CN115309140A - 一种过程信号的正向超前观测装置及系统 - Google Patents

一种过程信号的正向超前观测装置及系统 Download PDF

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CN115309140A CN202211061400.4A CN202211061400A CN115309140A CN 115309140 A CN115309140 A CN 115309140A CN 202211061400 A CN202211061400 A CN 202211061400A CN 115309140 A CN115309140 A CN 115309140A
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Abstract

本发明公开了一种过程信号的正向超前观测装置及系统，通过正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器进行过程信号的正向观测，通过正反馈设备、积分器以及积分器限幅控制器对输入的过程信号进行积分和叠加，并通过微分器和正向输出控制器对叠加信号进行处理，最终实现过程信号的超前观测。本发明通过正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器的设置，提高了过程信号的正向超前观测的效率，从而有利于根据正向超前观测获得的结果对工业控制系统进行有益调整，并提升控制性能。

Description

一种过程信号的正向超前观测装置及系统
技术领域
本发明涉及工业过程领域，尤其涉及一种过程信号的正向超前观测装置及系统。
背景技术
在工业过程控制领域，超前观测对于提高过程控制性能有重要作用，长期以来形成了各种超前观测方法，如微分器、PD控制器、相位超前校正器、高性能超前观测器，为了满足各种不同的需求，超前观测方法需要发展。
而在超前观测方法的应用中，对过程信号的正向超前观测，现有技术并不能满足现有的观测需求，如火电机组的主汽压力控制系统中主汽压力过程信号的超前观测性能不佳，会影响抑制主汽压力偏差的效果。
因此，亟需一种过程信号的正向超前观测装置，来解决过程信号的正向超前观测效率较低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种过程信号的正向超前观测装置及系统，以提高过程信号的正向超前观测的效率。
为了解决上述问题，本发明一实施例提供一种过程信号的正向超前观测装置，包括：正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器；
所述积分器限幅控制器与所述积分器连接，所述积分器的一端与所述正反馈设备的输入端连接，所述积分器的另一端与所述正反馈设备的输出端连接；所述正反馈设备的另一输出端与所述微分器的一端连接；所述微分器的另一端与所述正向输出控制器的一端连接；
其中，所述正反馈设备用于在接收到每个第一输入信号后，将经过积分器处理的第一叠加信号与第一输入信号相加，获得第二叠加信号，并将第二叠加信号发送到所述微分器和所述积分器中；以及所述第二叠加信号所对应的第一输入信号与所述第一叠加信号所对应的第二输入信号间隔预设时间，若第一输入信号为初始信号，则经过积分器处理的第一叠加信号为0。
作为上述方案的改进，所述积分器还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000021
其中，I(s)为积分器的传递函数；TI为积分时间常数，单位为秒；s为拉普拉斯算子。
作为上述方案的改进，所述积分器限幅控制器用于对所述积分器的输出信号进行限幅，还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000022
其中，I(t)为积分器输出信号，PVIN(t)为输入信号，TI为积分时间常数，单位为s；以及PVIN(t)为积分器限幅控制器的高限值，0为积分器限幅控制器的低限值。
作为上述方案的改进，所述积分器限幅控制器用于对所述积分器的输出信号进行限幅，具体为：
当积分器的输出信号大于0、积分器的输出信号小于输入信号且输入信号大于0时，则积分器的输出信号为：
Figure BDA0003824906960000031
当积分器的输出信号大于输入信号、且输入信号大于0时，则积分器的输出信号为：
I(t)＝PVIN(t)；
当输入信号小于0时，则积分器的输出信号为：
I(t)＝0；
其中，I(t)为积分器输出信号，PVIN(t)为输入信号，TI为积分时间常数，单位为s；以及PVIN(t)为积分器限幅控制器的高限值，0为积分器限幅控制器的低限值。
作为上述方案的改进，所述微分器还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000032
其中，D(s)为微分器的传递函数，为微分器的增益，单位无量纲；TD为微分时间常数，单位为秒；s为拉普拉斯算子。
作为上述方案的改进，所述正向输出控制器还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000033
其中，DOC(t)为正向输出控制器输出信号，D(t)为微分器输出信号。
相应的，本发明实施例还提供了一种过程信号的正向超前观测系统，包括：采集装置、过程信号的正向超前观测装置和目标控制系统；其中，所述采集装置分别与所述目标控制系统、以及所述过程信号的正向超前观测装置连接，所述过程信号的正向超前观测装置与所述目标控制系统连接；以及所述过程信号的正向超前观测装置应用于如本发明所述的过程信号的正向超前观测装置；
所述采集装置，用于采集目标控制系统的输入信号，并将所述输入信号发送给所述过程信号的正向超前观测装置；
所述过程信号的正向超前观测装置，用于根据所述输入信号，通过超前观测，获得输出信号，并将所述输出信号发送给所述目标控制系统；
所述目标控制系统，用于根据所述输出信号，生成对应的控制指令，从而根据所述控制指令控制对应的设备。
相应的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如本发明所述的正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器所执行的控制方法。
由上可见，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种过程信号的正向超前观测装置，通过正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器进行过程信号的正向观测，通过正反馈设备、积分器以及积分器限幅控制器对输入的过程信号进行积分和叠加，并通过微分器和正向输出控制器对叠加信号进行处理，最终实现过程信号的超前观测。本发明通过正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器的设置，提高了过程信号的正向超前观测的效率，从而有利于根据正向超前观测获得的结果对工业控制系统进行有益调整，并提升控制性能。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的过程信号的正向超前观测装置的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的过程信号的正向超前观测装置的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的过程信号的正向超前观测装置的实验结果示意图；
图4是本发明一实施例提供的过程信号的正向超前观测装置与常规超前观测装置的实验结果对比示意图；
图5是本发明一实施例提供的过程信号的正向超前观测系统的结构示意图。
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。
实施例一
参见图1，图1是本发明一实施例提供的一种过程信号的正向超前观测装置的结构示意图，如图1所示，本实施例包括：正反馈设备101、积分器限幅控制器102、积分器103、微分器104以及正向输出控制器105；
所述积分器限幅控制器102与所述积分器103连接，所述积分器103的一端与所述正反馈设备101的输入端连接，所述积分器103的另一端与所述正反馈设备101的输出端连接；所述正反馈设备101的另一输出端与所述微分器104的一端连接；所述微分器104的另一端与所述正向输出控制器105的一端连接；
其中，所述正反馈设备101用于在接收到每个第一输入信号后，将经过积分器103处理的第一叠加信号与第一输入信号相加，获得第二叠加信号，并将第二叠加信号发送到所述微分器104和所述积分器103中；以及所述第二叠加信号所对应的第一输入信号与所述第一叠加信号所对应的第二输入信号间隔预设时间，若第一输入信号为初始信号，则经过积分器103处理的第一叠加信号为0。
在一具体的实施例中，输入信号为火电机组主汽压力控制系统的、主汽压力给定信号与主汽压力信号的偏差信号。
在一具体的实施例中，由于积分器在对叠加信号进行处理后，所获得的输出信号存在发散问题，因此积分器限幅控制器用于针对积分器输出的积分器输出信号进行幅度限制。
在一具体的实施例中，积分器用于对叠加信号起到加速作用。
在一具体的实施例中，微分器用于将正反馈设备输出的叠加信号的上升趋势、下降趋势分别转换为正信号、负信号输出。
在一具体的实施例中，正向输出控制器用于提取经过微分器处理后的输出信号的正信号，并排除经过微分器处理后的输出信号的负信号。
作为上述方案的改进，所述积分器还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000061
其中，I(s)为积分器的传递函数；TI为积分时间常数，单位为秒；s为拉普拉斯算子。
作为上述方案的改进，所述积分器限幅控制器用于对所述积分器的输出信号进行限幅，还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000071
其中，I(t)为积分器输出信号，PVIN(t)为输入信号，TI为积分时间常数，单位为s；以及PVIN(t)为积分器限幅控制器的高限值，0为积分器限幅控制器的低限值。
作为上述方案的改进，所述积分器限幅控制器用于对所述积分器的输出信号进行限幅，具体为：
当积分器的输出信号大于0、积分器的输出信号小于输入信号且输入信号大于0时，则积分器的输出信号为：
Figure BDA0003824906960000072
当积分器的输出信号大于输入信号、且输入信号大于0时，则积分器的输出信号为：
I(t)＝PVIN(t)；
当输入信号小于0时，则积分器的输出信号为：
I(t)＝0；
其中，I(t)为积分器输出信号，PVIN(t)为输入信号，TI为积分时间常数，单位为s；以及PVIN(t)为积分器限幅控制器的高限值，0为积分器限幅控制器的低限值。
作为上述方案的改进，所述微分器还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000081
其中，D(s)为微分器的传递函数，为微分器的增益，单位无量纲；TD为微分时间常数，单位为秒；s为拉普拉斯算子。
作为上述方案的改进，所述正向输出控制器还满足以下条件：
Figure BDA0003824906960000082
其中，DOC(t)为正向输出控制器输出信号，D(t)为微分器输出信号。
在一具体的实施例中，为更好地说明正向超前观测装置的处理流程，请参见图2，包括：微分装置201、正向输出控制装置202、积分装置203、积分装置限幅控制装置204和正反馈环节205：第一输入信号进入正反馈环节205(即本申请权要所述的正反馈设备)时与上一积分后的正反馈信号进行信号的累加算法，得到第一正反馈信号，将第一正反馈信号向积分装置203(即本申请权要所述的积分器)以及微分装置201(即本申请权要所述的微分器)传输：积分装置203在对第一正反馈信号进行积分后，在第二输入信号进入正反馈环节205时，将积分后的第一正反馈信号与第二输入信号进行信号的累加算法，得到第二正反馈信号；微分装置201在对第一正反馈信号进行微分后，得到第一微分信号，并传输到正向输出控制装置202中进行正向信号筛选，从而获得第一输入信号的超前观测信号。
在一具体的实施例中，第一输入信号和第二输入信号间隔的接收时间可以为1秒。
在一具体的实施例中，累加算法，具体为：第n秒输入信号和第n-1秒积分器输出的正反馈信号在正反馈环节相加后，再输入到微分器内进行微分，并将微分后获得的信号传输给正向输出控制装置进行处理，从而获得第n秒输入信号的超前观测信号；同时，在正反馈环节相加之后的信号，会再次输入到积分器内进行处理，并和第n+1秒输入信号进行叠加(需要说明的是，当输入信号为第一秒输入信号时，则在正反馈环节相加与第一秒输入信号相加的积分器输出信号为0)。
在一具体的实施例中，为更好地说明本实施例，对4阶惯性过程(Fourth OrderInertia process，FOIP)在单位阶跃输入的过程输出信号进行过程正向超前观测PFLO，其中，四阶惯性过程FOIP为：
Figure BDA0003824906960000091
式中，FOIP(s)为4阶惯性过程FOIP的传递函数，TFOIP为FOIP时间常数，单位为s；
在本实施例中，FOIP(s)的参数为：TI＝100s，TD＝100s，KD＝4，TFOIP＝100s，FOIP输入为单位阶跃信号，得到FOIP过程输出信号的进行过程正向超前观测PFLO输出的的实验结果，如图3所示：在图3中，虚线PVFOIP(t)为4阶惯性过程FOIP在单位阶跃输入的过程输出信号，实线PVPFLO(t)为过程正向超前观测器PFLO的过程输出信号，可见，PFLO的过程输出信号明显超前于FOIP过程输出信号，起到了正向过程信号的超前观测效果。
在一具体的实施例中，为更好的说明，请参见图4，图4为本发明一实施例提供的过程信号的正向超前观测装置与常规超前观测装置的实验结果对比示意图，具体如下：
在参数设置相同情况下，对FOIP(4阶惯性过程)在单位阶跃输入的过程输出信号进行PFLO(过程信号的正向超前观测装置)与常用微分器(Common Differentiator，简称CD；参数设置：TD＝100s，KD＝2)的超前观测，对二者的超前观测效果进行比较：
如图4可知，PVPFLO(t)为过程正向超前观测器PFLO的过程输出信号，PVCD(t)为常用微分器CD的过程输出信号。可见，PFLO的过程输出信号明显超前于CD过程输出信号，说明PFLO有效提升了过程信号的超前观测效率。
相应的，为更好的说明，请参见图5，本发明还提供了一种过程信号的正向超前观测系统，包括：采集装置501、过程信号的正向超前观测装置502和目标控制系统503；其中，所述采集装置501分别与所述目标控制系统503、以及所述过程信号的正向超前观测装置502连接，所述过程信号的正向超前观测装置502与所述目标控制系统503连接；以及所述过程信号的正向超前观测装置502应用于如本发明所述的过程信号的正向超前观测装置502；
所述采集装置501，用于采集目标控制系统的输入信号，并将所述输入信号发送给所述过程信号的正向超前观测装置；
所述过程信号的正向超前观测装置502，用于根据所述输入信号，通过超前观测，获得输出信号，并将所述输出信号发送给所述目标控制系统；
所述目标控制系统503，用于根据所述输出信号，生成对应的控制指令，从而根据所述控制指令控制对应的设备。
另外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上任一实施例所述的正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器所执行的控制方法。
其中，根据本发明所涉及的过程信号的正向超前观测装置所集成的模块/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，本发明所述的正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器所执行的控制方法，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
实施本实施例，具有以下有益效果：
本实施例通过正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器进行过程信号的正向观测，通过正反馈设备、积分器以及积分器限幅控制器对输入的过程信号进行积分和叠加，并通过微分器和正向输出控制器对叠加信号进行处理，最终实现过程信号的超前观测。在对4阶惯性过程FOIP信号的超前观测中，所获得的超前观测输出信号明显比4阶惯性过程FOIP信号更加符合实际情况，能够提高对工业控制系统中对过程信号的超前观测的效率，从而能够根据超前观测的结果进行进一步的工业控制操作调整，有利于提高工业控制系统的稳定性和安全性。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
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 (8)

1.一种过程信号的正向超前观测装置，其特征在于，包括：正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器；
所述积分器限幅控制器与所述积分器连接，所述积分器的一端与所述正反馈设备的输入端连接，所述积分器的另一端与所述正反馈设备的输出端连接；所述正反馈设备的另一输出端与所述微分器的一端连接；所述微分器的另一端与所述正向输出控制器的一端连接；
其中，所述正反馈设备用于在接收到每个第一输入信号后，将经过积分器处理的第一叠加信号与第一输入信号相加，获得第二叠加信号，并将第二叠加信号分别发送到所述微分器和所述积分器中；以及所述第二叠加信号所对应的第一输入信号与所述第一叠加信号所对应的第一输入信号之间所间隔的接收时间为一段预设时间，若第一输入信号为初始信号，则经过积分器处理的第一叠加信号为0。
2.根据权利要求1所述的过程信号的正向超前观测装置，其特征在于，所述积分器还满足以下条件：
Figure FDA0003824906950000011
其中，I(s)为积分器的传递函数；TI为积分时间常数，单位为秒；s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的过程信号的正向超前观测装置，其特征在于，所述积分器限幅控制器用于对所述积分器的输出信号进行限幅，还满足以下条件：
Figure FDA0003824906950000021
其中，I(t)为积分器输出信号，PVIN(t)为输入信号，TI为积分时间常数，单位为s；以及PVIN(t)为积分器限幅控制器的高限值，0为积分器限幅控制器的低限值。
4.根据权利要求3所述的过程信号的正向超前观测装置，其特征在于，所述积分器限幅控制器用于对所述积分器的输出信号进行限幅，具体为：
当积分器的输出信号大于0、积分器的输出信号小于输入信号且输入信号大于0时，则积分器的输出信号为：
Figure FDA0003824906950000022
当积分器的输出信号大于输入信号、且输入信号大于0时，则积分器的输出信号为：
I(t)＝PVIN(t)；
当输入信号小于0时，则积分器的输出信号为：
I(t)＝0；
其中，I(t)为积分器输出信号，PVIN(t)为输入信号，TI为积分时间常数，单位为s；以及PVIN(t)为积分器限幅控制器的高限值，0为积分器限幅控制器的低限值。
5.根据权利要求1所述的过程信号的正向超前观测装置，其特征在于，所述微分器还满足以下条件：
Figure FDA0003824906950000031
其中，D(s)为微分器的传递函数，KD为微分器的增益，单位无量纲；TD为微分时间常数，单位为秒；s为拉普拉斯算子。
6.根据权利要求1所述的过程信号的正向超前观测装置，其特征在于，所述正向输出控制器还满足以下条件：
Figure FDA0003824906950000032
其中，DOC(t)为正向输出控制器输出信号，D(t)为微分器输出信号。
7.一种过程信号的正向超前观测系统，其特征在于，包括：采集装置、过程信号的正向超前观测装置和目标控制系统；其中，所述采集装置分别与所述目标控制系统、以及所述过程信号的正向超前观测装置连接，所述过程信号的正向超前观测装置与所述目标控制系统连接；以及所述过程信号的正向超前观测装置应用于如权利要求1至6任意一项所述的过程信号的正向超前观测装置；
所述采集装置，用于采集目标控制系统的输入信号，并将所述输入信号发送给所述过程信号的正向超前观测装置；
所述过程信号的正向超前观测装置，用于根据所述输入信号，通过超前观测，获得输出信号，并将所述输出信号发送给所述目标控制系统；
所述目标控制系统，用于根据所述输出信号，生成对应的控制指令，从而根据所述控制指令控制对应的设备。
8.一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包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6中任意一项所述的正反馈设备、积分器限幅控制器、积分器、微分器以及正向输出控制器所执行的控制方法。
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