CN109901385B - 一种超前观测方法及装置 - Google Patents

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本申请提供了一种超前观测方法及装置，设置了超前观测时间；惯性组合滤波器；高增益比例‑积分控制器；1阶惯性滤波器；减法单元；在减法单元的被减输入端接入输入信号，输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将减法单元的输出端接入到高增益比例‑积分控制器的输入端，将高增益比例‑积分控制器的输出端接入到惯性组合滤波器的输入端，将惯性组合滤波器的输出端接入到减法单元的减输入端，将高增益比例‑积分控制器的输出端接入到1阶惯性滤波器的输入端，在1阶惯性滤波器的输出端，得到输入信号的超前观测输出。本申请超前相位峰值较高，超前相位峰值与增益峰值的比值较高。

Description

一种超前观测方法及装置
技术领域
本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种超前观测方法及装置。
背景技术
运用超前观测能够获取过程响应的提前信息，对于提高过程控制性能具有重要意义。超前观测有多种形式,例如微分器、惯性逆模型(Inertial inverse model,SOIIM)、比例-微分(Proportion-Differentiation,PD)控制器等。
在控制实际中，主要存在2种性质的滞后，惯性滞后和纯滞后。目前的超前观测主要是针对惯性滞后的，例如惯性逆模型可以实现针对惯性滞后的超前观测。在控制实际中，高阶惯性过程是普遍存在的。在理想情况下，高阶惯性逆模型能够观测到高阶惯性过程的输入。由于理论与实际之间存在偏差，高阶惯性逆模型的工程意义不大，例如存在难以处理的噪声干扰放大问题。在工程上，惯性逆模型的阶次不宜超过2阶，因此实际多采用降阶观测器，简称低阶观测器，本质上也是一种模型降阶。
但是低阶观测器的效率较低，也就是超前相位峰值(Leading phase peak value,LPPV)较低，超前相位峰值与增益峰值(Gain peak value,GPV)的比值较低。
发明内容
基于上述情况，本发明提出了一种超前观测方法及装置，主要特点是超前相位峰值较高，超前相位峰值与增益峰值的比值较高。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种超前观测方法，包括：
设置预设数的超前观测时间；
设置预设数的阶次的惯性组合滤波器；
设置预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；
设置预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器；
设置减法单元；
在所述减法单元的被减输入端接入输入信号，所述输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将所述减法单元的输出端接入到所述高增益比例-积分控制器的输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述惯性组合滤波器的输入端，将所述惯性组合滤波器的输出端接入到所述减法单元的减输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述1阶惯性滤波器的输入端，在所述1阶惯性滤波器的输出端，得到所述输入信号的超前观测输出。
优选地，具体通过惯性组合滤波器表达式设置预设数的阶次的惯性组合滤波器；
所述惯性组合滤波器表达式为：
Figure GDA0003851908010000021
其中，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数，TLO为预设数的的超前观测时间，单位为s，n为预设数的阶次，单位为无量纲。
优选地，具体通过高增益比例-积分控制器表达式设置预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；
所述高增益比例-积分控制器表达式为：
Figure GDA0003851908010000022
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，KHGPI为预设数的比率增益，单位为无量纲，THGPI为预设数的积分时间常数，单位为s。
优选地，具体通过1阶惯性滤波器表达式设置预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器；
所述1阶惯性滤波器表达式为：
Figure GDA0003851908010000023
其中，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，TFOIF为预设数的惯性时间常数，单位为s。
优选地，所述输入信号的超前观测输出为：
Figure GDA0003851908010000031
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数。
本申请第二方面提供一种超前观测装置，基于如第一方面的超前观测方法进行观测，包括：
预设数的阶次的惯性组合滤波器、预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器、预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器和减法单元；
在所述减法单元的被减输入端接入输入信号，所述输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将所述减法单元的输出端接入到所述高增益比例-积分控制器的输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述惯性组合滤波器的输入端，将所述惯性组合滤波器的输出端接入到所述减法单元的减输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述1阶惯性滤波器的输入端，在所述1阶惯性滤波器的输出端，得到所述输入信号的超前观测输出。
优选地，所述预设数的阶次的惯性组合滤波器的表达式为：
Figure GDA0003851908010000032
其中，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数，TLO为预设数的的超前观测时间，单位为s，n为预设数的阶次，单位为无量纲。
优选地，所述高增益比例-积分控制器的表达式为：
Figure GDA0003851908010000033
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，KHGPI为预设数的比率增益，单位为无量纲，THGPI为预设数的积分时间常数，单位为s。
优选地，所述1阶惯性滤波器的表达式为：
Figure GDA0003851908010000034
其中，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，TFOIF为预设数的惯性时间常数，单位为s。
优选地，所述输入信号的超前观测输出为：
Figure GDA0003851908010000041
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种超前观测方法及装置，设置了预设数的超前观测时间；预设数的阶次的惯性组合滤波器；预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器；减法单元；在减法单元的被减输入端接入输入信号，输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将减法单元的输出端接入到高增益比例-积分控制器的输入端，将高增益比例-积分控制器的输出端接入到惯性组合滤波器的输入端，将惯性组合滤波器的输出端接入到减法单元的减输入端，将高增益比例-积分控制器的输出端接入到1阶惯性滤波器的输入端，在1阶惯性滤波器的输出端，得到输入信号的超前观测输出。本申请超前相位峰值较高，超前相位峰值与增益峰值的比值较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请提供的一种超前观测方法的一个实施例的示意图；
图2为本申请提供的一种超前观测装置的一个实施例的示意图；
图3为本发明实施例与1阶超前观测器和2阶超前观测器的频率特性对比示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种超前观测方法及装置，主要特点是超前相位峰值较高，超前相位峰值与增益峰值的比值较高。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请提供的一种超前观测方法的一个实施例，包括：
101、设置预设数的超前观测时间；
用TLO表达前观测时间，单位为s；
102、设置预设数的阶次的惯性组合滤波器；
103、设置预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；
104、设置预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器；
105、设置减法单元；
106、在减法单元的被减输入端接入输入信号，输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将减法单元的输出端接入到高增益比例-积分控制器的输入端，将高增益比例-积分控制器的输出端接入到惯性组合滤波器的输入端，将惯性组合滤波器的输出端接入到减法单元的减输入端，将高增益比例-积分控制器的输出端接入到1阶惯性滤波器的输入端，在1阶惯性滤波器的输出端，得到输入信号的超前观测输出。
进一步地，具体通过惯性组合滤波器表达式设置预设数的阶次的惯性组合滤波器；
惯性组合滤波器表达式为：
Figure GDA0003851908010000051
其中，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数，TLO为预设数的的超前观测时间，单位为s，n为预设数的阶次，单位为无量纲。
进一步地，具体通过高增益比例-积分控制器表达式设置预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；
高增益比例-积分控制器表达式为：
Figure GDA0003851908010000061
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，KHGPI为预设数的比率增益，单位为无量纲，THGPI为预设数的积分时间常数，单位为s。
进一步地，具体通过1阶惯性滤波器表达式设置预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器；
1阶惯性滤波器表达式为：
Figure GDA0003851908010000062
其中，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，TFOIF为预设数的惯性时间常数，单位为s。
进一步地，输入信号的超前观测输出为：
Figure GDA0003851908010000063
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数。
以上是对本申请提供的一种超前观测方法的一个实施例进行详细的描述，以下将对本申请提供的一种超前观测装置的一个实施例进行详细的描述。
请参阅图2，本申请提供一种超前观测装置的一个实施例，基于如上述实施例的超前观测方法进行观测，包括：
预设数的阶次的惯性组合滤波器、预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器、预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器和减法单元；
在减法单元的被减输入端接入输入信号，输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将减法单元的输出端接入到高增益比例-积分控制器的输入端，将高增益比例-积分控制器的输出端接入到惯性组合滤波器的输入端，将惯性组合滤波器的输出端接入到减法单元的减输入端，将高增益比例-积分控制器的输出端接入到1阶惯性滤波器的输入端，在1阶惯性滤波器的输出端，得到输入信号的超前观测输出。
进一步地，预设数的阶次的惯性组合滤波器的表达式为：
Figure GDA0003851908010000071
其中，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数，TLO为预设数的的超前观测时间，单位为s，n为预设数的阶次，单位为无量纲。
进一步地，高增益比例-积分控制器的表达式为：
Figure GDA0003851908010000072
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，KHGPI为预设数的比率增益，单位为无量纲，THGPI为预设数的积分时间常数，单位为s。
进一步地，1阶惯性滤波器的表达式为：
Figure GDA0003851908010000073
其中，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，TFOIF为预设数的惯性时间常数，单位为s。
进一步地，输入信号的超前观测输出为：
Figure GDA0003851908010000074
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数。
为说明本申请提供的一种超前观测方法及装置的效果，本申请提供应用例如下：
作为参照，将本发明的一种高效超前观测方法及装置实施例与与1阶超前观测器(First order leading observer,FOLE)、2阶超前观测器(First order leadingobserver,SOLE)进行对比。
1阶超前观测器、2阶超前观测器的表达式为
Figure GDA0003851908010000075
Figure GDA0003851908010000076
式中，FOLO(s)为所述1阶超前观测器的传递函数，TFOLO为所述1阶超前观测器的超前观测时间常数，单位为s。SOLO(s)为所述2阶超前观测器的传递函数，TSOLO为所述2阶超前观测器的超前观测时间常数，单位为s。SOIF(s)为2阶惯性滤波器的传递函数，TSOIF为2阶惯性滤波器的惯性时间常数，单位为s。TOIF(s)为3阶惯性滤波器的传递函数，TTOIF为3阶惯性滤波器的惯性时间常数，单位为s。
超前观测存在噪声干扰放大的问题，采用噪声功率增益(Noise power gain,NPG)来衡量超前观测的噪声干扰放大特性。通常噪声功率增益在10以内是可以接受的。
在工程上，通常采用均方值(Mean square value,MSV)来计算信号在一段时间的平均功率，则噪声功率增益表达式为：
Figure GDA0003851908010000081
式中，NPG为所述噪声功率增益，单位为无量纲。NOUT(t)为噪声干扰输出，NINT(t)为噪声干扰输入。NOUT(t)和NINT(t)的单位为由输入信号的性质所决定。TNPG为计算噪声功率增益的时间长度，单位为s。
在本发明实施例参数为：THGPI＝1s，KHGPI＝35.25，n＝8，TLO＝200s，TFOIF＝20s。1阶超前观测器参数为：TFOLO＝200s，TSOIF＝10.88s。2阶超前观测器参数为：TSOLO＝200s，TTOIF＝19.12s。取TNPG＝2000s。得到本发明实施例与1阶超前观测器和2阶超前观测器的对比，如图3和表1所示。
表1
Figure GDA0003851908010000082
表1为本发明实施例与1阶超前观测器和2阶超前观测器性能指标的对比。
从图3和表1可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供的一种高效超前观测方法及装置，超前相位峰值较高，超前相位峰值与增益峰值的比值较高。
在图3中，20log[GHELO(ω)]为本发明实施例的幅频增益，单位为dB。PHHELO(ω)为本发明实施例的相频相位，单位为°；20log[GFOLO(ω)]为1阶超前观测器的幅频增益，单位为dB。PHFOLO(ω)为1阶超前观测器的相频相位，单位为°；20log[GSOLO(ω)]为2阶超前观测器的幅频增益，单位为dB。PHSOLO(ω)为2阶超前观测器的相频相位，单位为°。ω为正弦频率，单位无量纲。
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。
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。
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(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、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 (6)

1.一种超前观测方法，其特征在于，包括：
设置预设数的超前观测时间；
设置预设数的阶次的惯性组合滤波器，其中，所述惯性组合滤波器表达式为：
Figure QLYQS_1
其中，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数，TLO为预设数的超前观测时间，单位为s，n为预设数的阶次，单位为无量纲；
设置预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；
设置预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器，其中，所述1阶惯性滤波器表达式为：
Figure QLYQS_2
其中，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，TFOIF为预设数的惯性时间常数，单位为s；
设置减法单元；
在所述减法单元的被减输入端接入输入信号，所述输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将所述减法单元的输出端接入到所述高增益比例-积分控制器的输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述惯性组合滤波器的输入端，将所述惯性组合滤波器的输出端接入到所述减法单元的减输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述1阶惯性滤波器的输入端，在所述1阶惯性滤波器的输出端，得到所述输入信号的超前观测输出。
2.根据权利要求1所述的一种超前观测方法，其特征在于，具体通过高增益比例-积分控制器表达式设置预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器；
所述高增益比例-积分控制器表达式为：
Figure QLYQS_3
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，KHGPI为预设数的比率增益，单位为无量纲，THGPI为预设数的积分时间常数，单位为s。
3.根据权利要求1所述的一种超前观测方法，其特征在于，所述输入信号的超前观测输出为：
Figure QLYQS_4
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数。
4.一种超前观测装置，基于如权利要求1至3任一项所述的超前观测方法进行观测，其特征在于，包括：
预设数的阶次的惯性组合滤波器、预设数的比率增益和预设数的积分时间常数的高增益比例-积分控制器、预设数的惯性时间常数的1阶惯性滤波器和减法单元；
在所述减法单元的被减输入端接入输入信号，所述输入信号为需要进行超前观测的过程信号，将所述减法单元的输出端接入到所述高增益比例-积分控制器的输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述惯性组合滤波器的输入端，将所述惯性组合滤波器的输出端接入到所述减法单元的减输入端，将所述高增益比例-积分控制器的输出端接入到所述1阶惯性滤波器的输入端，在所述1阶惯性滤波器的输出端，得到所述输入信号的超前观测输出；
所述预设数的阶次的惯性组合滤波器的表达式为：
Figure QLYQS_5
其中，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数，TLO为预设数的超前观测时间，单位为s，n为预设数的阶次，单位为无量纲；
所述1阶惯性滤波器的表达式为：
Figure QLYQS_6
其中，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，TFOIF为预设数的惯性时间常数，单位为s。
5.根据权利要求4所述的一种超前观测装置，其特征在于，
所述高增益比例-积分控制器的表达式为：
Figure QLYQS_7
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，KHGPI为预设数的比率增益，单位为无量纲，THGPI为预设数的积分时间常数，单位为s。
6.根据权利要求4所述的一种超前观测装置，其特征在于，
所述输入信号的超前观测输出为：
Figure QLYQS_8
其中，HGPI(s)为高增益比例-积分控制器的传递函数，FOIF(s)为1阶惯性滤波器的传递函数，ICF(s)为惯性组合滤波器的传递函数。
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