本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)控制，尤其涉及一種負(fù)荷自動(dòng)跟蹤與智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、當(dāng)前在工業(yè)過(guò)程控制中，消除設(shè)定值與被控變量之間的偏差是確保生產(chǎn)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，現(xiàn)有技術(shù)多采用比例積分微分調(diào)節(jié)、自抗擾控制技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建反饋閉環(huán)處理負(fù)荷擾動(dòng)；在化工聚合反應(yīng)釜溫度控制、精密伺服沖壓系統(tǒng)的力矩控制等非線性時(shí)變工況中，負(fù)荷呈現(xiàn)高頻且大幅度的隨機(jī)波動(dòng)，常規(guī)控制策略受限于其誤差驅(qū)動(dòng)特性，調(diào)節(jié)動(dòng)作滯后于擾動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)，為了提升跟蹤速度而增大控制帶寬時(shí)，系統(tǒng)容易捕捉并放大測(cè)量電路中的雜散信號(hào)，引發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生非物理性的顫振，增加傳動(dòng)部件磨損風(fēng)險(xiǎn)。
2、工業(yè)實(shí)踐表明，即便控制層級(jí)在算力層面捕捉高頻擾動(dòng)，其輸出指令在轉(zhuǎn)化為物理位移時(shí)仍遭遇機(jī)械約束，現(xiàn)有控制模型通常忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳動(dòng)間隙與初始靜摩擦，此類執(zhí)行耗散現(xiàn)象使控制能量在調(diào)節(jié)初期產(chǎn)生非線性吸收，造成指令計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理響應(yīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性錯(cuò)位，惡化系統(tǒng)的相位裕度；現(xiàn)有技術(shù)主要存在以下方面的不足：1、調(diào)節(jié)機(jī)制具備偏差驅(qū)動(dòng)的滯后屬性，難以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)的主動(dòng)免疫；2、帶寬提升與噪聲抑制之間存在物理博弈，難以兼顧響應(yīng)速度與運(yùn)行平穩(wěn)性；3、控制指令缺乏對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械損耗的預(yù)判補(bǔ)償，引發(fā)調(diào)節(jié)初期產(chǎn)生非預(yù)期偏差，硬件局限外，軟件控制方法同樣存在不足，例如，授權(quán)公告號(hào)為cn106707756b的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種融合擴(kuò)張觀測(cè)器的超臨界火電機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方法，通過(guò)多模型預(yù)測(cè)與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器疊加抑制擾動(dòng)，在實(shí)際工況下，觀測(cè)器增益設(shè)定基于數(shù)學(xué)模型，忽略受控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)邊界，測(cè)量電路中存在演變速率遠(yuǎn)超機(jī)械響應(yīng)極限的電磁噪聲時(shí)，將其識(shí)別為待補(bǔ)償擾動(dòng)并觸發(fā)調(diào)節(jié)動(dòng)作，引發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)非物理性高頻顫振，惡化系統(tǒng)相位裕度并加速傳動(dòng)部件磨損，控制模型忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部傳動(dòng)間隙與初始靜摩擦，執(zhí)行耗散現(xiàn)象使控制能量在調(diào)節(jié)初期非線性吸收，導(dǎo)致指令計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理響應(yīng)結(jié)構(gòu)性錯(cuò)位。
3、因此，如何通過(guò)物理一致性校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，并結(jié)合執(zhí)行耗散圖譜構(gòu)建前饋補(bǔ)償機(jī)制，以消除高頻工況下的控制滯后與執(zhí)行顫振，成為本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種負(fù)荷自動(dòng)跟蹤與智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：
2、信號(hào)輸入模塊，用于獲取受控對(duì)象的反饋信號(hào)和指令信號(hào)；
3、狀態(tài)觀測(cè)模塊，用于利用反饋信號(hào)構(gòu)建包含受控對(duì)象模型不確定性與外部負(fù)荷擾動(dòng)的總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量；
4、動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)?zāi)K，用于提取總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量的變化率，并將變化率與受控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)設(shè)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)邊界進(jìn)行對(duì)比，在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)邊界內(nèi)識(shí)別演變速率超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理動(dòng)作頻率上限的非物理噪聲，輸出經(jīng)校驗(yàn)的有效負(fù)荷擾動(dòng)分量；
5、誤差反饋補(bǔ)償模塊，用于根據(jù)有效負(fù)荷擾動(dòng)分量檢索預(yù)存的傳動(dòng)特性補(bǔ)償表，并提取傳動(dòng)特性補(bǔ)償表中的機(jī)械回差補(bǔ)償值和靜態(tài)摩擦參數(shù)，對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行非線性超前補(bǔ)償，生成作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令；其中，動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)?zāi)K通過(guò)計(jì)算總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來(lái)確定變化率，并建立變化率與執(zhí)行機(jī)構(gòu)在單位時(shí)間內(nèi)的最大位移響應(yīng)量之間的約束邏輯，通過(guò)該約束邏輯濾除高于動(dòng)力學(xué)響應(yīng)邊界的干擾信號(hào)。
6、優(yōu)選的，動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)?zāi)K執(zhí)行動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)的過(guò)程包括：實(shí)時(shí)提取總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量的一階微分值作為變化率；動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)?zāi)K通過(guò)判斷一階微分值是否處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)斜率限值內(nèi)，確定總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量的物理可行性；若一階微分值超出動(dòng)力學(xué)響應(yīng)斜率限值，則動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)?zāi)K將當(dāng)前周期的有效負(fù)荷擾動(dòng)分量鎖定為前一采樣周期的歷史暫存值，以阻斷非物理性脈沖進(jìn)入控制回路。
7、優(yōu)選的，動(dòng)態(tài)邊界校驗(yàn)?zāi)K在輸出有效負(fù)荷擾動(dòng)分量時(shí)遵循以下門控規(guī)則：，其中，v為總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量對(duì)時(shí)間的瞬時(shí)導(dǎo)數(shù)，為受控對(duì)象預(yù)設(shè)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)邊界值，g(v)為邏輯門控狀態(tài)因子；當(dāng)g(v)為1時(shí)，透?jìng)骺倲_動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量作為有效負(fù)荷擾動(dòng)分量；當(dāng)g(v)為0時(shí)，保持有效負(fù)荷擾動(dòng)分量的數(shù)值恒定。
8、優(yōu)選的，傳動(dòng)特性補(bǔ)償表存儲(chǔ)有表征執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同負(fù)荷區(qū)間下的非線性補(bǔ)償量；非線性補(bǔ)償量包括針對(duì)換向階段的機(jī)械回差補(bǔ)償值以及針對(duì)低速階段的摩擦力矩增益；誤差反饋補(bǔ)償模塊根據(jù)有效負(fù)荷擾動(dòng)分量的幅值定位傳動(dòng)特性補(bǔ)償表中的索引地址，并將提取的補(bǔ)償量注入控制指令。
9、優(yōu)選的，系統(tǒng)還包括指令微分模塊，用于對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行軌跡平滑處理并提取微分前饋信號(hào)；誤差反饋補(bǔ)償模塊將微分前饋信號(hào)與有效負(fù)荷擾動(dòng)分量進(jìn)行矢量疊加，以對(duì)沖受控對(duì)象在傳動(dòng)鏈上的動(dòng)力學(xué)滯后。
10、優(yōu)選的，信號(hào)輸入模塊包括模擬信號(hào)隔離器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模擬信號(hào)隔離器用于通過(guò)電磁耦合方式獲取受控對(duì)象的感應(yīng)電流或反饋電壓；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將感應(yīng)電流或反饋電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，且采樣頻率不低于10khz。
11、優(yōu)選的，狀態(tài)觀測(cè)模塊運(yùn)行于實(shí)時(shí)控制器中；狀態(tài)觀測(cè)模塊采用三階非線性觀測(cè)器拓?fù)洌梅答佇盘?hào)與內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)值之間的偏差，通過(guò)調(diào)整觀測(cè)器增益因子實(shí)現(xiàn)對(duì)總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量的收斂。
12、優(yōu)選的，誤差反饋補(bǔ)償模塊包括穩(wěn)定性監(jiān)視單元，用于監(jiān)測(cè)有效負(fù)荷擾動(dòng)分量的脈動(dòng)頻率；若脈動(dòng)頻率達(dá)到系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的80%以上，則穩(wěn)定性監(jiān)視單元自動(dòng)衰減非線性補(bǔ)償量的注入強(qiáng)度，以抑制執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械共振。
13、優(yōu)選的，控制指令通過(guò)脈沖寬度調(diào)制接口轉(zhuǎn)換為頻率在2khz至20khz之間的控制脈沖，以驅(qū)動(dòng)功率變換裝置調(diào)節(jié)受控對(duì)象的輸入能量。
14、優(yōu)選的，受控對(duì)象的受控參數(shù)選自反應(yīng)釜內(nèi)0℃至200℃范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，或伺服機(jī)構(gòu)中0n·m至500n·m范圍內(nèi)的力矩?cái)?shù)據(jù)；系統(tǒng)通過(guò)有效負(fù)荷擾動(dòng)分量與傳動(dòng)特性補(bǔ)償表的邏輯關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)限制控制指令的變化率，使其不超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)頻率上限。
15、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明負(fù)荷自動(dòng)跟蹤與智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)勢(shì)：
16、1、在負(fù)荷自動(dòng)跟蹤中，通過(guò)瞬態(tài)過(guò)程規(guī)劃模塊與物理一致性門控觀測(cè)模塊的深度耦合，實(shí)現(xiàn)控制指令與物理動(dòng)作在微觀時(shí)序上的高度同步，利用物理響應(yīng)包絡(luò)作為判據(jù)，系統(tǒng)在識(shí)別出真實(shí)負(fù)荷波動(dòng)的瞬間，結(jié)合預(yù)置的執(zhí)行耗散圖譜檢索出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)流，并將該補(bǔ)償量前饋?zhàn)⑷肟刂浦噶?，使控制能量在轉(zhuǎn)化為實(shí)際機(jī)械動(dòng)作之前，預(yù)先沖抵執(zhí)行機(jī)構(gòu)固有的傳動(dòng)間隙與初始靜摩擦耗散，避免傳統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)在克服物理滯后環(huán)節(jié)時(shí)必然產(chǎn)生的相位偏移，使系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)大幅度負(fù)荷突變時(shí)仍能保持較高的動(dòng)態(tài)跟蹤精度。
17、2、構(gòu)建的基于動(dòng)量特征的干擾分類屏蔽機(jī)制，有效解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制帶寬與測(cè)量噪聲之間的固有制約矛盾，物理一致性門控觀測(cè)模塊并不依賴常規(guī)的頻域?yàn)V波手段，而是通過(guò)計(jì)算總擾動(dòng)擴(kuò)張狀態(tài)變量的變化速率并將其映像至系統(tǒng)最大物理響應(yīng)包絡(luò)空間，由于非物理性的電磁干擾尖峰其演變速率遠(yuǎn)超執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理功率邊界，系統(tǒng)通過(guò)這種物理一致性校驗(yàn)?zāi)軌虼_定性地識(shí)別并阻斷虛假擾動(dòng)，確?？刂破髟诰S持高帶寬捕獲真實(shí)負(fù)荷的同時(shí)，不會(huì)因傳感器噪聲而觸發(fā)無(wú)效的調(diào)節(jié)動(dòng)作，提升控制回路在復(fù)雜電磁環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性。
18、3、利用非線性誤差反饋補(bǔ)償模塊與執(zhí)行耗散圖譜庫(kù)的邏輯聯(lián)動(dòng)，從原理上避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非物理性疲勞磨損，該系統(tǒng)通過(guò)校驗(yàn)擾動(dòng)信號(hào)起始時(shí)間窗口內(nèi)的軌跡特征，并調(diào)用匹配的邏輯機(jī)架彈跳量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，構(gòu)建一道物理層面的邏輯防火墻，這不僅使調(diào)節(jié)指令能夠精準(zhǔn)越過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)，更濾除所有超出物理對(duì)象響應(yīng)能力的高頻指令分量，避免調(diào)節(jié)閥或伺服電機(jī)產(chǎn)生無(wú)效的高頻顫振，降低關(guān)鍵傳動(dòng)部件的物理?yè)p耗，延長(zhǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)核心硬件的使用壽命。