CN113156814B - 一种自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质 - Google Patents

一种自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质 Download PDF

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CN113156814B CN202110221119.1A CN202110221119A CN113156814B CN 113156814 B CN113156814 B CN 113156814B CN 202110221119 A CN202110221119 A CN 202110221119A CN 113156814 B CN113156814 B CN 113156814B
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Abstract

本申请提供一种自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质，该方法包括：获取控制系统中的当前设定值、当前被控量以及控制器的当前工作模式和当前控制量；在当前工作模式处于死区模式时，利用当前被控量，对控制器的第一扩张状态变量更新；根据当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和当前控制量，对控制器的第二扩张状态变量更新，以使控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。在控制器处于死区模式下，对第一扩张状态变量和第二扩张状态变量进行实时更新，避免了对控制系统产生额外的扰动，提高了自抗扰控制方法的可靠性，保证了控制品质，为提高控制系统的安全性奠定了基础。

Description

一种自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质
技术领域
本申请涉及自动化技术领域，尤其涉及一种自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质。
背景技术
自抗扰控制技术相比于其它先进控制技术具有不依赖被控对象精确数学模型、参数整定物理意义明确、抗扰能力好和鲁棒性强的优势，在越来越多的工业自动化控制领域得到应用，如无人机和电机控制等。
在现有技术中，为避免执行机构由于过于频繁的动作而降低其使用寿命，往往会在允许的控制误差范围内，对控制器的输出设置死区功能。
但是，若直接在自抗扰控制器后增加死区环节限制实际控制量，则当自抗扰控制器退出死区时，将引起控制量的跳变从而带来不必要的扰动，影响控制品质。因此，急需一种可靠性较高的自抗扰控制方法，对提高控制系统的安全性有重要意义。
发明内容
本申请提供一种自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质，以解决现有技术的可靠性低等缺陷。
本申请第一个方面提供一种自抗扰控制方法，应用于控制系统中的控制器，所述方法包括：
获取所述控制系统中的当前设定值、当前被控量以及所述控制器的当前工作模式和当前控制量；
在所述当前工作模式处于死区模式时，利用所述当前被控量，对所述控制器的第一扩张状态变量更新；
根据所述当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和所述当前控制量，对所述控制器的第二扩张状态变量更新，以使所述控制器在退出死区模式时，根据所述第一扩张状态变量、所述第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。
可选的，所述第一扩张状态变量用于反馈所述控制器对被控量输出情况的观测结果；
其中，所述第一扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure GDA0003821161360000021
其中，z1(k+1)表示第k+1时刻的第一扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，β1表示预设的第一计算参数；z1(k)表示k时刻的第一扩张状态变量。
可选的，所述第二扩张状态变量用于反馈控制器对控制系统的扰动程度的观测结果；
其中，所述第二扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure GDA0003821161360000022
其中，z2(k+1)表示第k+1时刻的第二扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z2(k) 表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，kp表示预设的第二控制强度系数，β2表示预设的第二计算参数。
可选的，所述控制器在退出死区模式时，根据所述第一扩张状态变量、所述第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制，包括：
根据所述第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值；
根据所述线性反馈值和对应的历史线性反馈值，确定所述控制器的控制状态量；
根据所述当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，以使所述控制器根据所述目标控制量对目标执行机构进行控制。
可选的，所述根据所述第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值，包括：
根据如下公式计算所述线性反馈值：
Figure GDA0003821161360000031
其中，uPD(k+1)表示在k+1时刻的线性反馈值，kp表示预设的第二控制强度系数，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z1(k+1)表示在第k+1时刻的第一扩张状态变量，z2(k+1)表示在第k+1时刻的第二扩张状态变量，b0表示预设的第一控制强度系数。
可选的，所述根据所述当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，包括：
根据如下公式计算所述目标控制量：
uA(k+1)＝uA(k)+[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]
其中，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，即所述目标控制量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，即所述当前控制量，控制器的控制状态量F＝[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]，uPD(k+1)表示在k+1 时刻的线性反馈值,uPD(k)表示在k时刻的线性反馈值,IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式。
可选的，所述方法还包括：
根据所述当前设定值与当前被控量，计算所述控制器的控制偏差；
判断所述控制器的控制偏差是否属于预设的死区区间；
当所述控制器的控制偏差属于预设的死区区间时，确定所述控制器当前处于死区模式；
当所述控制器的控制偏差不属于预设的死区区间时，确定所述控制器当前处于控制模式。
本申请第二个方面提供一种自抗扰控制装置，应用于控制系统中的控制器，所述装置包括：
获取模块，用于获取所述控制系统中的当前设定值、当前被控量以及所述控制器的当前工作模式和当前控制量；
第一更新模块，用于在所述当前工作模式处于死区模式时，利用所述当前被控量，对所述控制器的第一扩张状态变量更新；
第二更新模块，用于根据所述当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和所述当前控制量，对所述控制器的第二扩张状态变量更新，以使所述控制器在退出死区模式时，根据所述第一扩张状态变量、所述第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。
可选的，所述第一扩张状态变量用于反馈所述控制器对被控量输出情况的观测结果；
其中，所述第一扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure GDA0003821161360000041
其中，z1(k+1)表示第k+1时刻的第一扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，β1表示预设的第一计算参数；z1(k)表示k时刻的第一扩张状态变量。
可选的，所述第二扩张状态变量用于反馈控制器对控制系统的扰动程度的观测结果；
其中，所述第二扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure GDA0003821161360000042
其中，z2(k+1)表示第k+1时刻的第二扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z2(k) 表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，kp表示预设的第二控制强度系数，β2表示预设的第二计算参数。
可选的，所述装置还包括控制模块，用于：
根据所述第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值；
根据所述线性反馈值和对应的历史线性反馈值，确定所述控制器的控制状态量；
根据所述当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，以使所述控制器根据所述目标控制量对目标执行机构进行控制。
可选的，所述控制模块，具体用于：
根据如下公式计算所述线性反馈值：
Figure GDA0003821161360000051
其中，uPD(k+1)表示在k+1时刻的线性反馈值，kp表示预设的第二控制强度系数，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z1(k+1)表示在第k+1时刻的第一扩张状态变量，z2(k+1)表示在第k+1时刻的第二扩张状态变量，b0表示预设的第一控制强度系数。
可选的，所述控制模块，具体用于：
根据如下公式计算所述目标控制量：
uA(k+1)＝uA(k)+[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]
其中，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，即所述目标控制量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，即所述当前控制量，控制器的控制状态量F＝[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]，uPD(k+1)表示在k+1 时刻的线性反馈值,uPD(k)表示在k时刻的线性反馈值,IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式。
可选的，所述装置还包括判断模块，用于：
根据所述当前设定值与当前被控量，计算所述控制器的控制偏差；
判断所述控制器的控制偏差是否属于预设的死区区间；
当所述控制器的控制偏差属于预设的死区区间时，确定所述控制器当前处于死区模式；
当所述控制器的控制偏差不属于预设的死区区间时，确定所述控制器当前处于控制模式。
本申请第三个方面提供一种控制系统，包括控制器，所述控制器包括：线性反馈控制器、第一扩张状态观测器、第二扩张状态观测器、至少一个处理器和存储器；
所述线性反馈控制器用于生成线性反馈值；
所述第一扩张状态观测器用于对所述控制系统中被控量的输出情况进行观测，并生成第一扩张状态变量；
所述第二扩张状态观测器用于对所述控制系统的扰动程度进行观测，并生成第二扩张状态变量；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得所述至少一个处理器执行如上第一个方面以及第一个方面各种可能的设计所述的方法。
本申请第四个方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如上第一个方面以及第一个方面各种可能的设计所述的方法。
本申请技术方案，具有如下优点：
本申请提供的自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质，通过获取控制系统中的当前设定值、当前被控量以及控制器的当前工作模式和当前控制量；在当前工作模式处于死区模式时，利用当前被控量，对控制器的第一扩张状态变量更新；根据当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和当前控制量，对控制器的第二扩张状态变量更新，以使控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。上述方案提供的方法，在控制器处于死区模式下，对第一扩张状态变量和第二扩张状态变量进行实时更新，以使在控制器由死区模式转换为控制模式时，可以根据更新后的扩张状态变量对目标执行机构进行控制，避免了对控制系统产生额外的扰动，提高了自抗扰控制方法的可靠性，保证了控制品质，为提高控制系统的安全性和推广自抗扰控制方法在工业过程控制中的使用奠定了基础。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例基于的自动化系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的自抗扰控制方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的控制器工作模式的判断函数图像；
图4为本申请实施例提供的不带死区的一阶自抗扰控制器组态图；
图5为本申请实施例提供的带死区的一阶自抗扰控制器组态图；
图6为本申请实施例提供的不带死区的一阶自抗扰控制器的控制过程曲线图；
图7为本申请实施例提供的带死区的一阶自抗扰控制器的控制过程曲线图；
图8为本申请实施例提供的自抗扰控制装置的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的控制系统的结构示意图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在以下各实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在现有技术中，为避免执行机构由于过于频繁的动作而降低其使用寿命，往往会在允许的控制误差范围内，对控制器的输出设置死区功能。但是，若直接在自抗扰控制器后增加死区环节限制实际控制量，则当自抗扰控制器退出死区时，将引起控制量的跳变从而带来不必要的扰动，影响控制品质。
针对上述问题，本申请实施例提供的自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质，通过获取控制系统中的当前设定值、当前被控量以及控制器的当前工作模式和当前控制量；在当前工作模式处于死区模式时，利用当前被控量，对控制器的第一扩张状态变量更新；根据当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和当前控制量，对控制器的第二扩张状态变量更新，以使控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。上述方案提供的方法，在控制器处于死区模式下，对第一扩张状态变量和第二扩张状态变量进行实时更新，以使在控制器由死区模式转换为控制模式时，可以根据更新后的扩张状态变量对目标执行机构进行控制，避免了对控制系统产生额外的扰动，提高了自抗扰控制方法的可靠性，保证了控制品质，为提高控制系统的安全性奠定了基础。
下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明实施例进行描述。
首先，对本申请所基于的自动化系统结构进行说明：
本申请实施例提供的自抗扰控制方法、装置、控制系统及存储介质，适用于对自动化系统中的被控设备进行控制，以消除被控设备的误差。如图1 所示，为本申请实施例基于的自动化系统的结构示意图，主要包括被控设备和用于对被控设备进行自抗扰控制的控制系统，控制系统包括控制器，控制器可以根据被控设备对应的当前设定值和当前被控量等，对被控设备进行控制。
本申请实施例提供了一种自抗扰控制方法，应用于控制系统中的控制器，用于对被控设备进行自抗扰控制。本申请实施例的执行主体为可进行自抗扰控制的控制系统。
如图2所示，为本申请实施例提供的自抗扰控制方法的流程示意图，该方法包括：
步骤201，获取控制系统中的当前设定值、当前被控量以及控制器的当前工作模式和当前控制量。
需要解释的是，设定值是预设的被控设备的理想值，被控量是控制器所控制的被控设备的某种参数。例如，当被控设备为无人机时，被控量可以是航向角或飞行速度等。
步骤202，在当前工作模式处于死区模式时，利用当前被控量，对控制器的第一扩张状态变量更新。
需要解释的是，第一扩张状态变量用于反馈控制器对被控量输出情况的观测结果。
具体地，在当前工作模式处于死区模式时，控制器不对被控设备进行控制，但是为了避免控制器的工作模式由死区模式转变为控制模式时，因控制量的改变而对控制系统造成扰动，可以利用当前被控量对死区模式下的第一扩张状态变量更新，以使第一扩张状态变量与被控设备的被控量的实际情况相贴合。
步骤203，根据当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和当前控制量，对控制器的第二扩张状态变量更新，以使控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。
需要解释的是，第二扩张状态变量用于反馈控制器对控制系统的扰动程度的观测结果。
具体地，在对第一扩张状态变量和第二扩张状态变量进行更新后，进一步根据更新后的扩张状态变量对控制系统的线性反馈值进行更新。在控制器由死区模式转变为控制模式时，可以直接根据更新后的线性反馈值和当前控制量，确定目标控制量，并进一步根据目标控制量对目标执行机构进行控制，以利用目标执行机构对被控设备进行控制，从而消除被控量的误差。
具体地，在一实施例中，第一扩张状态变量可以根据如下公式进行更新：
Figure GDA0003821161360000091
其中，z1(k+1)表示在k+1时刻的第一扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ (k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k)表示控制器在k时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，β1表示预设的第一计算参数；z1(k)表示k时刻的第一扩张状态变量。
需要解释的是，在本申请实施例中，k+1时刻的第一扩张状态变量可以指上述更新后的第一扩张状态变量。
具体地，在一实施例中，第二扩张状态变量可以根据如下公式进行更新：
Figure GDA0003821161360000092
其中，z2(k+1)表示第k+1时刻的第二扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z2(k) 表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k+1)表示控制器在k+1时刻的控制量， b0表示预设的第一控制强度系数，kp表示预设的第二控制强度系数，β2表示预设的第二计算参数。
其中，计算周期ΔT可以理解为k时刻与k+1时刻之间的时间差，本申请实施例提供的第一计算参数β1、第二计算参数β2、第一控制强度系数b0和第二控制强度系数kp均为人工预设的可调参数，具体可以根据实际情况进行设定，本申请实施例不做限定。
在上述实施例的基础上，为了进一步提高本申请实施例提供的控制方法的可靠性，作为一种可实施的方式，在一实施例中，控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制，包括：
步骤2031，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值；
步骤2032，根据线性反馈值和对应的历史线性反馈值，确定控制器的控制状态量；
步骤2033，根据当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，以使控制器根据目标控制量对目标执行机构进行控制。
需要解释的是，在控制器处于死区模式时，为了保障控制方法的可靠性，也可以采用步骤2031对线性反馈值进行更新，即步骤2032中的历史线性反馈值具体可以是控制器处于死区模式下更新的线性反馈值。
具体地，在一实施例中，无论控制器处于死区模式还是控制模式，均可以根据如下公式计算线性反馈值：
Figure GDA0003821161360000101
其中，uPD(k+1)表示在k+1时刻的线性反馈值，kp表示预设的第二控制强度系数，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z1(k+1)表示在第k+1时刻的第一扩张状态变量，z2(k+1)表示在第k+1时刻的第二扩张状态变量，b0表示预设的第一控制强度系数。
需要解释的是，在死区模式下，状态量z1的更新采用了当前时刻被控量的值，状态量z2的更新采用了当前时刻状态量z1的值、当前时刻的设定值r和当前时刻控制量uA的值，从而使得线性反馈控制器的输出(线性反馈值)能够与当前时刻的控制量保持一致。
具体地，在实际应用中，若需要加大控制器的控制强度，则可以增加第二控制强度系数kp，减小第一控制强度系数b0；若需要减小控制器的控制强度，则可以增加第一控制强度系数b0，减小第二控制强度系数kp。
具体地，在一实施例中，可以根据如下公式计算目标控制量：
uA(k+1)＝uA(k)+[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]
其中，uA(k+1)表示控制器在k+1时刻的控制量，即所述目标控制量， uA(k)表示控制器在k时刻的控制量，即所述当前控制量，控制器的控制状态量F＝[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]，uPD(k+1)表示在k+1时刻的线性反馈值,uPD(k)表示在k时刻的线性反馈值,IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式。
需要解释的是，在死区模式下，线性反馈值可以随着第一扩张状态变量和第二扩张状态变量进行更新，因此，基于上述公式得到的目标控制量的变化程度较为平稳，避免了对控制系统产生额外的扰动。
具体地，在一实施例中，为了有效地区分死区模式和控制模式，以避免执行机构过于频繁执行控制动作，可以根据当前设定值与当前被控量，计算控制器的控制偏差；判断控制器的控制偏差是否属于预设的死区区间；当控制器的控制偏差属于预设的死区区间时，确定控制器当前处于死区模式；当控制器的控制偏差不属于预设的死区区间时，确定控制器当前处于控制模式。
具体地，如图3所示，为本申请实施例提供的控制器工作模式的判断函数图像。具体可以根据如下公式确定控制器当前是处于死区模式还是控制模式：
Figure GDA0003821161360000111
其中，dzup和dzdn分别是预先设置的死区上限和下限，即死区区间为 (dzdn,dzup)，r(k)为设定值，y(k)为被控量。IDZ(k)为0表示控制偏差大，控制器处于控制模式，此时控制器根据控制偏差的大小确定目标控制量，并产生对应的控制量信号，改变目标执行机构的状态，目标执行机构按照控制量指令动作。IDZ(k)为1表示控制偏差小，控制器进入死区模式，控制量信号应保持不变，执行机构的状态不发生改变。
在现有技术中，控制器由控制模式变为死区模式时，控制量保持最近一次进入死区模式前的值不变；控制器由死区模式变为控制模式时，控制量应从上一时刻的死区保持值开始发生变化，此时控制量有可能较死区模式发生迅速的变化，从而引起执行机构较大的动作。因此，本申请实施例提供了一种自抗扰控制方法，通过在死区模式下对扩张状态变量进行实时更新，使控制器在模式改变时控制量保持平稳，避免了控制系统因控制量跳变而产生额外的扰动。
示例性的，设控制器在k时刻为死区模式，在k+1时刻控制模式，则有：
在k时刻：
z1(k)＝y(k)
z2(k)＝kp[r(k)-y(k)]-b0uA(k)
uPD(k)＝uA(k)
在k+1时刻：
z1(k+1)＝z1(k)+ΔT{z2(k)+β1[(y(k+1)-z1(k)]+b0uA(k)}
z2(k+1)＝z2(k)+ΔTβ2[y(k+1)-z1(k)]
简明起见，记：
F1(k)＝z2(k)+β1[(y(k+1)-z1(k)]+b0uA(k)
F2(k)＝β2[y(k+1)-z1(k)]
则有：
z1(k+1)＝z1(k)+F1(k)ΔT
z2(k+1)＝z2(k)+F2(k)ΔT
从而可以得到：
Figure GDA0003821161360000121
k+1时刻的目标控制量为：
Figure GDA0003821161360000131
对于设定值不变的控制系统，r(k+1)＝r(k)，则有：
Figure GDA0003821161360000132
具体地，当控制器从死区模式转为控制模式时，控制量在工作模式转换时刻，在死区模式下维持不变的控制量uA(k)的基础上开始变化，变化幅度为 [kpF1(k)+F2(k)]ΔT/b0，这个变化量也是跳出死区模式后，由于死区的设置产生的控制偏差对应的初始控制量。该初始控制量由两部分组成，第一部分
Figure GDA0003821161360000134
的幅度与计算周期和死区阈值成正相关，若死区阈值设置为零则该量为0；第二部分
Figure GDA0003821161360000135
的幅度与计算周期和切换时刻被控量的变化幅度成正相关，是由于控制偏差超出死区阈值后控制器产生的必要的控制量。
相反的，若设定值恰好在k+1时刻发生变化，则有：
Figure GDA0003821161360000133
具体地，若设定值恰好在k+1时刻发生变化，则控制量的变化幅度在上述实施例的基础上还要增加一个与设定值变化幅度成正相关的量，若设定值不变，则该量为0。
具体地，无论在工作模式转换时刻设定值是否发生变化，本申请实施例提供的自抗扰控制方法在工作模式转换时刻，其输出的控制量均不会产生额外的扰动，即从控制模式转为死区模式时，控制量指令能维持不变，执行机构不动作；从死区模式转为控制模式时，控制量从前一时刻维持不变的控制量指令开始变化，在控制参数整定完毕后，初始控制量的变化幅度由死区阈值以及切换时刻的设定值和被控量变化量决定。
示例性的，以某火电机组高压加热器水位为被控量，以疏水阀门开度为控制量，基于本申请实施例提供自抗扰控制方法设计了带死区的一阶自抗扰控制器，并设置了死区阈值为dzup＝dzdn＝3，即水位偏差在3mm以内时，控制器不调节，水位偏差超出3mm后执行机构开始动作。图4为本申请实施例提供的不带死区的一阶自抗扰控制器组态图，图5为本申请实施例提供的带死区的一阶自抗扰控制器组态图。两者均在工业用控制系统中组态实现。图6为本申请实施例提供的不带死区的一阶自抗扰控制器的控制过程曲线图，作为对比，图7为本申请实施例提供的带死区的一阶自抗扰控制器的控制过程曲线图。其中，两个控制器参数均为：kp＝0.03，b0＝0.1。计算周期为ΔT＝1，图6和图7中的水位曲线图所包含的平直线表示设定值，曲线表示被控量对应的实际值。
从图中可以发现，图6的自抗扰控制器没有死区跟踪功能，当控制偏差大于阈值从而退出死区时，控制器计算出来的控制量与执行机构实际位置存在较大偏差，控制量瞬间产生较大的突变，系统的输出产生明显的波动。图 7对应的自抗扰控制器具有死区功能，在退出死区时，控制量变化平缓。
本申请实施例提供的自抗扰控制方法，通过获取控制系统中的当前设定值、当前被控量以及控制器的当前工作模式和当前控制量；在当前工作模式处于死区模式时，利用当前被控量，对控制器的第一扩张状态变量更新；根据当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和当前控制量，对控制器的第二扩张状态变量更新，以使控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。上述方案提供的方法，在控制器处于死区模式下，对第一扩张状态变量和第二扩张状态变量进行实时更新，以使在控制器由死区模式转换为控制模式时，可以根据更新后的扩张状态变量对目标执行机构进行控制，避免了对控制系统产生额外的扰动，提高了自抗扰控制方法的可靠性，保证了控制品质，为提高控制系统的安全性奠定了基础。并且，通过在死区模式下根据扩张状态变量对线性反馈值进行更新，使线性反馈控制器的输出(线性反馈值)能够与当前时刻的控制量保持一致，进一步提高了该方法的可靠性。本申请实施例提供的自抗扰控制方法既能够避免死区内频繁调整的问题，又保证了穿越死区阈值时控制量不产生额外的扰动，从而完善和丰富了工程用自抗扰控制器的功能，为自抗扰控制器在工业控制过程更广范围的应用提供技术基础。
本申请实施例提供了一种自抗扰控制装置，用于执行上述实施例提供的自抗扰控制方法。
如图8所示，为本申请实施例提供的自抗扰控制装置的结构示意图。该自抗扰控制装置80包括获取模块801、第一更新模块802和第二更新模块803。
其中，获取模块，用于获取控制系统中的当前设定值、当前被控量以及控制器的当前工作模式和当前控制量；第一更新模块，用于在当前工作模式处于死区模式时，利用当前被控量，对控制器的第一扩张状态变量更新；第二更新模块，用于根据当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和当前控制量，对控制器的第二扩张状态变量更新，以使控制器在退出死区模式时，根据第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制。
关于本实施例中的自抗扰控制装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本申请实施例提供的自抗扰控制装置，用于执行上述实施例提供的自抗扰控制方法，其实现方式与原理相同，不再赘述。
本申请实施例提供了一种控制系统，用于执行上述实施例提供的自抗扰控制方法。
如图9所示，为本申请实施例提供的控制系统的结构示意图。该控制系统90包括控制器91，控制器91包括：线性反馈控制器911、第一扩张状态观测器912、第二扩张状态观测器913、至少一个处理器914和存储器915；
其中，线性反馈控制器用于生成线性反馈值；第一扩张状态观测器用于对控制系统中被控量的输出情况进行观测，并生成第一扩张状态变量；第二扩张状态观测器用于对控制系统的扰动程度进行观测，并生成第二扩张状态变量；存储器存储计算机执行指令；至少一个处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如上实施例提供的自抗扰控制方法。
本申请实施例提供的一种控制系统，用于执行上述实施例提供的自抗扰控制方法，其实现方式与原理相同，不再赘述。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行计算机执行指令时，实现如上任一实施例提供的自抗扰控制方法。
本申请实施例的包含计算机可执行指令的存储介质，可用于存储前述实施例中提供的自抗扰控制方法的计算机执行指令，其实现方式与原理相同，不再赘述。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (7)

1.一种自抗扰控制方法，应用于控制系统中的控制器，所述控制系统部署于被控设备，所述被控设备包括火电机组，其特征在于，所述方法包括：
获取所述控制系统中的当前设定值、当前被控量以及所述控制器的当前工作模式和当前控制量；
在所述当前工作模式处于死区模式时，利用所述当前被控量，对所述控制器的第一扩张状态变量更新；
根据所述当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和所述当前控制量，对所述控制器的第二扩张状态变量更新，以使所述控制器在退出死区模式时，根据所述第一扩张状态变量、所述第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制；
其中，所述第一扩张状态变量用于反馈所述控制器对被控量输出情况的观测结果；所述第一扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure FDA0003821161350000011
其中，z1(k+1)表示第k+1时刻的第一扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，β1表示预设的第一计算参数；z1(k)表示k时刻的第一扩张状态变量；
所述第二扩张状态变量用于反馈控制器对控制系统的扰动程度的观测结果；
其中，所述第二扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure FDA0003821161350000012
其中，z2(k+1)表示第k+1时刻的第二扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，kp表示预设的第二控制强度系数，β2表示预设的第二计算参数；
所述控制器在退出死区模式时，根据所述第一扩张状态变量、所述第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制，包括：
根据所述第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值；
根据所述线性反馈值和对应的历史线性反馈值，确定所述控制器的控制状态量；
根据所述当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，以使所述控制器根据所述目标控制量对目标执行机构进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值，包括：
根据如下公式计算所述线性反馈值：
Figure FDA0003821161350000021
其中，uPD(k+1)表示在k+1时刻的线性反馈值，kp表示预设的第二控制强度系数，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z1(k+1)表示在第k+1时刻的第一扩张状态变量，z2(k+1)表示在第k+1时刻的第二扩张状态变量，b0表示预设的第一控制强度系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，包括：
根据如下公式计算所述目标控制量：
uA(k+1)＝uA(k)+[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]
其中，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，即所述目标控制量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，即所述当前控制量，控制器的控制状态量F＝[uPD(k+1)-uPD(k)][1-IDZ(k)]，uPD(k+1)表示在k+1时刻的线性反馈值,uPD(k)表示在k时刻的线性反馈值,IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述当前设定值与当前被控量，计算所述控制器的控制偏差；
判断所述控制器的控制偏差是否属于预设的死区区间；
当所述控制器的控制偏差属于预设的死区区间时，确定所述控制器当前处于死区模式；
当所述控制器的控制偏差不属于预设的死区区间时，确定所述控制器当前处于控制模式。
5.一种自抗扰控制装置，其特征在于，应用于控制系统中的控制器，所述控制系统部署于被控设备，所述被控设备包括火电机组，所述装置包括：
获取模块，用于获取所述控制系统中的当前设定值、当前被控量以及所述控制器的当前工作模式和当前控制量；
第一更新模块，用于在所述当前工作模式处于死区模式时，利用所述当前被控量，对所述控制器的第一扩张状态变量更新；
第二更新模块，用于根据所述当前设定值、更新后的第一扩张状态变量和所述当前控制量，对所述控制器的第二扩张状态变量更新，以使所述控制器在退出死区模式时，根据所述第一扩张状态变量、所述第二扩张状态变量和当前控制量对目标执行机构进行控制；
其中，所述第一扩张状态变量用于反馈所述控制器对被控量输出情况的观测结果；所述第一扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure FDA0003821161350000031
其中，z1(k+1)表示第k+1时刻的第一扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k)表示所述控制器在k时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，β1表示预设的第一计算参数；z1(k)表示k时刻的第一扩张状态变量；
所述第二扩张状态变量用于反馈控制器对控制系统的扰动程度的观测结果；
其中，所述第二扩张状态变量根据如下公式进行更新：
Figure FDA0003821161350000032
其中，z2(k+1)表示第k+1时刻的第二扩张状态变量，IDZ(k)＝0表示控制器在k时刻处于控制模式，IDZ(k)＝1表示控制器在k时刻处于死区模式，ΔT表示计算周期，y(·)表示被控量，r(k+1)表示k+1时刻的设定值，z2(k)表示k时刻的第二扩张状态变量，uA(k+1)表示所述控制器在k+1时刻的控制量，b0表示预设的第一控制强度系数，kp表示预设的第二控制强度系数，β2表示预设的第二计算参数；
所述装置还包括控制模块，用于：
根据所述第一扩张状态变量、第二扩张状态变量和当前设定值，确定对应的线性反馈值；
根据所述线性反馈值和对应的历史线性反馈值，确定所述控制器的控制状态量；
根据所述当前控制量和控制器的控制状态量，确定目标控制量，以使所述控制器根据所述目标控制量对目标执行机构进行控制。
6.一种控制系统，包括控制器，其特征在于，所述控制器包括：线性反馈控制器、第一扩张状态观测器、第二扩张状态观测器、至少一个处理器和存储器；
所述线性反馈控制器用于生成线性反馈值；
所述第一扩张状态观测器用于对所述控制系统中被控量的输出情况进行观测，并生成第一扩张状态变量；
所述第二扩张状态观测器用于对所述控制系统的扰动程度进行观测，并生成第二扩张状态变量；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得所述至少一个处理器执行如权利要求1至4任一项所述的方法。
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中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如权利要求1至4任一项所述的方法。
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