CN115421372A - 过程信号加速器及加速观测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种过程信号加速器及加速观测方法，通过所述正反馈加速器的输入端接收所述过程信号，对过程信号进行加速，所述正反馈加速器的输出端与所述微分器的输入端连接，所述微分器的输出端与所述正向输出控制器的输入端连接，所述加法环节用于输出所述过程信号对应的目标加速信号，所述加法环节的输入端用于接收所述过程信号和所述正向输出控制器的输出信号。本申请的过程信号加速器通过所述正反馈加速器使控制过程的控制信号提前输出，实现过程信号的加速效果，同时将该过程信号加速器用于构建火电机组的过热汽温控制系统，能够有利于抑制过热汽温偏差，最终增强控制效果。
Description
技术领域
本申请涉及工业过程控制技术领域，尤其涉及一种过程信号加速器及加速观测方法。
背景技术
在工业过程控制领域，如火电机组过程控制，过程信号的超前观测对于提高过程控制性能有重要作用。目前，主要有基于微分器、PD控制器、相位超前校正器、高性能超前观测器等的超前观测方法，但是当前超前观测方法无法满足不同控制系统(如火电机组的过热汽温控制系统)的信号超前观测需求。
发明内容
本申请提供了一种过程信号加速器及加速观测方法，以解决当前超前观测方法无法满足不同控制系统的信号超前观测需求的技术问题。
为了解决上述技术问题，第一方面，本申请提供了一种过程信号加速器，其特征在于，包括正反馈加速器、微分器、正向输出控制器和加法环节；
所述正反馈加速器用于对过程信号进行加速，所述正反馈加速器的输入端用于接收所述过程信号，所述正反馈加速器的输出端与所述微分器的输入端连接，所述微分器的输出端与所述正向输出控制器的输入端连接；
所述加法环节用于输出所述过程信号对应的目标加速信号，所述加法环节的输入端用于接收所述过程信号和所述正向输出控制器的输出信号。
作为优选，所述正反馈加速器包括正反馈环节、积分加速器和积分限幅器；
所述正反馈环节的输入端用于接收所述过程信号和所述积分加速器的输出信号，所述正反馈环节的输出端分别与所述微分器的输入端和所述积分加速器的输入端连接；
所述积分限幅器与所述积分加速器连接，用于对所述积分加速器进行加速限幅。
作为优选，所述积分加速器为：
其中，I(s)为所述积分加速器的传递函数，TI为所述积分加速器的积分时间常数，s为拉普拉斯算子。
作为优选，所述积分限幅器为：
其中，I(t)为所述积分加速器的输出信号，PVI(t)为所述过程信号，TI为所述积分加速器的积分时间常数，VH为所述积分加速器的输出信号的高限值，VL为所述积分加速器的输出信号的低限值。
作为优选，所述微分器为：
其中，D(s)为所述微分器的传递函数，TD为所述微分器的微分时间常数，s为拉普拉斯算子。
作为优选，所述正向输出控制器为：
其中，DOC(t)为正向输出控制器的输出信号，D(t)为所述微分器的输出信号。
作为优选，所述加法环节为：
A(t)＝P(t)+DOC(t)；
其中，A(t)为所述加法环节的输出信号，P(t)为所述过程信号，DOC(t)为所述正向输出控制器的输出信号。
第二方面，本申请还提供一种过程信号的加速观测方法，包括：
将单位阶跃输入信号输入至四阶惯性过程，得到过程信号；
将所述过程信号输入至如第一方面所述的过程信号加速器，得到目标加速信号。
作为优选，所述四阶惯性过程为：
其中，FOIP(s)为四阶惯性过程的传递函数，TFOIP为四阶惯性过程的时间常数，s为拉普拉斯算子。
作为优选，所述过程信号为过热汽温控制系统的过热汽温信号与过热汽温给定信号之间的偏差信号。
与现有技术相比，本申请至少具备以下有益效果：
通过所述正反馈加速器的输入端用于接收所述过程信号，对过程信号进行加速，所述正反馈加速器的输出端与所述微分器的输入端连接，所述微分器的输出端与所述正向输出控制器的输入端连接，所述加法环节用于输出所述过程信号对应的目标加速信号，所述加法环节的输入端用于接收所述过程信号和所述正向输出控制器的输出信号。本申请的过程信号加速器通过所述正反馈加速器使控制过程的控制信号提前输出，实现过程信号的加速效果，同时将该过程信号加速器用于构建火电机组的过热汽温控制系统，能够有利于抑制过热汽温偏差，最终增强控制效果。
此外，本申请通过积分限幅器对积分加速器的输出直接进行限幅，配合正向输出控制器和加法环节，解决当前超前观测方法的观测性能不高的问题，提高加速观测效果，从而能够提高对火电机组的过热汽温控制系统的过热汽温控制效果，降低过热汽温偏差。
附图说明
图1为本申请一实施例示出的过程信号加速器的结构示意图；
图2为本申请另一实施例示出的过程信号加速器的结构示意图；
图3为本申请实施例示出的加速观测方法的信号流向示意图；
图4为本申请实施例示出的加速观测方法的输出结果示意图。
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。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
请参照图1，图1为本申请实施例提供的一种过程信号加速器的结构示意图。如图1所示，本实施例的过程信号加速器(Process acceleration observer，PAO)，包括正反馈加速器11、微分器12、正向输出控制器13和加法环节14；
所述正反馈加速器11用于对过程信号进行加速，所述正反馈加速器11的输入端用于接收所述过程信号，所述正反馈加速器11的输出端与所述微分器12的输入端连接，所述微分器12的输出端与所述正向输出控制器13的输入端连接；
所述加法环节14用于输出所述过程信号对应的目标加速信号，所述加法环节的输入端用于接收所述过程信号和所述正向输出控制器13的输出信号。
在本实施例中，正反馈加速器11可以积分函数实现信号加速。如图1所示，将过程信号输入到正反馈加速器11进行加速，由于正反馈加速器11的加速过程采用了积分函数，所以再将正反馈加速器11的输出信号输入到微分器12，以利用微分器12提取出微分信号，以及将微分器12的输出信号输入到正向输出控制器13，以利用正向输出控制器13提取出经过加速后的正向微分信号；最后，将正向微分信号输入到加法环节14，以利用加法环节14对正向微分信号和过程信号进行加法运算，从而得到目标加速信号，使控制过程的过程信号提前输出，实现信号加速效果。
如图2所示，在一些实施例中，图2所示了另一种过程信号加速器的结构示意图。所述正反馈加速器11包括正反馈环节111、积分加速器112和积分限幅器113；
所述正反馈环节111的输入端用于接收所述过程信号和所述积分加速器112的输出信号，所述正反馈环节111的输出端分别与所述微分器12的输入端和所述积分加速器112的输入端连接；
所述积分限幅器113与所述积分加速器112连接，用于对所述积分加速器112进行加速限幅。
在本实施例中，由于正反馈环节的输出信号存在发散问题，所以需要通过积分限幅器对积分加速器的输出信号进行限幅。
可选地，所述积分加速器112的函数表达式为：
其中，I(s)为所述积分加速器的传递函数，TI为所述积分加速器的积分时间常数，单位为秒，s为拉普拉斯算子。
可选地，所述积分限幅器113的函数表达式为：
其中，I(t)为所述积分加速器的输出信号，PVI(t)为所述过程信号，TI为所述积分加速器的积分时间常数，VH为所述积分加速器的输出信号的高限值，单位为无量纲，VL为所述积分加速器的输出信号的低限值，单位为无量纲。
也就是说，当VL＜I(t)<VH时，
当I(t)≥VH时，I(t)＝VH；当I(t)≤VL时，I(t)＝VL。
可选地，所述微分器12的函数表达式为：
其中，D(s)为所述微分器的传递函数，TD为所述微分器的微分时间常数，单位为秒，s为拉普拉斯算子。
可选地，所述正向输出控制器为：
其中，DOC(t)为正向输出控制器的输出信号，D(t)为所述微分器的输出信号。
可选地，所述加法环节为：
A(t)＝P(t)+DOC(t)；
其中，A(t)为所述加法环节的输出信号，P(t)为所述过程信号，DOC(t)为所述正向输出控制器的输出信号。
请参见图3，本申请实施例还提供一种过程信号的加速观测方法，如图3所示的加速观测方法的信号流向示意图，该方法包括：
将单位阶跃输入信号输入至四阶惯性过程，得到过程信号；
将所述过程信号输入至如第一方面所述的过程信号加速器，得到目标加速信号。
在本实施例中，利用4阶惯性过程(Fourth Order Inertia process，FOIP)对单位阶跃输入信号进行过程信号提取，并利用过程信号加速器PAO对过程信号进行加速观测。
可选地，所述四阶惯性过程为：
其中，FOIP(s)为四阶惯性过程的传递函数，TFOIP为四阶惯性过程的时间常数，单位为秒，s为拉普拉斯算子。
可选地，将过程信号加速器应用于过热汽温控制系统，则所述过程信号为过热汽温控制系统的过热汽温信号与过热汽温给定信号之间的偏差信号，以利用过程信号加速器使过热汽温控制系统提前输出目标加速信号，提高过热汽温控制系统的加速效果，从而降低过热汽温信号与过热汽温给定信号之间的信号偏差而导致的过热汽温控制偏差，进而提高过热汽温系统的过热汽温控制效果。
示例性地，如图4所示，在VH＝0.25，VL＝0，TI＝200s，TD＝200s，TFOIP＝100s，FOIP的输入为单位阶跃输入信号，得到过程信号加速器PAO的输出结果，PVFOIP(t)为4阶惯性过程FOIP在单位阶跃输入时的过程输出信号，PVPAO(t)为过程信号加速器PAO的目标加速信号。如图4可见，PAO的目标加速信号明显超前于FOIP过程输出信号。
需要说明的是，本申请实施例通过积分限幅器对积分加速器的输出直接进行限幅，配合正向输出控制器和加法环节，解决当前超前观测方法的观测性能不高的问题，提高加速观测效果，例如提高对火电机组的过热汽温控制系统的过热汽温控制效果，降低过热汽温偏差。
在本申请所提供的几个实施例中，可以理解的是，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意的是，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。
所述功能如果以软件功能模块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，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台终端设备执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read－Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种过程信号加速器，其特征在于，包括正反馈加速器、微分器、正向输出控制器和加法环节；
所述正反馈加速器用于对过程信号进行加速，所述正反馈加速器的输入端用于接收所述过程信号，所述正反馈加速器的输出端与所述微分器的输入端连接，所述微分器的输出端与所述正向输出控制器的输入端连接；
所述加法环节用于输出所述过程信号对应的目标加速信号，所述加法环节的输入端用于接收所述过程信号和所述正向输出控制器的输出信号。
2.如权利要求1所述的过程信号加速器，其特征在于，所述正反馈加速器包括正反馈环节、积分加速器和积分限幅器；
所述正反馈环节的输入端用于接收所述过程信号和所述积分加速器的输出信号，所述正反馈环节的输出端分别与所述微分器的输入端和所述积分加速器的输入端连接；
所述积分限幅器与所述积分加速器连接，用于对所述积分加速器进行加速限幅。
3.如权利要求2所述的过程信号加速器，其特征在于，所述积分加速器为：
其中，I(s)为所述积分加速器的传递函数，TI为所述积分加速器的积分时间常数，s为拉普拉斯算子。
4.如权利要求2所述的过程信号加速器，其特征在于，所述积分限幅器为：
其中，I(t)为所述积分加速器的输出信号，PVI(t)为所述过程信号，TI为所述积分加速器的积分时间常数，VH为所述积分加速器的输出信号的高限值，VL为所述积分加速器的输出信号的低限值。
5.如权利要求1所述的过程信号加速器，其特征在于，所述微分器为：
其中，D(s)为所述微分器的传递函数，TD为所述微分器的微分时间常数，s为拉普拉斯算子。
6.如权利要求1所述的过程信号加速器，其特征在于，所述正向输出控制器为：
其中，DOC(t)为正向输出控制器的输出信号，D(t)为所述微分器的输出信号。
7.如权利要求1所述的过程信号加速器，其特征在于，所述加法环节为：
A(t)＝P(t)+DOC(t)；
其中，A(t)为所述加法环节的输出信号，P(t)为所述过程信号，DOC(t)为所述正向输出控制器的输出信号。
8.一种过程信号的加速观测方法，其特征在于，包括：
将单位阶跃输入信号输入至四阶惯性过程，得到过程信号；
将所述过程信号输入至如权利要求1至7任一项所述的过程信号加速器，得到目标加速信号。
9.如权利要求8所述的过程信号的加速观测方法，其特征在于，所述四阶惯性过程为：
其中，FOIP(s)为四阶惯性过程的传递函数，TFOIP为四阶惯性过程的时间常数，s为拉普拉斯算子。
10.如权利要求8所述的过程信号的加速观测方法，其特征在于，所述过程信号为过热汽温控制系统的过热汽温信号与过热汽温给定信号之间的偏差信号。
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