滞后控制方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行本申请第一方面所提供的比例滞后控制方法。

本申请第五方面提供了一种包括指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行本申请第一方面所提供的比例滞后控制方法。

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。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，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 (7)

1.一种比例滞后控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1：将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；

S2：根据1阶惯性时间常数对比例积分信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；

S3：对所述预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；

S4：对输入信号与所述积分信号进行加法运算，得到比例积分信号，所述输入信号为过程偏差信号；

S5：对所述比例积分信号进行比例运算并输出，返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的比例滞后控制方法，其特征在于，

所述预设值具体为10。

3.根据权利要求1所述的比例滞后控制方法，其特征在于，

所述将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数之前，还包括：

获取低通滤波时间常数。

4.一种比例滞后控制装置，其特征在于，包括：转换模块、运算模块、滤波模块、积分模块、循环输出模块；

所述转换模块，用于将低通滤波时间常数除以预设值，得到1阶惯性时间常数；

所述运算模块，用于根据所述1阶惯性时间常数对比例积分信号进行预设值次1阶惯性运算，得到预设值个输出信号；

所述滤波模块，用于对所述预设值个输出信号求平均值，得到积分信号；

所述积分模块，用于对输入信号与所述积分信号进行加法运算，得到比例积分信号，所述输入信号为过程偏差信号；

所述循环输出模块，用于对所述比例积分信号进行比例运算并输出，返回所述运算模块。

5.根据权利要求4所述的比例滞后控制装置，其特征在于，还包括获取模块；

所述获取模块，用于获取低通滤波时间常数。

6.一种比例滞后控制设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1-3任一项所述的比例滞后控制方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如权利要求1-3任一项所述的比例滞后控制方法。

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