CN117055334A - 一种新型模拟量调节控制系统与方法 - Google Patents

一种新型模拟量调节控制系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型模拟量调节控制系统与方法，该系统包括测量单元、设定单元、控制单元和执行单元；该方法包括：测量单元测量被控对象的实际值，得到被控对象的实际值PV，并将实际值PV信号送入控制单元；设定单元接收模拟量闭环控制的目标设定值SP，并将设定值SP信号送入控制单元；控制单元接收实际值PV信号、设定值SP信号，产生控制指令输出信号AO，并将AO信号送入执行单元；执行单元接收输出信号AO，根据输出信号AO调整控制系统的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。本发明对不同工况适应性强，可根据预设参数与系统当前状态自动判断是否需要快速变化。

Description

一种新型模拟量调节控制系统与方法
技术领域
本发明属于热工自动化控制领域中的模拟量闭环控制系统，具体涉及一种新型模拟量调节控制系统与方法。
背景技术
闭环控制系统是一种具有反馈回路的控制系统，也被称为反馈控制系统。它通过将被控对象的输出与期望输出进行比较，并根据比较结果调整控制器的输出，以实现对系统的稳定控制和精确调节。
闭环控制系统具有很强的鲁棒性和适应性，可以对外界干扰和系统变动做出快速的响应和调节，从而实现系统的稳定性和性能要求。在工业自动化、过程控制、机器人控制等领域广泛应用。
PID闭环控制系统是一种常用的闭环控制系统。PID闭环控制系统的作用是根据系统的当前状态及与期望状态之间的差异，计算出控制信号，以调整系统的输出，使系统控制对象接近期望值。
PID闭环控制系统也存在一些缺点：
1)参数调节困难
PID闭环控制系统的性能依赖于系统PID模块参数的选择，而参数的调节往往需要经验或试错。为了适应不同工况，需要设置不同的模块参数，参数调节可能会非常困难。
2)在面对大的扰动时，容易出现超调
超调是指系统的输出不仅会在达到期望值后逐渐稳定，还会在此之前超过期望值一段时间，导致输出值偏离期望值，并最终回归到期望值附近。这种振荡表现为输出值在稳定之前的临界状态。在面对大的扰动时，PID闭环控制系统在大的扰动下，容易出现超调。
3)响应速度有限
PID闭环控制系统根据当前的误差来调整输出信号，对于快速变化的系统或需求，其响应速度可能会有限制。
发明内容
为了解决PID闭环控制系统的缺点，一些改进的模拟量闭环控制系统被提出，如模糊PID闭环控制系统、增量PID闭环控制系统、自适应PID闭环控制系统等，以适应不同的控制需求和系统特性。本发明提供了一种新型模拟量调节控制系统与方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种新型模拟量调节控制系统，包括：
测量单元，用于测量被控对象的实际值，得到被控对象的实际值PV，并将实际值PV信号送入控制单元；
设定单元，用于接收模拟量闭环控制的目标设定值SP，并将设定值SP信号送入控制单元；
控制单元，用于接收实际值PV信号、设定值SP信号，产生控制指令输出信号AO，并将AO信号送入执行单元；
执行单元，用于接收输出信号AO，根据输出信号AO调整控制系统的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。
本发明进一步的改进在于，控制单元内部参数设计有如下8个：控制系统执行周期时间Clt、测量惯性时间Lagt、控制增益系数Kp、最大允许控制误差Errmax、最大被控速率Rmax、正常控制误差Errnor、正常被控速率Rnor和被控速率死区Errdb。
本发明进一步的改进在于，控制单元的内部参数满足以下条件：
控制系统执行周期时间Clt为正实数；测量惯性时间Lagt为正实数或0；最大允许控制误差Errmax为正实数；正常控制误差Errnor为正实数或0；控制误差死区Errdb为正实数或0；最大被控制速率Rmax为负实数；正常被控速率Rnor为负实数或0；控制增益系数Kp为正实数，或者为负实数；若参数不满足要求时，控制单元输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警。
本发明进一步的改进在于，控制单元的内部参数还满足以下条件：
最大允许控制误差Errmax大于或等于正常控制误差Errnor；正常控制误差Errnor大于或等于控制误差死区Errdb；若最大允许控制误差Errmax等于正常控制误差Errnor时，最大被控制速率Rmax也等于正常被控速率Rnor；若正常控制误差Errnor等于控制误差死区Errdb时，正常被控速率Rnor等于0；最大被控制速率Rmax与正常被控速率Rnor的正负方向一致，且最大被控制速率Rmax的绝对值大于正常被控速率Rnor的绝对值；若参数不满足以上要求时，控制单元输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警。
本发明进一步的改进在于，控制单元包括：PJU控制子单元、LGU控制子单元、SRU控制子单元和AOU控制子单元；
PJU控制子单元判断控制系统参数是否正常，并将判断结果送入LGU控制子单元、SRU控制子单元和AOU控制子单元；LGU控制子单元接收控制系统测量单元MU输出的测量信号PV，并将得到的控制单元中间输出信号LGU-o送至SRU控制子单元和AOU控制子单元；SRU控制子单元接收设定单元输出的设定值SP信号和LGU控制子单元输出的中间输出信号LGU-o，并将得到的控制单元中间输出信号SRU-o送至AOU控制子单元；AOU控制子单元接收LGU控制子单元输出的中间输出信号LGU-o和SRU控制单元中间输出信号SRU-o，并将得到的控制单元的输出信号AO送至执行单元AU。
本发明进一步的改进在于，PJU控制子单元，对控制系统的参数进行判断，若判断系统参数不满足系统条件将输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警信号ALM。
本发明进一步的改进在于，LGU控制子单元，接收被控对象的实际值PV信号，并根据控制系统内部参数测量惯性时间Lagt，得到控制单元中间输出信号LGU-o。
本发明进一步的改进在于，SRU控制子单元，接收设定单元输出的设定值SP信号和LGU控制子单元输出的中间输出信号LGU-o，并根据控制系统内部参数，得到控制单元中间输出信号SRU-o，控制系统内部参数包括最大允许控制误差Errmax、最大被控制速率Rmax、正常控制误差Errnor、正常被控速率Rnor和控制误差死区Errdb。
本发明进一步的改进在于，AOU控制子单元，接收控制单元中间输出信号LGU-o、控制单元中间输出信号SRU-o，并根据控制单元内部参数，得到控制单元的输出信号AO，并将输出信号AO送至执行单元，控制单元内部参数包括控制增益系数Kp和测量惯性时间Lagt。
一种新型模拟量调节控制方法，包括：
测量单元测量被控对象的实际值，得到被控对象的实际值PV，并将实际值PV信号送入控制单元；设定单元接收模拟量闭环控制的目标设定值SP，并将设定值SP信号送入控制单元；控制单元接收实际值PV信号、设定值SP信号，产生控制指令输出信号AO，并将AO信号送入执行单元；执行单元接收输出信号AO，根据输出信号AO调整控制系统的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种新型模拟量调节控制系统与方法，根据系统预设参数，由系统的中间输出信号LGU-o与控制系统的设定值SP信号进行比较，得到系统的中间输出信号SRU-o，此信号代表着控制系统被调量预期的变化速度。一种新型模拟量调节控制系统与方法根据中间输出信号SRU-o、中间输出信号LGU-o、控制系统的设定值SP得到控制指令的输出。当控制系统当前状态被调量有大的扰动且没有超调风险时，一种新型模拟量调节控制系统与方法计算的当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量的绝对值较大，控制系统输出指令能变化较快。当控制系统被调量与设定值比较接近时或有超调风险时，计算的当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量较小，且可自动改变当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量的方向(原为正时，变为负值；原为负时，变为正值)，此时控制系统输出指令变化较慢，系统有较好的稳定性。概括来说，本发明具有如下的优点：
1、一种新型模拟量调节控制系统与方法对不同工况适应性强，可根据预设参数与系统当前状态自动判断是否需要快速变化。对于需快速变化工况需求时种新型模拟量闭环控制系统输出可快速改变。
2、在面对大的扰动时，一种新型模拟量调节控制系统与方法可实现变速率的动态调节，不易出现超调问题。
附图说明
图1为一种新型模拟量调节控制系统与方法系统功能构成示意图。
图2为一种新型模拟量调节控制方法的流程图。
图3为常规PID控制系统的控制输出曲线。
图4为一种新型模拟量调节控制系统的控制输出曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种新型模拟量调节控制系统，包括以下几个组件：
测量单元，测量单元用于测量被控对象的实际值，例如温度传感器、压力传感器等，得到被控对象的实际值PV，并将实际值PV信号送入一种新型模拟量调节控制系统的控制单元。
设定单元，设定单元接收模拟量闭环控制的目标设定值SP，并将设定值SP信号送入一种新型模拟量调节控制系统的控制单元。
控制单元，接收实际值PV信号、设定值SP信号，由控制单元产生一种新型模拟量调节控制系统的控制指令输出信号AO，并将AO信号送入一种新型模拟量调节控制系统的执行单元。
执行单元，接收输出信号AO，根据输出信号AO调整控制系统的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。针对某一具体闭环控制系统，执行单元的操控对象可以是电动阀门、电机等，如具体调整电动阀门的开度、电机的转速等。
一种新型模拟量调节控制系统的控制单元内部参数设计有如下8个：控制系统执行周期时间Clt、测量惯性时间Lagt、控制增益系数Kp、最大允许控制误差Errmax、最大被控速率Rmax、正常控制误差Errnor、正常被控速率Rnor、被控速率死区Errdb。
一种新型模拟量调节控制系统的控制子单元包括以下四个子单元：PJU控制子单元、LGU控制子单元、SRU控制子单元、AOU控制子单元。
一种新型模拟量调节控制方法的工作流程如图2所示，具体实现过程为：
第一步：内部参数检查
一种新型模拟量调节控制系统内部参数需满足以下要求：
1)测量惯性时间Lagt均为正实数或0，单位为s。
2)控制系统执行周期时间Clt应正实数，单位为s。
3)最大允许控制误差Errmax正常控制误差Errnor应为正实数。
4)正常控制误差Errnor、控制误差死区Errdb为正实数或0。
5)最大允许控制误差Errmax应大于或等于正常控制误差Errnor。
6)正常控制误差Errnor应大于或等于控制误差死区Errdb。
7)最大被控制速率Rmax为负实数。
8)正常被控速率Rnor为负实数或0。
9)控制增益系数Kp可为正实数，也可为负实数。
10)若正常控制误差Errnor等于控制误差死区Errdb时，正常被控速率Rnor应等于0。
11)最大被控制速率Rmax的绝对值大于或等于正常被控速率Rnor的绝对值。
12)若最大允许控制误差Errmax等于正常控制误差Errnor时，最大被控制速率Rmax也应等于正常被控速率Rnor。
一种新型模拟量调节控制系统执行的某一控制周期时，一种新型模拟量调节控制系统PJU控制子单元对系统参数进行以上判断，若参数不满足以上要求时，一种新型模拟量调节控制系统输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警信号ALM。若参数以上条件均满足，则进行下一步。
第二步：输入信号惯性环节处理
控制系统的输入信号经过惯性处理可以滤除输入信号中的高频噪声或干扰，使得控制系统对干扰信号具有一定的抑制能力。
一种新型模拟量调节控制系统的LGU控制子单元，在控制系统执行的某一控制周期时接收被控对象的实际值PV信号，并根据控制系统内部参数测量惯性时间Lagt，进行惯性环节运算，得到控制单元中间输出信号LGU-o。LGU-o的具体计算如下：
若当前控制周期为控制系统执行的第一个控制周期，记实际值PV信号在控制系统执行的第一个控制周期的值为PV0。控制单元中间输出信号LGU-o在第一个控制周期的值(LGU-o)0为：
(LGU-o)0＝PV0
否则，记实际值PV信号在控制系统执行的第n个控制周期的值记为PVn。实际值PV信号在控制系统当前执行周期的上一个控制周期的值记为PVn-1。在控制系统当前执行周期的上一个控制周期的值的中间输出信号LGU-o值为记为(LGU-o)n-1。则控制系统当前执行周期的中间输出信号LGU-o值(LGU-o)n的计算公式为：
(LGU-o)n＝Clt/(2×Lagt+Clt)×PVn+Clt/(2×Lagt+Clt)×PVn-1+(2×Lagt-Clt)/(2×Lagt+Clt)×(LGU-o)n-1
式中Clt为系统参数控制系统执行周期时间、Lagt为系统参数测量惯性时间。
第三步：生成输入信号的预期控制速率
一种新型模拟量调节控制系统的SRU控制子单元，接收中间输出信号LGU-o、设定值SP信号，并根据控制系统内部参数(最大允许控制误差Errmax、最大被控制速率Rmax、正常控制误差Errnor、正常被控速率Rnor、控制误差死区Errdb)，得到表示输入信号在控制系统当前控制周期的预期控制速率的中间输出信号SRU-o。
中间输出信号LGU-o在控制系统执行的第n个控制周期的值记为(LGU-o)n，设定值SP信号在第n个控制周期的值记为SPn。(LGU-o)n与SPn的差值记为中间变量An(An＝(LGU-o)n-SPn)，根据下表得出代表输入信号的预期控制速率的控制系统中间输出信号SRU-o在第n个控制周期的值(SRU-o)n为：
表1
第四步：生成控制输出指令AO
一种新型模拟量调节控制系统的AOU控制子单元，接收被控对象的实际值PV信号、控制单元中间输出信号LGU-o、控制单元中间输出信号SRU-o，并根据控制单元内部参数(控制增益系数Kp、测量惯性时间Lagt)，得到控制单元输出信号AO。
若当前控制周期为控制系统执行的第一个控制周期，则控制单元输出信号AO在控制系统执行的第一个控制周期由控制系统的初始化条件得到。
否则，输出信号AO在控制系统当前执行周期的上一个控制周期的值记为AOn-1。在控制系统当前执行周期的上一个控制周期的值的输出信号AO值记为AOn-1。则控制系统当前执行周期的输出信号AO值AOn的计算公式为：
AOn＝AOn-1+Kp*((PVn-(LGU-o)n)×60/Lagt-(SRU-o)n)
上式中，一种新型模拟量调节控制系统与方法根据中间输出信号SRU-o、中间输出信号LGU-o、与控制系统上一周期的值得到控制系统当前周期的指令输出。Kp*((PVn-(LGU-o)n)×60/Lagt-(SRU-o)n)值为当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量。当控制系统当前状态被调量有大的扰动且没有超调风险时，(PVn-(LGU-o)n)×60/Lagt与(SRU-o)n的差值较大，即计算的当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量的绝对值较大，控制系统输出指令能变化较快。当控制系统被调量与设定值比较接近时或有超调风险时，计算的当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量较小，且可自动改变当前周期的指令输出与上一周期指令输出的变化量的方向(原为正时，变为负值；原为负时，变为正值)，此时控制系统输出指令变化较慢，系统有较好的稳定性。
特别地，若系统参数测量惯性时间Lagt等于0，则控制系统当前执行周期的输出信号AO值，还与系统参数控制系统执行周期时间Clt、控制系统当前执行周期上一个周期的接收被控对象的实际值PV信号值PVn-1有关，AOn的计算公式为：
AOn＝AOn-1+Kp*((PVn–PVn-1)×60/Clt-(SRU-o)n)
对于一种新型模拟量调节控制系统，上述步骤通常以循环的方式执行，得到控制单元计算得到输出信号AO的连续输出，并将输出信号AO送至控制系统执行单元实现整个控制过程。
设计某水位控制仿真模型，通过进水调节阀控制储箱水位。从第138个控制周期后控制系统有出水流量扰动值有0t/h扰动到40t/h。在第2000个控制周期时，设置水位设定值设为15m；在第4000个控制周期时，水位设定值设为45m。分别通过常规PID控制系统与一种新型模拟量调节控制系统进行控制，对两种控制系统的控制参数进行调试优化，最终两种控制系统的调节曲线如图3和图4所示。
图3和图4中纵坐标表示控制系统的控制周期，根据两种控制系统的控制的调节曲线进行对比，证明一种新型模拟量调节控制系统具有较好的调节效果，对于需快速变化工况需求时种新型模拟量闭环控制系统输出可快速改变，在面对大的扰动时，一种新型模拟量调节控制系统与方法可实现变速率的动态调节，且不易出现超调问题。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，包括：
测量单元，用于测量被控对象的实际值，得到被控对象的实际值PV，并将实际值PV信号送入控制单元；
设定单元，用于接收模拟量闭环控制的目标设定值SP，并将设定值SP信号送入控制单元；
控制单元，用于接收实际值PV信号、设定值SP信号，产生控制指令输出信号AO，并将AO信号送入执行单元；
执行单元，用于接收输出信号AO，根据输出信号AO调整控制系统的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。
2.根据权利要求1所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，控制单元内部参数设计有如下8个：控制系统执行周期时间Clt、测量惯性时间Lagt、控制增益系数Kp、最大允许控制误差Errmax、最大被控速率Rmax、正常控制误差Errnor、正常被控速率Rnor和被控速率死区Errdb。
3.根据权利要求1所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，控制单元的内部参数满足以下条件：
控制系统执行周期时间Clt为正实数；测量惯性时间Lagt为正实数或0；最大允许控制误差Errmax为正实数；正常控制误差Errnor为正实数或0；控制误差死区Errdb为正实数或0；最大被控制速率Rmax为负实数；正常被控速率Rnor为负实数或0；控制增益系数Kp为正实数，或者为负实数；若参数不满足要求时，控制单元输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警。
4.根据权利要求3所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，控制单元的内部参数还满足以下条件：
最大允许控制误差Errmax大于或等于正常控制误差Errnor；正常控制误差Errnor大于或等于控制误差死区Errdb；若最大允许控制误差Errmax等于正常控制误差Errnor时，最大被控制速率Rmax也等于正常被控速率Rnor；若正常控制误差Errnor等于控制误差死区Errdb时，正常被控速率Rnor等于0；最大被控制速率Rmax与正常被控速率Rnor的正负方向一致，且最大被控制速率Rmax的绝对值大于正常被控速率Rnor的绝对值；若参数不满足以上要求时，控制单元输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警。
5.根据权利要求1所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，控制单元包括：PJU控制子单元、LGU控制子单元、SRU控制子单元和AOU控制子单元；
PJU控制子单元判断控制系统参数是否正常，并将判断结果送入LGU控制子单元、SRU控制子单元和AOU控制子单元；LGU控制子单元接收控制系统测量单元MU输出的测量信号PV，并将得到的控制单元中间输出信号LGU-o送至SRU控制子单元和AOU控制子单元；SRU控制子单元接收设定单元输出的设定值SP信号和LGU控制子单元输出的中间输出信号LGU-o，并将得到的控制单元中间输出信号SRU-o送至AOU控制子单元；AOU控制子单元接收LGU控制子单元输出的中间输出信号LGU-o和SRU控制单元中间输出信号SRU-o，并将得到的控制单元的输出信号AO送至执行单元AU。
6.根据权利要求5所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，PJU控制子单元，对控制系统的参数进行判断，若判断系统参数不满足系统条件将输出AO信号保持不变，且发出参数设置错误报警信号ALM。
7.根据权利要求6所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，LGU控制子单元，接收被控对象的实际值PV信号，并根据控制系统内部参数测量惯性时间Lagt，得到控制单元中间输出信号LGU-o。
8.根据权利要求7所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，SRU控制子单元，接收设定单元输出的设定值SP信号和LGU控制子单元输出的中间输出信号LGU-o，并根据控制系统内部参数，得到控制单元中间输出信号SRU-o，控制系统内部参数包括最大允许控制误差Errmax、最大被控制速率Rmax、正常控制误差Errnor、正常被控速率Rnor和控制误差死区Errdb。
9.根据权利要求8所述的一种新型模拟量调节控制系统，其特征在于，AOU控制子单元，接收控制单元中间输出信号LGU-o、控制单元中间输出信号SRU-o，并根据控制单元内部参数，得到控制单元的输出信号AO，并将输出信号AO送至执行单元，控制单元内部参数包括控制增益系数Kp和测量惯性时间Lagt。
10.一种新型模拟量调节控制方法，其特征在于，包括：
测量单元测量被控对象的实际值，得到被控对象的实际值PV，并将实际值PV信号送入控制单元；设定单元接收模拟量闭环控制的目标设定值SP，并将设定值SP信号送入控制单元；控制单元接收实际值PV信号、设定值SP信号，产生控制指令输出信号AO，并将AO信号送入执行单元；执行单元接收输出信号AO，根据输出信号AO调整控制系统的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。
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