CN118034389A - 一种最速控制系统过程给定控制方法及装置 - Google Patents

一种最速控制系统过程给定控制方法及装置 Download PDF

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陈锦攀
赵兵
王增彬
潘君镇
蔡笋
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D13/62—Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover characterised by the use of electric means, e.g. use of a tachometric dynamo, use of a transducer converting an electric value into a displacement

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Abstract

本发明公开了一种最速控制系统过程给定控制方法及装置，其中方法包括：将过程给定信号输入实际微分器输出实际微分信号；将实际微分信号输入至比例控制器输出比例控制信号；将过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；将比例控制信号与第一一阶惯性滤波器信号输入加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。本发明显著减小过程超调，减小调节时间，与现有技术相比，显著提高了最速控制系统的性能。

Description

一种最速控制系统过程给定控制方法及装置
技术领域
本发明涉及工业过程控制技术领域，尤其是涉及一种最速控制系统过程给定控制方法及装置。
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)。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。
实践中发现，在一阶或高阶滞后等过程，如火电机组一次汽温控制系统，AEFPI控制的过程超调量较大，这是AEFPI控制的固有特性。有些系统不允许出现较大的过程超调，现有的最速控制系统过程给定控制方法通常通过在过程给定端接入一个一阶惯性滤波器(First order inertial filter，FOIF)，以实现对抑制过程超调较好的作用。然而，现有的最速控制系统过程给定控制方法会明显降低AEFPI控制的调节性能。
发明内容
本发明提供一种最速控制系统过程给定控制方法及装置，以解决现有的最速控制系统过程给定控制方法会明显降低AEFPI控制的调节性能的技术问题。
本发明提供了一种最速控制系统过程给定控制方法，包括：
将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号；
将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号；
将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；
将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。
进一步的，所述过程给定信号为火电机组一次汽温控制系统的过程给定信号。
进一步的，所述实际微分器，包括：
AD(s)＝ID(s)SOIF(s),
ID(s)＝TDs,
其中，AD(s)为所述实际微分器的传递函数，ID(s)为理想微分器的传递函数，TD为所述理想微分器的时间常数，SOIF(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，TSOIF为二阶惯性滤波器的时间常数，数量上TSOIF＝TD
进一步的，所述比例控制器，包括：
PC(s)＝KPC,
PC(s)为所述比例控制器的传递函数，KPC为所述比例控制器的增益。
进一步的，所述第一一阶惯性滤波器，包括：
FOIF：
其中，OIF:A(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为所述第一一阶惯性滤波器的时间常数。
进一步的，所述最速控制系统的过程给定处理包括：
fEFCSPGP(s)＝AD(s)PC(s)+FOIF：
其中，fEFCSPGP(s)为最速控制系统的过程给定处理的拉普拉斯传递函数，AD(s)为所述实际微分器的拉普拉斯传递函数，TAD为所述实际微分器的时间常数，FOIF：A(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为所述第一一阶惯性滤波器的时间常数，KPC为所述比例控制器的增益。
进一步的，TAD＝TSOIF＝TD。
本发明的提供了一种最速控制系统过程给定控制装置，包括：
实际微分信号输出模块，用于将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号；
比例控制信号输出模块，用于将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号；
第一一阶惯性滤波器信号输出模块，用于将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；
过程给定控制信号输出模块，用于将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。
进一步的，所述过程给定信号为火电机组一次汽温控制系统的过程给定信号。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序；所述存储器与所述处理器耦接，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的最速控制系统过程给定控制方法。
本发明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述的最速控制系统过程给定控制方法。
本发明实施例过程给定信号作为火电机组一次汽温控制系统的过程期望输出，将其输入至实际微分器将有助于系统预测过程给定信号的变化趋势。实际微分器将对过程给定信号进行微分运算，产生过程给定信号变化的速率输出，从而帮助系统预测未来过程给定信号的变化趋势，进而能够助于最速控制系统及时做出调整以适应过程给定信号的变化，保持系统的稳定性和对输入信号变化的快速响应能力。且本发明实施例将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号，将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号，将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号，再将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号，能够显著减小过程超调，减小调节时间，与现有技术相比，显著提高了最速控制系统的性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种最速控制系统过程给定控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种最速控制系统的过程给定控制器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种最速控制系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种未采用本方法的过程输出示意图；
图5是本发明实施例提供的一种在过程给定接入第二一阶惯性滤波器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种接入第二一阶惯性滤波器的过程输出示意图；
图7是本发明实施例提供的一种采用本方法的过程输出示意图；
图8是本发明实施例提供的一种最速控制系统过程给定控制装置的结构示意图。
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做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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供了一种最速控制系统过程给定控制方法，包括：
S1、将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号；
在本发明实施例中，实际微分器可以对输入信号进行微分运算，以产生输入信号变化速率的输出，该输出信号可以用于预测系统未来的变化趋势，并对系统的响应进行调节。
过程给定信号作为火电机组一次汽温控制系统的过程期望输出，将其输入至实际微分器将有助于系统预测过程给定信号的变化趋势。实际微分器将对过程给定信号进行微分运算，产生过程给定信号变化的速率输出，从而帮助系统预测未来过程给定信号的变化趋势，进而能够助于最速控制系统及时做出调整以适应过程给定信号的变化，保持系统的稳定性和对输入信号变化的快速响应能力。
S2、将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号；
在本发明实施例中，比例控制器能够根据系统输出与期望输出之间的误差信号，对控制执行器的输出进行比例调节。比例控制器能够有效使系统的输出与期望输出之间的差异尽快减小，以实现对系统输出的精确控制。
S3、将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；
在本发明实施例中，通过第一一阶惯性滤波器输出惯性滤波信号，能够对过程给定信号进行平滑处理，以减少信号中的高频噪声，同时保留信号中的低频成分，从而有利于提高控制系统的稳定性和抗干扰能力。
S4、将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。
在本发明实施例中，将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号进行相加得到最速控制系统的过程给定控制信号。
本发明实施例过程给定信号作为火电机组一次汽温控制系统的过程期望输出，将其输入至实际微分器将有助于系统预测过程给定信号的变化趋势。实际微分器将对过程给定信号进行微分运算，产生过程给定信号变化的速率输出，从而帮助系统预测未来过程给定信号的变化趋势，进而能够助于最速控制系统及时做出调整以适应过程给定信号的变化，保持系统的稳定性和对输入信号变化的快速响应能力。且本发明实施例将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号，将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号，将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号，再将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号，能够显著减小过程超调，减小调节时间，与现有技术相比，显著提高了最速控制系统的性能。
在一个实施例中，过程给定信号为火电机组一次汽温控制系统的过程给定信号。
在一个实施例中，所述实际微分器，包括：
AD(s)＝ID(s)SOIF(s),
ID(s)＝TDs,
其中，AD(s)为所述实际微分器的传递函数，ID(s)为理想微分器的传递函数，TD为所述理想微分器的时间常数，SOIF(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，TSOIF为二阶惯性滤波器的时间常数，数量上TSOIF＝TD。
在一个实施例中，所述比例控制器，包括：
PC(s)＝KPC,
PC(s)为所述比例控制器的传递函数，KPC为所述比例控制器的增益。
在一个实施例中，所述第一一阶惯性滤波器，包括：
FOIF：
其中，FOIF:A(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为所述第一一阶惯性滤波器的时间常数。
在一个实施例中，所述最速控制系统的过程给定处理包括：
fEFCSPGP(s)＝AD(s)PC(s)+FOIF：
其中，fEFCSPGP(s)为最速控制系统的过程给定处理的拉普拉斯传递函数，AD(s)为所述实际微分器的拉普拉斯传递函数，TAD为所述实际微分器的时间常数，FOIF：A(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为所述第一一阶惯性滤波器的时间常数，KPC为所述比例控制器的增益。
在一个实施例中，TAD＝TSOIF＝TD。
请参阅图2，在一个实施例中，所述最速控制系统的过程给定控制器包括实际微分器、比例控制器、第一一阶惯性滤波器和加法器；
过程给定信号的输入端分别与所述实际微分器的输入端和所述第一一阶惯性滤波器的输入端连接；
所述实际微分器的输出端通过所述比例控制器与所述加法器的第一输入端连接；
所述第一一阶惯性滤波器的输出端与所述加法器的第二输入端连接。
在本发明实施例中，最速控制系统的过程给定控制器接收原始的过程给定信号，并进行相应处理后得到最速控制系统的过程给定信号，并输出到相应的控制器，例如可以输出至减法器的被减数端，并进一步输出到AEFPI中。
请参阅图3，在一个实施例中，最速控制系统包括：过程给定控制器、减法器、加速型工程最速比例-积分控制器(Accelerated engineering fastest Proportional-Integral，AEFPI)和过程处理器。其中，过程给定信号的输入端与过程给定控制器的输入端连接，过程给定控制器的输出端与减法器的被减数端连接，减法器输出端通过AEFPI与过程处理器的输入端连接，过程处理器的输出端与减法器的减数端连接，形成闭环反馈。
在一个实施例中，AEFPI包括：
fAEFPI(s)＝KAEFPI[1+fAEFI(s)],
TAEFI＝TAEFTF
式中，fAEFPI(s)为AEFPI的传递函数，KAEFPI为串级比例控制增益，fAEFI(s)为加速型工程最速积分器(Acceleration engineering fastest integrator，AEFI)的传递函数，fAEFTF(s)为加速型工程最速跟踪滤波器(Acceleration engineering fastest trackingfilter，AEFTF)的传递函数；TAEFI为AEFI的时间常数，单位为s；TAEFTF为AEFTF的时间常数，单位为s；数量上TAEFI＝TAEFTF。
在一个实施例中，过程处理器P包括：
式中，fP(s)为过程的传递函数。
在一个实施例中，在开环系统相位等于-135°时满足开环系统增益等于0.5，通过搜索AEFPI的最优参数，得到AEFPI参数为：TAEFI＝119s，KAEFPI＝2.548。
请参阅图4，为未采用本发明实施例提供的最速控制系统过程给定控制方法之前，在过程给定信号为单位阶跃信号时，得到的仿真结果。通过继续参阅图4可知，过程输出的第一峰值为1.586，过程超调为,58.6％，调节时间为643s，调节时间为过程进入到小于5％偏差的时间。
请参阅图5，为未采用本发明实施例提供的最速控制系统过程给定控制方法之前，在过程给定接入一个第一一阶惯性滤波器(First order inertial filter:B，FOIF:B)。
该二阶惯性滤波器包括：
FOIF:
其中，FOIF:B(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数；TFOIF:B为所述第二第一一阶惯性滤波器的时间常数，单位为s。
请参阅图6，通过设置参数TFOIF:B＝100s，得到相应的仿真结果示意图。通过参阅图6可知，过程超调为11.6％，调节时间为420s。
请参阅图7，在一个实施例中，设置本发明实施例的一种最速控制系统过程给定控制方法的相关参数如下TFOIF:A＝TFOIF:B＝100s，TAD＝TSOIF＝TD＝15s,KPC＝1.85，基于这些参数进行仿真得到的仿真示意图如图7所示。
请继续参阅图7，可知过程超调为1.8％，调节时间为333s。
综上，根据图4、6、7可知，本发明实施例提供的一种最速控制系统过程给定控制方法，不仅能够有效减小过程超调，还能够显著减少调节时间。
实施本发明实施例，具有以下有益效果：
本发明实施例过程给定信号作为火电机组一次汽温控制系统的过程期望输出，将其输入至实际微分器将有助于系统预测过程给定信号的变化趋势。实际微分器将对过程给定信号进行微分运算，产生过程给定信号变化的速率输出，从而帮助系统预测未来过程给定信号的变化趋势，进而能够助于最速控制系统及时做出调整以适应过程给定信号的变化，保持系统的稳定性和对输入信号变化的快速响应能力。且本发明实施例将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号，将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号，将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号，再将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号，能够显著减小过程超调，减小调节时间，与现有技术相比，显著提高了最速控制系统的性能。
请参阅图8，基于与上述实施例相同的发明构思，本发明的提供了一种最速控制系统过程给定控制装置，包括：
实际微分信号输出模块10，用于将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号；
比例控制信号输出模块20，用于将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号；
第一一阶惯性滤波器信号输出模块30，用于将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；
过程给定控制信号输出模块40，用于将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。
在一个实施例中，实际微分器，包括：
AD(s)＝ID(s)SOIF(s),
ID(s)＝TDs,
其中，AD(s)为实际微分器的传递函数，ID(s)为理想微分器的传递函数，TD为理想微分器的时间常数，SOIF(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，TSOIF为二阶惯性滤波器的时间常数，数量上TSOIF＝TD。
在一个实施例中，过程给定信号为火电机组一次汽温控制系统的过程给定信号。
在一个实施例中，比例控制器，包括：
PC(s)＝KPC,
PC(s)为比例控制器的传递函数，KPC为比例控制器的增益。
在一个实施例中，第一一阶惯性滤波器，包括：
FOIF：
其中，FOIF:A(s)为第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为第一一阶惯性滤波器的时间常数。
在一个实施例中，最速控制系统的过程给定处理包括：
fEFCSPGP(s)＝AD(s)PC(s)+FOIF：
其中，fEFCSPGP(s)为最速控制系统的过程给定处理的拉普拉斯传递函数，AD(s)为实际微分器的拉普拉斯传递函数，TAD为实际微分器的时间常数，FOIF：A(s)为第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为第一一阶惯性滤波器的时间常数，KPC为比例控制器的增益。
在一个实施例中，TAD＝TSOIF＝TD。
在一个实施例中，最速控制系统的过程给定控制器包括实际微分器、比例控制器、第一一阶惯性滤波器和加法器；
过程给定信号的输入端分别与实际微分器的输入端和第一一阶惯性滤波器的输入端连接；
实际微分器的输出端通过比例控制器与加法器的第一输入端连接；
第一一阶惯性滤波器的输出端与加法器的第二输入端连接。
本发明的一个实施例提供了一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序；所述存储器与所述处理器耦接，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的最速控制系统过程给定控制方法。
本发明的一个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述的最速控制系统过程给定控制方法。
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 (11)

1.一种最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，包括：
将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号；
将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号；
将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；
将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。
2.如权利要求1所述的最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，所述过程给定信号为火电机组一次汽温控制系统的过程给定信号。
3.如权利要求1所述的最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，所述实际微分器，包括：
AD(s)＝ID(s)SOIF(s),
ID(s)＝TDs,
其中，AD(s)为所述实际微分器的传递函数，ID(s)为理想微分器的传递函数，TD为所述理想微分器的时间常数，SOIF(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，TSOIF为二阶惯性滤波器的时间常数，数量上TSOIF＝TD。
4.如权利要求1所述的最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，所述比例控制器，包括：
PC(s)＝KPC,
PC(s)为所述比例控制器的传递函数，KPC为所述比例控制器的增益。
5.如权利要求1所述的最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，所述第一一阶惯性滤波器，包括：
其中，FOIF:A(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为所述第一一阶惯性滤波器的时间常数。
6.如权利要求2所述的最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，所述最速控制系统的过程给定处理包括：
其中，fEFCSPGP(s)为最速控制系统的过程给定处理的拉普拉斯传递函数，AD(s)为所述实际微分器的拉普拉斯传递函数，TAD为所述实际微分器的时间常数，FOIF：A(s)为所述第一一阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，TFOIF:A为所述第一一阶惯性滤波器的时间常数，KPC为所述比例控制器的增益。
7.如权利要求6所述的最速控制系统过程给定控制方法，其特征在于，还包括：
TAD＝TSOIF＝TD。
8.一种最速控制系统过程给定控制装置，其特征在于，包括：
实际微分信号输出模块，用于将过程给定信号输入实际微分器，通过所述实际微分器输出实际微分信号；
比例控制信号输出模块，用于将所述实际微分信号输入至比例控制器，通过所述比例控制器输出比例控制信号；
第一一阶惯性滤波器信号输出模块，用于将所述过程给定信号接入第一一阶惯性滤波器，通过第一一阶惯性滤波器输出第一一阶惯性滤波器信号；
过程给定控制信号输出模块，用于将所述比例控制信号与所述第一一阶惯性滤波器信号输入加法器，通过所述加法器输出最速控制系统的过程给定控制信号。
9.如权利要求8所述的最速控制系统过程给定控制装置，其特征在于，所述过程给定信号为火电机组一次汽温控制系统的过程给定信号。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序；所述存储器与所述处理器耦接，且所述处理器执行所述计算机程序时实现根据权利要求1至6任一项所述的最速控制系统过程给定控制方法。
11.一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根据权利要求1至7任一项所述的最速控制系统过程给定控制方法。
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