CN117873191A - 一种工业控制系统过程给定信号处理装置及最速控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业控制系统过程给定信号处理装置及最速控制系统，包括：四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器；所述四阶惯性滤波器的输出端分别与所述三阶惯性滤波器的输入端与所述第一减法器的减数端连接，所述三阶惯性滤波器的输出端与所述第一减法器的被减数端连接，所述第一减法器的输出端与所述负比例运算器的输入端连接，所述负比例运算器的输出端与所述延时器的输入端连接，所述延时器的输出端与所述第二减法器的减数端连接。本发明使用基于四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器，能够解决控制系统在一阶滞后过程、低阶过程中存在性能低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种工业控制系统过程给定信号处理装置及最速控制系统。
背景技术
在工业过程控制实践中，工程研究人员发明出一种工程最速控制器(Engineeringfastest controller，EFC)，显著提高了反馈控制性能。EFC的范畴包括：工程最速比例-积分(Engineering fastest Proportional-Integral，EFPI)控制器、加速型工程最速比例-积分(Accelerated engineering fastest Proportional-Integral，AEFPI)控制器、工程最速超前观测器(Engineering fastest leading observer，EFLO)。EFPI适合与EFLO串级运用，在高阶过程，相对比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制性能的提升幅度是足够的。AEFPI适合单独运用，相对比例-积分-微分(Proportional-Integral，PI)控制性能的提升幅度是足够的。EFC技术已经在火电机组调峰、调频领域进行了规模化应用。
但在工程实践中发现，在一阶滞后过程、低阶过程等，如火电机组低压旁路出口温度控制系统，AEFPI控制的过程超调量较大，这是AEFPI控制的固有特性。火电机组低压旁路出口温度控制系统如出现较大的过程超调，会影响控制系统性能，达不到预期控制效果。
因此，亟需一种工业控制系统过程给定信号处理策略，从而解决控制系统在一阶滞后过程、低阶过程中存在性能低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种工业控制系统过程给定信号处理装置及最速控制系统，以解决控制系统在一阶滞后过程、低阶过程中存在性能低的问题。
为了解决上述问题，本发明一实施例提供一种工业控制系统过程给定信号处理装置，包括：四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器；
所述四阶惯性滤波器的输出端分别与所述三阶惯性滤波器的输入端与所述第一减法器的减数端连接，所述三阶惯性滤波器的输出端与所述第一减法器的被减数端连接，所述第一减法器的输出端与所述负比例运算器的输入端连接，所述负比例运算器的输出端与所述延时器的输入端连接，所述延时器的输出端与所述第二减法器的减数端连接。
作为上述方案的改进，所述四阶惯性滤波器的输入端和所述第二减法器的被减数端分别接入过程给定信号，所述第二减法器的输出端输出工业控制系统过程给定。
作为上述方案的改进，所述过程给定信号，具体为：火电机组低压旁路出口温度控制系统的过程给定信号。
作为上述方案的改进，所述四阶惯性滤波器，满足以下条件：
式中，fFOIF(s)为四阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF为四阶惯性滤波器的时间常数，单位为s。
作为上述方案的改进，所述三阶惯性滤波器，满足以下条件：
式中，fTOIF(s)为三阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TTOIF为三阶惯性滤波器的时间常数，单位为s；数值上，TTOIF＝TFOIF。
作为上述方案的改进，所述负比例运算器，满足以下条件：
fPO(s)＝-KPO,
0≥-KPO≥-1
式中，fPO(s)为负比例运算器的拉普拉斯传递函数；-KPO为所述负比例运算器的比例增益，单位为无量纲；-KPO的范围小于等于0，大于等于-1。
作为上述方案的改进，所述工业控制系统过程给定，满足以下条件：
fFCSPG(s)＝1-[fFOIF(s)[-1+fTOIF(s)](-KPO)e-τs＝
1-KPO e-τs fFOIF(s)[1-fTOIF(s)]
式中，fFCSPG(s)为工业控制系统过程给定的拉普拉斯传递函数。
相应的，本发明一实施例还提供了一种工业最速控制系统，包括：工业控制系统过程给定信号处理装置、反馈单元、加速型工程最速比例-积分控制器、过程装置；其中，所述工业控制系统过程给定信号处理装置应用如本发明所述的工业控制系统过程给定信号处理装置；
所述工业控制系统过程给定信号处理装置的输入端接入过程给定信号，所述工业控制系统过程给定信号处理装置的输出端与所述反馈单元连接，所述反馈单元的输出端与所述加速型工程最速比例-积分控制器的输入端连接，所述加速型工程最速比例-积分控制器的输出端与所述过程装置连接，所述过程装置的输出端与所述反馈单元连接，形成闭环反馈。
作为上述方案的改进，所述加速型工程最速比例-积分控制器，满足以下条件：
fAEFPI(s)＝KAEFPI[1+fAEFI(s)],
TAEFI＝TAEFTF
式中，fAEFPI(s)为AEFPI的传递函数，KAEFPI串级比例控制增益，单位为无量纲；fAEFI(s)为加速型工程最速积分器的传递函数，fAEFTF(s)为加速型工程最速跟踪滤波器的传递函数；TAEFI为AEFI的时间常数，单位为ms；TAEFTF为AEFTF的时间常数，单位为ms；n为阶次，单位无量纲；i和l为过程变量，均为正整数；数量上TAEFI＝TAEFTF。
作为上述方案的改进，所述过程装置具体为：伺服电动机；实时伺服电动机满足以下条件：
式中，P:SM(s)为伺服电动机的传递函数，s为拉普拉斯算子，KSM为伺服电动机增益，单位为无量纲；Tsm1和Tsm2分别为伺服电动机时间常数，单位为ms。
由上可见，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种工业控制系统过程给定信号处理装置，包括：四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器；所述四阶惯性滤波器的输出端分别与所述三阶惯性滤波器的输入端与所述第一减法器的减数端连接，所述三阶惯性滤波器的输出端与所述第一减法器的被减数端连接，所述第一减法器的输出端与所述负比例运算器的输入端连接，所述负比例运算器的输出端与所述延时器的输入端连接，所述延时器的输出端与所述第二减法器的减数端连接。本发明使用了四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器，可以实现信号平滑处理、差异计算和延时控制，通过调整滤波器和控制器的参数，可以实现不同的控制效果，从而有利于解决控制系统在一阶滞后过程、低阶过程中存在性能低的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的工业控制系统过程给定信号处理装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的工业最速控制系统的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的未采用工业控制系统过程给定信号处理装置的工业最速控制系统的仿真结果示意图；
图4是本发明一实施例提供的采用工业控制系统过程给定信号处理装置的工业最速控制系统的仿真结果示意图。
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工业控制系统过程给定信号处理装置的流程示意图，如图1所示，包括：四阶惯性滤波器101、三阶惯性滤波器102、第一减法器103、负比例运算器104、延时器105和第二减法器106；
所述四阶惯性滤波器101的输出端分别与所述三阶惯性滤波器102的输入端与所述第一减法器103的减数端连接，所述三阶惯性滤波器102的输出端与所述第一减法器103的被减数端连接，所述第一减法器103的输出端与所述负比例运算器104的输入端连接，所述负比例运算器104的输出端与所述延时器105的输入端连接，所述延时器105的输出端与所述第二减法器106的减数端连接。
在一具体的实施例中，延时器满足以下条件：
fLO(s)＝e-τs
式中，fLO(s)为延时器的拉普拉斯传递函数，τ为延时器延时常数，单位为s。
为更好地说明，延时器用于引入时间延迟。
作为上述方案的改进，所述四阶惯性滤波器的输入端和所述第二减法器的被减数端分别接入过程给定信号，所述第二减法器的输出端输出工业控制系统过程给定。
作为上述方案的改进，所述过程给定信号，具体为：火电机组低压旁路出口温度控制系统的过程给定信号。
作为上述方案的改进，所述四阶惯性滤波器，满足以下条件：
式中，fFOIF(s)为四阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF为四阶惯性滤波器的时间常数，单位为s。
为更好地说明，四阶惯性滤波器用于对输入信号进行平滑处理和滤波。
作为上述方案的改进，所述三阶惯性滤波器，满足以下条件：
式中，fTOIF(s)为三阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TTOIF为三阶惯性滤波器的时间常数，单位为s；数值上，TTOIF＝TFOIF。
为更好地说明，三阶惯性滤波器也用于对输入信号进行平滑处理和滤波。
作为上述方案的改进，所述负比例运算器，满足以下条件：
fPO(s)＝-KPO,
0≥-KPO≥-1
式中，fPO(s)为负比例运算器的拉普拉斯传递函数；-KPO为所述负比例运算器的比例增益，单位为无量纲；-KPO的范围小于等于0，大于等于-1。
为更好地说明，负比例运算器是一个控制器，其输出信号与输入信号成反比例关系。
作为上述方案的改进，所述工业控制系统过程给定，满足以下条件：
fFCSPG(s)＝1-[fFOIF(s)[-1+fTOIF(s)](-KPO)e-τs＝1-KPOe-τsfFOIF(s)[1-fTOIF(s)]
式中，fFCSPG(s)为工业控制系统过程给定的拉普拉斯传递函数。
为更好地说明，第一减法器和第二减法器分别是一个减法运算器，分别用于计算两个输入信号之间的差异。
参见图2，图2是本发明一实施例提供的一种工业最速控制系统的结构示意图，包括：工业控制系统过程给定信号处理装置201、反馈单元202、加速型工程最速比例-积分控制器203、过程装置204；其中，所述工业控制系统过程给定信号处理装置201应用如本发明所述的工业控制系统过程给定信号处理装置；
所述工业控制系统过程给定信号处理装置201的输入端接入过程给定信号，所述工业控制系统过程给定信号处理装置201的输出端与所述反馈单元202连接，所述反馈单元202的输出端与所述加速型工程最速比例-积分控制器203的输入端连接，所述加速型工程最速比例-积分控制器203的输出端与所述过程装置204连接，所述过程装置204的输出端与所述反馈单元202连接，形成闭环反馈。
需要说明的是，所述反馈单元在初次运算时，由于只有所述工业机器人控制过程给定控制装置输出的信号作为被减数，没有减数的输入，因此可以在初次运算时采用预设的减数(例如为零，即过程装置输出为0)；当所述反馈信号依次经过加速型工程最速比例-积分控制器和过程装置之后，将过程装置输出的信号输入至所述反馈单元作为减数，形成闭环反馈。
作为上述方案的改进，所述加速型工程最速比例-积分控制器，满足以下条件：
fAEFPI(s)＝KAEFPI[1+fAEFI(s)],
TAEFI＝TAEFTF
式中，fAEFPI(s)为AEFPI的传递函数，KAEFPI串级比例控制增益，单位为无量纲；fAEFI(s)为加速型工程最速积分器的传递函数，fAEFTF(s)为加速型工程最速跟踪滤波器的传递函数；TAEFI为AEFI的时间常数，单位为ms；TAEFTF为AEFTF的时间常数，单位为ms；n为阶次，单位无量纲；i和l为过程变量，均为正整数；数量上TAEFI＝TAEFTF。
在一具体的实施例中，加速型工程最速比例-积分控制器(Acceleratedengineering fastest Proportional-Integral，AEFPI)，加速型工程最速积分器(Acceleration engineering fastest integrator，AEFI)，加速型工程最速跟踪滤波器(Acceleration engineering fastest tracking filter，AEFTF)。
在一实施例，n取16，所述AEFPI为16阶AEFPI(Sixteen order AEFPI，SOAEFPI)，表达为：
fSOAEFPI(s)＝KSOAEFPI[1+fSOAEFI(s)],
TSOAEFI＝TSOAEFTF
式中，fSOAEFPI(s)为16阶AEFPI的传递函数，KSOAEFPI为16阶AEFPI串级比例控制增益，fSOAEFI(s)为16阶加速型工程最速积分器(Sixteen order acceleration engineeringfastest integrator，SOAEFI)的传递函数，fSOAEFTF(s)为16阶加速型工程最速跟踪滤波器(Sixteen order acceleration engineering fastest tracking filter，SOAEFTF)的传递函数；TSOAEFI为SOAEFI的时间常数，单位为ms；TSOAEFTF为SOAEFTF的时间常数，单位为ms；数量上TSOAEFI＝TSOAEFTF。
作为上述方案的改进，所述过程装置具体为：伺服电动机；实时伺服电动机满足以下条件：
式中，P:SM(s)为伺服电动机的传递函数，s为拉普拉斯算子，KSM为伺服电动机增益，单位为无量纲；Tsm1和Tsm2分别为伺服电动机时间常数，单位为ms。
在一具体的实施例中，过程装置(Process，P)，伺服电动机(Servo motor,SM)。
在一实施例，KSM＝1，Tsm1＝100ms，Tsm2＝30ms，过程装置P为：
式中，fP(s)为所述过程装置P的传递函数，s代表拉普拉斯算子。
在所述过程装置的开环系统相位等于-135°时，满足开环系统增益等于0.5，搜索所述AEFPI的最优参数，得到所述AEFPI参数为：TAEFI＝413ms，KAEFPI＝2.187。
为更好地说明本实施例的有益效果，提供二个参照组进行比较：
参照组一：在未采用本实施例的一种工业控制系统过程给定信号处理装置之前，在过程给定为单位阶跃，得到的仿真结果，如图3所示，过程输出的第一峰值为1.586。过程超调为18.9％，调节时间为863s(调节时间是指过程进入到小于5％偏差的时间)。
参照组二：采用本发明的一种工业控制系统过程给定信号处理装置，设置参数-KPO＝-0.3，τ＝100s，TFOIF＝TTOIF＝45s，得到的仿真结果，图4所示，过程超调为0.5％，调节时间为280。
可见，本发明的一种工业控制系统过程给定信号处理装置显著减小了过程超调，显著减小了调节时间。
本实施例通过四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器；所述四阶惯性滤波器的输出端分别与所述三阶惯性滤波器的输入端与所述第一减法器的减数端连接，所述三阶惯性滤波器的输出端与所述第一减法器的被减数端连接，所述第一减法器的输出端与所述负比例运算器的输入端连接，所述负比例运算器的输出端与所述延时器的输入端连接，所述延时器的输出端与所述第二减法器的减数端连接。本发明使用了四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器，可以实现信号平滑处理、差异计算和延时控制，通过调整滤波器和控制器的参数，可以实现不同的控制效果，从而有利于解决控制系统在一阶滞后过程、低阶过程中存在性能低的问题。
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 (10)
1.一种工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，包括：四阶惯性滤波器、三阶惯性滤波器、第一减法器、负比例运算器、延时器和第二减法器；
所述四阶惯性滤波器的输出端分别与所述三阶惯性滤波器的输入端与所述第一减法器的减数端连接，所述三阶惯性滤波器的输出端与所述第一减法器的被减数端连接，所述第一减法器的输出端与所述负比例运算器的输入端连接，所述负比例运算器的输出端与所述延时器的输入端连接，所述延时器的输出端与所述第二减法器的减数端连接。
2.根据权利要求1所述的工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，所述四阶惯性滤波器的输入端和所述第二减法器的被减数端分别接入过程给定信号，所述第二减法器的输出端输出工业控制系统过程给定。
3.根据权利要求2所述的工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，所述过程给定信号，具体为：火电机组低压旁路出口温度控制系统的过程给定信号。
4.根据权利要求3所述的工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，所述四阶惯性滤波器，满足以下条件：
式中，fFOIF(s)为四阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF为四阶惯性滤波器的时间常数，单位为s。
5.根据权利要求4所述的工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，所述三阶惯性滤波器，满足以下条件：
式中，fTOIF(s)为三阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TTOIF为三阶惯性滤波器的时间常数，单位为s；数值上，TTOIF＝TFOIF。
6.根据权利要求5所述的工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，所述负比例运算器，满足以下条件：
fPO(s)＝-KPO,
0≥-KPO≥-1
式中，fPO(s)为负比例运算器的拉普拉斯传递函数；-KPO为所述负比例运算器的比例增益，单位为无量纲；-KPO的范围小于等于0，大于等于-1。
7.根据权利要求6所述的工业控制系统过程给定信号处理装置，其特征在于，所述工业控制系统过程给定，满足以下条件：
fFCSPG(s)＝1-[fFOIF(s)[-1+fTOIF(s)](-KPO)e-τs＝
1-KPO e-τs fFOIF(s)[1-fTOIF(s)]
式中，fFCSPG(s)为工业控制系统过程给定的拉普拉斯传递函数。
8.一种工业最速控制系统，其特征在于，包括：工业控制系统过程给定信号处理装置、反馈单元、加速型工程最速比例-积分控制器、过程装置；其中，所述工业控制系统过程给定信号处理装置应用如权利要求1至7任意一项所述的工业控制系统过程给定信号处理装置；
所述工业控制系统过程给定信号处理装置的输入端接入过程给定信号，所述工业控制系统过程给定信号处理装置的输出端与所述反馈单元连接，所述反馈单元的输出端与所述加速型工程最速比例-积分控制器的输入端连接，所述加速型工程最速比例-积分控制器的输出端与所述过程装置连接，所述过程装置的输出端与所述反馈单元连接，形成闭环反馈。
9.根据权利要求8所述的工业最速控制系统，其特征在于，所述加速型工程最速比例-积分控制器，满足以下条件：
fAEFPI(s)＝KAEFPI[1+fAEFI(s)],
TAEFI＝TAEFTF
式中，fAEFPI(s)为AEFPI的传递函数，KAEFPI串级比例控制增益，单位为无量纲；fAEFI(s)为加速型工程最速积分器的传递函数，fAEFTF(s)为加速型工程最速跟踪滤波器的传递函数；TAEFI为AEFI的时间常数，单位为ms；TAEFTF为AEFTF的时间常数，单位为ms；n为阶次，单位无量纲；i和l为过程变量，均为正整数；数量上TAEFI＝TAEFTF。
10.根据权利要求9所述的工业最速控制系统，其特征在于，所述过程装置具体为：伺服电动机；实时伺服电动机满足以下条件：
式中，P:SM(s)为伺服电动机的传递函数，s为拉普拉斯算子，KSM为伺服电动机增益，单位为无量纲；Tsm1和Tsm2分别为伺服电动机时间常数，单位为ms。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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