加速型工程最速控制器的设计方法、装置、设备及介质与流程

1.本技术涉及工业过程控制技术领域，尤其涉及一种加速型工程最速控制器的设计方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.比例-积分-微分控制器(proportional-integral-derivative，pid)在工业过程控制领域得到广泛应用，推动形成了巨大的工业生产力。然而，pid控制的缺点也是很明显的，例如存在动态控制精度不高等问题。
3.目前，现有技术已经提出了一种工程最速跟踪滤波器(eftf)，它实质上是一种(零加速度型)最速跟踪滤波器(fastest tracking filter，ftf)的工程化结果，所谓最速跟踪，即最快的跟踪输入或者跟踪输入的时间最小。所谓ftf工程化，即近似ftf的工程方法。由于采用ftf构造的(零加速度型)最速积分器(acceleration fastest integrator，ffi)存在累计误差的问题，因此需要先对ftf工程化，再将其用于积分器的构造。
4.然而，从推动工业过程控制技术发展的角度，仅基于工程最速跟踪滤波器(eftf)再构造相应的积分器是不够的，因此现有技术随后又提出了一种加速型最速跟踪滤波器(acceleration fastest tracking filter，aftf)，具有恒定的加速度，但是基于aftf构造的加速型最速积分器(acceleration fastest integrator，afi)同样存在累计误差的问题，无法满足工业过程控制对精度的要求。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种加速型工程最速控制器的设计方法、装置、设备及介质，通过对现有加速型最速跟踪滤波器aftf工程化，得到加速型工程最速跟踪滤波器(acceleration engineering fastest tracking filter，aeftf)，再用aeftf构造出加速型工程最速积分器(acceleration engineering fastest integrator，aefi)，最终得到加速型工程最速比例-积分控制器(acceleration engineering fastest proportional-integral，aefpi)即加速型工程最速控制器(acceleration engineering fastest controller，aefc)，以解决现有加速型最速积分器afi的累积误差问题，提高控制精度。
6.为实现上述目的，本技术提供一种加速型工程最速控制器的设计方法，包括：
7.基于加速型最速跟踪滤波器的传递函数，获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出；
8.根据过程输出的输出特性，利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器；
9.采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，生成加速型工程最速跟踪滤波器；
10.利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器；
11.利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器。
12.进一步，作为优选地，所述基于加速型最速跟踪滤波器的传递函数，获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出，包括：
13.获取加速型最速跟踪滤波器的传递函数：
[0014][0015]
式中，aftf为加速型最速跟踪滤波器，aftf(s)为aftf的传递函数，t
t
为aftf的跟踪时间常数；s代表拉普拉斯算子；
[0016]
获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出：
[0017][0018][0019]
式中，pv
aftf
(t)为aftf在单位阶跃输入的过程输出；a
pv
为aftf在单位阶跃输入的过程输出的加速度。
[0020]
进一步，作为优选地，所述根据过程输出的输出特性，利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器，包括：
[0021][0022]
式中，aaftf为近似加速型最速跟踪滤波器，aaftf(s)为aaftf的传递函数，t
t
为aftf的跟踪时间常数，n为纯滞后环节串联级数，l与i均为取值范围为[1，n]之间的正整数。
[0023]
进一步，作为优选地，所述采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，生成加速型工程最速跟踪滤波器，包括：
[0024][0025]
式中，aeftf为加速型工程最速跟踪滤波器，foif为一阶惯性滤波器，aeftf(s)为aeftf的传递函数，n为foif串联级数；foif(s)为foif的传递函数，t
foif
为foif的惯性时间常数；t
aeftf
为的aeftf的跟踪时间常数。
[0026]
进一步，作为优选地，所述利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器，包括：
[0027]
[0028]
式中，aefi为加速型工程最速积分器，affi(s)为aefi的传递函数，t
aefi
为aefi的时间常数。
[0029]
进一步，作为优选地，所述利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器，包括：
[0030][0031]
式中，aefpi为加速型工程最速比例-积分控制器，aefc为加速型工程最速控制器，aefpi代表aefc；aefpi(s)为aefpi的传递函数，k
aefpi
为串级比例控制的增益。
[0032]
进一步，作为优选地，所述加速型工程最速控制器用于工业过程控制的类型包括火电机组的工业过程控制；其中，火电机组的工业过程控制的过程给定包括热汽温过程给定或主汽压力过程给定。
[0033]
本技术还提供一种加速型工程最速控制器的设计装置，包括：
[0034]
过程输出获取单元，用于基于加速型最速跟踪滤波器的传递函数，获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出；
[0035]
近似单元，用于根据过程输出的输出特性，利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器；
[0036]
替代单元，用于采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，生成加速型工程最速跟踪滤波器；
[0037]
积分器构造单元，用于利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器；
[0038]
控制器构造单元，用于利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器。
[0039]
本技术还提供一种终端设备，包括：
[0040]
一个或多个处理器；
[0041]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0042]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一项所述的加速型工程最速控制器的设计方法。
[0043]
本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的加速型工程最速控制器的设计方法。
[0044]
相对于现有技术，本技术的有益效果在于：
[0045]
本技术公开了一种加速型工程最速控制器的设计方法、装置、设备及介质，该方法包括：基于加速型最速跟踪滤波器的传递函数，获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出；根据过程输出的输出特性，利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器；采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，生成加速型工程最速跟踪滤波器；利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器；利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器。
[0046]
本实施例提供的加速型工程最速控制器的设计方法，通过利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器；采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，实现了加速型最速跟踪滤波器的工程化，然后由加速型工程最速跟踪滤波器再构建对应的积分器、再构造控制器，使得最终的加速型工程最速控制器消除了累
积误差问题，提高了控制精度更高，提高了控制器的使用性能，能够适应工业过程控制的发展需求。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，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。
[0048]
图1是本技术某一实施例提供的加速型工程最速控制器的设计方法的流程示意图；
[0049]
图2本技术某一实施例提供的pv
aftf
(t)为aftf在单位阶跃输入的过程输出的曲线示意图；
[0050]
图3是本技术某一实施例提供的pv
aaftf
(t)为aaftf在单位阶跃输入的过程输出的曲线示意图；
[0051]
图4是本技术某一实施例提供的加速型工程最速积分器aefi的结构示意图；
[0052]
图5是本技术某一实施例提供的加速型工程最速比例-积分控制器的结构示意图；
[0053]
图6是本技术某一实施例提供的常规积分器ci的结构示意图；
[0054]
图7是本技术某一实施例提供的加速型工程最速积分器aefi与常规积分器ci在输入为单位阶跃得到的输出特性结果对比示意图；
[0055]
图8是本技术某一实施例提供的某一工业过程的控制系统的结构示意图；
[0056]
图9是本技术某一实施例提供的aefpi与opi的控制特性的对比结果示意图；
[0057]
图10是本技术某一实施例提供的将加速型工程最速比例-积分控制器aefpi用于某1000mw火电机组、二级过热汽温控制系统的控制结果示意图；
[0058]
图11是本技术某一实施例提供的加速型工程最速控制器的设计装置的结构示意图；
[0059]
图12是本技术某一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
[0060]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0061]
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。
[0062]
应当理解，在本技术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技术。如在本技术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。
[0063]
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。
[0064]
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。
[0065]
术语解释：
[0066]
pid控制：从观测的角度看，pid中的p作用、i作用、d作用(常规微分器)代表的是反馈控制中的3个基本观测机制，具体是p作用的当前观测机制、i作用的常值观测机制、d作用的超前观测机制。从构造i作用、d作用的特殊方法看，i作用、d作用基于一阶惯性滤波器(first order inertial filter,foif)。foif是一种典型的指数型跟踪滤波器，因此i作用、d作用代表的是一种指数型常值观测器、指数型超前观测器，因此pid控制实现的是一种指数型控制机制。
[0067]
请参阅图1，本技术某一实施例提供一种加速型工程最速控制器的设计方法。如图1所示，该加速型工程最速控制器的设计方法包括步骤s10至步骤s50。各步骤具体如下：
[0068]
s10、基于加速型最速跟踪滤波器的传递函数，获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出。
[0069]
具体地，步骤s10包括以下内容：
[0070]
1.1)获取加速型最速跟踪滤波器的传递函数：
[0071][0072]
式中，aftf为加速型最速跟踪滤波器，aftf(s)为aftf的传递函数，s代表拉普拉斯算子，t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为秒(s)；
[0073]
1.2)获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出：
[0074][0075][0076]
式中，pv
aftf
(t)为aftf在单位阶跃输入的过程输出；t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s；a
pv
为aftf在单位阶跃输入的过程输出的加速度，单位为/s2。
[0077]
s20、根据过程输出的输出特性，利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器。
[0078]
请参阅图2，图2提供了aftf在单位阶跃输入的输出特性的曲线示意图。如图2所示，其中t
t
＝100s，在t＝t
t
＝100s，pv
aftf
(t)＝1。
[0079]
进一步地，采用串级纯滞后环节近似aftf，得到近似加速型最速跟踪滤波器(approximations aftf，aaftf)，具体为：
[0080][0081]
式中，aaftf(s)为aaftf的传递函数，t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s；n为纯滞后环节串联级数，单位为无量纲；l与i均为取值范围为[1，n]之间的正整数。
[0082]
s30、采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，生成加速型工程最速跟踪滤波器。
[0083]
本步骤中，首先获取aaftf在单位阶跃输入的输出特性，其中在n＝16、t
t
＝100s，得到的结果，如图3所示。
[0084]
采用一阶惯性滤波器foif取代aatft中的纯滞后环节，得到加速型工程最速跟踪滤波器aeftf，为：
[0085][0086]
式中，aeftf(s)为aeftf的传递函数，t
t
为aeftf的跟踪时间常数，单位为s；n为一阶惯性滤波器foif串联级数，单位为无量纲；foif(s)为foif的传递函数，t
foif
为foif的惯性时间常数，单位为s；t
aeftf
为的aeftf的跟踪时间常数，单位为s；t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s。
[0087]
s40、利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器。
[0088]
在某一个实施例中，构造出的加速型工程最速积分器aefi的结构如图4所示。其中，该加速型工程最速积分器aefi具体为：
[0089][0090]
式中，affi(s)为aefi的传递函数，t
aefi
为aefi的时间常数，单位为s；t
aeftf
为aeftf的时间常数，单位为s；t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s；n为aeftf中一阶惯性滤波器foif的串联级数，单位为无量纲。
[0091]
s50、利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器。
[0092]
在一个实施例，将加速型工程最速积分器aefi用于构造加速型工程最速控制器，也即加速型工程最速比例-积分控制器aefpi，aefpi结构如图5所示。
[0093]
其中，加速型工程最速控制器为：
[0094][0095]
式中，aefpi(s)为aefpi的传递函数，k
aefpi
为串级比例控制的增益，单位为无量纲；t
aefi
为aefi时间常数，单位为s。
[0096]
本实施例提供的加速型工程最速控制器的设计方法，通过利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器；采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，实现了加速型最速跟踪滤波器的工程化，然后由加速型工程最速跟踪滤波器再构建对应的积分器、再构造控制器，使得最终的加速型工程最速控制器消除了累积误差问题，提高了控制精度更高，提高了控制器的使用性能，能够适应工业过程控制的发展需求。
[0097]
在某一个实施例中，将本技术的加速型工程最速积分器aefi与常规积分器(conventional integrator，ci)进行对比，以验证其性能。具体地，
[0098]
常规积分器ci为：
[0099][0100]
式中，ci(s)为ci的传递函数，ti为ci的时间常数，单位为s；foif(s)为foif的传递函数，t
foif
为foif的惯性时间常数，单位为s。
[0101]
其中，ci的结构如图6所示。aefi、ci分别在输入为单位阶跃得到的输出特性如图7所示，pv
aefi
(t)为aefi输出，pv
ci
(t)为ci输出。其中构造aefi的aeftf中n＝16，t
aefi
＝t
foif
＝100s。由图7可知，在t＝70s，pv
aefi
(t)与pv
ci
(t)相等，而在t大于70s后，pv
aefi
(t)输出幅值高于pv
ci
(t)。显然，本技术实施例提供的aefi的积分作用效率显著高于ci。
[0102]
在一个实施例中，提供了一种工业控制过程的控制系统的结果示意图，如图8所示。由图8可知，c为控制器(controller)，可以为加速型工程最速比例-积分控制器aefpi、比例-积分控制器(proportional-integral，pi)等；ap为被控过程(accusation process，ap)；
[0103]
进一步地，比例-积分控制器pi为：
[0104][0105]
式中，pi(s)为pi的传递函数，k
p
为比例增益，单位为无量纲；ti为积分时间常数，单位为s。
[0106]
作为一具体地实施方式，本实施例为火电机组的过程控制；其中，火电机组的过程控制的过程给定包括过热汽温过程给定、主汽压力过程给定等；过程输出如过热汽温过程输出、主汽压力过程输出等。
[0107]
进一步地，被控过程ap为：
[0108][0109]
式中，ap(s)为被控过程ap的传递函数。
[0110]
其中，pi参数采用最优pi(optimal proportional-integral，opi)参数，所谓opi参数，即在一定的相位稳定裕度前提下，得到最小ti值，代表对常值观测的性能最高；本实施例给出的opi参数为：相位稳定裕度＝60
°
，k
p
＝0.69、ti＝366s。
[0111]
进一步地，在加速型工程最速比例-积分控制器aefpi的各个参数为：构造aefi的aeftf中n＝16，k
aefpi
＝1，t
aefi
＝480s；其中在过程给定为1，得到aefpi与opi的控制特性的对比结果，如图9所示，pv
aefpi
(t)为aefpi控制的过程输出，pv
opi
(t)为opi控制的过程输出。根据图9可知，得到aefpi与opi控制的特性的定量分析结果，如下表所示。
[0112]
表1aefpi与opi控制的特性的定量分析结果对比
[0113][0114]
根据上表可知，调节时间是指过程进入到小于5％偏差的时间。很明显，相对opi，本技术实施例提供的aefc显著提高了调节性能。
[0115]
在某一个具体实施例中，将加速型工程最速比例-积分控制器aefpi用于某1000mw火电机组、二级过热汽温控制系统的控制，其中a侧二级过热汽温控制系统采用aefpi控制，b侧二级过热汽温控制系统采用pi控制，得到的对比结果，如图10所示。
[0116]
由图10可知，在给出过程趋势变化范围，a侧二级过热汽温波动范围593℃～603℃，b侧二级过热汽温波动范围589℃～606℃。很明显，相对pi控制、采用本技术实施例提供的aefpi控制显著提高了在所述二级过热汽温控制系统的控制性能。
[0117]
综上所述，本技术实施例提供的加速型工程最速积分器、加速型工程最速控制器相较于现有的积分器和控制器，其控制性能都有显著提高。
[0118]
请参阅图11，本技术某一实施例还提供一种加速型工程最速控制器的设计装置，包括：
[0119]
过程输出获取单元01，用于基于加速型最速跟踪滤波器的传递函数，获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出；
[0120]
近似单元02，用于根据过程输出的输出特性，利用串级纯滞后环节近似法生成近似加速型最速跟踪滤波器；
[0121]
替代单元03，用于采用一阶惯性滤波器取代近似加速型最速跟踪滤波器中的纯滞后环节，生成加速型工程最速跟踪滤波器；
[0122]
积分器构造单元04，用于利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器；
[0123]
控制器构造单元05，用于利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器。
[0124]
在某一个实施例中，过程输出获取单元01，还用于：
[0125]
获取加速型最速跟踪滤波器的传递函数：
[0126][0127]
式中，aftf为加速型最速跟踪滤波器，aftf(s)为aftf的传递函数，t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为秒(s)；s代表拉普拉斯算子；
[0128]
获取传递函数在单位阶跃输入的过程输出：
[0129][0130]
[0131]
式中，pv
aftf
(t)为aftf在单位阶跃输入的过程输出；t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s；a
pv
为aftf在单位阶跃输入的过程输出的加速度，单位为/s2。
[0132]
在某一个实施例中，近似单元02，还用于：
[0133]
采用串级纯滞后环节近似aftf，得到近似加速型最速跟踪滤波器aaftf，具体为：
[0134][0135]
式中，aaftf(s)为aaftf的传递函数，t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s；n为纯滞后环节串联级数，单位为无量纲；l与i均为取值范围为[1，n]之间的正整数。
[0136]
在某一个实施例中，替代单元03，还用于：
[0137]
采用一阶惯性滤波器foif取代aatft中的纯滞后环节，得到加速型工程最速跟踪滤波器aeftf，为：
[0138][0139]
式中，aeftf(s)为aeftf的传递函数，t
t
为aeftf的跟踪时间常数，单位为s；n为一阶惯性滤波器foif串联级数，单位为无量纲；foif(s)为foif的传递函数，t
foif
为foif的惯性时间常数，单位为s；t
aeftf
为的aeftf的跟踪时间常数，单位为s；t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s。
[0140]
在某一个实施例中，积分器构造单元04，还用于：
[0141]
利用加速型工程最速跟踪滤波器构造加速型工程最速积分器，具体为：
[0142][0143]
式中，affi(s)为aefi的传递函数，t
aefi
为aefi的时间常数，单位为s；t
aeftf
为aeftf的时间常数，单位为s；t
t
为aftf的跟踪时间常数，单位为s；n为aeftf中一阶惯性滤波器foif的串联级数，单位为无量纲。
[0144]
在某一个实施例中，控制器构造单元05，还用于：
[0145]
利用加速型工程最速积分器构造加速型工程最速控制器，具体为：
[0146][0147]
式中，aefpi(s)为aefpi的传递函数，k
aefpi
为串级比例控制的增益，单位为无量纲；t
aefi
为aefi时间常数，单位为s。
[0148]
可以理解的是，本实施例提供的加速型工程最速控制器的设计装置用于执行如上述任意一项实施例所述的加速型工程最速控制器的设计方法，并实现与其能够实现的相同
的技术效果，在此不再进一步赘述。
[0149]
请参阅图12，本技术某一实施例提供一种终端设备，包括：一个或多个处理器；
[0150]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0151]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的加速型工程最速控制器的设计方法。
[0152]
处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的加速型工程最速控制器的设计方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0153]
在一示例性实施例中，终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific 1ntegrated circuit，简称as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的加速型工程最速控制器的设计方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0154]
在另一示例性实施例中，还提供一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的加速型工程最速控制器的设计方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的加速型工程最速控制器的设计方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0155]
以上所述是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本技术的保护范围。