[发明专利]控制回路中执行器迟滞的预测补偿方法

说明书

本发明涉及工业控制领域中执行器迟滞补偿，并公开了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：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K调整迟滞补偿器的补偿强度，噪声滤波系数T_f削弱噪声引起的补偿信号的高频变动，产生预测信号；对预测信号设置限制值L_d，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之和作为送到执行器的实际控制信号u(t)，能针对一般工业控制系统容易地构建迟滞补偿，可调整参数少，参数的物理意义简单直观，易于掌握，并易于实现补偿器参数的在线整定和/或自整定。

技术领域

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

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高产品质量，减少产品不合格率，降低生产成本，提高能量效率和生产效率。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。

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。

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。

一是付川等在《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：

首先获得Knocker补偿信号u_k(t)，u_k(t)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＝5T_s，h＝2T_s，

其中，Ts为采样控制周期，d为迟滞宽度，

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：

其中，u_cL为阀门上次动作时的控制器输出，η为预先设定的阈值，u_c(t)为控制器的输出信号。

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η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。

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：