CN100437396C - Pid参数调整设备 - Google Patents

Abstract

一种参数调整设备，包括：模型存储单元(1)，预先存储受控系统的数学模型；PID控制器存储单元(2)，预先存储控制器算法；约束条件存储单元(3)，预先存储针对操作的约束条件；仿真计算单元(5)，根据约束条件执行对控制系统的仿真；理想控制结果存储单元(6)，预先存储理想控制响应特性；评价函数计算单元(7)，计算表示仿真结果与理想控制响应特性之间的近似性的评价函数值；以及PID参数搜索计算单元(8)，通过在改变PID参数的同时，执行仿真，来搜索使评价函数值最优的PID参数。

Description

PID参数调整设备

技术领域

本发明涉及一种处理控制技术，更具体地，涉及一种用于调整控制器的控制参数的参数调整设备。

背景技术

作为调整PID控制器的PID参数的简单方法，已经提出了一种基于有限循环的自动调谐方法(例如，参见专利文献1)。在将控制系统表述为传递函数时，函数的次数(degree)等取特定值的假设下，执行这种简单的方法。在此方法中，粗略地调整PID参数。

为了进行比上述简单方法更为精细的调整，还提出了一种通过分析包括受控系统的次数在内的处理参数(处理增益、处理时间常数等)来确定PID参数的方法(例如，参见专利文献2)。根据此技术，例如，将受控系统的特征近似为传递函数表达式的建模步骤，通过参考建模结果来确定PID参数。在这种情况下，使用如CHR(Chien、Hrones、Reswick)方法和IMC(内部模型控制)等传统调整公式。

请注意，本申请人除了本说明书中所描述的现有技术参考文献信息所指定的现有技术参考文献以外，并未发现其他与本发明有关的现有技术参考文献。

专利文献1：日本专利未审公开No.2000-155603

专利文献2：日本专利未审公开No.2002-351502

发明内容

本发明所解决的问题

在基于建模结果的传统PID参数调整方法中，例如，如果受控系统是二阶延迟系统，则存在两个时间常数。但是，例如，这些时间常数的比是2∶1或3∶1，此比值并不统一。即，建模结果发生变化。因此，在一些情况下，通过如CHR方法和IMC方法等的调整公式，将获得几乎为最优的调整结果。但是，在其他情况下，获得远非最优的调整结果。

在实际的控制地点，针对从控制器输出的受操控的变量，执行基于上限值和下限值的有限处理。即，在其中作为控制器的输入、受控变量以设置点的变化而改变的过渡状态下，发生基于上限值和下限值的有限处理。由于以上主要基于理论而组织的调整公式并未以控制器的实际约束操作(如这种有限处理)为前提，PID参数调整结果在一些情况下远非最优。

提出本发明以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种参数调整设备，能够在基于建模结果调整控制参数时，处理建模结果与控制器的实际约束操作之间的偏差。

解决问题的手段

根据本发明，提出了一种参数调整设备，用于调整控制器的控制参数，所述控制器通过执行基于控制参数的计算，来计算受操控的变量，所述参数调整设备包括：模型存储单元，预先存储受控系统的数学模型；控制器存储单元，预先存储控制器用其控制受控系统的控制器算法；约束条件存储单元，预先存储针对控制器操作的约束条件；仿真计算单元，根据约束条件进行仿真，以仿真包括由数学模型表示的受控系统和由控制器算法表示的控制器在内的控制系统的控制响应；理想控制结果存储单元，预先存储控制系统的理想控制响应特性；评价函数计算单元，计算表示仿真结果与理想控制响应特性之间的近似性的评价函数值；以及参数搜索计算单元，在顺序改变控制器算法的控制参数的同时，使仿真计算单元进行仿真，并使用使评价函数值变为最优值的控制参数，作为参数调整结果。

此外，根据本发明，提出了一种参数调整设备，包括：模型存储单元，预先存储受控系统的数学模型；控制器存储单元，预先存储控制器以其控制受控系统的控制器算法；约束条件存储单元，预先存储针对控制器操作的约束条件；理想控制结果存储单元，预先存储与包括由数学模型表示的受控系统和由控制器算法表示的控制器在内的控制系统相关联的理想控制响应特性；第一仿真计算单元，通过在受操控的变量维持时间内，将由约束条件定义的上限受操控的变量或下限受操控的变量施加到受控系统上，来进行仿真受控系统的过渡状态的第一仿真；理想响应结果存储单元，预先存储作为第一仿真的理想结果的理想响应结果；第一评价函数计算单元，计算表示第一仿真的结果与理想响应结果之间的近似性的第一评价函数值；受操控的变量维持时间搜索计算单元，通过在顺序改变受操控的变量维持时间的同时，使第一仿真计算单元进行第一仿真，提取出使第一评价函数值变为最优值的受操控的变量维持时间；理想响应波形寄存处理单元，将与所提取出的、受操控的变量维持时间相对应的第一仿真结果寄存在理想控制结果存储单元中，作为理想控制响应特性；第二仿真计算单元，根据约束条件，进行仿真控制系统的控制响应的第二仿真；第二评价函数计算单元，计算表示第二仿真结果与寄存在理想控制结果存储单元中的理想控制响应特性之间的近似性的第二评价函数值；以及参数搜索计算单元，在顺序改变控制器算法的控制参数的同时，使第二仿真计算单元进行第二仿真，并使用使第二评价函数值变为最优值的控制参数，作为参数调整结果。

本发明的参数调整设备的示例结构包括：自动调谐计算单元，通过将具有预定幅度的受操控的变量施加到受控系统上，来执行根据受控系统的响应、计算控制参数的估计值的自动调谐仿真处理；以及参数搜索范围设置单元，根据控制参数的估计值，确定控制参数的搜索范围，并设置参数搜索计算单元中的搜索范围。

发明效果

根据本发明，通过组合控制器算法和受控系统的建模结果(数学模型)，在调整设备上创建了控制系统，提供受控系统的仿真结果与理想控制响应特性之间的差异，作为评价函数值，并对控制系统进行重复仿真，从而使评价函数值接近最优值，并搜索最优控制参数。这样做能够在控制参数调整中精确地反映受控系统的建模结果，并处理了建模结果的偏差。此外，由于根据控制器操控的约束条件来执行仿真，可以在控制参数调整中精确地反映控制器的实际约束操控，从而处理了实际约束操控。

此外，通过在受操控的变量维持时间内、将由约束条件定义的上限受操控的变量或下限受操控的变量施加到受控系统上，来进行第一仿真，以仿真受控系统的过渡状态，并提供第一仿真结果与理想响应结果之间的差异，作为第一评价函数值。通过重复第一仿真，从而使第一评价函数值接近最优值，来获得理想控制响应特性。然后，将此理想控制响应特性寄存在理想控制结果存储单元中，由此搜索上述控制参数。这样做能够实现最优控制参数调整，而无需用户精通控制。

此外，通过计算控制参数的估计值的仿真，来执行有限循环自动调谐方法，产生具有预定受操控的变量宽度的有限循环，并调整控制参数。根据计算出的控制参数的估计值，缩减搜索范围，然后执行对控制参数的搜索。这样做能够缩短搜索最优控制参数所需的时间。

附图说明

图1是示出了根据本发明第一实施例的PID参数调整设备的结构的方框图；

图2是示出了图1所示的PID参数调整设备的操作的流程图；

图3是示意性地示出了本发明第一实施例中的理想控制响应特性的时序图；

图4是本发明第一实施例中的控制系统的方框图；

图5是示出了根据本发明第二实施例的PID参数调整设备的结构的方框图；

图6是示出了图5所示的PID参数调整设备的操作的流程图；

图7A到7F是用于解释本发明第二实施例中的受操控的变量维持时间搜索计算单元中的理想过渡响应轨迹确定处理的时序图；

图8是示出了根据本发明第三实施例的PID参数调整设备的结构的方框图；

图9是示出了图8所示的PID参数调整设备的操作的流程图；

图10是示出了本发明第三实施例中的自动调谐计算单元中的偏差极限值检测处理和转换用时检测处理的细节的流程图；以及

图11示出了用于解释本发明第三实施例中的自动调谐计算单元中的偏差极限值检测处理和转换用时检测处理的时序图。

具体实施方式

[第一实施例]

下面，将参照附图，对本发明的实施例进行详细的描述。图1是示出了根据本发明第一实施例的PID参数调整设备的结构的方框图。图2是示出了图1所示的PID参数调整设备的操作的流程图。

本实施例的PID参数调整设备包括：模型存储单元1，预先存储受控系统的数学模型；PID控制器存储单元2，预先存储PID控制器算法；约束条件存储单元3，预先存储针对控制器操作的约束条件；仿真说明存储单元4，预先存储包括由数学模型表示的受控系统和由控制器算法表示的控制器在内的控制系统的控制响应的仿真的说明；仿真计算单元5，根据针对控制器操作的约束条件进行仿真控制系统的仿真；理想控制结果存储单元6，预先存储控制系统的理想控制响应特性；评价函数计算单元7，计算表示仿真结果与理想控制响应特性之间的近似性的评价函数值；以及PID参数搜索计算单元8，在顺序改变控制器算法的控制参数(在本实施例中为PID参数)的同时，使仿真计算单元5进行仿真，并使用通过其获得最优评价函数值的PID参数，作为参数调整结果。

下面，将对根据本实施例的PID参数调整设备的操作进行描述。首先，将描述每个组成元件的操作，接下来，将参照图2，对整体处理的流程进行描述。

假设受控系统具有时间延迟和停滞时间因子，则传递函数Gp可以如下表示：

Gp＝Kpexp(-Lps)/{(1+T1s)(1+T2s)(1+T3s)}    …(1)

其中Kp是处理增益，Lp是处理停滞时间，T1、T2和T3是处理时间常数，s是拉普拉斯算子。

PID参数调整设备的用户将由等式(1)表示的算术模型预先寄存在模型存储单元1中。此外，将预先通过已知建模技术获得的处理增益Kp、处理停滞时间Lp和处理时间常数T1、T2和T3预先寄存在模型存储单元1中。根据等式(1)，可以表示最多具有三阶延迟的受控系统。

用户将由以下等式所给出的传递函数等表示的PID控制器算法预先寄存在PID控制器存储单元2中，即用于使仿真计算单元5实现PID控制器的程序：

MV＝(100/Pb){1+(1/Tis)+Tds}(SP-PV)    …(2)

其中Pb是比例区，Ti是积分时间，Td是微分时间，MV是受操控的变量，SP是设置点，以及PV是受控变量。比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td由PID参数搜索计算单元8确定。此外，受操控的变量MV、设置点SP和受控变量PV随着由仿真计算单元5执行的仿真动态地改变。

用户将以下约束条件表达式预先寄存在约束条件存储单元3中：

如果MV＞MVH，则MV＝MVH    …(3)

如果MV＜MVL，则MV＝MVL    …(4)

其中MVH是输出给受控系统的受操控的变量MV的上限值，以及MVL是受操控的变量MV的下限值。表达式(3)表示如果由仿真计算单元5计算出的受操控的变量MV大于受操控的变量上限值MVH，则执行设置MV＝MVH(即，将受操控的变量上限值MVH设置为受操控的变量MV)的上限处理的情况。表达式(4)表示如果计算出的受操控的变量MV小于受操控的变量下限值MVL，则执行设置MV＝MVL(即，将受操控的变量下限值MVL设置为受操控的变量MV)的下限处理的情况。

用户将由以下表达式表示的仿真说明预先寄存在仿真说明存储单元4中：

如果T＜Tstep，则SP＝SP1，否则SP＝SP2    …(5)

如果T＝Tsim，则[终止仿真]               …(6)

其中SP1是阶跃响应之前的设置点，SP2是阶跃响应之后的设置点，T是仿真所经历的时间，Tstep是从仿真的开始时刻(T＝0)到设置点SP阶跃变化时刻的时间，以及Tsim是总仿真时间。

表达式(5)表示在从仿真开始时刻开始所过去的T达到Tstep之前，将设置点SP设置为SP1，以及当所过去的时间T达到Tstep时，将设置点SP设置为SP2。表达式(6)表示当所过去的时间T达到Tsim时，终止仿真。

将对用户而言理想的控制响应特性(即，在所过去的T＝Tj时的理想受控变量PV_data_j(Tj≤Tsim，其中j是从1到n的整数))预先寄存在理想控制结果存储单元6中。为了确定理想控制响应特性，需要受控变量PV_data_j(n≥1)的至少一个特定值。图3示意性地示出了理想控制响应特性。

仿真计算单元5根据约束条件存储单元3中的约束条件表达式和仿真说明存储单元4中的仿真说明，执行仿真，以仿真包括由模型存储单元1中的数学模型表示的受控系统和由PID控制器存储单元2中的控制器算法表示的PID控制器在内的虚拟控制系统的控制响应。图4是示出了这种情况下的控制系统的方框图。

仿真计算单元5执行初始化处理和仿真处理。在初始化处理中，仿真计算单元5将受控变量PV在仿真开始时的初始值设置为SP1，将设置点SP的初始值设置为SP1，将受操控的变量MV的初始值设置为SP1/Kp，以及将所过去的仿真时间T设置为0。稍后，将对仿真处理进行描述。

评价函数计算单元7如下执行评价函数处理，获得表示仿真结果与理想控制响应特性之间的近似性的评价函数值F。

$F=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{PV}\_\mathrm{Tj}-\mathrm{PV}\_\mathrm{data}\_j)}^2$ …(7)

其中PV_Tj是通过仿真处理在所过去的时间T＝Tj时计算出的受控变量，以及n是理想受控变量PV_data_j的数据计数，如上所述。当等式(7)的计算结果变为0或0附近的最小值(正值)时，评价函数值F为最优值。在这种情况下，仿真结果变得最为接近理想控制响应特性。

PID参数搜索计算单元8执行PID参数搜索处理，包括PID参数创建处理、评价函数值比较处理和PID参数确定处理。

在PID参数创建处理中，PID参数搜索计算单元8顺序创建(逐一)PID参数可能选取的所有值，即比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的所有组合。假设Pb_max是预先确定的比例区搜索上限值，Ti_max是预先确定的积分时间搜索上限值，以及Td_max是预先确定的微分时间搜索上限值，则在0＜Pb＜Pb_max的范围内以dPb的分辨率创建比例区Pb，在0＜Ti＜Ti_max的范围内以dTi的分辨率创建积分时间Ti，以及在0＜Td＜Td_max的范围内以dTd的分辨率创建微分时间Td。

在评价函数值比较处理中，PID参数搜索计算单元8将针对比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的所有组合计算出的评价函数值F彼此进行比较，并提取出提供了所有评价函数值F的最小评价函数值F_min(F_min≥0)的比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的组合。

在PID参数确定处理中，PID参数搜索计算单元8使用通过评价函数值比较处理而提取出的比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的组合，作为参数调整结果。

应当注意，上述PID参数搜索处理是使用于逐一创建PID参数可能选取的所有值的仿真计算单元5执行仿真处理、并将全部计算出的评价函数值F彼此进行比较以搜索最优PID参数的技术。但是，此技术是并未考虑搜索效率的技术，而只是一个示例。公知的单纯形方法(simplex method)等可以用作使仿真计算单元5在顺序改变PID参数的同时执行搜索操作以使评价函数值F接近最优值的有效方法。

接下来，将参照图2，对图1所示的PID参数调整设备的处理流程进行描述。例如，PID参数调整设备根据来自用户的请求，开始图2所示的处理。首先，PID参数搜索计算单元8执行PID参数创建处理(图2中的步骤101)。仿真计算单元5执行初始化处理(步骤102)。

随后，仿真计算单元5执行所过去的时间T＝0时的仿真处理(步骤103)。在所过去的时间T＝0的这一仿真处理中，仿真计算单元5根据需要，按照上述约束条件表达式，针对在初始化处理中确定的受操控的变量MV，执行上限处理或下限处理。然后，仿真计算单元5基于模型存储单元1中的数学模型，根据以下等式，计算受控变量PV，并将受控变量PV存储为与所过去的时间T＝0相对应的仿真结果。

PV＝[Kpexp(-Lps)/{1+T1s)(1+T2s)(1+T3s)}]MV  …(8)

通常，在执行仿真处理之后，评价函数计算单元7执行评价函数处理。但是，由于在所过去的时间T＝0时并未确定理想控制响应特性，不执行评价函数处理。

在执行仿真处理之后，仿真计算单元5确定T≥Tsim是否成立(步骤105)。如果T≥Tsim，即所过去的时间T已经达到Tsim，则根据上述仿真说明，确定仿真处理完成，并且流程前进到步骤106。如果所过去的时间T并未达到Tsim，则确定仿真处理并未完成，并且流程返回到步骤103。

然后，仿真计算单元5执行所过去的时间T＞0时的仿真处理(步骤103)。在所过去的时间T＞0的这一仿真处理中，仿真计算单元5确定T≥Tstep是否成立。如果所过去的时间T并未达到Tstep，则仿真计算单元5保持将设置点SP设置为SP1。如果所过去的时间T已经达到Tstep，则仿真计算单元5将设置点SP变为SP2。随后，仿真计算单元5通过使用在前一仿真处理中计算出的受控变量PV、当前的设置点SP、以及在步骤101中根据由等式(2)表示的PID控制器算法而创建的PID参数，计算受操控的变量MV。在根据需要，基于针对受操控的变量MV的上述约束条件表达式，执行上限处理或下限处理之后，仿真计算单元5根据等式(8)计算受控变量PV，并将受控变量PV存储为与所过去的时间T相对应的仿真结果。

如果所过去的时间T＞0是其中将理想受控变量PV_data_j寄存在理想控制结果存储单元6中的所过去的时间T(T＝Tj)，由于由仿真计算单元5计算出的受控变量是PV_Tj，评价函数计算单元7根据等式(7)，根据受控变量PV_Tj和受控变量PV_data_j计算出评价函数值F(步骤104)。

仿真计算单元5和评价函数计算单元7按照预定的循环，重复执行上述所过去的时间T＞0时的仿真处理和评价函数处理，直到在步骤105中，T≥Tsim成立为止。

在所过去的时间T≥Tn不成立的一些中间点，由于还有一些未与仿真结果进行比较的理想受控变量，此中间点处的评价函数处理是将评价函数值F计算为临时值的处理，类似于(PV_T1-PV_data_1)²+(PV_T2-PV_data_2)²+(PV_T3-PV_data_3)²…...。

如果在步骤105中确定T≥Tsim成立，则仿真计算单元5确定仿真处理完成，并确定对于PID参数的所有组合，步骤101到105中的处理是否完成(步骤106)。如果对于PID参数的所有组合，步骤101到105中的处理完成，则流程前进到步骤107。如果处理未完成，则流程返回到步骤101，使PID参数搜索计算单元8创建比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的新组合。按照这种方式，针对比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的全部组合中的每一个，执行步骤101到105中的处理。

如果针对PID参数的所有组合，步骤101到105中的处理完成，则PID参数搜索计算单元8执行评价函数值比较处理，并提取出提供了最小评价函数值F_min的比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的组合(步骤107)。然后，PID参数搜索计算单元8使用所提取出的比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的组合，作为参数调整结果(步骤108)。

利用上述操作，终止PID参数调整设备的处理。

根据本实施例，通过组合PID控制器算法和受控系统的建模结果(数学模型)，在调整设备上创建了虚拟控制系统，提供控制系统的仿真结果和理想控制响应特性之间的差异，作为评价函数值，并对控制系统进行重复仿真，从而使评价函数值接近最优值，从而搜索最优PID参数。这样做能够在PID参数调整中精确地反映受控系统的建模结果，并处理了建模结果的偏差。此外，由于根据控制器操控的约束条件来执行仿真，可以在PID参数调整中精确地反映控制器的实际约束操控，从而处理了实际约束操控。

[第二实施例]

接下来，将对本发明的第二实施例进行描述。图5是示出了根据本发明第二实施例的PID参数调整设备的结构的方框图。图6是示出了图5所示的PID参数调整设备的操作的流程图。

本实施例的参数调整设备包括：响应条件存储单元14，预先存储用于受控系统的过渡状态的第一仿真的响应条件变量；第一仿真说明存储单元15，预先存储第一仿真的说明；理想响应结果存储单元16，预先存储作为第一仿真的理想结果的理想响应结果；第一仿真计算单元17，通过在受操控的变量维持时间内，将上限受操控的变量或下限受操控的变量提供给受控系统，来进行第一仿真；第一评价函数计算单元18，计算表示第一仿真的结果与理想响应结果之间的近似性的第一评价函数值；受操控的变量维持时间搜索计算单元19，通过在顺序改变受操控的变量维持时间的同时，使第一仿真计算单元17进行第一仿真，提取出作为第一评价函数值的最优值的受操控的变量维持时间；理想响应波形寄存处理单元20，将与所提取出的、受操控的变量维持时间相对应的第一仿真结果寄存在理想控制结果存储单元26中，作为理想控制响应特性；模型存储单元21；PID控制器存储单元22；约束条件存储单元23；第二仿真说明存储单元24；第二仿真计算单元25；理想控制结果存储单元26；第二评价函数计算单元27；以及PID参数搜索计算单元28。

由于模型存储单元21、PID控制器存储单元22、约束条件存储单元23、第二仿真说明存储单元24、第二仿真计算单元25、第二评价函数计算单元27、以及PID参数搜索计算单元28的操作与第一实施例中的模型存储单元1、PID控制器存储单元2、约束条件存储单元3、仿真说明存储单元4、仿真计算单元5、评价函数计算单元7、以及PID参数搜索计算单元8的操作相同，将省略对其的描述。

尽管理想控制结果存储单元26的操作与第一实施例中的理想控制结果存储单元6的操作相同，但并未由用户而是由理想响应波形寄存处理单元20来寄存存储在理想控制结果存储单元26中的理想控制响应特性，如稍后所述。

预先将要在第一仿真期间提供给受控系统的受操控的变量寄存在响应条件存储单元14中，作为响应条件约束。应当注意，由于这些响应条件变量与第一实施例中写在约束条件表达式(3)和(4)中的受操控的变量上限值MVH和受操控的变量下限值MVL相同，可以根据约束条件获得响应条件变量，而无需使用响应条件存储单元14。

用户将第一仿真的说明预先寄存在第一仿真说明存储单元15中。第一仿真的说明与第一实施例中参照表达式(5)和(6)描述的仿真处理的说明相同。

用户将过冲(overshoot)量OS预先寄存在理想响应结果存储单元16中，作为第一仿真的理想结果的理想响应结果。

第一仿真计算单元17根据响应条件存储单元14中的响应条件变量和仿真说明存储单元15中的仿真说明，执行第一初始化处理和第一仿真处理。

在第一初始化处理中，仿真计算单元17将受控变量PV在仿真开始时的初始值设置为SP1，将设置点SP的初始值设置为SP1，将受操控的变量MV的初始值设置为SP1/Kp，以及将所过去的仿真时间T设置为0。

在第一仿真处理中，仿真计算单元17在根据仿真说明存储单元15中的仿真说明、执行由表达式(5)表示的处理的同时，执行以下处理：

如果T＜Tstep，则MV＝SP1/Kp               …(9)

如果Tstep≤T≤Tstep+dTmv，则MV＝MV_dTmv  …(10)

如果T＞Tstep+dTmv，则MV＝SP2/Kp          …(11)

在表达式(10)中，dTmv是其中维持受操控的变量MV＝MV_dTmv的受操控的变量维持时间。

表达式(9)表示在从仿真开始时刻开始所过去的时间T未达到Tstep时，受操控的变量MV为SP1/Kp。

表达式(10)表示在所过去的时间T大于等于Tstep且小于等于Tstep+dTmv时，将受操控的变量MV设置为MV_dTmv。如果Kp＞0且SP1＜SP2，或者Kp＜0且SP1＞SP2，通过使用存储在响应条件存储单元14中的响应条件变量的受操控的变量上限值MVH，设置MV_dTmv＝MVH。如果Kp＞0且SP1＞SP2，或者Kp＜0且SP1＜SP2，通过使用响应条件变量的受操控的变量下限值MVL，设置MV_dTmv＝MVL。

表达式(11)表示当所过去的时间T超过Tstep+dTmv时，将受操控的变量MV设置为SP2/Kp。

第一评价函数计算单元18根据以下等式，执行用于获得表示第一仿真结果与理想响应结果之间的近似性的第一评价函数值G的第一评价函数处理：

G＝(OS_sim-OS)²    …(12)

其中OS_sim是在第一仿真期间发生的过冲量。当等式(12)的计算结果是0附近的最小值(正值)时，第一评价函数值G是最优值。在这种情况下，第一仿真结果最接近理想响应结果。在由等式(12)表示的评价函数的情况下，对接近精确的连续系统的仿真使其能够执行足够接近于G＝0即OS_sim＝OS的仿真。

受操控的变量维持时间搜索计算单元19执行包括受操控的变量维持时间创建处理和第一评价函数值比较处理在内的受操控的变量维持时间搜索处理。

在受操控的变量维持时间创建处理中，受操控的变量维持时间搜索计算单元19顺序创建(逐一)受操控的变量维持时间dTmv可能选取的所有值。假设dTmv_max是预定受操控的变量维持时间搜索上限值，在0＜dTmv＜dTmv_max的范围内、以与分辨率Dmv相对应的精度，创建受操控的变量维持时间dTmv可以取值的范围。

在第一评价函数值比较处理中，受操控的变量维持时间搜索计算单元19将针对受操控的变量维持时间dTmv可以选取的所有值而计算出的评价函数值G进行比较，并提取出提供了所有评价函数值G的最小评价函数值G_min(G_min＞0)的受操控的变量维持时间dTmv。

应当注意，上述受操控的变量维持时间搜索处理是逐一创建受操控的变量维持时间dTmv可能选取的所有值、使第一仿真计算单元17执行第一仿真处理、并将全部计算出的评价函数值G进行比较以搜索最优受操控的变量维持时间dTmv的技术。但是，此技术是并未考虑搜索效率的技术，而只是一个示例。

理想响应波形寄存处理单元20将与由受操控的变量维持时间搜索计算单元19提取出的受操控的变量维持时间dTmv相对应的第一仿真结果(所过去的时间T和受控变量PV)寄存在理想控制结果存储单元26中，作为理想控制响应特性。

在将理想控制响应特性寄存在理想控制结果存储单元26中之后，模型存储单元21、PID控制器存储单元22、约束条件存储单元23、第二仿真说明存储单元24、第二仿真计算单元25、第二评价函数计算单元27；以及PID参数搜索计算单元28执行第一实施例中所描述的处理。

接下来，将参照图6，对图5所示的PID参数调整设备中的处理流程进行描述。例如，PID参数调整设备根据来自用户的请求，开始图2所示的处理。首先，受操控的变量维持时间搜索计算单元19执行受操控的变量维持时间创建处理(图6中的步骤201)，以及第一仿真计算单元17执行第一初始化处理(步骤202)。

随后，第一仿真计算单元17执行所过去的时间T＝0时的第一仿真处理(步骤203)。在所过去的时间T＝0的第一仿真处理中，第一仿真计算单元17通过将在第一初始化处理中确定的受操控的变量MV＝SP1/Kp代入等式(8)，来计算受控变量PV，并将受控变量PV存储为与所过去的时间T＝0相对应的第一仿真结果。

在执行第一仿真处理之后，第一评价函数计算单元18执行第一评价函数处理。但是，在受控变量PV中未发生过冲的时间点，以过冲量OS_sim＝0来计算评价函数值G(步骤204)。

在执行第一仿真处理之后，第一仿真计算单元17确定所过去的时间T是否已经达到Tsim(步骤205)。如果所过去的时间T已经达到Tsim，则根据第一仿真说明存储单元15中的仿真说明，确定第一仿真处理完成，并且流程前进到步骤206。如果所过去的时间T并未达到Tsim，则确定第一仿真处理并未完成，并且流程返回到步骤203。

第一仿真计算单元17执行所过去的时间T＞0时的第一仿真处理(步骤203)。在所过去的时间T＞0的第一仿真处理中，仿真计算单元17确定T≥Tstep是否成立。如果所过去的时间T并未达到Tstep，则仿真计算单元17保持将设置点SP设置为SP1。如果所过去的时间T已经达到Tstep，则仿真计算单元17将设置点SP变为SP2。随后，仿真计算单元17根据所过去的时间T，使用表达式(9)、(10)和(11)之一，确定受操控的变量MV，根据等式(8)计算受控变量PV，并将受控变量PV存储为与所过去的时间T相对应的第一仿真结果。

如果Kp＞0且SP1＜SP2，或者Kp＜0且SP1＜SP2，第一评价函数计算单元18在PV-SP＞0成立的时间点，确定在受控变量PV中是否发生过冲。如果Kp＜0且SP1＞SP2，或者Kp＞0且SP1＞SP2，第一评价函数计算单元18在PV-SP＜0成立的时间点，确定是否发生过冲。然后，第一评价函数计算单元18根据等式(12)，由已经发生的过冲量OS_sim和理想过冲量OS，计算评价函数值G(步骤204)。过冲量OS_sim可以通过PV-SP获得。

第一仿真计算单元17和第一评价函数计算单元18按照预定的循环，重复执行上述所过去的时间T＞0时的第一仿真处理和第一评价函数处理，直到在步骤205中，T≥Tsim成立为止。

随后，如果在步骤205中确定T≥Tsim成立，则第一仿真计算单元17确定第一仿真处理完成，并确定对于受操控的变量维持时间dTmv可能选取的所有数值，步骤201到205中的处理是否完成(步骤206)。如果对于受操控的变量维持时间dTmv可能选取的所有数值，步骤201到205中的处理完成，则流程前进到步骤207。如果处理未完成，则流程返回到步骤201，使受操控的变量维持时间搜索计算单元19创建受操控的变量维持时间dTmv的新数值。按照这种方式，针对受操控的变量维持时间dTmv可能选取的所有数值，执行步骤201到205中的处理。

当针对受操控的变量维持时间dTmv可能选取的所有数值，步骤201到205中的处理完成时，受操控的变量维持时间搜索计算单元19执行第一评价函数值比较处理，以提取出提供了最小评价函数值G_min的、受操控的变量维持时间dTmv(步骤207)。理想响应波形寄存处理单元20将与所提取出的、受操控的变量维持时间dTmv相对应的第一仿真结果寄存在理想控制结果存储单元26中，作为理想控制响应特性(步骤208)。

在第一仿真中，计算在所过去的时间T(0＜T≤Tsim)时的受控变量PV，并将所过去的时间T和受控变量PV存储在仿真计算单元17中，作为仿真结果。因此，在存储在仿真计算单元17中的第一仿真结果中，可以将与所提取出的、受操控的变量维持时间dTmv相对应的结果寄存在理想控制结果存储单元26中。

图7A到7F是用于解释受操控的变量维持时间搜索计算单元19的理想过渡响应轨迹确定处理的视图。图7B示出了其中将具有类似于图7A所示的波形的受操控的变量MV施加到受控系统上的第一仿真的结果。在图7B所示的情况下，未发生过冲，而受控变量PV缓慢靠近设置点SP2。即，并未满足快速控制响应特性的要求。因此，这种响应特性不适合用作理想控制响应特性。

图7D示出了其中将具有类似于图7C所示的波形的受操控的变量MV施加到受控系统上的第一仿真的结果。在图7D所示的情况下，发生了大过冲，导致过度的控制响应。即，这种响应特性不适合用作理想控制响应特性。

图7F示出了其中将具有类似于图7E所示的波形的受操控的变量MV施加到受控系统上的第一仿真的结果。在图7F所示的情况下，发生了较小以至于未在图7F中示出的过冲，在适度抑制过冲的同时，满足了快速控制响应特性的要求。即，获得了理想响应波形。与图7B和7D所示的情况相比，图7F所示的情形下的评价函数值G是0附近的最小值。因此，将图7F所示的受控变量PV的轨迹寄存在理想控制结果存储单元26中，作为理想控制响应特性。

同样可以从图7D中看到的是，在第一仿真期间，过冲量OS_sim随着时间T的过去发生改变。最终，使用其绝对值最大的过冲量OS_sim数值。尽管在步骤204中计算出的第一评价函数值G也随着时间T的过去发生改变，最终，使用过冲量OS_sim的绝对值最大时的评价函数值G。为了获得评价函数值G的最终值，只有所计算出的数值超过评价函数值G的先前使用值时，才将步骤204中计算出的数值用作新的评价函数值G，而在其等于或小于先前使用的评价函数值G时，丢弃所计算出的数值。

然后，PID参数搜索计算单元28执行第一实施例中描述的PID参数创建处理(步骤209)，以及第二仿真计算单元25执行第二初始化处理(步骤210)。第二初始化处理与第一实施例中所描述的初始化处理相同。

随后，第二仿真计算单元25执行所过去的时间T＝0时的第二仿真处理(步骤211)。所过去的时间T＝0时的第二仿真处理与第一实施例中所描述的所过去的时间T＝0时的仿真处理相同。

在执行第二仿真处理之后，仿真计算单元25确定所过去的时间T已经达到Tsim(步骤215)。如果所过去的时间T并未达到Tsim，则确定第二仿真处理并未完成。然后，流程返回到步骤211，以执行所过去的时间T＞0时的第二仿真处理(步骤103)。所过去的时间T＞0时的第二仿真处理中与第一实施例中所描述的所过去的时间T＞0时的仿真处理相同。然后，第二评价函数计算单元27执行计算第二评价函数值F的第二评价函数处理(步骤212)。第二评价函数处理与第一实施例中所描述的评价函数处理相同。

如果在步骤213中确定T≥Tsim成立，则第二仿真计算单元25确定第二仿真处理完成，并确定对于PID参数的所有组合，步骤209到213中的处理是否完成(步骤214)。如果对于PID参数的所有组合，步骤209到213中的处理完成，则流程前进到步骤215。如果处理未完成，则流程返回到步骤209，使PID参数搜索计算单元28创建比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的新组合。

如果针对PID参数的所有组合，步骤209到213中的处理完成，则PID参数搜索计算单元28执行第二评价函数值比较处理，并提取出提供了最小评价函数值F_min的比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的组合(步骤215)，并使用所提取出的比例区Pb、积分时间Ti和微分时间Td的组合，作为参数调整结果(步骤216)。

利用上述操作，终止PID参数调整设备的处理。

根据本实施例，通过在受操控的变量维持时间dTmv内、将定义为响应条件变量的受操控的变量上限值MVH或受操控的变量下限值MVL施加到受控系统上，来进行第一仿真，以仿真受控系统的过渡状态，并提供第一仿真结果与理想响应结果之间的差异，作为第一评价函数值G。通过重复第一仿真，从而使第一评价函数值G接近最优值，来获得理想控制响应特性。然后，将此理想控制响应特性寄存在理想控制结果存储单元26中，由此搜索第一实施例中所描述的PID参数。这样做能够实现最优PID参数调整，而无需用户精通控制。

应当注意，本实施例基于OS不会变为0或更小的假设，以及可以将响应时间添加到第一评价函数中。在OS_sim＝OS的单独仿真中，即使在如图7B所示的、受控变量PV缓慢靠近设置点SP2的情况下，第一评价函数值G也可以变为最优值。因此，出现了提供最优评价函数值G的多个第一仿真结果，因而不能将理想控制响应特性缩减到一个特性。因此，通过将基于响应时间是否最小的评价添加到第一评价函数中，可以从提供了最优评价函数值G的第一仿真结果中提取出真正的最优结果，从而将理想控制响应特性缩减到一个。这可以防止错误的优化，即使用其中受控变量PV缓慢靠近设置点SP2的情况作为理想控制响应特性。

[第三实施例]

接下来，将对本发明的第三实施例进行描述。图8是示出了根据本发明第三实施例的PID参数调整设备的结构的方框图。图9是示出了图8所示的PID参数调整设备的操作的流程图。

通过将以下单元添加到第一实施例的PID参数调整设备上，获得本实施例的PID参数调整设备：自动调谐计算单元9，通过将具有预定幅度的受操控的变量施加到受控系统上，来执行根据来自由模型存储单元1中的数学模型表示的受控系统的响应、计算PID参数的估计值的自动调谐仿真处理；以及PID参数搜索范围设置单元10，根据PID参数的估计值，确定PID参数搜索范围，并设置PID参数搜索计算单元8中的范围。

例如，PID参数调整设备根据来自用户的请求，开始图9所示的处理。首先，自动调谐计算单元9执行自动调谐仿真处理，包括受操控的变量输出处理、偏差极限值检测处理、转换用时检测处理、和PID参数估计值计算处理。

在图9中的步骤301中的受操控的变量输出处理中，如果Kp＞0，则自动调谐计算单元9执行由表达式(13)表示的处理，以及如果Kp＜0，则执行由表达式(14)表示的处理：

如果SP-PV＞0，则MV＝MVH，否则MV＝MVL  …(13)

如果SP-PV＞0，则MV＝MVL，否则MV＝MVH  …(13)

表达式(13)表示如果设置点SP大于受控变量PV，则将受操控的变量MV设置为受操控的变量上限值MVH，以及如果设置点SP等于或小于受控变量PV，则将受操控的变量MV设置为受操控的变量下限值MVL。表达式(14)表示如果设置点SP大于受控变量PV，则将受操控的变量MV设置为受操控的变量下限值MVL，以及如果设置点SP等于或小于受控变量PV，则将受操控的变量MV设置为受操控的变量上限值MVH。

图10是示出了自动调谐计算单元9的偏差极限值检测处理和转换用时检测处理(步骤302)的细节的流程图。图11是用于解释偏差极限值检测处理和转换用时检测处理的视图。

首先，自动调谐计算单元9根据等式(8)计算受控变量PV。然后，自动调谐计算单元9将SP-PV设置为偏差Er(图10中的步骤501)，并确定以下不等式是否成立(步骤502)：

|Er|＞|Ermax|    …(15)

其中Ermax是偏差的最大值。偏差的初始值是0。当不等式(15)成立时，自动调谐计算单元9设置Er max＝Er，即将当前偏差Er设置为最大偏差Ermax(步骤503)。

自动调谐计算单元9根据以下不等式确定是否转换偏差Er的极性(步骤504)：

ErEr0＜0

其中Er0是一个周期前的偏差。如果不等式(16)不成立，则确定偏差极限值检测未完成，并且流程返回到步骤301。

当在每个循环中重复图9中的步骤301和302中的处理(步骤501到504)时，随着偏差Er的增加，更新最大偏差Ermax。在图11中的时刻t1，不等式(16)成立。

当不等式(16)成立时，自动调谐计算单元9设置Er1＝Er max，即将最大偏差Ermax设置为第一极限偏差Er1。自动调谐计算单元9将不等式(16)成立的时刻与最后一次更新最大偏差Ermax的时刻之间的时间设置为第一受操控的变量转换用时Th1(步骤505)。应当注意，如果针对第一次操作，不等式(16)成立，则将第一受操控的变量转换用时Th1设置为0。

然后，自动调谐计算单元9确定偏差极限值检测完成条件是否成立(步骤506)。在本实施例中，偏差极限值检测完成条件是检测到受控变量PV的四个极限值。在这种情况下，由于只检测到受控变量PV的一个极限值，确定偏差极限值检测未完成。将最大偏差Ermax初始化为0(步骤507)，并且流程返回到步骤301。

在每个循环中重复步骤301和302中的处理(步骤501到504)，并且不等式(16)在图11中的时刻t3再次成立。当不等式(16)成立时，自动调谐计算单元9设置Er2＝Er1、Er1＝Er max以及Th2＝Th1，即将第一极限偏差Er1的数值代入第二极限偏差Er2，将最大偏差Ermax设置为第一极限偏差Er1，以及将第一受操控的变量转换用时Th1的数值代入第二受操控的变量转换用时Th2。此外，自动调谐计算单元9将从不等式(16)成立的时刻t1开始到最后一次更新最大偏差Ermax的时刻t2为止的时间设置为新的第一受操控的变量转换用时Th1(步骤505)。

自动调谐计算单元9确定偏差极限值检测完成条件是否成立(步骤506)。在这种情况下，由于只检测到受控变量PV的两个极限值，确定偏差极限值检测未完成，并将最大偏差Ermax初始化为0(步骤507)。流程返回到步骤301。

在每个循环中重复步骤301和302中的处理(步骤501到504)，并且不等式(16)在图11中的时刻t5再次成立。当不等式(16)成立时，自动调谐计算单元9设置Er3＝Er2、Er2＝Er1、Er1＝Er max以及Th2＝Th1，即将第二极限偏差Er2的数值代入第三极限偏差Er3，将第一极限偏差Er1的数值代入第二极限偏差Er2，将最大偏差Ermax设置为第一极限偏差Er1，以及将第一受操控的变量转换用时Th1的数值代入第二受操控的变量转换用时Th2。此外，自动调谐计算单元9将从不等式(16)成立的时刻t3开始到最后一次更新最大偏差Ermax的时刻t4为止的时间设置为新的第一受操控的变量转换用时Th1(步骤505)。

自动调谐计算单元9确定偏差极限值检测完成条件是否成立(步骤506)。在这种情况下，由于只检测到受控变量PV的三个极限值，确定偏差极限值检测未完成，并将最大偏差Ermax初始化为0(步骤507)。流程返回到步骤301。

在每个循环中重复步骤301和302中的处理(步骤501到504)，并且不等式(16)在图11中的时刻t7再次成立。当不等式(16)成立时，自动调谐计算单元9设置Er3＝Er2、Er2＝Er1、Er1＝Er max以及Th2＝Th1，以及将从不等式(16)成立的时刻t5开始到最后一次更新最大偏差Ermax的时刻t6为止的时间设置为新的第一受操控的变量转换用时Th1(步骤505)。

自动调谐计算单元9确定偏差极限值检测完成条件是否成立(步骤506)。在这种情况下，由于检测到受控变量PV的四个极限值，确定偏差极限值检测完成，并将最大偏差Ermax初始化为0(步骤507)。然后，流程前进到步骤303。

当按照上述方式、以预定的循环重复执行受操控的变量输出处理、偏差极限值检测处理和转换用时检测处理，并偏差极限值检测完成条件成立时，终止自动调谐仿真。同样可以从图11中看到的是，尽管计算PID参数所需的受控变量PV的极限值的数量实质上是三个，由于第一个极限值可能不适合用于参数的计算，检测受控变量PV的四个极限值。

在自动调谐仿真终止之后，自动调谐计算单元9根据以下等式，计算PID参数的估计值，即比例区的估计值Pbx、积分时间的估计值Tix和微分时间的估计值Tdx(步骤303)：

Pbx＝100|Er1-Er2|/(0.9|MVH-MVL|)    …(17)

Tix＝Th1+Th2     …(18)

T＝0.21(Th1+Th2) …(19)

PID参数搜索范围设置单元10根据所计算出的比例区的估计值Pbx、所计算出的积分时间的估计值Tix和所计算出的微分时间的估计值Tdx，如下设置针对PID参数搜索计算单元8的PID参数搜索范围(步骤304)：

0.5Pbx＜Pb＜2Pbx    …(20)

0.5Tix＜Ti＜2Tix    …(21)

0＜Td＜4Tdx         …(22)

针对PID参数搜索计算单元8的设置表示将上述比例区Pb可能选取的范围0＜Pb＜Pb_max重新设置为不等式(20)，将上述积分时间Ti可能选取的范围0＜Ti＜Ti_max重新设置为不等式(21)，以及将上述微分时间Td可能选取的范围0＜Td＜Td_max重新设置为不等式(22)。

在设置了PID参数搜索范围之后，模型存储单元1、PID控制器存储单元2、约束条件存储单元3、仿真说明存储单元4、仿真计算单元5、评价函数计算单元7和PID参数搜索计算单元8执行第一实施例中所描述的处理。图9中的步骤305到312中的处理与图2中的步骤101到108中的处理相同。

在本实施例中，通过估计PID参数调整结果的仿真，来执行有限循环自动调谐方法，产生具有预定受操控的变量宽度的有限循环，并调整PID参数，并在将搜索范围缩减到所估计出的PID参数值附近的同时，执行第一实施例中的处理。将本实施例与第一实施例相比，这样做能够缩短搜索最优PID参数所需的时间。

在本实施例中，将自动调谐计算单元9和PID参数搜索范围设置单元10添加到第一实施例的PID参数调整设备中。但是，也可以将这些单元添加到第二实施例的PID参数调整设备中，以设置PID参数搜索计算单元28的PID参数搜索范围。

此外，可以通过包括算术单元、存储设备和接口以及用于控制这些硬件资源的程序的计算机来实现第一到第三实施例中所描述的每一种PID参数调整设备。

工业应用性

本发明可以应用于进行PID控制等的控制器的参数调整。

Claims (3)

1.一种参数调整设备，用于调整控制器的控制参数，所述控制器通过执行基于控制参数的计算，来计算受操控的变量，所述参数调整设备包括：

模型存储单元，预先存储受控系统的数学模型；

控制器存储单元，预先存储控制器用其控制受控系统的控制器算法；

约束条件存储单元，预先存储针对控制器操作的约束条件；

仿真计算单元，根据约束条件进行仿真，以仿真包括由数学模型表示的受控系统和由控制器算法表示的控制器在内的控制系统的控制响应；

理想控制结果存储单元，预先存储控制系统的理想控制响应特性；

评价函数计算单元，计算表示仿真结果与理想控制响应特性之间的近似性的评价函数值；参数搜索计算单元，在顺序改变控制器算法的控制参数的同时，使仿真计算单元进行仿真，并使用使评价函数值变为最优值的控制参数，作为参数调整结果；

自动调谐计算单元，通过将具有预定幅度的受操控的变量施加到受控系统上，来执行根据受控系统的响应、计算控制参数的估计值的自动调谐仿真处理；以及

参数搜索范围设置单元，根据控制参数的估计值，确定控制参数的搜索范围，并设置参数搜索计算单元中的搜索范围。

2.一种参数调整设备，用于调整控制器的控制参数，所述控制器通过执行基于控制参数的计算，来计算受操控的变量，所述参数调整设备包括：

模型存储单元，预先存储受控系统的数学模型；

控制器存储单元，预先存储控制器用其控制受控系统的控制器算法；

约束条件存储单元，预先存储针对控制器操作的约束条件；

理想控制结果存储单元，预先存储与包括由数学模型表示的受控系统和由控制器算法表示的控制器在内的控制系统相关联的理想控制响应特性；

第一仿真计算单元，通过在受操控的变量维持时间内，将由约束条件定义的上限受操控的变量或下限受操控的变量施加到受控系统上，来进行仿真受控系统的过渡状态的第一仿真；

理想响应结果存储单元，预先存储作为第一仿真的理想结果的理想响应结果；

第一评价函数计算单元，计算表示所述第一仿真的结果与存储在所述理想响应结果存储单元中的理想响应结果之间的近似性的第一评价函数值；

受操控的变量维持时间搜索计算单元，通过在顺序改变受操控的变量维持时间的同时，使第一仿真计算单元进行第一仿真，提取出使第一评价函数值变为最优值的受操控的变量维持时间；

理想响应波形寄存处理单元，将与所提取出的、受操控的变量维持时间相对应的第一仿真结果寄存在理想控制结果存储单元中，作为理想控制响应特性；

第二仿真计算单元，根据约束条件，进行仿真控制系统的控制响应的第二仿真；

第二评价函数计算单元，计算表示第二仿真结果与寄存在理想控制结果存储单元中的理想控制响应特性之间的近似性的第二评价函数值；以及

参数搜索计算单元，在顺序改变控制器算法的控制参数的同时，使第二仿真计算单元进行第二仿真，并使用使第二评价函数值变为最优值的控制参数，作为参数调整结果。

3.根据权利要求2所述的参数调整设备，还包括：

自动调谐计算单元，通过将具有预定幅度的受操控的变量施加到受控系统上，来执行根据受控系统的响应、计算控制参数的估计值的自动调谐仿真处理；以及

参数搜索范围设置单元，根据控制参数的估计值，确定控制参数的搜索范围，并设置参数搜索计算单元中的搜索范围。

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