一种伪一阶惯性滤波方法和装置与流程

本发明涉及过程控制领域，尤其涉及一种伪一阶惯性滤波方法和装置。

背景技术：

在过程控制实践中，跨阶控制是普遍存在的，例如将低阶控制器用于高阶对象的控制。pid(proportionintegrationdifferentiation)控制器属于一种二阶控制器，pid对二阶对象具有良好的控制特性。跨阶控制对pid控制是可行的，例如将pid用于高阶(大于二阶)对象的控制，可通过参数降阶处理，将高阶对象参数转换为二阶对象参数，可获得良好的跨阶控制特性。

将自抗扰控制器adrc(activedisturbancerejectioncontroller)用于跨阶控制，存在抗扰性能下降的问题。例如，将一阶adrc用于高阶对象控制的抗扰性能将有较大程度的下降，这不是一个通过对象参数降阶处理就能够较好解决的问题。原因是：理论上，adrc的阶数需要与控制对象的阶数相对应，adrc在阶内具有优良的抗扰控制性能，但跨阶控制的抗扰性能有较大程度的下降，这是事物的矛盾性所决定的简单道理。对于高阶对象的adrc控制，直接的解决方法就是增加adrc的阶数，但是随着adrc阶数的增加，adrc的结构也更加趋于复杂化，例如，构造三阶以上adrc就相当复杂了，通常adrc的阶数被限制在三阶以内。因此，对自抗扰控制器的跨阶控制理论研究还有更多值得探讨。如果将一阶线性自抗扰控制器用于大于一阶惯性对象控制，较好的方法就是将大于一阶惯性对象变换为伪一阶惯性环节。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种伪一阶惯性滤波方法和装置，解决了将自抗扰控制器用于跨阶控制时，存在抗扰性能下降的技术问题。

本发明实施例提供的一种伪一阶惯性滤波方法包括步骤：

s1：通过模型辨识获取惯性对象的预设数惯性常数、预设数增益、预设数阶数，所述惯性对象表达为公式：

其中，io(s)为所述惯性对象的传递函数；tα为所述惯性对象的预设数惯性常数；kα为所述惯性对象的预设数增益；n为所述惯性对象的预设数阶数；

s2：设置第一惯性滤波器的第一惯性阶数、第一惯性常数、第一增益，所述第一惯性滤波器表达为公式：

其中，if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；n1为所述第一惯性滤波器的第一惯性阶数；tα1为所述第一惯性滤波器的第一惯性常数；kα1为所述第一惯性滤波器的第一增益；

s3：设置第二惯性滤波器的第二惯性阶数、第二惯性阶数、第二增益，所述第二惯性滤波器表达为公式：

其中，if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；n2为所述第二惯性滤波器的第二惯性阶数；tα2为所述第二惯性滤波器的第二惯性常数；kα2为所述第二惯性滤波器的第二增益；

s4：设置所述第一惯性阶数等于1，设置所述第二惯性阶数等于所述预设数阶数减1，设置所述第一惯性常数等于所述预设数惯性常数、设置所述第二惯性常数等于所述预设数惯性常数、设置所述第一增益等于所述预设数增益、设置所述第二增益等于1；

s5：所述第一惯性滤波器与所述第二惯性滤波器按所述第一惯性滤波器的输出信号输入所述第二惯性滤波器，所述第一惯性滤波器的输出信号与所述第二惯性滤波器的输出信号进行减法运算的方式进行组合，形成组合滤波器，表达为公式：

f(s)＝if1(s)-if1(s)if2(s)

其中，f(s)为所述组合滤波器的传递函数；if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；

s6：将所述惯性对象与所述组合滤波器进行并联，将所述惯性对象的输出与所述组合滤波器的输出进行加法运算获取伪一阶惯性环节输出，表达为公式：

其中，foio(s)为所述伪一阶惯性环节的传递函数；io(s)为所述惯性对象的传递函数；f(s)为所述组合滤波器的传递函数；tα为所述预设数惯性常数；tα1为所述第一惯性常数；n为所述预设数阶数；n1为所述第一惯性阶数；n2为所述第二惯性阶数；kα为所述预设数增益；kα1为所述第一增益；kα2为所述第二增益；

s7：将所述伪一阶惯性环节的输出输入一阶线性自抗扰控制器。

本发明实施例中提供的一种伪一阶惯性滤波装置，包括预定的惯性对象、一阶线性自抗扰控制器、模型辨识单元、2个以上惯性滤波器、1个以上减法运算单元、加法运算单元。模型辨识单元的输出端与第一惯性滤波器的输入端相连，第一惯性滤波器的输出端与第二惯性滤波器的输入端和减法运算单元的输入端相连，第二惯性滤波器的输出端与减法运算单元的输入端相连；

所述第一惯性滤波器与所述第二惯性滤波器按所述第一惯性滤波器的输出信号输入所述第二惯性滤波器，所述第一惯性滤波器的输出信号与所述第二惯性滤波器的输出信号进行减法运算的方式进行组合，形成组合滤波器，将组合滤波器与惯性对象并联，将组合滤波器的输出端和惯性对象的输出端与加法运算单元的输出端相连，加法运算单元的输出端与一阶线性自抗扰控制器的输入端相连。

所述第一惯性滤波器表达为公式：

其中，if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；n1为所述第一惯性滤波器的第一惯性阶数，单位无量纲；tα1为所述第一惯性滤波器的第一惯性常数，单位s；kα1为所述第一惯性滤波器的第一增益，单位无量纲。

所述第二惯性滤波器表达为公式：

其中，if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；n2为所述第二惯性滤波器的第二惯性阶数，单位无量纲；tα2为所述第二惯性滤波器的第二惯性常数，单位s；kα2为所述第二惯性滤波器的第二增益，单位无量纲。

所述组合滤波器的组合过程表达为公式：

f(s)＝if1(s)-if1(s)if2(s)

其中，f(s)为所述组合滤波器的传递函数；if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

通过各种模型辨识方法获得惯性对象的预设数参数；将滤波器依次组合形成组合滤波器；将惯性对象与组合滤波器进行并联，获取伪一阶惯性环节，将伪一阶惯性环节输入一阶线性自抗扰控制器，解决了将惯性对象转换为伪一阶惯性环节的技术问题。

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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中组合滤波器组合过程示意图；

图2为本发明实施例中组合滤波器与惯性对象并联示意图；

图3为本发明实施例中组合滤波器用于大于一阶惯性对象的一阶线性自抗扰控制的示意图；

图4为本发明实施例中的一种获取伪一阶惯性环节的装置用于三阶惯性对象的跨阶控制与一阶线性自抗扰控制器用于三阶惯性对象的跨阶控制试验效果对比图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种伪一阶惯性滤波方法和装置，解决了将自抗扰控制器用于跨阶控制时，存在抗扰性能下降的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，本发明实施例中提供的一种伪一阶惯性滤波方法的一个实施例包括步骤：

s1：通过模型辨识获取惯性对象的预设数惯性常数、预设数增益、预设数阶数，所述惯性对象表达为公式：

其中，io(s)为所述惯性对象的传递函数；tα为所述惯性对象的预设数惯性常数；kα为所述惯性对象的预设数增益；n为所述惯性对象的预设数阶数；

获取惯性对象的参数，可通过各种模型辨识方法获得到惯性对象的预设数参数。惯性对象表达为公式(1)：

公式(1)中，io(s)为惯性对象的传递函数；tα为预设数惯性常数，单位s；kα为预设数增益，单位无量纲；n为预设数阶数，单位无量纲；所述预设数阶数n>1，所述预设数阶数n不能无穷大，限制所述预设数阶数n<16。

s2：设置第一惯性滤波器的第一惯性阶数、第一惯性常数、第一增益，所述第一惯性滤波器表达为公式：

其中，if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；n1为所述第一惯性滤波器的第一惯性阶数；tα1为所述第一惯性滤波器的第一惯性常数；kα1为所述第一惯性滤波器的第一增益；

设置第一惯性滤波器，第一惯性滤波器表达为公式(2)：

公式(2)中，if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；n1为第一惯性阶数，单位无量纲；tα1为第一惯性常数，单位s；kα1为第一增益，单位无量纲。

s3：设置第二惯性滤波器的第二惯性阶数、第二惯性阶数、第二增益，所述第二惯性滤波器表达为公式：

其中，if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；n2为所述第二惯性滤波器的第二惯性阶数；tα2为所述第二惯性滤波器的第二惯性常数；kα2为所述第二惯性滤波器的第二增益；

设置第二惯性滤波器，第二惯性滤波器表达为公式(3):

公式(3)中，if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；n2为第二惯性阶数，单位无量纲；tα2为第二惯性常数，单位s；kα2为第二增益，单位无量纲。

s4：设置所述第一惯性阶数等于1，设置所述第二惯性阶数等于所述预设数阶数减1，设置所述第一惯性常数等于所述预设数惯性常数、设置所述第二惯性常数等于所述预设数惯性常数、设置所述第一增益等于所述预设数增益、设置所述第二增益等于1；

设置所述第一惯性阶数等于1；设置所述第二惯性阶数等于所述预设数阶数减1；设置所述第一惯性常数等于所述预设数惯性常数；设置所述第二惯性常数等于所述预设数惯性常数；设置所述第一增益等于所述预设数增益；设置所述第二增益等于1；表达为公式(4):

公式(4)中，n为所述预设数惯性阶数，n1为所述第一惯性阶数，n2为所述第二惯性阶数，tα为所述预设数惯性常数，tα1为所述第一惯性常数，tα2为所述第二惯性常数，kα为所述预设数频率增益，kα1为所述第一增益，kα2为所述第二增益。

s5：所述第一惯性滤波器与所述第二惯性滤波器按所述第一惯性滤波器的输出信号输入所述第二惯性滤波器，所述第一惯性滤波器的输出信号与所述第二惯性滤波器的输出信号进行减法运算的方式进行组合，形成组合滤波器，表达为公式：

f(s)＝if1(s)-if1(s)if2(s)

其中，f(s)为所述组合滤波器的传递函数；if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；

如图1所示，将所述第一惯性滤波器与第二惯性滤波器按所述第一惯性滤波器的输出信号输入所述第二惯性滤波器，并将所述第一惯性滤波器的输出信号与所述第二惯性滤波器的输出信号进行减法运算的方式进行组合，形成组合滤波器，所述组合滤波器表达为公式(5)：

f(s)＝if1(s)-if1(s)if2(s)(5)

公式(5)中，f(s)为组合滤波器的传递函数；if1(s)为第一惯性滤波器的传递函数；if2(s)为第二惯性滤波器的传递函数。

s6：将所述惯性对象与所述组合滤波器进行并联，将所述惯性对象的输出与所述组合滤波器的输出进行加法运算获取伪一阶惯性环节输出，表达为公式：

其中，foio(s)为所述伪一阶惯性环节的传递函数；io(s)为所述惯性对象的传递函数；f(s)为所述组合滤波器的传递函数；tα为所述预设数惯性常数；tα1为所述第一惯性常数；n为所述预设数阶数；n1为所述第一惯性阶数；n2为所述第二惯性阶数；kα为所述预设数增益；kα1为所述第一增益；kα2为所述第二增益；

如图2所示，将惯性对象与组合滤波器进行并联，将惯性对象的输出与外绕传递信号叠加并与组合滤波器的输出进行加法运算，获取伪一阶惯性环节；表达为公式(6):

公式(6)中，foio(s)为伪一阶惯性环节的传递函数；io(s)为所述惯性对象的传递函数；f(s)为所述组合滤波器的传递函数；tα为所述预设数惯性常数，单位s；tα1为所述第一惯性常数，单位s；n为所述预设数阶数，单位无量纲；n1为所述第一惯性阶数，单位无量纲；n2为所述第二惯性阶数，单位无量纲；kα为所述预设数增益，单位无量纲；kα1为所述第一增益，单位无量纲；kα2为所述第二增益，单位无量纲。

s7：将所述伪一阶惯性环节的输出输入一阶线性自抗扰控制器。

如图3所示，将伪一阶惯性环节输出输入一阶线性自抗扰控制器实现一阶线性自抗扰控制器对大于一阶惯性对象的一阶线性自抗扰控制。

本实施例中，通过各种模型辨识方法获得惯性对象的预设数参数；将滤波器依次组合形成组合滤波器；将惯性对象与组合滤波器进行并联，获取伪一阶惯性环节，将取伪一阶惯性环节的输出输入一阶线性自抗扰控制器，解决了将惯性对象转换为伪一阶惯性环节的技术问题。

请参阅图1-图4，本发明实施例中提供的一种伪一阶惯性滤波装置，包括预定的惯性对象、一阶线性自抗扰控制器、模型辨识单元、2个以上惯性滤波器、1个以上减法运算单元、加法运算单元。模型辨识单元的输出端与第一惯性滤波器的输入端相连，第一惯性滤波器的输出端与第二惯性滤波器的输入端和减法运算单元的输入端相连，第二惯性滤波器的输出端与减法运算单元的输入端相连；

如图1所示，所述第一惯性滤波器与所述第二惯性滤波器按所述第一惯性滤波器的输出信号输入所述第二惯性滤波器，所述第一惯性滤波器的输出信号与所述第二惯性滤波器的输出信号进行减法运算的方式进行组合，形成组合滤波器；

如图2所示，将组合滤波器与惯性对象并联；

如图3所示，将组合滤波器的输出端和惯性对象的输出端与加法运算单元的输出端相连，加法运算单元的输出端与一阶线性自抗扰控制器的输入端相连。

所述第一惯性滤波器表达为公式：

其中，if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；n1为所述第一惯性滤波器的第一惯性阶数，单位无量纲；tα1为所述第一惯性滤波器的第一惯性常数，单位s；kα1为所述第一惯性滤波器的第一增益，单位无量纲。

所述第二惯性滤波器表达为公式：

其中，if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数；n2为所述第二惯性滤波器的第二惯性阶数，单位无量纲；tα2为所述第二惯性滤波器的第二惯性常数，单位s；kα2为所述第二惯性滤波器的第二增益，单位无量纲。

所述组合滤波器的组合过程表达为公式：

f(s)＝if1(s)-if1(s)if2(s)

其中，f(s)为所述组合滤波器的传递函数；if1(s)为所述第一惯性滤波器的传递函数；if2(s)为所述第二惯性滤波器的传递函数。

将惯性对象与组合滤波器进行并联，将惯性对象的输出与外绕传递信号叠加并与组合滤波器的输出进行加法运算，获取伪一阶惯性环节；表达为公式:

公式中，foio(s)为伪一阶惯性环节的传递函数；io(s)为所述惯性对象的传递函数；f(s)为所述组合滤波器的传递函数；tα为所述预设数惯性常数，单位s；tα1为所述第一惯性常数，单位s；n为所述预设数阶数，单位无量纲；n1为所述第一惯性阶数，单位无量纲；n2为所述第二惯性阶数，单位无量纲；kα为所述预设数增益，单位无量纲；kα1为所述第一增益，单位无量纲；kα2为所述第二增益，单位无量纲；

如图4所示，将获取伪一阶惯性环节的装置用于三阶惯性对象的跨阶控制并与一阶线性自抗扰控制器用于三阶惯性对象的跨阶控制在tα＝100s，kα＝1，外扰传递为一阶惯性环节，惯性常数10s，惯性增益1时，用pv(t)表达过程输出信号得到的对比实验结果。

本实施例中，通过各种模型辨识方法获得到惯性对象的预设数参数；将滤波器依次组合形成组合滤波器；将惯性对象与组合滤波器进行并联，获取伪一阶惯性环节，将所述惯性对象转换为所述伪一阶惯性环节，解决了将自抗扰控制器用于跨阶控制时，存在抗扰性能下降的技术问题，显示出本发明在抗外扰性能上具有良好的优势。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。