控制回路中执行器迟滞的预测补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业控制器设计，尤其是涉及对工业控制器中执行器迟滞响应补偿方 法的改进。
【背景技术】
[0002] 工业控制器设计的目的就是使被控装置按要求的指标运行，或者说使被控装置具 有期望的响应。典型的流程工业过程一般都有成百上千个控制回路，提高过程控制回路的 性能有利于提尚广品质量，减少广品不合格率，降低生广成本，提尚能量效率和生广效率。 Honeywell公司历时两年对连续工业过程中26, 000个PID控制回路性能进行分析，结果表 明只有1/3的控制回路系统性能良好，其它控制回路的系统性能都有待改善。控制回路响 应的振荡周期及振荡幅值是判断控制系统性能好坏的标准之一。研究指出，工业过程中1% 的控制系统性能改善或能源利用率的提高，将会带来数亿元的利润。
[0003] 当前，阀门是过程控制回路中常用的执行机构，其性能会影响控制回路的控制效 果。据报告，大约有20-30%的控制回路振荡是由阀门问题造成的。调节阀因存在迟滞、间 隙、滞环或者死区等非线性特性，使得它的实际输出可以是跳跃的，这样就导致过程输出振 荡。现代工业过程中，即使已经检测出调节阀粘滞特性的存在，企业也不会因此而停产。因 此，在不添加任何硬件的情况下，设计出一种既不需要停产维护又能克服调节阀粘滞特性 的补偿控制方法，对于抑制迟滞等导致的不利振荡影响，提高回路性能，节能降耗有着非常 重要的意义。
[0004] 现有技术中，对于控制回路中阀门迟滞的补偿方法有以下几种。
[0005] -是付川等在《自动化仪表》期刊2010年第31卷第10期第8-11页发表的"控制 回路中的阀门迟滞补偿方法"，是在Hagglund提出的Knocker补偿方法基础上，引入一个补 偿阈值以降低阀门频繁动作，其具体步骤为：
[0006] 首先获得Knocker补偿信号uk (t)，uk⑴是周期为T、幅值为a，脉宽为h的周期方 波信号，Knocker补偿信号的三个参数会影响补偿效果，Srinivasan和Rengaswamy(简称 S-R法）于2005年经过大量实验，得到了这三个参数的最优设置：a=d/2,T= 5TS，h= 2TS，
[0007] 其中，Ts为采样控制周期，d为迟滞宽度，
[0008] 然后，给补偿信号u(t)设定一个阈值条件，当控制器输出变化超过阈值时，补偿 信号才起作用，其具体表达为：
[0010] 其中，1^为阀门上次动作时的控制器输出，η为预先设定的阈值，ujt)为控制器 的输出信号。
[0011] 该"控制回路中的阀门迟滞补偿方法"的缺点是：该方法有四个待设参数，参数设 置多且复杂，特别是Knocker信号的幅值a和阈值ri需要谨慎设定；虽然Knocker信号的 三个参数可以按S-R法设定，但是对许多采样控制系统而言，其采样控制周期往往由系统 集成商一次性设定，由此针对不同的调节阀以及不同响应速度的控制系统，其适应性变差； 存在由Knocker信号引起的阀门频繁切换问题。
[0012] 第二种技术方案是周小伟等在《信息与控制》期刊2013年第42卷第6期第 664-669页上发表的"控制回路中阀门黏滞故障补偿的一种新方法"一文提出的一种改进两 步法思想的阀门迟滞补偿方法，其具体步骤为：
[0013] 先根据控制回路的过程设定值SP，借助过程的数学模型得出过程的输入量，即阀 门的目标输出值MV。，在过程的数学模型未知的情况下，可以借助闭环条件下模型辨识方法 获得过程近似模型，
[0014] 为了实现补偿过程，还需获得阀门实时的输出值MV，对于那些逐渐被广泛使用的 带有定位器的阀门，阀门输出信息是能够得到的，获得阀门目标输出值和当前输出信息后， 将实际值与目标值进行比较，判断当前阀杆的位置，针对具体位置，使阀杆输出达到目标值 时对阀门输入进行补偿的信号大小为：
[0016] 其中，&为过程设定值SP，G(s)为被控过程传递函数，s为拉氏变量。阀门补偿的 过程涉及到如何设定Jb和ec两个参数，
[0017] 在对阀门输入进行补偿的同时，也产生补偿信号对控制器的输入进行补偿，控制 器的补偿要求为：
[0019] 其中，队可以根据阀门模型由阀门目标输出值推出，C(s)为控制器传递函数，s为 拉氏变量，
[0020] 若监测到回路的设定值SP发生改变，撤去补偿算法。
[0021] 该技术方案的缺点是：它的设定参数依赖于对被控过程的估计或辨识，而依靠辨 识技术获取整定参数信息的难度大，不便于参数自整定和应用推广，需要使用阀门的实时 输出，限制了其使用范围，使用了控制器特性，修改了控制器的输入，干扰了控制器的正常 运作，实施方案较为复杂。
[0022] 第三种技术方案是PuneetMishra等在《ControlEngineeringPractice》（控制 工程实践）期刊2014年第33期第94-104页上发表的"Anovelintelligentcontroller forcombatingstictioninpneumaticcontrolvalves'，（抑制气动调节阀粘滞的新型 智能控制器）一文中提出的一种抑制阀门迟滞的模糊控制方法，其具体步骤如下：
[0023] 获取偏差信号e(nT)和偏差信号变化率r(nT)，具体为
[0024] e(nT)=ysp(nT)_y(nT)，
[0025]r(nT) = [e(nT)-e(nT_T)]/T
[0026] 其中，ysp是设定值，y是过程输出量的测量反馈值，n是当前采样序号，T是采样周 期，
[0027] 语言变量使用高斯关系函数，为了简单性，每个变量考虑两个关系函数，即零Z和 非零NZ。
[0028] 为了约束过激的控制作用，将高斯函数中的％参数按在线方式设置为误差信号 的函数，其具体关系为：
[0030] 控制器的四条规则集如下：
[0031] IfeisNZandrisNZthenq^nT) =Kpr(nT)+K;e(nT),
[0032] IfeisZandrisNZthenq2(nT) =Kpr(nT)+K;e(nT) /a,
[0033] IfeisNZandrisZthenq3(nT) =Kpr(nT) +βK;e(nT),
[0034] IfeisZandrisZthenq4(nT) =Kpr(nT)+K;e(nT) /a,
[0035] 式中，Kp为比例增益，K;为积分增益，a和β为大于1的修正系数，
[0036] 模糊控制器的输出Δu使用Τ范数，
[0038] 式中，qi为结果函数，ξi为模糊基函数，μi为结果函数的权重。
[0039] 该技术方案的缺点是：正如其它模糊控制器设计一样，其待确定参数多，参数整定 的经验性很强，主要依赖于设计者或操作者的经验，参数整定过程繁长，几乎不能实现补偿 参数自整定，难于实现控制器参数的有效整定和优化整定；模糊控制器的参数调整经验性 很强，决定了甚至在同类型装置上也难于推广其应用；采用在线方式运算高斯函数参数 影响了控制器运算的实时性，而且控制器的实现具有复杂性。
[0040] 由此，希望实现这样一种补偿控制，该补偿控制能够独立地补偿因执行器迟滞等 导致的不利振荡影响，并具有参数调整简单的优点，而且，该补偿控制无需添加硬件，在控 制回路中已有的控制器上利用模块适当组态就能够简单实现。
【发明内容】
[0041] 为了克服现有控制器中对于执行器迟滞补偿的调节运算中，参数较多，参数意义 不明晰，不便于推广利用的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种可调参数少且参 数物理意义明晰的控制回路中执行器迟滞的预测补偿方法，以适用于更多的控制器系统。
[0042] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：控制回路中执行器迟滞的预测补偿 方法，设置预测补偿器，预测补偿器在接收控制器输出的控制信号后，利用预测增益系 数Κ调整迟滞补偿器的补偿强度，噪声滤波系数Tf削弱噪声引起的补偿信号的高频变动， 产生预测信号W)·，对预测信号设置限制值1^，禁止预测信号超限，得到限幅后的预测补偿 信号x(t);以预测补偿信号x(t)与控制器输出的控制信号麵)之和作为送到执行器的实际 控制信号U(t)，即〃(?=?(0+τ(/_) 4亥方案的实质是产生一个限幅补偿信号叠加在控制器 输出信号上，从而有效抑制因执行器迟滞而引起的控制回路振荡，其中，预测强度系数Κ应 保证预测信号可以强力抑制阀门迟滞造成的控制回路振荡，噪声滤波系数Tf的功用为滤除 噪声，其取值应与回路带宽呈反比，比如可以取值为阀门迟滞引起的回路振荡周期的几分 之一，预测信号限制值Ld用于限制迟滞补偿器的补偿强度超过阀门迟滞所需强度，与执行 器迟滞宽度Wd有关，其取值应与迟滞宽度Wd呈正比，比如可以取值适当低于迟滞宽度的一 半，以上补偿参数的物理意义简单直观，易于操作者掌握并在线实际调整，能方便地实现补 偿参数的自整定，易于推广应用。
[0043] 预测补偿信号x(t)为预测信号邓)受到限制值Ld约束后的值。可具体表示为：
[0045] 其中，η为当前采样时间序号，λ?和x(n)分别为当前预测值和当前预测补偿信号 值。此种表述为最简单直观的限制约束方式，目的是限制迟滞补偿器的补偿强度超过阀门 迟滞所需强度，显然这一公式并非此种约束的唯一表示，还可根据应用具体环境的要求对 所述的计算公式作相应的调整。
[0046] 通常来讲，预测信号限制值"的取值一般建议为与执行器迟滞宽度W,有关的常 数，特殊情况下根据控制需要，此一取值也可以设定为条件变量。
[0047] 为达到较好的补偿效果，发明人建议，在具体应用和调整经验不足时，可以将预测 信号限制值"的取值确定为执行器迟滞宽度W,的一半。
[0048] 根据所应用的控制回路特性，