CN113110032A - 一种新型高性能比例积分控制器及其控制方法和装置 - Google Patents

一种新型高性能比例积分控制器及其控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型高性能比例积分控制器及其控制方法和装置，涉及火电机组过程控制技术领域。所述方法包括：获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；将偏差信号输入至串级比例控制器，得到串级比例控制器输出信号；将串级比例控制器输出信号输入至高效积分器，得到高效积分信号；将串级比例控制器输出信号经过内部比例控制器处理后输入至滑动窗滤波器，得到滤波信号；将滤波信号和高效积分信号输入至加法器的输入端，得到输出信号。本发明通过获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号，经过高效积分器和滑动窗滤波器的分别处理后在运用加法器整合，能够解决现有技术中高性能比例积分控制器用于近似纯滞后过程控制的控制品质不高的问题。

Description

一种新型高性能比例积分控制器及其控制方法和装置
技术领域
本发明涉及火电机组过程控制技术领域，尤其涉及一种新型高性能比例积分控制器及其控制方法和装置。
背景技术
在火电机组过程控制领域中，脱硝系统因其高效的脱硝效率、较低的二次污染物等特点，成为火电机组NOx超低排放的主要选择，但是脱硝系统具有大延迟、大惯性的特点，常规控制器很难兼顾系统响应特性、抗扰动特性以及对象参数摄动下的鲁棒稳定。
为了提高现有火电机组过程控制性能，需要运用到高性能比例积分控制器。构造高性能比例积分控制器的基础为高效积分器(High efficiency integrator，HEI)，实际控制过程存在一些近似纯滞后过程(简称APLP)，在一些火电厂的脱硝控制系统、控制过程的纯滞后在过程滞后中占比接近90％，可将控制过程看成是一种APLP。而多数火电厂的脱硝控制系统、控制过程的纯滞后在过程滞后中占比在40％-70％区间。在现有的高性能比例积分控制器的运用中发现，将高性能比例积分控制器用于APLP控制，存在控制品质不高的问题。
发明内容
本发明目的在于，提供一种新型高性能比例积分控制器及其控制方法和装置，以解决现有技术中的高性能比例积分控制器用于近似纯滞后过程控制的控制品质不高的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种新型高性能比例积分控制器，包括串级比例控制器、内部比例控制器、滑动窗滤波器、高效积分器和加法器；所述串级比例控制器的输入端用于获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；所述串级比例控制器的输出端连接所述内部比例控制器的输入端和所述高效积分器入端；所述内部比例控制器的输出端连接所述滑动窗滤波器的输入端；所述滑动窗滤波器的输出端连接所述加法器的第一输入端，所述高效积分器的输出端连接所述加法器的第二输入端。
优选地，所述新型高性能比例积分控制器的传递函数的计算公式为：
NHPPI(s)＝KCPC[KIPCSWF(s)+HEI(s)] (1)
其中，NHPPI(s)为所述新型高性能比例积分控制器的传递函数，KCPC为所述串级比例控制器的增益，KIPC为所述内部比例控制器的增益，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数。
优选地，所述滑动窗滤波器的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000021
其中，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，TSWF为所述滑动窗滤波器的时间常数。
优选地，所述高效积分器的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000022
其中，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数，ASWF(s)为近似滑动窗滤波器传递函数，所述近似滑动窗滤波器的滤波阶数为16阶，THEI为所述高效积分器的时间常数。
本发明实施例还提供一种新型高性能比例积分控制器的控制方法，包括：获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；将所述偏差信号输入至串级比例控制器，得到串级比例控制器输出信号；将所述串级比例控制器输出信号输入至高效积分器，得到高效积分信号；将所述串级比例控制器输出信号经过内部比例控制器处理后输入至滑动窗滤波器，得到滤波信号；将所述滤波信号输入至加法器的第一输入端，将所述高效积分信号输入至加法器的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器的输出信号。
优选地，所述过程给定信号和所述过程输出信号分别为脱硝控制系统的过程给定信号和过程输出信号。
优选地，所述新型高性能比例积分控制器的传递函数的计算公式为：
NHPPI(s)＝KCPC[KIPCSWF(s)+HEI(s)] (1)
其中，NHPPI(s)为所述新型高性能比例积分控制器的传递函数，KCPC为所述串级比例控制器的增益，KIPC为所述内部比例控制器的增益，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数。
优选地，所述滑动窗滤波器的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000031
其中，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，TSWF为所述滑动窗滤波器的时间常数。
优选地，所述高效积分器的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000032
其中，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数，ASWF(s)为近似滑动窗滤波器传递函数，所述近似滑动窗滤波器的滤波阶数为16阶，THEI为所述高效积分器的时间常数。
本发明实施例还提供一种新型高性能比例积分控制器的控制装置，包括：信号获取模块，用于获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；信号优化模块，用于将所述偏差信号输入至串级比例控制器，得到串级比例控制器输出信号；积分模块，用于将所述串级比例控制器输出信号输入至高效积分器，得到高效积分信号；滤波模块，用于将所述串级比例控制器输出信号经过内部比例控制器处理后输入至滑动窗滤波器，得到滤波信号；输出模块，用于将所述滤波信号输入至加法器的第一输入端，将所述高效积分信号输入至加法器的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器的输出信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的新型高性能比例积分控制器的控制方法，包括：获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；将所述偏差信号输入至串级比例控制器，得到串级比例控制器输出信号；将所述串级比例控制器输出信号输入至高效积分器，得到高效积分信号；将所述串级比例控制器输出信号经过内部比例控制器处理后输入至滑动窗滤波器，得到滤波信号；将所述滤波信号输入至加法器的第一输入端，将所述高效积分信号输入至加法器的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器的输出信号。本发明通过获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号，经过高效积分器和滑动窗滤波器的分别处理后在运用加法器整合，能够解决现有技术中高性能比例积分控制器用于近似纯滞后过程控制的控制品质不高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器的结构示意图；
图2是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器的控制方法的流程示意图；
图3是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器构造的控制系统的结构示意图；
图4是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器的控制近似纯滞后过程的实验结果示意图；
图5是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器的控制装置的结构示意图；
图6是本发明某一实施例提供的运用现有高性能比例积分控制器的脱硝控制系统得到的控制特性示意图；
图7是本发明某一实施例提供的运用新型高性能比例积分控制器的脱硝控制系统得到的控制特性示意图；
图8是本发明某一实施例提供的计算机终端设备的结构示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
以下是本发明实施例中的部分术语及其简称：
高性能比例积分控制器(High performance Proportion-Integration，HPPI)；新型高性能比例积分控制器(New HPPI，NHPPI)；高效积分器(High efficiency integrator，HEI)；滑动窗滤波器(Sliding window filter,ASWF)；近似滑动窗滤波器(Approximatesliding window filter,ASWF)；内部比例控制器(Inside proportional controller，IPC)；串级比例控制器(Cascade proportional controller，CPC)；近似纯滞后过程(Approximate pure lag process)。
请参阅图1，图1是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器的结构示意图。本实施例的新型高性能比例积分控制器10，包括串级比例控制器11、内部比例控制器12、滑动窗滤波器13、高效积分器14和加法器15；
串级比例控制器11的输入端用于获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；串级比例控制器11的输出端连接内部比例控制器12的输入端和高效积分器14的输入端；内部比例控制器12的输出端连接滑动窗滤波器13的输入端；滑动窗滤波器13的输出端连接加法器15的第一输入端，高效积分器14的输出端连接加法器15的第二输入端。
在某一个具体实施例中，新型高性能比例积分控制器10的传递函数的计算公式为：
NHPPI(s)＝KCPC[KIPCSWF(s)+HEI(s)] (1)
其中，NHPPI(s)为新型高性能比例积分控制器10的传递函数，KCPC为串级比例控制器11的增益，KIPC为内部比例控制器12的增益，SWF(s)为滑动窗滤波器13的传递函数，HEI(s)为高效积分器14的传递函数。
在某一个具体实施例中，滑动窗滤波器13的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000061
其中，SWF(s)为滑动窗滤波器13的传递函数，TSWF为滑动窗滤波器13的时间常数。
在某一个具体实施例中，高效积分器14的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000071
其中，HEI(s)为高效积分器14的传递函数，ASWF(s)为近似滑动窗滤波器13的传递函数，近似滑动窗滤波器13的滤波阶数为16阶，THEI为高效积分器14的时间常数。
请参阅图2，图2是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器10的控制方法的流程示意图。本实施例的新型高性能比例积分控制器10的控制方法，包括以下步骤：
S110，获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；
S120，将偏差信号输入至串级比例控制器11，得到串级比例控制器11输出信号；
S130，将串级比例控制器11输出信号输入至高效积分器14，得到高效积分信号；
S140，将串级比例控制器11输出信号经过内部比例控制器12处理后输入至滑动窗滤波器13，得到滤波信号；
S150，将滤波信号输入至加法器15的第一输入端，将高效积分信号输入至加法器15的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器10的输出信号。
在本发明实施例中，过程给定信号和过程输出信号分别为脱硝控制系统的过程给定信号和过程输出信号。
在某一个具体实施例中，新型高性能比例积分控制器10的传递函数的计算公式为：
NHPPI(s)＝KCPC[KIPCSWF(s)+HEI(s)] (1)
其中，NHPPI(s)为新型高性能比例积分控制器10的传递函数，KCPC为串级比例控制器11的增益，单位为无量纲，KIPC为内部比例控制器12的增益，单位为无量纲，SWF(s)为滑动窗滤波器13的传递函数，HEI(s)为高效积分器14的传递函数。
在某一个具体实施例中，滑动窗滤波器13的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000081
其中，SWF(s)为滑动窗滤波器13的传递函数，TSWF为滑动窗滤波器13的时间常数，单位为s。
在某一个具体实施例中，高效积分器14的传递函数的计算公式为：
Figure BDA0003035706110000082
其中，HEI(s)为高效积分器14的传递函数，ASWF(s)为近似滑动窗滤波器13传递函数，近似滑动窗滤波器13的滤波阶数为16阶，THEI为高效积分器14的时间常数，单位为s。
结合图1和图2，对本发明的新型高性能比例积分控制器10及其控制方法进行说明，本发明实施例提供的新型高性能比例积分控制器10用于控制一个近似纯滞后过程。所述近似纯滞后过程的传递函数的计算公式为：
APLP(s)＝e-200s (4)
其中，APLP(s)为所述近似纯滞后过程的传递函数。
请参阅图3，图3为本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器10构造的控制系统的结构示意图。基于该控制系统20，设置新型高性能比例积分控制器10的串级比例控制器11的增益KCPC＝0.5，内部比例控制器12的增益KIPC＝0.65，滑动窗滤波器13的时间常数TSWF＝100s，高效积分器14的时间常数THEI＝400s。过程给定信号为单位阶跃，得到新型高性能比例积分控制器10控制所述近似纯滞后过程的实验结果，为图4所示。其中，PVNHPPI(t)为新型高性能比例积分控制器10控制所述近似纯滞后过程的过程输出信号。PVHPPI(t)为现有的高性能比例积分控制器控制所述近似纯滞后过程的过程输出信号。相对现有的高性能比例积分控制器，本发明提供的新型高性能比例积分控制器10能够提高火电机组过程控制的控制系统20在近似纯滞后过程中的控制品质，解决过程输出跳变的问题。
请参阅图5，图5是本发明某一实施例提供的新型高性能比例积分控制器10的控制装置的结构示意图。本实施例的新型高性能比例积分控制器10的控制装置包括：信号获取模块210，用于获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；信号优化模块220，用于将偏差信号输入至串级比例控制器11，得到串级比例控制器11输出信号；积分模块230，用于将串级比例控制器11输出信号输入至高效积分器14，得到高效积分信号；滤波模块240，用于将串级比例控制器11输出信号经过内部比例控制器12处理后输入至滑动窗滤波器13，得到滤波信号；输出模块250，用于将滤波信号输入至加法器15的第一输入端，将高效积分信号输入至加法器15的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器10的输出信号。
关于新型高性能比例积分控制器的控制装置的具体限定可以参见上文中对于新型高性能比例积分控制器的控制方法的限定，在此不再赘述。上述新型高性能比例积分控制器的控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
将本发明提供的新型高性能比例积分控制器10运用于某1000MW燃煤火电机组的脱硝控制系统的脱硝系统用于脱除锅炉排放烟气中的氮氧化物。在稳态工况下的一段2小时现有的高性能比例积分控制器控制趋势，如图6所示。在稳态工况下的一段2小时所述新型高性能比例积分控制器10控制趋势，如图7所示。
采用现有的高性能比例积分控制器控制，在图6中给出的趋势范围，NOx过程偏差在±5.1mg/m3以内。采用新型高性能比例积分控制器10优化，在图7中给出的趋势范围，NOx过程偏差在±4.1mg/m3以内.相对现有的高性能比例积分控制器控制，采用本发明提供的新型高性能比例积分控制器10优化进一步减小了稳态工况下的NOx过程偏差。
请参阅图8，本发明实施例提供一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任意一个实施例中的新型高性能比例积分控制器的控制方法。
处理器用于控制该计算机终端设备的整体操作，以完成上述的新型高性能比例积分控制器的控制方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该计算机终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该计算机终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random AccessMemory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在一示例性实施例中，计算机终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific 1ntegrated Circuit，简称AS1C)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device,简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的新型高性能比例积分控制器的控制方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的新型高性能比例积分控制器的控制方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由计算机终端设备的处理器执行以完成上述的新型高性能比例积分控制器的控制方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型高性能比例积分控制器，其特征在于，包括串级比例控制器、内部比例控制器、滑动窗滤波器、高效积分器和加法器；
所述串级比例控制器的输入端用于获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；
所述串级比例控制器的输出端连接所述内部比例控制器的输入端和所述高效积分器的输入端；
所述内部比例控制器的输出端连接所述滑动窗滤波器的输入端；
所述滑动窗滤波器的输出端连接所述加法器的第一输入端，所述高效积分器的输出端连接所述加法器的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的新型高性能比例积分控制器，其特征在于，所述新型高性能比例积分控制器的传递函数的计算公式为：
NHPPI(s)＝KCPC[KIPCSWF(s)+HEI(s)] (1)
其中，NHPPI(s)为所述新型高性能比例积分控制器的传递函数，KCPC为所述串级比例控制器的增益，KIPC为所述内部比例控制器的增益，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数。
3.根据权利要求1所述的新型高性能比例积分控制器，其特征在于，所述滑动窗滤波器的传递函数的计算公式为：
Figure FDA0003035706100000011
其中，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，TSWF为所述滑动窗滤波器的时间常数。
4.根据权利要求1所述的新型高性能比例积分控制器，其特征在于，所述高效积分器的传递函数的计算公式为：
Figure FDA0003035706100000021
其中，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数，ASWF(s)为近似滑动窗滤波器传递函数，所述近似滑动窗滤波器的滤波阶数为16阶，THEI为所述高效积分器的时间常数。
5.一种新型高性能比例积分控制器的控制方法，其特征在于，包括：
获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；
将所述偏差信号输入至串级比例控制器，得到串级比例控制器输出信号；
将所述串级比例控制器输出信号输入至高效积分器，得到高效积分信号；
将所述串级比例控制器输出信号经过内部比例控制器处理后输入至滑动窗滤波器，得到滤波信号；
将所述滤波信号输入至加法器的第一输入端，将所述高效积分信号输入至加法器的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器的输出信号。
6.根据权利要求5所述的新型高性能比例积分控制器的控制方法，其特征在于，所述过程给定信号和所述过程输出信号分别为脱硝控制系统的过程给定信号和过程输出信号。
7.根据权利要求5所述的新型高性能比例积分控制器的控制方法，其特征在于，所述新型高性能比例积分控制器的传递函数的计算公式为：
NHPPI(s)＝KCPC[KIPCSWF(s)+HEI(s)] (1)
其中，NHPPI(s)为所述新型高性能比例积分控制器的传递函数，KCPC为所述串级比例控制器的增益，KIPC为所述内部比例控制器的增益，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数。
8.根据权利要求5所述的新型高性能比例积分控制器的控制方法，其特征在于，所述滑动窗滤波器的传递函数的计算公式为：
Figure FDA0003035706100000031
其中，SWF(s)为所述滑动窗滤波器的传递函数，TSWF为所述滑动窗滤波器的时间常数。
9.根据权利要求5所述的新型高性能比例积分控制器的控制方法，其特征在于，所述高效积分器的传递函数的计算公式为：
Figure FDA0003035706100000032
其中，HEI(s)为所述高效积分器的传递函数，ASWF(s)为近似滑动窗滤波器传递函数，所述近似滑动窗滤波器的滤波阶数为16阶，THEI为所述高效积分器的时间常数。
10.一种新型高性能比例积分控制器的控制装置，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取过程给定信号和过程输出信号的偏差信号；
信号优化模块，用于将所述偏差信号输入至串级比例控制器，得到串级比例控制器输出信号；
积分模块，用于将所述串级比例控制器输出信号输入至高效积分器，得到高效积分信号；
滤波模块，用于将所述串级比例控制器输出信号经过内部比例控制器处理后输入至滑动窗滤波器，得到滤波信号；
输出模块，用于将所述滤波信号输入至加法器的第一输入端，将所述高效积分信号输入至加法器的第二输入端，得到新型高性能比例积分控制器的输出信号。
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