CN117452807B - 一种系统的过程给定信号的处理方法和控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业过程控制领域，解决了一阶惯性滤波器会明显降低过程控制系统的控制性能的问题。提供了一种系统的过程给定信号的处理方法和控制系统，将系统的过程给定信号输入到第一比例控制器中，再将其所得的第一比例控制信号输入到滑动窗滤波器，得到滑动窗滤波信号；同时将系统的过程给定信号输入到第二比例控制器中，再将其所得的第二比例控制信号输入到工程最速跟踪滤波器，得到工程最速跟踪滤波信号；将得到的滑动窗滤波信号和工程最速跟踪滤波信号进行叠加，得到系统的过程给定信号的处理信号。本发明与在过程控制系统的过程给定端增加一个一阶惯性滤波器的方法相比，能够明显提高控制性能。
Description
技术领域
本发明属于工业过程控制领域，尤其涉及一种系统的过程给定信号的处理方法和控制系统。
背景技术
在工业过程控制实践中发现，过程控制系统的外扰抑制性能与过程的超调量之间成正相关性，在很多时候，必须通过提高过程的超调量来实现提高外扰抑制性能，但是有些过程控制系统不允许过程出现过大的超调量。
减小过程超调量的简单方法是在控制系统的过程给定端增加一个一阶惯性滤波器，但是一阶惯性滤波器会明显降低过程控制系统的控制性能如调节性能。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种系统的过程给定信号的处理方法和控制系统。
本发明采用如下的技术方案实现：一种系统的过程给定信号的处理方法，S1、将系统的过程给定信号输入至第一比例控制器，第一比例控制器输出第一比例控制信号至滑动窗滤波器，得到滑动窗滤波信号；同时将系统的过程给定信号输入至第二比例控制器，第二比例控制器输出第二比例控制信号至工程最速跟踪滤波器，得到工程最速跟踪滤波信号；S2：将得到的滑动窗滤波信号和工程最速跟踪滤波信号进行叠加处理，得到系统的过程给定信号的处理信号。
优选地，系统的过程给定信号处理器的传递函数的表达式为：
式中，为第一比例控制器的比例增益，/>，单位为无量纲；/>为第二比例控制器的比例增益，/>，单位为无量纲；/>为滑动窗滤波器的拉普拉斯传递函数；/>为工程最速跟踪滤波器的拉普拉斯传递函数。
优选地，滑动窗滤波器的拉普拉斯传递函数的表达式为：
式中，为滑动窗滤波器的时间常数，单位为秒；
工程最速跟踪滤波器的拉普拉斯传递函数的表达式为：
式中，为工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为秒。
本发明还提供了一种系统的过程给定信号的控制系统，包括过程给定信号处理器、加速型工程最速比例-积分控制器、外扰耦合模型和过程控制器；系统的过程给定信号输入过程给定信号处理器，过程给定信号处理器输出处理信号至加速型工程最速比例-积分控制器、加速型工程最速比例-积分控制器的输出信号输入过程控制器中，经过程控制器处理后输出并与经外扰耦合模型处理后的外扰信号求和后输出过程输出信号，部分过程输出信号反馈至加速型工程最速比例-积分控制器的输入端与处理信号作差后输入加速型工程最速比例-积分控制器，如此循环，直至最终的过程输出信号达到设定标准。
优选地，加速型工程最速比例-积分控制器包括串级比例控制器和加速型工程最速跟踪滤波器，其中处理信号输入串级比例控制器中，经串级比例控制器处理后输出，部分输出信号经加速型工程最速跟踪滤波器滤波后反馈至串级比例控制器的输出端与串级比例控制器输出的信号求和后输出，如此循环，直至加速型工程最速比例-积分控制器的输出达到设定标准。
优选地，加速型工程最速比例-积分控制器的传递函数的表达式为：
式中，为串级比例控制增益，/>为加速型工程最速积分器的传递函数，为加速型工程最速跟踪滤波器的传递函数；/>为加速型工程最速积分器的时间常数，单位为秒；/>为加速型工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为秒。
优选地，过程控制器的传递函数的表达式为：
外扰耦合模型的传递函数的表达式为：
外扰采用斜坡信号。
优选地，系统的过程给定信号为火电机组的再热蒸汽温度控制系统的再热蒸汽温度给定值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明与在过程控制系统的过程给定端增加一个一阶惯性滤波器的方法相比，能够明显提高过程控制系统的调节性能；能够在保证外扰抑制性能的同时，减小过程超调量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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是本发明的过程给定信号的处理方法的结构图；
图2是本发明的过程给定信号的控制系统的结构图；
图3是本发明的加速型工程最速比例-积分控制器的结构图；
图4是本发明的ZN模型的过程输出图；
图5是未采用本发明时的过程输出图；
图6是未采用本发明时的过程输出图（改变串级比例控制增益）；
图7是采用本发明时的过程输出图；
图8是将本发明的过程给定信号处理器替换成一阶惯性滤波器的过程输出图。
具体实施方式
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，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。
本发明提供了一种实施例：
如图1至图3所示，一种系统的过程给定信号的处理方法，S1、将系统的过程给定信号输入至第一比例控制器，第一比例控制器输出第一比例控制信号至滑动窗滤波器，得到滑动窗滤波信号；同时将系统的过程给定信号输入至第二比例控制器，第二比例控制器输出第二比例控制信号至工程最速跟踪滤波器，得到工程最速跟踪滤波信号；S2：将得到的滑动窗滤波信号和工程最速跟踪滤波信号进行叠加处理，得到系统的过程给定信号的处理信号。
本发明中，系统的过程给定信号为火电机组的再热蒸汽温度控制系统的再热蒸汽温度给定值。
系统的过程给定信号处理器的传递函数的表达式为：
式中，为第一比例控制器的比例增益，/>，单位为无量纲；/>为第二比例控制器的比例增益，/>，单位为无量纲；/>为滑动窗滤波器的拉普拉斯传递函数；/>为工程最速跟踪滤波器的拉普拉斯传递函数。
第一比例控制器的拉普拉斯传递函数的表达式为：/>；
第二比例控制器的拉普拉斯传递函数的表达式为：/>；
滑动窗滤波器的拉普拉斯传递函数的表达式为：
式中，为滑动窗滤波器的时间常数，单位为秒；
工程最速跟踪滤波器的拉普拉斯传递函数的表达式为：
式中，为工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为秒。
为将本发明的一种系统的过程给定信号的处理方法用于一种加速型工程最速比例-积分控制器构造的过程控制系统，本发明还提供了一种系统的过程给定信号的控制系统，包括过程给定信号处理器PGSP、加速型工程最速比例-积分控制器AEFPI、外扰耦合模型EDCM和过程控制器CP；过程给定信号输入过程给定信号处理器，并输出处理信号至加速型工程最速比例-积分控制器、加速型工程最速比例-积分控制器的输出信号输入过程控制器中，经过程控制器处理后输出并与经外扰耦合模型处理后的外扰信号求和后输出过程输出信号，部分过程输出信号反馈至加速型工程最速比例-积分控制器的输入端与处理信号作差后输入加速型工程最速比例-积分控制器，如此循环，直至最终的过程输出信号达到设定标准。
本实施例中，工程最速跟踪滤波器采用加速型工程最速跟踪滤波器，加速型工程最速比例-积分控制器包括串级比例控制器和加速型工程最速跟踪滤波器，其中处理信号输入串级比例控制器中，经串级比例控制器处理后输出，部分输出信号经加速型工程最速跟踪滤波器滤波后反馈至串级比例控制器的输出端与串级比例控制器输出的信号求和后输出，如此循环，直至加速型工程最速比例-积分控制器的输出达到设定标准。
加速型工程最速比例-积分控制器的传递函数的表达式为：
式中，为串级比例控制增益，/>为加速型工程最速积分器的传递函数，为加速型工程最速跟踪滤波器的传递函数；/>为加速型工程最速积分器的时间常数，单位为秒；/>为加速型工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为秒。
过程控制器的传递函数的表达式为：
外扰耦合模型的传递函数的表达式为：
外扰采用斜坡信号，斜坡信号的速率为10-3每秒，斜坡信号的长度为2000秒。
本发明采用ZN模型（ZNM）获取加速型工程最速比例-积分控制器AEFPI的参数，其中在过程控制器CP输入端输入单位阶跃，得到过程控制器CP的过程输出,ZN模型的过程输出/>,如图4所示；
得到ZN模型的传递函数的表达式为：
式中，为ZN模型的传递函数，/>为增益，单位为无量纲；/>为时间常数，单位为秒；/>为滞后常数，单位为秒；
根据ZN模型的传递函数，得到加速型工程最速比例-积分控制器AEFPI参数为：
未采用本申请前的性能对比：
在过程给定为单位阶跃信号，在过程时间>3000秒加入斜坡信号，得到加速型工程最速比例-积分控制器AEFPI控制的过程输出/>，图5所示。
为了提高外扰抑制性能，将=1提高到/>=1.4，得到加速型工程最速比例-积分控制器AEFPI控制的过程输出/>，图6所示。
=1提高到/>=1.4的性能对比表：
过程调节时间是指过程进入到小于5%偏差的时间。
采用斜坡信号最大偏差衡量外扰抑制性能，=1提高到/>=1.4，明显提高了外扰抑制性能，但是过程超调量由7.5%增加到27.5%。
采用本申请后的性能对比：
在过程给定信号处理器PGSP参数为为=0.5，/>为=500秒，/>为=500秒，得到加速型工程最速比例-积分控制器AEFPI控制的过程输出/>，图7所示。
将过程给定信号处理器PGSP替换为一阶惯性滤波器，对应的一阶惯性滤波器传递函数的表达式为：
式中，为一阶惯性滤波器的时间常数，单位为秒；
在=200秒，得到采用过程给定信号处理器PGSP与一阶惯性滤波器FOIF的对比结果，图8所示。
图8可见，采用一阶惯性滤波器FOIF的调节特性明显滞后于采用过程给定信号处理器PGSP。
采用过程给定信号处理器PGSP与采用一阶惯性滤波器FOIF的性能对比表：
相对采用一阶惯性滤波器FOIF，采用过程给定信号处理器PGSP明显提高了调节性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种系统的过程给定信号的处理方法，其特征在于：
S1、将系统的过程给定信号输入至第一比例控制器，第一比例控制器输出第一比例控制信号至滑动窗滤波器，得到滑动窗滤波信号；
同时将系统的过程给定信号输入至第二比例控制器，第二比例控制器输出第二比例控制信号至工程最速跟踪滤波器，得到工程最速跟踪滤波信号；
S2：将得到的滑动窗滤波信号和工程最速跟踪滤波信号进行叠加处理，得到系统的过程给定信号的处理信号。
2.根据权利要求1所述的一种系统的过程给定信号的处理方法，其特征在于：系统的过程给定信号处理器的传递函数的表达式为：
式中，为第一比例控制器的比例增益，/>，单位为无量纲；/>为第二比例控制器的比例增益，/>，单位为无量纲；/>为滑动窗滤波器的拉普拉斯传递函数；/>为工程最速跟踪滤波器的拉普拉斯传递函数。
3.根据权利要求2所述的一种系统的过程给定信号的处理方法，其特征在于：滑动窗滤波器的拉普拉斯传递函数的表达式为：
式中，为滑动窗滤波器的时间常数，单位为秒；/>为自然常数；/>为拉普拉斯传递函数中的复变量；
工程最速跟踪滤波器的拉普拉斯传递函数的表达式为：
式中，为工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为秒。
4.一种系统的过程给定信号的控制系统，依托于如权利要求3所述的系统的过程给定信号的处理方法，其特征在于：包括过程给定信号处理器、加速型工程最速比例-积分控制器、外扰耦合模型和过程控制器；
系统的过程给定信号输入过程给定信号处理器，过程给定信号处理器输出处理信号至加速型工程最速比例-积分控制器、加速型工程最速比例-积分控制器的输出信号输入过程控制器中，经过程控制器处理后输出并与经外扰耦合模型处理后的外扰信号求和后输出过程输出信号，部分过程输出信号反馈至加速型工程最速比例-积分控制器的输入端与处理信号作差后输入加速型工程最速比例-积分控制器，如此循环，直至最终的过程输出信号达到设定标准。
5.根据权利要求4所述的一种系统的过程给定信号的控制系统，其特征在于：加速型工程最速比例-积分控制器包括串级比例控制器和加速型工程最速跟踪滤波器，其中处理信号输入串级比例控制器中，经串级比例控制器处理后输出，部分输出信号经加速型工程最速跟踪滤波器滤波后反馈至串级比例控制器的输出端与串级比例控制器输出的信号求和后输出，如此循环，直至加速型工程最速比例-积分控制器的输出达到设定标准。
6.根据权利要求5所述的一种系统的过程给定信号的控制系统，其特征在于：加速型工程最速比例-积分控制器的传递函数的表达式为：
式中，为串级比例控制增益，/>为加速型工程最速积分器的传递函数，为加速型工程最速跟踪滤波器的传递函数；/>为加速型工程最速积分器的时间常数，单位为秒；/>为加速型工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为秒。
7.根据权利要求6所述的一种系统的过程给定信号的控制系统，其特征在于：过程控制器的传递函数的表达式为：
外扰耦合模型的传递函数的表达式为：
外扰采用斜坡信号。
8.根据权利要求7所述的一种系统的过程给定信号的控制系统，其特征在于：系统的过程给定信号为火电机组的再热蒸汽温度控制系统的再热蒸汽温度给定值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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