[發明專利]一種基于調度信號的前饋補償自抗擾控制器及其設計方法

在審

• 申請號: 202210551315.X
• 申請日: 2022-05-18
• 公開（公告）號: CN114859732A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 薛亞麗;王佑;李政;葉青;顏綱要;張業才
• 申請（專利權）人: 國能蚌埠發電有限公司;清華大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

本發明公開了一種基于調度信號的前饋補償自抗擾控制器及其設計方法，旨在解決大慣性過程在大范圍頻繁變工況運行時控制品質不佳的問題。自抗擾控制器，包括前饋控制器、反饋控制器、補償模塊和擴張狀態觀測器。通過引入調度信號，分別對前饋控制器、反饋控制器、補償模塊和擴張狀態觀測器進行變參數設計和實時調整，并在此過程中利用被控過程在變工況下的動態模型信息，能夠提高自抗擾控制器對大慣性和變工況的適應能力。控制系統結構簡單，整定方法簡明，具有良好的工程應用前景。

技術領域

本發明涉及工業自動化技術領域，尤其涉及一種基于調度信號的前饋補償自抗擾控制器及其設計方法。

背景技術

自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)是將經典PID控制與現代控制理論相結合的一種先進控制方法。最早的ADRC是非線性控制器，由跟蹤微分器、非線性組合和擴張狀態觀測器三部分組成。但是非線性ADRC結構復雜，控制器參數整定困難，因此應用較為普遍的是線性ADRC。線性ADRC的基本結構包括基于誤差的線性組合(Error-based Linear Function，ELF)和擴張狀態觀測器(Extended State Observer,ESO)兩部分。相比于其它先進控制算法，線性ADRC不依賴被控對象的精確模型，具有結構簡單、整定方便、抗擾性能好和魯棒性強的優點，近年來在工業過程控制領域得到應用和發展。

然而，當線性ADRC應用于大型熱力過程自動控制時，主要面臨兩方面的問題，一是當被控過程的慣性和滯后較大時，ESO的觀測效果變差，導致ADRC的控制效果并不理想；二是在被控過程的工況大范圍頻繁變化時，按照額定工況設計的ADRC控制性能變差。專利文獻CN107703746A提出采用設定值各階導數的線性組合作為ADRC的前饋控制量，能夠提高設定值快速變化時的跟蹤能力。王佑等人的《高階大慣性系統的線性自抗擾控制器設計》(控制與決策，2022年3月)提出利用模型信息進行補償的ADRC控制結構和參數整定方法，改善了ADRC對大慣性過程的控制效果。但對于解決上述熱力過程控制存在的問題，即當被控過程的慣性較大且動態特性隨工況有明顯變化時，上述方法的控制效果改善有限。

發明內容

本發明提供一種基于調度信號的前饋補償自抗擾控制器及其設計方法，旨在解決大慣性過程在大范圍頻繁變工況運行時控制品質不佳的問題，通過引入調度信號，并利用被控過程在變工況下的動態模型信息，分別對前饋控制器、反饋控制器、補償模塊和擴張狀態觀測器進行變參數設計和實時調整，能夠提高自抗擾控制器對大慣性和變工況的適應能力。

本發明通過如下技術方案實現。

本發明的一個方面，提供了一種基于調度信號的前饋補償自抗擾控制器，包括前饋控制器、反饋控制器、補償模塊和擴張狀態觀測器。

所述前饋控制器為：u_Q(t)＝F1(Q(t))，其中，u_Q(t)為前饋控制量，Q(t)為調度信號，F1(·)為前饋函數。

所述反饋控制器為：其中，u_C(t)為反饋控制器的輸出，r(t)為設定值，z_i(t)(i＝1,2,…,m+1)為所述擴張狀態觀測器的輸出，和b₀(t)為可調參數，且隨調度信號Q(t)變化而變化。

所述反饋控制器的輸出u_C(t)能夠作為所述補償模塊的輸入。

所述補償模塊為：u_TF(t)＝F2(u_C(t),T_F2(t),p)，其中，u_TF(t)為補償模塊的輸出，F2(·)為補償函數,T_F2(t)和p為可調參數，T_F2(t)隨調度信號Q(t)變化而變化。

所述補償模塊的輸出u_TF(t)能夠作為所述擴張狀態觀測器的輸入。