CN115016287A - 工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质 - Google Patents

工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质 Download PDF

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CN115016287A CN202210783581.5A CN202210783581A CN115016287A CN 115016287 A CN115016287 A CN 115016287A CN 202210783581 A CN202210783581 A CN 202210783581A CN 115016287 A CN115016287 A CN 115016287A
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陈锦攀
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Guangdong Power Grid Co Ltd
Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质，该方法包括：构造工程最速跟踪滤波器逆；将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。本申请通过对现有的工程最速跟踪滤波器进行逆变换，得到工程最速跟踪滤波器逆，然后将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级组合，得到工程最速超前观测器，从而有效提高了工程最速超前观测器的性能。

Description

工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质
技术领域
本申请涉及火电机组过程控制技术领域，尤其涉及一种工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质。
背景技术
在火电机组过程控制领域中，现已存在一种工程最速控制器(Engineeringfastest controller，EFC)，EFC是工程最速PI控制器(Engineering fastestProportional-Integral，EFPI)与工程最速超前观测器(Engineering fastest leadingobserver，EFLO)的串级结构。其中，EFPI、EFLO的基础离不开一种工程最速跟踪滤波器(Engineering fastest tracking filter，EFTF)，EFTF是一种滑动窗滤波器(Slidingwindow filter，SWF)的工程化，SWF代表了一种零加速度最速跟踪滤波器(fastesttracking filter，FTF)，而EFLO则代表了一种高性能的超前观测器，然而，现有技术并没有提供构造EFLO的较好方法，进而导致EFLO的性能有所降低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质，以解决现有技术中没有提供构造EFLO的较好方法，进而导致EFLO的性能有所降低的问题。
为实现上述目的，本申请提供一种工程最速超前观测器构造方法，包括：
构造工程最速跟踪滤波器逆；
将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。
进一步地，所述构造工程最速跟踪滤波器逆，包括：
将输入信号输入至第一减法器的被减数端，在第一减法器的输出端得到第一减法器输出信号；
将所述第一减法器输出信号输入至工程最速跟踪滤波器的输入端，在工程最速跟踪滤波器的输出端得到工程最速跟踪滤波器输出信号；
将所述工程最速跟踪滤波器输出信号输入至第二减法器的被减数端，将所述第一减法器输出信号输入至第二减法器的减数端，在第二减法器的输出端得到第二减法器输出信号；
将所述第二减法器输出信号输入至第一减法器的减数端，将此时的第一减法器输出信号作为工程最速跟踪滤波器逆的输出信号。
进一步地，所述输入信号为火电机组过程控制的过程信号，包括主汽压力信号及主汽温度信号。
进一步地，所述工程最速跟踪滤波器逆为：
Figure BDA0003730808940000021
式中，EFTFI为工程最速跟踪滤波器逆，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s；
其中，
Figure BDA0003730808940000022
式中，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s。
进一步地，所述二阶惯性滤波器为：
Figure BDA0003730808940000031
式中，SOIF为二阶惯性滤波器，SOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数；TSOIF为SOIF的时间常数，单位为s。
进一步地，所述将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器，包括：
EFLO(s)＝EFTFI(s)SOIF(s)；
式中，EFLO为工程最速超前观测器，EFTFI工程最速跟踪滤波器逆，SOIF为二阶惯性滤波器，EFLO(s)为EFLO的拉普拉斯传递函数，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，FOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数。
本申请还提供一种工程最速超前观测器构造系统，包括：
工程最速跟踪滤波器逆构造单元，用于构造工程最速跟踪滤波器逆；
工程最速超前观测器构造单元，用于将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。
进一步地，所述工程最速跟踪滤波器逆构造单元，还用于：
将输入信号输入至第一减法器的被减数端，在第一减法器的输出端得到第一减法器输出信号；
将所述第一减法器输出信号输入至工程最速跟踪滤波器的输入端，在工程最速跟踪滤波器的输出端得到工程最速跟踪滤波器输出信号；
将所述工程最速跟踪滤波器输出信号输入至第二减法器的被减数端，将所述第一减法器输出信号输入至第二减法器的减数端，在第二减法器的输出端得到第二减法器输出信号；
将所述第二减法器输出信号输入至第一减法器的减数端，将此时的第一减法器输出信号作为工程最速跟踪滤波器逆的输出信号。
本申请还提供一种终端设备，包括：
一个或多个处理器；
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任一项所述的工程最速超前观测器构造方法。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其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的工程最速超前观测器构造方法。
相对于现有技术，本申请的有益效果在于：
本申请公开了一种工程最速超前观测器构造方法、系统、设备及介质，该方法包括：构造工程最速跟踪滤波器逆；将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。本申请通过对现有的工程最速跟踪滤波器进行逆变换，得到工程最速跟踪滤波器逆，然后将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级组合，得到工程最速超前观测器，从而有效提高了EFLO的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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申请的一些实施方式，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是本申请某一实施例提供的工程最速超前观测器构造方法的流程示意图；
图2是本申请某一实施例提供的工程最速跟踪滤波器逆的结构示意图；
图3是本申请某一实施例提供的工程最速超前观测器的结构示意图；
图4是本申请某一实施例提供的在给定条件下的工程最速超前观测器的频率特性示意图；
图5是本申请某一实施例提供的工程最速控制器EFC的结构示意图；
图6是本申请某一实施例提供的EFC控制与PID控制的对比分析示意图；
图7是本申请某一实施例提供的工程最速超前观测器构造系统的结构示意图；
图8是本申请某一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
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，都属于本申请保护的范围。
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，在本申请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申请。如在本申请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。
请参阅图1，本申请某一实施例提供一种工程最速超前观测器构造方法。如图1所示，该工程最速超前观测器构造方法包括步骤S10至步骤S20。各步骤具体如下：
S10、构造工程最速跟踪滤波器逆。
请参阅图2，图2提供了本步骤中构造的工程最速跟踪滤波器逆EFTFI的结构示意图，由图2可知，构造EFTFI包括以下步骤：
1.1)将输入信号输入至第一减法器的被减数端，在第一减法器的输出端得到第一减法器输出信号。作为优选的实施方式，本步骤中的输入信号为火电机组过程控制的过程信号，包括但不限于主汽压力信号及主汽温度信号。
1.2)将所述第一减法器输出信号输入至工程最速跟踪滤波器EFTF的输入端，在EFTF的输出端得到EFTF输出信号。
1.3)将所述EFTF输出信号输入至第二减法器的被减数端，将所述第一减法器输出信号输入至第二减法器的减数端，在第二减法器的输出端得到第二减法器输出信号。
1.4)将所述第二减法器输出信号输入至第一减法器的减数端。
1.5)所述第一减法器输出信号为工程最速跟踪滤波器逆EFTFI的输出信号。
由于工程最速跟踪滤波器EFTF为：
Figure BDA0003730808940000061
式中，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s。
因此，最终得到的工程最速跟踪滤波器逆EFTFI为：
Figure BDA0003730808940000062
式中，EFTFI为工程最速跟踪滤波器逆，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s。
S20、将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。
本步骤中，首先获取二阶惯性滤波器为：
Figure BDA0003730808940000063
式中，SOIF为二阶惯性滤波器，SOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数；TSOIF为SOIF的时间常数，单位为s。
进一步地，将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器，如图3所示。需要说明的是，二阶惯性滤波器SOIF主要起到一种噪声滤波的作用。最后，构造出的工程最速超前观测器EFLO的表达式为：
EFLO(s)＝EFTFI(s)SOIF(s)；
式中，EFLO为工程最速超前观测器，EFTFI工程最速跟踪滤波器逆，SOIF为二阶惯性滤波器，EFLO(s)为EFLO的拉普拉斯传递函数，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，FOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数。
综上所述，本申请实施例提供的工程最速超前观测器构造方法，通过对现有的工程最速跟踪滤波器进行逆变换，得到工程最速跟踪滤波器逆，然后将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级组合，得到工程最速超前观测器，从而有效提高了EFLO的性能。
在某一个具体地实施例中，为了评估本方案构造的工程最速超前观测器EFLO的性能，提供了一种评估方法，即采用超前相位峰值(Leading phase peak value，LPPV)与增益峰值(Gain peak value，GPV)的比值来衡量超前观测器的相位超前效率(Phase leadingefficiency，PLE)。具体地，在EFTFI中，假设给定额EFTF的n＝16、TF＝100s，SOIF的TSOIF＝5s，则最后得到EFLO的频率特性如图4所示。需要说明的是，实现工程最速跟踪滤波器逆EFTFI通常对硬件有较高的要求，如对数字计算设备的离散间隔的要求是TF/n为离散间隔的50倍以上。
在图4中，PHEFLO(ω)为EFLO的相频相位，单位为°；GEFLO(ω)为EFLO的幅频增益，单位dB。PHEFLO(ω)的LPPV为89.08°，GEFLO(ω)的GPV为20.0dB。根据图4可知，本申请实施例的EFLO的PLE＝LPPV/GPV为4.454°/dB。相比现有的高性能超前观测器(High performanceleading observer，HPLO)的LPPV为83.28°，GPV为21.1dB，PLE为3.974°/dB，本申请提供的EFLO的性能指标有了明显的提高。
在另一个示例性的实施例中，将本申请实施例提供的工程最速超前观测器EFLO用于构造一种工程最速控制器EFC及EFC控制系统，如图5所示。在图5中，EFPI为工程最速PI控制器，CP为控制过程(Control process)。
进一步，将EFC应用与某电厂600MW超临界火电机组的一级过热蒸汽温度控制回路，并与工业过程控制中的PID控制(Proportional-Integral-Differential)进行对比，最终得到的对比分析结果如图6所示。
根据图6可知，首先投入EFC控制，在11:00切换到PID控制。在给出的趋势范围内的投入EFC期间，相对一级过热蒸汽温度设定值，一级过热蒸汽温度最大偏差为5.2℃/-3.5℃。在切换到PID后，一级过热蒸汽温度最大偏差为6.1℃/-8.4℃。由此可见，利用本申请提供的工程最速超前观测器EFLO所构造的EFC控制性能明显优于PID控制。
请参阅图7，本申请某一实施例还提供一种工程最速超前观测器构造系统，包括：
工程最速跟踪滤波器逆构造单元01，用于构造工程最速跟踪滤波器逆；
在某一实施例中，工程最速跟踪滤波器逆构造单元01，还用于：
将输入信号输入至第一减法器的被减数端，在第一减法器的输出端得到第一减法器输出信号；作为优选的实施方式，本步骤中的输入信号为火电机组过程控制的过程信号，包括但不限于主汽压力信号及主汽温度信号。
将所述第一减法器输出信号输入至工程最速跟踪滤波器的输入端，在工程最速跟踪滤波器的输出端得到工程最速跟踪滤波器输出信号；
将所述工程最速跟踪滤波器输出信号输入至第二减法器的被减数端，将所述第一减法器输出信号输入至第二减法器的减数端，在第二减法器的输出端得到第二减法器输出信号；
将所述第二减法器输出信号输入至第一减法器的减数端，将此时的第一减法器输出信号作为工程最速跟踪滤波器逆的输出信号。
由于工程最速跟踪滤波器EFTF为：
Figure BDA0003730808940000091
式中，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s。
因此，最终得到的工程最速跟踪滤波器逆EFTFI为：
Figure BDA0003730808940000092
式中，EFTFI为工程最速跟踪滤波器逆，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s。
工程最速超前观测器构造单元02，用于将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。
具体地，工程最速超前观测器构造单元02，还用于：
获取二阶惯性滤波器为：
Figure BDA0003730808940000093
式中，SOIF为二阶惯性滤波器，SOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数；TSOIF为SOIF的时间常数，单位为s。
进一步地，将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。需要说明的是，二阶惯性滤波器SOIF主要起到一种噪声滤波的作用。最后，构造出的工程最速超前观测器EFLO的表达式为：
EFLO(s)＝EFTFI(s)SOIF(s)；
式中，EFLO为工程最速超前观测器，EFTFI工程最速跟踪滤波器逆，SOIF为二阶惯性滤波器，EFLO(s)为EFLO的拉普拉斯传递函数，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，FOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数。
可以理解的是，本实施例提供的工程最速超前观测器构造系统用于执行如上述任意一项实施例所述的工程最速超前观测器构造方法，并实现与其相同的效果，在此不再进一步赘述。
请参阅图8，本申请某一实施例提供一种终端设备，包括：
一个或多个处理器；
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所述的工程最速超前观测器构造方法。
处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的工程最速超前观测器构造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终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该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 Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-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-OnlyMemory，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，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，用于执行如上述任一项实施例所述的工程最速超前观测器构造方法，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，还提供一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的工程最速超前观测器构造方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的工程最速超前观测器构造方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种工程最速超前观测器构造方法，其特征在于，包括：
构造工程最速跟踪滤波器逆；
将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。
2.根据权利要求1所述的工程最速超前观测器构造方法，其特征在于，所述构造工程最速跟踪滤波器逆，包括：
将输入信号输入至第一减法器的被减数端，在第一减法器的输出端得到第一减法器输出信号；
将所述第一减法器输出信号输入至工程最速跟踪滤波器的输入端，在工程最速跟踪滤波器的输出端得到工程最速跟踪滤波器输出信号；
将所述工程最速跟踪滤波器输出信号输入至第二减法器的被减数端，将所述第一减法器输出信号输入至第二减法器的减数端，在第二减法器的输出端得到第二减法器输出信号；
将所述第二减法器输出信号输入至第一减法器的减数端，将此时的第一减法器输出信号作为工程最速跟踪滤波器逆的输出信号。
3.根据权利要求2所述的工程最速超前观测器构造方法，其特征在于，所述输入信号为火电机组过程控制的过程信号，包括主汽压力信号及主汽温度信号。
4.根据权利要求2所述的工程最速超前观测器构造方法，其特征在于，所述工程最速跟踪滤波器逆为：
Figure FDA0003730808930000011
式中，EFTFI为工程最速跟踪滤波器逆，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s；
其中，
Figure FDA0003730808930000021
式中，EFTF为工程最速跟踪滤波器，EFTF(s)为EFTF的拉普拉斯传递函数；n为EFTF的阶次，单位为无量纲；TF为EFTF的时间常数，单位为s。
5.根据权利要求4所述的工程最速超前观测器构造方法，其特征在于，所述二阶惯性滤波器为：
Figure FDA0003730808930000022
式中，SOIF为二阶惯性滤波器，SOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数；TSOIF为SOIF的时间常数，单位为s。
6.根据权利要求5所述的工程最速超前观测器构造方法，其特征在于，所述将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器，包括：
EFLO(s)＝EFTFI(s)SOIF(s)；
式中，EFLO为工程最速超前观测器，EFTFI为工程最速跟踪滤波器逆，SOIF为二阶惯性滤波器，EFLO(s)为EFLO的拉普拉斯传递函数，EFTFI(s)为EFTFI的拉普拉斯传递函数，FOIF(s)为SOIF的拉普拉斯传递函数。
7.一种工程最速超前观测器构造系统，其特征在于，包括：
工程最速跟踪滤波器逆构造单元，用于构造工程最速跟踪滤波器逆；
工程最速超前观测器构造单元，用于将工程最速跟踪滤波器逆与二阶惯性滤波器串级连接，生成工程最速超前观测器。
8.根据权利要求7所述的工程最速超前观测器构造系统，其特征在于，所述工程最速跟踪滤波器逆构造单元，还用于：
将输入信号输入至第一减法器的被减数端，在第一减法器的输出端得到第一减法器输出信号；
将所述第一减法器输出信号输入至工程最速跟踪滤波器的输入端，在工程最速跟踪滤波器的输出端得到工程最速跟踪滤波器输出信号；
将所述工程最速跟踪滤波器输出信号输入至第二减法器的被减数端，将所述第一减法器输出信号输入至第二减法器的减数端，在第二减法器的输出端得到第二减法器输出信号；
将所述第二减法器输出信号输入至第一减法器的减数端，将此时的第一减法器输出信号作为工程最速跟踪滤波器逆的输出信号。
9.一种终端设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
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权利要求1-6任一项所述的工程最速超前观测器构造方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的工程最速超前观测器构造方法。
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