一种串级控制方法、装置、设备及计算机可读存储介质与流程

本申请涉及火电厂过程控制技术领域，尤其涉及一种串级控制方法、装置、设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

目前燃煤火电厂(之后简称火电厂)仍然是火力发电的基本组成部分。

在火电厂过程控制实际，机组协调控制系统的输入多采用斜坡函数。因此，对于火电厂的许多过程控制系统来说，例如锅炉主汽温度控制系统、机组脱硝控制系统等，过程扰动或者外部扰动具有斜坡扰动的性质。在斜坡扰动未达到终值前，pid控制并不能够消除斜坡扰动产生过程偏差。消除所述过程偏差的有效途径就是使控制器包含2个积分器，但是包含2个积分器的控制器可能存在稳定性较差的问题。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种串级控制方法、装置、设备及计算机可读存储介质，能够有效地消除斜坡扰动产生的过程偏差，同时具有较高的稳定性。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种串级控制方法，所述方法包括：

将过程给定量进行标幺化，并将所述过程给定量和第一过程输出量输入至第一减法环节，所述第一减法环节输出第一过程偏差量至比例积分环节；

所述第一过程偏差量输进入所述比例积分环节，所述比例积分环节输出第一控制输出量至微分环节；

所述第一控制输出量进入所述微分环节，所述微分环节输出第二控制输出量至一阶惯性环节；

所述第二控制输出端进入所述一阶惯性环节，所述一阶惯性环节输出第三控制输出量；

所述第三控制输出量和所述第一控制输出量输入至第二减法环节，所述第二减法环节输出前级控制输出量至第三减法环节；

所述前级控制输出量和所述第二过程输出量输入至所述第三减法环节，所述第三减法环节输出第二过程偏差量至比例积分微分环节，所述第二过程输出量为所述第一过程输出量；

所述第二过程偏差量进入所述比例积分微分环节，所述比例积分微分环节输出第四控制输出量至过程对象环节；

所述第四控制输出量进入所述过程对象环节，所述过程对象环节输出第三过程输出量至加法环节；

所述第三过程输出量和外部干扰输入量输入至所述加法环节，所述加法环节输出所述第一过程输出量，将所述第一过程输出量输入至第一减法环节和所述第三减法环节。

可选地，所述比例积分环节通过第一公式表达，所述第一公式具体为：

式中，wpi(s)为所述比例积分环节的传递函数；kp为比例增益，单位无量纲；ti为积分时间常数，单位s。

可选地，所述微分环节通过第二公式表达，所述第二公式具体为：

式中，wad(s)为所述微分环节的传递函数；td为微分时间常数，单位s。

可选地，所述一阶惯性环节通过第三公式表达，所述第三公式具体为：

式中，wfoi(s)为所述一阶惯性环节的传递函数；tα为惯性时间常数，单位s。

可选地，所述第二减法环节通过第四公式表达，所述第四公式具体为：

wfc(s)＝wpi(s)-wd(s)wfoi(s)；

式中，wfc(s)为所述前级控制输出的传递函数。

可选地，所述比例积分微分环节通过第五公式表达，所述第五公式具体为：

式中，wpid(s)为所述比例积分微分环节的传递函数；kp为比例增益，单位无量纲；ti为积分时间常数，单位s；td为微分时间常数，单位s；kd为微分增益，无量纲。

可选地，所述过程对象环节通过第六公式表达，所述第六公式具体为：

式中，wpo(s)为过程对象的传递函数，kα为过程增益、无量纲，tα为过程惯性时间常数、单位无量纲，tl为过程纯滞后时间常数、单位s。

本申请第二方面提供一种串级控制装置，所述装置包括：

第一过程偏差量输出模块，用于将过程给定量进行标幺化，并将所述过程给定量和第一过程输出量输入至第一减法环节，所述第一减法环节输出第一过程偏差量至比例积分环节；

比例积分输出模块，用于所述第一过程偏差量输进入所述比例积分环节，所述比例积分环节输出第一控制输出量至微分环节；

微分输出模块，用于所述第一控制输出量进入所述微分环节，所述微分环节输出第二控制输出量至一阶惯性环节；

一阶惯性输出模块，用于所述第二控制输出端进入所述一阶惯性环节，所述一阶惯性环节输出第三控制输出量；

前级控制输出量输出模块，用于所述第三控制输出量和所述第一控制输出量输入至第二减法环节，所述第二减法环节输出前级控制输出量至第三减法环节；

第二过程偏差量输出模块，用于所述前级控制输出量和所述第二过程输出量输入至所述第三减法环节，所述第三减法环节输出第二过程偏差量至比例积分微分环节，所述第二过程输出量为所述第一过程输出量；

比例积分微分输出模块，用于所述第二过程偏差量进入所述比例积分微分环节，所述比例积分微分环节输出第四控制输出量至过程对象环节；

过程对象输出模块，用于所述第四控制输出量进入所述过程对象环节，所述过程对象环节输出第三过程输出量至加法环节；

过程输出模块，用于所述第三过程输出量和外部干扰输入量输入至所述加法环节，所述加法环节输出所述第一过程输出量，将所述第一过程输出量输入至第一减法环节和所述第三减法环节。

本申请第三方面提供一种串级控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述第一方面所述的串级控制方法的步骤。

本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述第一方面所述的串级控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种串级控制方法，在包含了比例积分环节和比例积分微分环节的情况下，有效地消除外部扰动输入量带来的过程偏差，同时利用一阶惯性环节提高本申请串级控制方法的稳定性，实现了有效地消除斜坡扰动产生的过程偏差，同时具有较高的稳定性。

附图说明

图1为本申请实施例中一种串级控制方法的控制流程示意图；

图2(a)为本申请实施例中一种串级控制方法的一个实施例中前级控制的开环频率特性的相位图；

图2(b)为本申请实施例中一种串级控制方法的一个实施例中前级控制的开环频率特性的增益图；

图3为本申请实施例中一种串级控制方法的一个实施例中阶跃给定控制特性示意图；

图4为本申请实施例中一种串级控制方法的一个实施例中斜坡外扰抑制特性示意图；

图5为本申请实施例中一种串级控制装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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。

本申请设计了一种串级控制方法、装置、设备及计算机可读存储介质，能够有效地消除斜坡扰动产生的过程偏差，同时具有较高的稳定性。

为了便于理解，请参阅图1，图1为本申请实施例中一种串级控制方法的控制流程示意图，如图1所示，具体为：

将过程给定量进行标幺化，并将过程给定量和第一过程输出量输入至第一减法环节10，第一减法环节10输出第一过程偏差量至比例积分环节20；

第一过程偏差量输进入比例积分环节20，比例积分环节20输出第一控制输出量至微分环节30；

第一控制输出量进入微分环节30，微分环节30输出第二控制输出量至一阶惯性环节40；

第二控制输出端进入一阶惯性环节40，一阶惯性环节40输出第三控制输出量；

第三控制输出量和第一控制输出量输入至第二减法环节50，第二减法环节50输出前级控制输出量至第三减法环节60；

前级控制输出量和第二过程输出量输入至第三减法环节60，第三减法环节60输出第二过程偏差量至比例积分微分环节70，第二过程输出量为第一过程输出量；

第二过程偏差量进入比例积分微分环节70，比例积分微分环节70输出第四控制输出量至过程对象环节80；

第四控制输出量进入过程对象环节80，过程对象环节80输出第三过程输出量至加法环节90；

第三过程输出量和外部干扰输入量输入至加法环节90，加法环节90输出第一过程输出量，将第一过程输出量输入至第一减法环节10和第三减法环节60。

需要说明的是，首先将本次的过程给定量进行标准化，标准化后获得过程给定量的无量纲值，以使得后续的所有计算环节都无需考虑单位。

本申请实施例中，提供了一种串级控制方法，在包含了比例积分环节20和比例积分微分环节70的情况下，有效地消除外部扰动输入量带来的过程偏差，同时利用一阶惯性环节40提高本申请串级控制方法的稳定性，实现了有效地消除斜坡扰动产生的过程偏差，同时具有较高的稳定性。

进一步地，比例积分环节20通过第一公式表达，第一公式具体为：

式中，wpi(s)为比例积分环节20的传递函数；kp为比例增益，单位无量纲；ti为积分时间常数，单位s。

进一步地，微分环节30通过第二公式表达，第二公式具体为：

式中，wad(s)为微分环节30的传递函数；td为微分时间常数，单位s。

进一步地，一阶惯性环节40通过第三公式表达，第三公式具体为：

式中，wfoi(s)为一阶惯性环节40的传递函数；tα为惯性时间常数，单位s。

进一步地，第二减法环节50通过第四公式表达，第四公式具体为：

wfc(s)＝wpi(s)-wd(s)wfoi(s)；

式中，wfc(s)为前级控制输出的传递函数。

进一步地，比例积分微分环节70通过第五公式表达，第五公式具体为：

式中，wpid(s)为比例积分微分环节70的传递函数；kp为比例增益，单位无量纲；ti为积分时间常数，单位s；td为微分时间常数，单位s；kd为微分增益，无量纲。

进一步地，过程对象环节80通过第六公式表达，第六公式具体为：

式中，wpo(s)为过程对象的传递函数，kα为过程增益、无量纲，tα为过程惯性时间常数、单位无量纲，tl为过程纯滞后时间常数、单位s。

请参阅图2至图4，本申请提供了一种串级控制方法的一个应用例，其中：

第二减法环节50的参数为：kp＝1；ti＝300s；td＝300s；tα＝300s。

比例积分微分环节70的参数为：kp＝0.5，ti＝250s，td＝100s，kd＝0.35。

过程对象环节80的参数为：kα＝1，tα＝100s，tl＝100s。

得到第二减法环节50的前级控制开环频率特性，如图2(a)、(b)所示，在图2(a)中，纵坐标为相位频率特性ph(ω)，图2(b)中，纵坐标为增益频率特性g(ω)，且g(ω)采用对数db单位。图2(a)和(b)的横坐标为输入频率ω(单位rad/s)。

由图2(a)和(b)可见，在频率大于0.01rad/s时，第二减法环节50的前级控制近似为增益为1的比例环节，因此具有较高的稳定性。

在过程给定为幅值1的阶跃时，得到的阶跃给定控制特性示意图如图3所示，在图3中，虚线代表pid控制，实线代表本申请的串级控制。其中pid控制的超调量为5％，采用本申请的串级控制的超调量为3％。

由图3可见，本申请提供的串级控制方法具有较高的稳定性。

输入斜坡速率1/1000s、长度2000s的斜坡外扰，得到的仿真实验结果，如图4所示。

在图5中，虚线代表pid控制，实线代表本申请的串级控制。

由图5可见，采用本申请的串级控制能够有效地消除斜坡扰动产生的过程偏差。

本申请实施例还提供一种串级控制装置，所述装置包括：

第一过程偏差量输出模块100，用于将过程给定量进行标幺化，并将过程给定量和第一过程输出量输入至第一减法环节，第一减法环节输出第一过程偏差量至比例积分环节；

比例积分输出模块200，用于第一过程偏差量输进入比例积分环节，比例积分环节输出第一控制输出量至微分环节；

微分输出模块300，用于第一控制输出量进入微分环节，微分环节输出第二控制输出量至一阶惯性环节；

一阶惯性输出模块400，用于第二控制输出端进入一阶惯性环节，一阶惯性环节输出第三控制输出量；

前级控制输出量输出模块500，用于第三控制输出量和第一控制输出量输入至第二减法环节，第二减法环节输出前级控制输出量至第三减法环节；

第二过程偏差量输出模块600，用于前级控制输出量和第二过程输出量输入至第三减法环节，第三减法环节输出第二过程偏差量至比例积分微分环节，第二过程输出量为第一过程输出量；

比例积分微分输出模块700，用于第二过程偏差量进入比例积分微分环节，比例积分微分环节输出第四控制输出量至过程对象环节；

过程对象输出模块800，用于第四控制输出量进入过程对象环节，过程对象环节输出第三过程输出量至加法环节；

过程输出模块900，用于第三过程输出量和外部干扰输入量输入至加法环节，加法环节输出第一过程输出量，将第一过程输出量输入至第一减法环节和第三减法环节。

本申请实施例还提供一种串级控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行前述各个实施例所述的一种串级控制方法中的任意一种实施方式。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，该程序代码用于执行前述各个实施例所述的一种串级控制方法中的任意一种实施方式。

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。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。