CN100432871C

CN100432871C - 闭回路控制系统及其方法

Info

Publication number: CN100432871C
Application number: CNB2004100350463A
Authority: CN
Inventors: 陈锦章; 徐文斌; 沈侑达
Original assignee: Macronix International Co Ltd
Current assignee: Macronix International Co Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: CN1690891A

Abstract

闭回路控制系统包括受控系统、第一监测单元、第二监测单元以及反馈控制单元。受控系统具有受控变量及控制变量。第一及第二监测单元是分别用以感测受控系统，并输出对应控制变量的第一及第二反馈值。反馈控制单元根据第一反馈值或第二反馈值与设定值的差值经程序运算后输出控制受控系统，使该受控系统的控制变量到达预设的设定值，并利用第一反馈值及第二反馈值的绝对差值判断监测单元是否正常。当绝对差值小于误差预定值时，控制单元根据第一反馈值控制受控变量。当绝对差值不小于误差预定值时，锁定受控变量为固定值，并根据正常的第一反馈值或第二反馈值控制受控变量。

Description

闭回路控制系统及其方法

技术领域

本发明是有关于一种闭回路控制系统(Close Loop Control)及其方法，且特别是有关于一种利用两组监测单元输出的反馈信号判断反馈信号是否正常的闭回路控制系统及其方法。

背景技术

闭回路控制系统是为各种自动控制的基本架构。在实际应用层面包括冰水、温水、热水等系统的供应压力控制、无尘室的温度、湿度及静压控制、排气系统的静压控制以及空调系统的酸碱度及导电度控制等。闭回路控制系统是通过监测单元反馈与控制变量相关的信号作为控制程序计算、比较及修正输出的参考，以使控制变量到达及稳定于设定的目标值。

请参考图1，其绘示传统闭回路控制系统结构方块图。闭回路控制系统100包括受控系统110(例如是热水供应系统)、监测单元120以及控制单元130。受控系统110具有受控变量，例如是热水供应系统中帮浦马达的转速。监测单元120是为一种反馈组件，用以感测受控系统110，并输出与控制变量相关的反馈信号A，例如是供应水压值。控制单元130是执行微电脑程序PID(Proportional Integrated Differential)操作，根据反馈信号A与目标预定值Ao的比较，调整受授组件110的受控变量，以使受控系统的控制变量到达预设的目标值。

当反馈信号A值大于目标预定值Ao时，表示热水供应系统(受控系统110)所产生的供应水压(控制变量)过大。控制单元130即降低帮浦马达的转速(受控变量)，以减小供应水压。而当反馈信号A值小于目标预定值Ao时，表示热水供应系统所产生的供应水压不足。控制单元130便提高帮浦马达的转速，以补充供应水压量。

然而，监测单元120会因为寿命、品质不良以及受外力破坏等问题使得其感测组件故障、传送器异常、导压管路、接头泄漏、导线异常以及输入模块异常。因此，造成其输出的反馈信号A异常，无法正常反应出受控系统110的状态。例如目前帮浦马达实际转速约为每秒1100转，对应的供应水压约20.5kg/cm²，而目标预定值Ao设为20kg/cm²，对应马达转速预定为每秒1050转。由于反馈信号A异常，控制器130接收的反馈信号A值一直固定为19kg/cm²。于是控制器130根据反馈信号A值与目标预定值Ao的比较，认为马达转速过慢，便一直增加马达转速，最后导致马达失控，甚至整个热水供应系统损坏。

一般闭回路控制系统并无反馈信号的异常判断功能。因此，很容易导致上述的系统失控而影响生产，增加系统的风险性。而且当系统发出异常警讯时，工作人员必须到现场以手动方式停机并进行修复，待修复后再恢复系统的运转。无法在反馈信号异常时继续维持正常运转，严重影响后续的控制程序。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种闭回路控制系统及其方法。利用两组反馈信号判断反馈信号本身是否正常，并于反馈信号异常时，锁定受控系统的受控变量，以避免受控系统失控，且可切换使用正常的监测单元继续运作，不需停机直接在在线维修或更新异常的监测单元。可立即恢复自动控制功能，不受异常处理时间的限制。

根据本发明的目的，提出一种闭回路控制系统，其包括受控系统、第一监测单元、第二监测单元以及反馈控制单元。受控系统具有受控变量及控制变量。第一监测单元是用以感测受控系统，并输出对应控制变量的第一反馈值。第二监测单元用以感测受控系统，并输出对应控制变量的第二反馈值。反馈控制单元根据第一反馈值或第二反馈值与设定值的差值经程序运算后输出控制受控系统，使该受控系统的控制变量到达预设的设定值，并利用第一反馈值及第二反馈值的绝对差值判断监测单元是否正常。当绝对差值小于误差预定值时，反馈控制单元根据第一反馈值调整受控变量，且当绝对差值不小于误差预定值时，反馈控制单元锁定受控变量为固定值。

绝对差值小于误差预定值时，反馈控制单元是执行PID程序操作，根据第一反馈值与目标预定值的比较，得到输出值，以控制受控变量。反馈控制单元更包括缓存器，用以同步储存控制单元输出值，且缓存器中储存有固定个反馈控制单元执行PID程序操作所得到最新的输出值。当绝对差值不小于误差预定值时，反馈控制单元根据缓存器中储存固定个输出值的平均值，以锁定受控变量为固定值。

反馈控制单元包括判别单元以及控制器。判别单元用以接收第一反馈值及第二反馈值，并据以输出判别信号。当第一反馈值与第二反馈值的绝对差值小于误差预定值时，判别信号为正常，而当绝对差值不小于误差预定值时，判别信号为异常。控制器则用以根据判别结果调整或锁定受控变量。当判别信号为正常时，控制器根据第一反馈值与目标预定值的比较，调整受控变量；当判别信号为异常时，控制器锁定受控变量为固定值。

反馈控制单元更包括切换单元，用以接收第一反馈值及该第二反馈值并可由操作者选择其中一组回受值为参考点输出至控制器，当操作者选择第一或第二反馈值参考点时，控制器会根据该被选择反馈值的变化调整受控系统的受控变量，而另一组未被选择的反馈值(非参考点)则由判别单元用以计算与参考点反馈值的绝对差值以决定反馈值的正常与否且于判别信号正常时，切换单元是输出被选择的参考点反馈值至该控制器。于判别信号为异常，且经判断是参考点的监测单元异常时，可由切换单元选择输出另一组反馈值(非参考点)至控制器，同时将判别单元的判别功能暂时停止致能(Disable)。

于判别信号异常，且经判断是非参考点的监测单元异常时，则可由操作者将判别单元的判别功能暂时停止致能(Disable)，反馈控制单元即解除输出锁定并恢复根据原被选择的参考点反馈值控制受控变量。当异常的第一监测单元或第二监测单元经维复或更新后，操作者重新致能(Enable)判别单元，恢复判断单元的判断功能。因此，可于反馈信号异常时，利用锁定受控系统的受控变量，避免受控系统失控，并提供切换功能及判断功能的致能及非致能，使系统在反馈信号发生异常时不但能避免系统失控并立即恢复自动运转及提供系统正常运转下执行异常的反馈信号故障排除。

根据本发明的目的，提出一种闭回路控制方法，用以控制受控系统的控制变量。闭回路控制方法包括：分别使用第一监测单元及第二监测单元感测受控系统，以得到对应的第一反馈值及第二反馈值；判断第一反馈值与第二反馈值的绝对差值是否小于误差预定值，若绝对差值小于误差预定值，根据第一反馈值(可切换)，调整受控变量，并继续执行感测受控系统的步骤；若绝对差值不小于误差预定值，锁定受控变量为固定值；根据正常的第一反馈值或第二反馈值，调整受控变量；以及修复或更新异常的第一监测单元或第二监测单元，并继续执行感测受控系统的步骤。

于绝对差值小于误差预定值时，执行PID程序操作，根据第一反馈值与目标预定值的比较，得到输出值，以控制受控变量。本方法更包括储存固定个执行PID程序操作所得到最新的输出值。锁定受控变量为固定值的步骤是根据预先储存固定个输出值的平均值，锁定受控变量为固定值。因此，于监测单元故障时，可切换至另一部正常的监测单元继续运作，不受异常处理时间的限制。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图1绘示传统闭回路控制系统结构方块图；

图2绘示依照本发明一较佳实施例闭回路控制系统结构方块图；以及

图3绘示依照本发明较佳实施例闭回路控制方法流程图。

具体实施方式

本发明的特点在于同时利用两组监测单元感测受控系统，并通过其输出的两组反馈信号判断反馈信号本身是否正常。于反馈信号异常时，锁定受控系统的受控变量，以避免受控系统失控。而且可切换至正常的一组监测单元继续运作，并直接在在线对异常的一组监测单元进行维修、校正及保养不需停机。因此，可立即恢复自动控制功能，不受异常处理时间的限制。

请参考图2，其绘示依照本发明一较佳实施例闭回路控制系统结构方块图。闭回路控制系统200包括受控系统210、第一监测单元220、第二监测单元230以及反馈控制单元240。受控系统210例如是一种热水供应系统，且反馈控制单元240是用以控制受控系统210的一个受控变量，例如是热水供应系统中帮浦马达的转速，以达到一个控制变量的目标值，例如是20kg/cm²的水压。第一监测单元220及第二监测单元230是分别用以感测受控系统210以输出对应控制变量的第一反馈值S1及第二反馈值S2，例如是热水供应系统供应的水压值。

另外，反馈控制单元240是根据第一反馈值S1及第二反馈值S2，以控制受控系统210的受控变量。反馈控制单元240包括判别单元242、控制器244、缓存器246以及切换单元248。判别单元242是用以接收第一反馈值S1及第二反馈值S2，并据以输出判别信号Sd。当第一反馈值S1与第二反馈值S2的绝对差值X＝|S₁-S₂|小于误差预定值D.SP(Differential Value Setup)时，判别信号Sd是为正常，而当绝对差值X不小于误差预定值D.SP时，判别信号Sd是为异常。

控制器244是根据判别信号Sd的正常或异常，以判断反馈值S1或S2是否正常，并据以控制受控变量。当判别信号Sd为正常时，控制器244进行PID程序操作，根据作为反馈参考点的第一反馈值S1(或第二反馈值S2)与目标预定值So作比较，以调整受控变量。当判别信号Sd为异常时，控制器244则锁定受控变量为一个固定值Pc，以维持受控系统210的正常操作。

于PID程序操作中，控制器244是根据第一反馈值S1(或第二反馈值S2)与目标预定值So的比较，以得到一个输出值Op，以控制受控变量。输出值Op例如是12位的数字值0~4096。且数字值转换为模拟信号A，例如是电流值4~20mA，以控制受控变量，例如是对应马达转速每秒0~1800转。控制器244于每次执行PID程序操作所得到的输出值Op会同时储存于缓存器246中。而且缓存器246中的数据随时更新，以维持储存有固定个(例如是10个)最新的输出值Op。另外，切换单元248是用以接收第一反馈值S1及第二反馈值S2并择一输出至控制器244，作为与目标预定值So比较的反馈控制参考点。

当判别信号Sd输出为正常时，表示第一反馈值S1及第二反馈值S2正常。此时，控制器244根据切换单元248的输出，以作为参考点的第一反馈值S1或第二反馈值S2与目标预定值So作比较。当判别信号Sd输出为异常时，以手动方式将切换单元248切换至正常的监测单元220或230，再将判别单元242停止致能。于是控制器244便依照此时正常的反馈值S1或S2控制受控变量。直到异常的监测单元220或230经修复或更新时，再以手动方式重新致能判别单元242，继续根据判别信号Sd控制受控变量。

请参考图3，其绘示依照本发明较佳实施例闭回路控制方法流程图。首先，于步骤300，分别使用第一监测单元220及第二监测单元230感测受控系统210，例如是热水供应系统，以得到对应其中热水供应压力的第一反馈值S1及第二反馈值S2，例如是供应水压值。接着，于步骤302，判断第一反馈值S1与第二反馈值S2的绝对差值X＝|S₁-S₂|是否小于误差预定值D.SP。

若绝对差值X小于误差预定值D.SP，则进行步骤304的PID程序操作，即根据第一反馈值S1(设为参考点)与目标预定值So作比较，以调整受控变量，并继续执行步骤300。若绝对差值X不小于误差预定值D.SP，表示此时第一反馈值S1及第二反馈值S2其中的一异常，也就是第一监测单元220及第二监测单元230其中有一组件故障。于是在步骤306中，控制器244发出异常警讯，并根据上述缓存器246中储存固定个输出值Op的平均值，以锁定受控变量为固定值Pc。控制器244也可以根据判别信号Sd输出异常之前一段固定时间(例如是1分钟)当时缓存器246记录的输出值Op，以锁定受控变量为固定值Pc。

不同于习知只有一组反馈信号无法判断反馈信号是否异常，本发明的特点就在于利用二个反馈值S1及S2的绝对差值X来判断控制器244所接收的反馈值S1或S2是否正常。当监测单元220及230皆正常操作时，反馈值S1及S2应该相当接近，也就是其绝对差值X会小于一个误差预定值D.SP。然而，当监测单元220或230其中的一因为上述感测组件、传送器、导线及输入模块等故障造成其输出的反馈值S1或S2异常时，反馈值S1及S2的绝对差值X会超过误差预定值D.SP。

此时，控制器244可由判别单元242输出的判别信号Sd为异常，得知监测单元220或230已出现故障状况，于是立即将受控系统210的受控变量锁定于固定值Pc。这个固定值Pc是由控制器244于监测单元220或230尚未故障时，缓存器246储存的最新数个输出值Op的平均值所决定，或之前一段固定时间，例如1分钟前，缓存器246当时所储存的输出值Op所决定。因此，固定值Pc仍大致反应当时受控系统210的实际状况(例如是帮浦马达的实际转速)，可避免导致上述整个系统失控的情况。

接着，于步骤308，判断第一监测单元220是否异常。工作人员于接到异常警讯后，立即到系统操作现场检查。当发现为参考点的第一监测单元220异常时，于步骤310，利用切换单元248作切换以正常的第二反馈值S2作为反馈参考点。接着，于步骤312，接着由人员操作暂时将判别单元242停止致能(Disable)，以暂时停止执行绝对差值的异常判断及解除输出锁定，并恢复原先的PID程序操作，此时则根据正常的第二反馈值S2与目标预定值So作比较，以调整受控变量。若工作人员于接到异常警讯后，到系统操作现场检查发现为第二反馈值S2(非参考点)，直接进行步骤312，由人员操作暂时将判别单元242停止致能，以暂时停止执行绝对差值的异常判断及解除输出锁定，并恢复原先的PID程序操作。

最后，于步骤314，待工作人员对故障的监测单元220或230进行修复或更新，并确认由两组监测单元220及230输出的反馈值S1及S2正常之后，由人员操作将判别单元242恢复致能，并回到步骤300，重新对受控系统210进行两组反馈值的侦测操作。

根据上述较佳实施例，本发明的闭回路控制系统具有下列几项优点：

1.本发明的闭回路控制系统使用了二组反馈参考点可互相切换，且控制器可根据二组反馈信号判别反馈信号是否正常，并于反馈信号异常时实时锁定受控系统的受控变量，避免整个系统失控而影响生产。

2.本发明的闭回路控制系统于反馈信号异常时，可锁定受控系统的受控变量，以维持系统的正常运转，并立即切换使用正常的反馈值作为反馈参考点。因此，不须停机可于在线进行监测单元的维修、校正及保养。并可立即恢复自动控制功能，不受异常处理时间的限制。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要去所界定者为准。

Claims

1.一种闭回路控制系统，用以控制生产现场的一物理量，以避免失控而影响生产，该控制系统包括：

一受控系统，用以产生该物理量，具有一受控变量及一控制变量，其中该控制变量对应该物理量，该物理量的大小随着该控制变量而改变；

一第一监测单元，用以感测该受控系统，并输出对应该控制变量的一第一反馈值；

一第二监测单元，用以感测该受控系统，并输出对应该控制变量的一第二反馈值；以及

一反馈控制单元，用以根据该第一反馈值及该第二反馈值的一绝对差值，以控制该受控变量；

其中，当该绝对差值小于一误差预定值时，该反馈控制单元根据被选择的第一反馈值或第二反馈值调整该受控变量；其中，当该绝对差值不小于该误差预定值时，该反馈控制单元立即锁定该受控变量为基本上可维持该受控系统的正常运转的一固定值，以避免因异常而令该受控系统失控而影响生产，并使得该受控系统能依据被锁定的该受控变量而运转的同时，该第一及第二监测单元得以被修复或更新；于该反馈控制单元锁定该受控变量为该固定值之后，该反馈控制单元根据正常的该第一反馈值或该第二反馈值控制该受控变量，待异常的该第一监测单元或该第二监测单元修复或更新后，该反馈控制单元根据该绝对差值控制该受控变量。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，于该绝对差值小于该误差预定值时，该反馈控制单元执行PID程序操作，根据该被选择的第一反馈值或第二反馈值与一目标预定值的比较，得到一输出值，以控制该受控变量。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，该反馈控制单元更包括一缓存器，用以储存该输出值，且该缓存器中储存有固定个该反馈控制单元执行该PID程序操作所得到最新的这些输出值。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，于该绝对差值不小于该误差预定值时，该反馈控制单元根据该缓存器中储存固定个这些输出值的平均值，锁定该受控变量为该固定值。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该反馈控制单元更包括：

一判别单元，用以接收该第一反馈值及该第二反馈值，并据以输出一判别信号，其中当该绝对差值小于该误差预定值时，该判别信号为正常，而当该绝对差值不小于该误差预定值时，该判别信号为异常；以及

一控制器，用以根据该判别信号，控制该受控变量，其中当该判别信号为正常时，该控制器根据该被选择的第一反馈值或第二反馈值调整该受控变量，且当该判别信号为异常时，该控制器锁定该受控变量为该固定值。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，该反馈控制单元更包括一切换单元，用以接收该第一反馈值及该第二反馈值并择一输出至该控制器，且于该判别信号正常时，该切换单元是输出该被选择的第一反馈值或第二反馈值至该控制器。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，于该判别信号为异常，且经判断是该第一监测单元异常时，该切换单元切换输出该第二反馈值至该控制器，同时停止致能该判别单元。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，于该判别信号异常，且经判断是非选定参考值的监测单元异常时，停止致能该判别单元，并根据原选定监测单元的参考值继续控制该受控变量。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，当异常的该第一监测单元或该第二监测单元经修复或更新时，该控制器重新致能该判别单元，并根据该判别信号控制该受控变量。

10.一种闭回路控制方法，用以控制生产现场的一物理量，以避免失控而影响生产，其中一受控系统的一受控变量对应该受控系统所产生的该物理量，该闭回路控制方法包括：

分别使用一第一监测单元及一第二监测单元感测该受控系统，以得到对应一控制变量的一第一反馈值及一第二反馈值；

判断该第一反馈值与该第二反馈值的一绝对差值是否小于一误差预定值，若该绝对差值小于该误差预定值，根据所选定为参考点的第一反馈值或第二反馈值调整一受控变量，并继续执行感测该受控系统的步骤；

若该绝对差值不小于该误差预定值，立即锁定该受控变量为基本上可维持该受控系统的正常运转的一固定值，以避免因异常而令该受控系统失控而影响生产；

若该绝对差值小于该误差预定值，根据正常的该第一反馈值或该第二反馈值，调整该受控变量；以及

在该受控系统依据被锁定为该固定值的该受控变量而运转的同时，修复或更新异常的该第一监测单元或该第二监测单元，从锁定该受控变量的状态恢复，以继续执行感测该受控系统的该步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当该绝对差值小于该误差预定值时，执行PID程序操作，根据该所选定为参考点的第一反馈值或第二反馈值与一目标预定值的比较，得到一输出值，以控制该受控变量。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法更包括储存固定个执行PID程序操作所得到最新的这些输出值。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，锁定该受控变量为该固定值的步骤包括根据预先储存固定个这些输出值的平均值，以锁定该受控变量为该固定值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，根据正常的该第一反馈值或该第二反馈值调整该受控变量的该步骤包括判断该第一及第二监测单元是否异常，若该第一监测单元异常，根据正常的该第二反馈值与该目标预定值的比较，调整该受控变量；若该第一监测单元正常，根据正常的该第一反馈值与该目标预定值的比较，调整该受控变量。