CN114035426A - 串级调节系统的控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串级调节系统的控制方法、装置、设备以及计算机可读存在介质，该方法包括预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；当副调节器根据当前导前量和主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到第二输出量限值，则以当前第一输出量为第一输出量限值对主调节器的第一输出量限值进行闭锁；若随导前量的变化，根据导前量和第一输出量确定的第二输出量变化至第二输出量限值的范围内，则解除第一输出量限值的闭锁，设定第一输出量限值为初始第一输出量限值。本申请对串级调节系统中主副调节器出现的积分饱和现象存在很好的抑制作用，提升串级调节系统调节的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及PID调节技术领域，特别是涉及一种串级调节系统的控制方法、装置、设备以及计算机可读存储介质。
背景技术
PID调节器在火力发电、石油化工等工业生产过程中是最常用的控制调节器。DCS系统的PID调节器设置有输出指令高限参数、输出指令低限参数。当PID调节器的输出达到高限值或低限值时，PID调节器的积分功能均会自动分离、停止比例积分微分运算，所以针对单回路PID调节器只需正确设置输出指令高限参数(调节阀高限一般均设为100)、输出指令低限参数(调节阀低限一般均设为0)，单回路PID调节系统不存在抗积分饱和控制策略。
串级调节系统包含有主PID调节器和副PID调节器，具有能够更加快速地消除控制对象的惯性与延迟，在工业生产中蒸汽温度、汽包水位等大惯性系统控制中常采用串级调节。参照图1，图1为一种串级调节系统的控制逻辑示意图，在串级调节系统中主PID调节器控制系统被调量，副PID调节器控制导前过程量，主PID调节器的输出指令作为副PID调节器的设定值，副PID调节器的输出指令直接作用到执行机构。常规的串级调节系统中副PID调节器的低限值简化设为0、副PID调节器的高限值简化设为100、主PID调节器的低限值设为导前过程量的量程最小值(某一常数)、主PID调节器的高限值设为导前过程量的量程最大值(某一常数)。显然上述常规设计方法存在主PID调节器的积分饱和现象，当调节机构达到最大出力或者最小出力值时，主PID调节器输出几乎不会同步达到设定的低限或者高限常数，没有完备的抗积分饱和功能。
目前尽管存在公开的PID调节器抗积分饱和控制方法，但往往存在抗积分饱和控制策略复杂或者难以准确实现，未能真正有效地实现串级控制系统的防止积分饱和功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种串级调节系统的控制方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，在一定程度上提升串级调节系统的灵敏度和调节精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种串级调节系统的控制方法，包括：
预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；
当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁；
若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，设定所述第一输出量限值为所述初始第一输出量限值。
可选地，当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁，包括：
当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁；
当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁；
相应地，若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，包括：
当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁；
当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁。
可选地，当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁，包括：
当所述第二输出量大于或等于所述第二输出量上限值对应的上限阈值一时，则对所述第一输出量下限值进行闭锁；
当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁，包括：
若随导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值对应的上限阈值二时，则解除所述第一输出量上限值的闭锁；
其中，所述上限阈值一大于所述上限阈值二；所述上限阈值一和所述上限阈值二均小于所述第二输出量上限值，且与所述第二输出量上限值之间的差值均不大于预设差值。
可选地，当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁，包括：
当所述第二输出量小于或等于所述第二输出量下限值对应的下限阈值一时，则对所述第一输出量上限值进行闭锁；
当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁，包括：
若随导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值对应的下限阈值二时，则解除所述第一输出量上限值的闭锁；
其中，所述下限阈值一小于所述下限阈值二；所述下限阈值一和所述下限阈值二均大于所述第二输出量下限值，且与所述第二输出量下限值之间的差值均不大于预设差值。
一种串级调节系统的控制装置，包括：
参数设定模块，用于预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；
第一调节模块，用于当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁；
第二调节模块，用于若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，设定所述第一输出量限值为所述初始第一输出量限值。
可选地，所述第一调节模块具体用于当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁；当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁；
所述第二调节模块具体用于当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁；当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁。
一种串级调节系统的控制设备，包括主调节器，用于根据当前过程量和预先设定值输出第一输出量；
输入端和所述主调节器的输出端相连接的副调节器，用于根据所述第一输出量和当前导前量输出控制执行机构的第二输出量；
分别和所述主调节器以及所述副调节器相连接的参数调节器，用于根据所述第一输出量和所述第二输出量执行实现如权利要求1至5任一项所述的串级调节系统的控制方法的步骤。
可选地，所述参数调节器包括第一比较器、第二比较器、第一RS触发器以及第一模拟量选择器；
所述第一比较器和所述第二比较器的输入端均和所述副调节器的输出端相连接；所述第一比较器的输出端和所述第一RS触发器的S输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否大于上限阈值一；所述第二比较器的输出端和所述第一RS触发器的R输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否小于上限阈值二；
所述第一模拟量选择器的第一输入端和所述第一RS触发器的输出端相连接，第二输入端和所述主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量下限值输入端，输出端和所述主调节器的第一输出量下限值输入端相连接；
所述第一模拟量选择器用于当接收到所述第一RS触发器的输出值为1，则输出所述第一模拟量选择器的第二输入端接收到的数据，当接收到所述第一RS触发器的输出值为0，则输出所述第一模拟量选择器的第三输入端接收到的数据。
可选地，所述参数调节器包括第三比较器、第四比较器、第二RS触发器以及第二模拟量选择器；
所述第三比较器和所述第四比较器的输入端均和所述副调节器的输出端相连接；所述第三比较器的输出端和所述第二RS触发器的S输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否小于下限阈值一；所述第四比较器的输出端和所述第二RS触发器的R输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否大于下限阈值二；
所述第二模拟量选择器的第一输入端和所述第二RS触发器的输出端相连接，第二输入端和所述主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量上限值输入端，输出端和所述主调节器的第一输出量上限值输入端相连接；
所述第二模拟量选择器用于当接收到所述第二RS触发器的输出值为1，则输出所述第二模拟量选择器的第二输入端接收到的数据，当接收到所述第二RS触发器的输出值为0，则输出所述第二模拟量选择器的第三输入端接收到的数据。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述串级调节系统的控制方法的步骤。
本发明所提供的一种串级调节系统的控制方法，包括预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；当副调节器根据当前导前量和主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到第二输出量限值，则以当前第一输出量为第一输出量限值对主调节器的第一输出量限值进行闭锁；若随导前量的变化，根据导前量和第一输出量确定的第二输出量变化至第二输出量限值的范围内，则解除第一输出量限值的闭锁，设定第一输出量限值为初始第一输出量限值。
本申请中在对串级调节系统进行控制调节过程中，在被测对象的过程量偏离设定值的偏离量持续增大，导致副调节器根据主调节器输出第一输出量和导前量进行比例积分微分运算的结果达到甚至超出第二输出量时对主调节器的第一输出量进行闭锁，限制第一输出量随着过程量持续偏移设定值而持续变化，进而使得被测对象的过程量向正常状态恢复时，因为闭锁后的第一输出量和导前量之间的差异缩小，相应的基于第一输出量和导前量之间的比例积分微分运算结果也能够更快的恢复至第二输出量限制内，使得执行机构的阀门开度能够更快的实现调节。
综上所述，本申请对串级调节系统中主调节器出现的积分饱和现象存在很好的抑制作用，从而在一定程度上提升串级调节系统调节的灵敏度，有利于串级调节系统的广泛应用。
本申请还提供了一种串级调节系统的控制装置、设备以及计算机可读存在介质，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为一种串级调节系统的控制逻辑示意图；
图2为本申请实施例提供的一种串级调节系统的控制方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的一种串级调节系统的抗积分饱合控制逻辑示意图；
图4为本发明实施例提供的串级调节系统的控制装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在串级调节系统中之所以出现积分饱和现象，其主要原因是因为主调节器的输出值尚未达到设定的固定的限制阈值而副调节器的输出值已然达到执行机构的限制阈值；而此时因为被调节对象的参数还在持续变化，进而使得主调节器的输出量在积分的作用下随着时间推移进一步的增大或减小，使得副调节器的输出量已经不能再变化(增大或减小)的情况下，积分运算结果却持续累积，从而导致积分饱和现象。
并且，又因为在串级调节系统中主调节器的输出量限制阈值并不存在一个特定的阈值大小使得主调节器的输出量达到该限制阈值时，副调节器的输出量也恰好达到阈值，也即是说主调节器输出量和副调节器的输出量之间虽然存在一定的关联关系，但也并不存在固定的一一对应的关系，这也就无法通过选择合适的主调节器的输出量的固定限制阈值以限制主调节器的输出值来实现抗积分饱和的问题。
为此，本申请中提供了一种串级调节系统中主调节器的输出值限制阈值进行优化调整的技术方案，能够在副调节器的输出量达到限制阈值时，对主调节器的输出量进行闭锁，直到副调节器的输出量恢复到执行器出力限值以内，再解除主调节器的输出量闭锁，从而在一定程度上避免了积分饱和对串级调节系统的调节灵敏度产生影响的问题，有利于提升串级调节系统的反应灵敏度和调节精度。
如图2和图3所示，图2为本申请实施例提供的一种串级调节系统的控制方法的流程示意图，图3为本申请实施例提供的一种串级调节系统的抗积分饱和控制逻辑示意图；该串级调节系统的抗积分饱和控制方法可以包括：
S11：预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值。
参照图1和图3可知，串级调节系统中主调节器需要根据被调对象的过程量(即反馈量)和设定值(被测对象的理想值)之间的差值进行比例积分微分运算，当比例积分微分运算的结果在第一输出量限值范围内，则将该比例积分微分运算的结果作为第一输出量输出。显然，该第一输出量限值包括第一输出量上限值和第一输出量下限值，当比例积分微分运算结果大于等于第一输出量上限值时，则主调节器的第一输出量即为第一输出量上限值；而当比例积分微分运算结果小于等于第一输出量下限值时，则主调节器的第一输出量即为第一输出量下限值。
由此设定初始第一输出量限值，也即是设置初始第一输出量上限值和初始第一输出量下限值。对于初始第一输出量限值可以基于具体的调节对象，例如水位、蒸汽温度等等，由工作人员依据实际需要和经验设定。
同理，副调节器的第二输出量限值包括第二输出量上限值和第二输出量下限值，一般情况下，第二输出量上限值即为阀门或其他执行机构可调节的最大值，一般为100；而第二输出量下限值也就是执行机构可调节的最小值，一般为0。
S12：当副调节器根据当前导前量和主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到第二输出量限值，则以当前第一输出量为第一输出量限值对主调节器的第一输出量限值进行闭锁。
如图3所示，假设本申请中的反馈调节为反作用调节；当前过程量和设定值之间的差值越大，主调节器输出的第一输出量的大小越小；反之当前过程量和设定值之间的差值越小，主调节器输出的第一输出量的大小越大。
主调节器输出的第一输出量输出至副调节器，并作为副调节器的设定值，副调节器根据当前导前量和第一输出量进行比例积分微分运算；导前量是反应被调对象当前状态的另一参数数据，且和过程量呈正相关，能更快速反应过程量的变化趋势；第一输出量和当前导前量之间的差异越大，副调节器的比例积分微分运算结果也就越大；当副调节器的比例积分微分运算结果在第二输出量上限值和第二输出量的下限值之间时，则副调节器的比例积分微分运算结果作为第二输出值输出作用到执行机构。
在第一输出量限值和第二输出量限值范围内，以第一输出量和第二输出量之间呈反作用的负反馈调节为例。假设被测对象的过程量持续增大，使得过程量严重偏离设定值，主调节器基于过程量和设定值进行比例积分微分运算输出的第一输出量，随着过程量逐渐增大，第一输出量也就逐渐减小，副调节器基于该第一输出量和导前量进行比例积分微分运算的结果也就逐渐增大，执行机构控制阀门的开度也相应逐渐增大。当副调节器基于该第一输出量和导前量进行比例积分微分运算的结果已经达到第二输出量上限值时，第二输出量无法继续增大，执行机构的阀门开度也无法继续增长；而此时过程量依然持续增大，显然只要主调节器的第一输出量未减小到第一输出量下限值，第一输出量也持续减小，副调节器基于第一输出量和导前量进行比例积分微分运算的结果仍然持续增大；
而当过程量开始回落时，主调节器根据过程量和设定值进行比例积分微分运算获得的第一输出量，该第一输出量和导前量进行比例积分微分运算的结果仍然大于第二输出量上限值，副调节器也就保持输出第二输出量上限值，也即无法及时控制执行机构阀门开度进行减小调节。但实际上当导前量和过程量开始回落时为了避免执行机构的阀门开度过大，导致导前量和过程量过渡回落至小于设定值，且偏移设定值较多，此时需要控制阀门开度适当减小，但是由于由于主调节器的积分饱和运算的结果导致阀门开度调节失败。
为此，本实施例可以在副调节器输出的第二输出量达到(即接近于或等于)第二输出量上限值时，以当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量的输出下限进行闭锁。
对主调节器的第一输出量下限值进行闭锁，使得其第一输出量下限值等于其当前第一输出量，也即是当第一次出现副调节器的比例积分微分运算结果达到第二输出量上限值时对应的第一输出量作为闭锁的第一输出量下限值，那么即便后续的过程量持续增大，主调节根据过程量和设定值之间的比例积分微分运算结果持续减小，但主调节器的第一输出量受闭锁的第一输出量下限值限制也并不再持续减小，而是保持为闭锁的第一输出量下限值；那么在过程量和导前量开始回落时，因为闭锁的第一输出量下限值使得第一输出量具有较高的下限值，那么副调节器根据导前量和第一输出量进行比例积分微分运算的结果也就能够更快的达到第二输出量限值范围内，也就能够更快的实现对执行机构开度的关小调节，从而在一定程度上抑制了主调节器的第一输出量持续减小而导致副调节器的的输出不能及时反向减小而产生积分饱和现象。
同理，当被测对象的过程量持续减小，而导致过程量严重偏离设定值，此时主调节器基于过程量和设定值进行比例积分微分运算而输出的第一输出量会随着过程量的持续减小而持续增大，相应的，副调节器基于第一输出量和导前量的比例积分微分运算结果也持续减小，直到副调节器的第二输出量达到第二输出量下限值时，其比例积分微分运算结果仍然存在持续增长而出现积分饱和现象，当过程量开始回升时，无法及时对执行开关进行相应开大调节，影响整个调节系统的灵敏度。
为此，和对上述第一输出量下限值进行闭锁相同的原理，可以在副调节器输出的第二输出量达到(接近于或等于)第二输出量下限值，则以当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁。也即是在过程量下降过程中，副调节器第一次输出的第二输出量接近或等于第二输出量下限值时对应的第一输出量作为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁，此时即便是当前过程量持续减小，也可以避免当前过程量和设定值之间的比例积分微分运算结果持续增大，使得主调节器的第一输出值也保持在闭锁的第一输出量上限值，进而避免了因主调节器的第一输出值持续增长导致副调节器无法及时反向开大而产生的积分饱和现象。
基于上述论述，可以理解的是本实施例中第二输出量达到第二输出量限值存在两种情况，一种是第二输出量达到(接近或等于)第二输出量上限值，此时需要对主调节器的第一输出量下限值进行闭锁；另一种是第二输出量达到(接近或等于)第二输出量下限值，此时需要对主调节器的第一输出量上限值进行闭锁。
需要说明的是，本实施例中所指的基于副调节器比例积分微分运算结果确定的第二输出量达到第二输出量限值，存在达到第二输出量上限值和达到第二输出量下限值两种情况。
以第二输出量达到第二输出量上限值为例，可以设定一个第二输出量上限值对应的阈值，该阈值略小于第二输出量上限值，那么当第二输出量大于该阈值时即可认为达到第二输出量上限值；当然，本实施例中也不排除第二输出量达到第二输出量限值即为第二输出量等于第二输出量限值的实施例。
同理，对于第二输出量达到第二输出量下限值，也可以是指第二输出量小于一个略大于第二输出量下限值的阈值，或者是指第二输出量等于第二输出量下限值，均不影响本申请的实施。
S13：若随导前量的变化，根据导前量和第一输出量确定的第二输出量变化至第二输出量限值的范围内，则解除第一输出量的闭锁，设定第一输出量限值为初始第一输出量限值。
在上述S12的步骤中，当第二输出量达到第二输出量限值时，对第一输出量限值进行了闭锁，但显然第一输出量的限值并不能一直保持闭锁状态。
因此，本实施例中进一步基于副调节器对导前量和第一输出量进行比例积分微分运算输出的第二输出量的大小确定第一输出量限值解除闭锁的方式。
基于上述论述，以第一输出量下限值闭锁为例。当被测对象的过程量和导前量开始持续回落，使得某一时刻副调节器对导前量和第一输出量(即第一输出量下限值)的比例积分微分运算结果小于第二输出量上限值，而随着导前量的持续回落，副调节器的比例积分微分运算结果持续回落到第二输出量上限值和第二输出量下限值之间，显然此时已经可以基于副调节器对导前量和第一输出量的积分结果作为第二输出量对执行机构的指令进行调节，此时即可解除第一输出量下限值的闭锁。也即是说，当对第一输出量下限值进行闭锁之后，若随导前量的变化，第二输出量变化至小于第二输出量上限值，则解除第一输出量下限值的闭锁，此时重新将第一输出量下限值设定为初始第一输出量下限值
同理，对于第一输出量上限值闭锁的情况，当对第一输出量上限值进行闭锁之后，若随导前量的变化，第二输出量变化至大于第二输出量下限值，则解除第一输出量上限值的闭锁。此时第一输出量上限值重新设定为初始第一输出量上限。
需要说明的是，本实施例中是以反作用调节为例，第一输出量和第二输出量之间呈负相关的串级调节系统为例进行说明的，在实际应用中，第一输出量和第二输出量之间并不必然呈负相关，还可能呈正相关，也即是说随着第一输出量的持续增大而导致副调节器的比例积分微分运算结果持续增长甚至超出第二输出量的上限值，而此时第一输出量还未达到第一输出量上限值；且随着第一输出量的逐渐减小而导致第二输出量也逐渐减小直到小于第二输出量下限值，而第一输出量还未达到第一输出量的下限值等等；此时合上述闭锁第一输出量限值的原理类似，可以基于第二输出量达到第二输出量上限值对第一输出量上限值进行闭锁，而基于第二输出量达到第二输出量下限值对第二输出量下限值进行闭锁。对于第一输出量和第二输出量之间是呈正相关还是负相关，是根据具体的调节对象、以及工作人员对串级调节系统中PID调节器的设计而决定的。
但是可以理解的是，若第一输出量和第二输出量之间呈负相关，当第二输出量达到第二输出量上限值时，即可对第一输出量下限值进行闭锁；当第二输出量达到第二输出量下限值时，即可对第一输出量上限值进行闭锁；反之，若第一输出量和第二输出量之间呈正相关，当第二输出量达到第二输出量上限值，即可对第一输出量上限值进行闭锁；当第二输出量达到第二输出量下限值是，即可对第一输出量上限值进行闭锁。
无论第一输出量和第二输出量之间是呈正相关还是呈负相关，基于第二输出量超出第二输出量限值时对第一输出量限值进行闭锁的原理均是相同的，同理，对于解除第一输出量限值闭锁的原理也是类似的，对此本实施例中不再详细说明。
综上所述，本申请中在串级调节系统中的副调节器的比例积分微分运算结果超出第二输出量限值的情况下，对主调节器的第一输出量限值进行了闭锁，从而在导前量向正常大小恢复过程中，能够更快速的基于被闭锁的第一输出量实现对执行机构进行调节，进而减小了积分饱和对执行机构调节所产生延时；并在第二输出量达到限制范围内时，及时对第一输出量限值进行解除闭锁，避免对后续执行机构的调节产生负面影响。由此可见本申请中对串级调节系统的控制方式能够避免积分饱和对反馈调节所产生的负面影响，在一定程度上提升了串级调节系统的灵敏度以及反应速度，有利于串级调节系统的广泛应用。
基于上述任意实施例，可知在对第一输出量限值进行闭锁和解除闭锁时，是基于第二输出量是否恢复到第二输出量限值范围内而确定的。但在实际应用中，第二输出量明显会出现在第二输出量上限值或第二输出量下限值上下波动的情况。因此，直接以基于副调节器的第二输出量大小和第二输出量限值进行对比来确定第一输出量限值是否进行闭锁或解除闭锁，会造成第一输出量限值反复闭锁和解除闭锁，从而造成整个调节过程中存在较大波动性，不利于串级调节系统的调节过程的稳定性。
为此，在本申请的一种可选地实施例中，对第一输出量下限值进行闭锁的过程可以包括：
当第二输出量大于或等于第二输出量上限值对应的上限阈值一时，则对第一输出量下限值进行闭锁；
相应地，第一输出量下限值闭锁之后，对第一输出量下限值进行解除闭锁的过程可以包括：
若随导前量的变化，第二输出量变化至小于第二输出量上限值对应的上限阈值二时，则解除第一输出量上限值的闭锁；
其中，上限阈值一大于上限阈值二；上限阈值一和上限阈值二均小于第二输出量上限值，且与第二输出量上限值之间的差值均不大于预设差值。
本实施例中对第二输出量设定上限阈值一和上限阈值二，该两个上限阈值均为接近于第二输出量上限值的阈值，其中上限阈值一大于上限阈值二，且上限阈值一是作为判断是否需要对第一输出量下限值进行闭锁的判断标准，而上限阈值二是作为判断是否要对第一输出量下限值进行解除闭锁的判断标准。
本实施例中采用更接近于第二输出量上限值的上限阈值一作为判断是否对第一输出量下限值进行闭锁的判断依据，而以相对于第二输出量上限值更小的上限阈值二作为判断是否对闭锁的第二输出量下限值进行解除闭锁的判断依据，有利于避免副调节器根据第一输出量和当前导前量进行比例积分微分运算的结果在第二输出量上限值附近波动而造成的第一输出量下限值频繁闭锁和解除闭锁。
参照图3，图3中是以利用RS触发器和模拟量选择器实现第一输出量限值的闭锁和解除闭锁的示例。
设定实现第一输出量下限值的闭锁和解除闭锁的为第一RS触发器和第一模拟量选择器。
第一RS触发器的S输入端通过第一比较器和副调节器的输出端相连接；第一比较器用于判断副调节器的第二输出量是否大于上限阈值一，若是，则向第一RS触发器的S输入端输入1，若否，则向第一RS触发器的S输入端输入0；
第一RS触发器的R输入端通过第二比较器和副调节器的输出端相连接；而第二比较器用于判断副调节器的第二输出量是否小于上限阈值二，若是，则向第一RS触发器的R输入端输入1，若否，则向第一RS触发器的R输入端输入0。
对于第一RS触发器而言，其R输入端和S输入端输入量和其输出值之间满足的结果如下表1所示：
表1：
| C＞C1 | C2≤C≤C1 | C＜C2 | |
| S输入端 | 1 | 0 | 0 |
| R输入端 | 0 | 0 | 1 |
| 输出值 | 1 | 保持 | 0 |
在表1中C也即是副调节器的第二输出量，而C1对应上限阈值一，C2则为上限阈值二。
而对于第一RS触发器的输出端和第一模拟量选择器的第一输入端相连接，同时，第一模拟量选择器的第二输入端和主调节器的输出端相连接，第三输入端和第一输出量下限值的初始值输入端相连接；显然第一输出量下限值的初始值输入端向第一模拟量选择器输入的即为初始第一输出量下限值；而第一模拟量选择器的输出和主调节器上第一输出量下限值输入端相连接。
当第一模拟量选择器的第一输入端输入的为1时，其选择输出第二输入端输入的数据进行输出，也即是当前主调节器的第一输出量；而当第一模拟量选择器的第一输入端输入的为0时，其选择输出第三输入端输入的数据进行输出，也即是第一输出量下限值的初始值。
那么主调节器的输出的第一输出量和导前量进行比例积分微分运算获得的第二输出量C大于上限阈值一C1，则此时第一RS触发器的输出端为1，相应的第一模拟量选择器也即选择当前主调节器输出端输出的第一输出量作为第一输出量下限值输入到主调节器的第一输出量下限值输入端。
而即便后续的过程量持续变化导致过程量和设定值之间积分运算的结果小于第一输出量下限值，主调节器仍然输出第一输出量下限值，也即实现第一输出量下限值的闭锁，而当导前量回落，使得第一输出量和导前量通过副调节器进行比例积分微分运算输出的第二输出量在上限阈值一C1和上限阈值二C2之间时，第二RS触发器的输出值保持不变，仍然为1，此时第一输出量的下限值保持闭锁状态，直到第二输出量小于上限阈值二C2，那么此时第一RS触发器的S输入端输入量为0而R输入端的输入量为1，此时第一RS触发器的输出值变为0，相应地，第一模拟量选择器的输出端选择其第三输入端输入的数据输出，也即是向主调节器的第一输出量下限值输入端输入初始第一输入量下限值。
类似地，在本申请的另一可选的实施例中，对于第一输出量上限值的闭锁过程可以包括：
当所述第二输出量小于或等于所述第二输出量下限值对应的下限阈值一时，则对所述第一输出量上限值进行闭锁；
相应地，在第一输出量上限值闭锁之后，对第一输出量上限值解除闭锁的过程可以包括：
若随导前量的变化，第二输出量变化至大于第二输出量下限值对应的下限阈值二时，则解除第一输出量上限值的闭锁；
其中，下限阈值一小于下限阈值二；下限阈值一和下限阈值二均大于第二输出量下限值，且与第二输出量下限值之间的差值均不大于预设差值。
和上述实施例原理相似，通过设定和第二输出量下限值更接近的下限阈值一，以及相对第二输出量下限值更大的下限阈值二，能够在一定程度上避免副调节器进行比例积分微分运算的结果在第二输出量下限值附近波动造成第一输出量上限值反复进行闭锁和解除闭锁。
参照图3，对第一输出量上限值的闭锁和解除闭锁同样可以采用第三比较器、第四比较器、第二RS触发器、第二模拟量选择器进行实现。
第三比较器输入端和副调节器的输出端相连接，输出端和第二RS触发器的S输入端相连接，用于判断第二输出量是否小于下限阈值一，若是，向第二RS触发器的S输入端输入1，若否，则第二RS触发器的S输入端输入0。
第四比较器的输入端和副调节器的输出端相连接，输出端和所述第二RS触发器的R输入端相连接，用于判断第二输出量是否大于下限阈值二，若是，向第二RS触发器的R输入端输入1，若否，则第二RS触发器的R输入端输入0。
第二RS触发器的触发输出结果和第一RS触发器触发输出结果相同，在此不再赘述。
第二模拟量选择器的第一输入端和第二RS触发器的输出端相连接，第二输入端和主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量上限值输入端，输出端和主调节器的第一输出量上限值输入端相连接。
第二模拟量选择器接收到第二RS触发器的输出值为1时，则输出主调节器输出的第一输出量，当接收到第二RS触发器的输出值为0，则输出初始第一输出量上限值。
如上所述，上述对第一输出量上限值和第一输出量下限值的闭锁和解除闭锁的过程都是以第一输出量和第二输出量之间呈负相关进行说明的；当第一输出量和第二输出量之间呈正相关时，同样可以采用类似原理针对第二输出量的上限值和下限值分别各设定两个阈值，不同的是，第二输出量上限值对应的两个阈值是对第一输出量上限值的闭锁和解除闭锁进行判断的标准，相应的，第二输出量下限值对应的两个阈值也即是对第一输出量下限值的闭锁和解除闭锁进行判断的标准，对此本实施例中不再一一详细列举。
下面对本发明实施例提供的串级调节系统的控制装置进行介绍，下文描述的串级调节系统的控制装置与上文描述的串级调节系统的控制方法可相互对应参照。
图4为本发明实施例提供的串级调节系统的控制装置的结构框图，参照图4中串级调节系统的控制装置可以包括：
参数设定模块100，用于预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；
第一调节模块200，用于当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁；
第二调节模块300，用于若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，设定所述第一输出量限值为所述初始第一输出量限值。
在本申请的一种可选地实施例中，所述第一调节模块200具体用于当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁；当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁；
所述第二调节模块300具体用于当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁；当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁。
在本申请的一种可选地实施例中，第一调节模块200具体用于当所述第二输出量大于或等于所述第二输出量上限值对应的上限阈值一时，则对所述第一输出量下限值进行闭锁；
所述第二调节模块300具体用于若随导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值对应的上限阈值二时，则解除所述第一输出量上限值的闭锁；
其中，所述上限阈值一大于所述上限阈值二；所述上限阈值一和所述上限阈值二均小于所述第二输出量上限值，且与所述第二输出量上限值之间的差值均不大于预设差值。
在本申请的一种可选地实施例中，第一调节模块200具体用于当所述第二输出量小于或等于所述第二输出量下限值对应的下限阈值一时，则对所述第一输出量上限值进行闭锁；
所述第二调节模块300具体用于若随导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值对应的下限阈值二时，则解除所述第一输出量上限值的闭锁；
其中，所述下限阈值一小于所述下限阈值二；所述下限阈值一和所述下限阈值二均大于所述第二输出量下限值，且与所述第二输出量下限值之间的差值均不大于预设差值。
本实施例的串级调节系统的控制装置用于实现前述的串级调节系统的控制方法，因此串级调节系统的控制装置中的具体实施方式可见前文中的串级调节系统的控制方法的实施例部分，例如，参数设定模块100，第一调节模块200，第二调节模块300，分别用于实现上述串级调节系统的控制方法中步骤S11，S12，S13，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本申请还提供了一种串级调节系统的控制设备的实施例，该设备可以包括：
主调节器，用于根据当前过程量和预先设定值输出第一输出量；
输入端和主调节器的输出端相连接的副调节器，用于根据第一输出量和当前导前量输出控制执行机构的第二输出量；
分别和主调节器以及副调节器相连接的参数调节器，用于根据第一输出量和第二输出量执行实现如上任一项的串级调节系统的控制方法的步骤。
在本申请的一种可选地实施例中，参数调节器包括第一比较器、第二比较器、第一RS触发器以及第一模拟量选择器；
第一比较器和第二比较器的输入端均和副调节器的输出端相连接；第一比较器的输出端和第一RS触发器的S输入端相连接，用于判断副调节器的输出量是否大于上限阈值一；第二比较器的输出端和第一RS触发器的R输入端相连接，用于判断副调节器的输出量是否小于上限阈值二；
第一模拟量选择器的第一输入端和第一RS触发器的输出端相连接，第二输入端和主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量下限值输入端，输出端和主调节器的第一输出量下限值输入端相连接；第一模拟量选择器用于当接收到第一RS触发器的输出值为1，则输出第一模拟量选择器的第二输入端接收到的数据，当接收到第一RS触发器的输出值为0，则输出第一模拟量选择器的第三输入端接收到的数据。
在本申请的另一可选地实施例中，该参数调节器进一步地包括第三比较器、第四比较器、第二RS触发器以及第二模拟量选择器；
第三比较器和第四比较器的输入端均和第二输出端相连接；第三比较器的输出端和第二RS触发器的S输入端相连接，用于判断第二输出量是否小于下限阈值一；第四比较器的输出端和第二RS触发器的R输入端相连接，用于判断副调节器的输出量是否大于下限阈值二；
第二模拟量选择器的第一输入端和第二RS触发器的输出端相连接，第二输入端和主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量上限值输入端，输出端和主调节器的第一输出量上限值输入端相连接；第二模拟量选择器用于当接收到第二RS触发器的输出值为1，则输出第二模拟量选择器的第二输入端接收到的数据，当接收到第二RS触发器的输出值为0，则输出第二模拟量选择器的第三输入端接收到的数据。
需要说明的是，在实际应用中对于上述参数调节器还可以直接为处理器芯片或控制器芯片等，对上述第一输出量限值的调节过程直接通过处理器芯片或者控制器芯片运行设定好的软件流程实现，也可以通过如图3中RS触发器、比较器、模拟量选择器等等电子器件相互配合完成实现，对此本申请中不做具体限制。
在本申请中还进一步地公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述串级调节系统的控制方法的步骤。
该计算机可读存储介质可以包括随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种串级调节系统的控制方法，其特征在于，包括：
预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；
当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁；
若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，设定所述第一输出量限值为所述初始第一输出量限值。
2.如权利要求1所述的串级调节系统的控制方法，其特征在于，当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁，包括：
当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁；
当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁；
相应地，若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，包括：
当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁；
当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁。
3.如权利要求2所述的串级调节系统的控制方法，其特征在于，当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁，包括：
当所述第二输出量大于或等于所述第二输出量上限值对应的上限阈值一时，则对所述第一输出量下限值进行闭锁；
当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁，包括：
若随导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值对应的上限阈值二时，则解除所述第一输出量上限值的闭锁；
其中，所述上限阈值一大于所述上限阈值二；所述上限阈值一和所述上限阈值二均小于所述第二输出量上限值，且与所述第二输出量上限值之间的差值均不大于预设差值。
4.如权利要求2所述的串级调节系统的控制方法，其特征在于，当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁，包括：
当所述第二输出量小于或等于所述第二输出量下限值对应的下限阈值一时，则对所述第一输出量上限值进行闭锁；
当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁，包括：
若随导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值对应的下限阈值二时，则解除所述第一输出量上限值的闭锁；
其中，所述下限阈值一小于所述下限阈值二；所述下限阈值一和所述下限阈值二均大于所述第二输出量下限值，且与所述第二输出量下限值之间的差值均不大于预设差值。
5.一种串级调节系统的控制装置，其特征在于，包括：
参数设定模块，用于预先设定串级调节系统中主调节器的初始第一输出量限值和副调节器的第二输出量限值；
第一调节模块，用于当所述副调节器根据当前导前量和所述主调节器的当前第一输出量比例积分微分运算获得的第二输出量达到所述第二输出量限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量限值对所述主调节器的第一输出量限值进行闭锁；
第二调节模块，用于若随导前量的变化，根据所述导前量和所述第一输出量确定的所述第二输出量变化至所述第二输出量限值的范围内，则解除所述第一输出量限值的闭锁，设定所述第一输出量限值为所述初始第一输出量限值。
6.如权利要求5所述的串级调节系统的控制装置，其特征在于，所述第一调节模块具体用于当所述第二输出量达到第二输出量上限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量下限值，对第一输出量下限值进行闭锁；当所述第二输出量达到第二输出量下限值，则以所述当前第一输出量为第一输出量上限值，对第一输出量上限值进行闭锁；
所述第二调节模块具体用于当对所述第一输出量下限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至小于所述第二输出量上限值，则解除所述第一输出量下限值的闭锁；当对所述第一输出量上限值进行闭锁之后，若随所述导前量的变化，所述第二输出量变化至大于所述第二输出量下限值，则解除所述第一输出量上限值的闭锁。
7.一种串级调节系统的控制设备，其特征在于，包括主调节器，用于根据当前过程量和预先设定值输出第一输出量；
输入端和所述主调节器的输出端相连接的副调节器，用于根据所述第一输出量和当前导前量输出控制执行机构的第二输出量；
分别和所述主调节器以及所述副调节器相连接的参数调节器，用于根据所述第一输出量和所述第二输出量执行实现如权利要求1至5任一项所述的串级调节系统的控制方法的步骤。
8.如权利要求7所述的串级调节系统的控制设备，其特征在于，所述参数调节器包括第一比较器、第二比较器、第一RS触发器以及第一模拟量选择器；
所述第一比较器和所述第二比较器的输入端均和所述副调节器的输出端相连接；所述第一比较器的输出端和所述第一RS触发器的S输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否大于上限阈值一；所述第二比较器的输出端和所述第一RS触发器的R输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否小于上限阈值二；
所述第一模拟量选择器的第一输入端和所述第一RS触发器的输出端相连接，第二输入端和所述主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量下限值输入端，输出端和所述主调节器的第一输出量下限值输入端相连接；
所述第一模拟量选择器用于当接收到所述第一RS触发器的输出值为1，则输出所述第一模拟量选择器的第二输入端接收到的数据，当接收到所述第一RS触发器的输出值为0，则输出所述第一模拟量选择器的第三输入端接收到的数据。
9.如权利要求7所述的串级调节系统的控制设备，其特征在于，所述参数调节器包括第三比较器、第四比较器、第二RS触发器以及第二模拟量选择器；
所述第三比较器和所述第四比较器的输入端均和所述副调节器的输出端相连接；所述第三比较器的输出端和所述第二RS触发器的S输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否小于下限阈值一；所述第四比较器的输出端和所述第二RS触发器的R输入端相连接，用于判断所述第二输出量是否大于下限阈值二；
所述第二模拟量选择器的第一输入端和所述第二RS触发器的输出端相连接，第二输入端和所述主调节器的输出端相连接，第三输入端为初始第一输出量上限值输入端，输出端和所述主调节器的第一输出量上限值输入端相连接；
所述第二模拟量选择器用于当接收到所述第二RS触发器的输出值为1，则输出所述第二模拟量选择器的第二输入端接收到的数据，当接收到所述第二RS触发器的输出值为0，则输出所述第二模拟量选择器的第三输入端接收到的数据。
10.一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上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述串级调节系统的控制方法的步骤。
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2021
- 2021-11-17 CN CN202111363062.5A patent/CN114035426B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114035426B (zh) | 2023-06-30 |
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