CN1011266B - 比例控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将温度保持在目标温度等情况中所使用的比例控制装置。其特征是在比例控制动作达到平衡时，存贮这时的操作量，然后检测其后的残余偏差，把与残余偏差成比例的值加到上述存贮的操作量上，以这个相加后的操作量作为新的操作量输入到控制对象。本发明可将残余偏差实际上消除为零。用计算机进行PI控制时，不需要大容量的存贮器、控制程序也简单，不会产生演算误差。

Description

本发明涉及把温度保持在目标温度等情况中所用的比例控制器。

所谓比例控制方式，就是把同控制对象的测定值（温度等）与目标值（温度等）的差值成正比，即与偏差成正比的操作量（用于加热的功率等）输给控制对象，从而使控制对象的测定值保持在目标值的控制方式。在这种比例控制方式中，即使在控制工作平衡时也会有很小一点残余偏差。目前，人们为了消除这种残余偏差，采用的方法是：读取残余偏差，对由比例控制所决定的操作量追加或削减若干操作量，使残余偏差消失，或者是，检测控制对象的测定值或目标值与环境量的差值，譬如，以温度控制为例，就是检测目标温度值与环境温度值的差值，自动地把比例控制所决定的操作量加减一个由该差值所决定的量。另外，如果采用比例积分控制方式（PI控制），从原理上说来，能够完全消除残余偏差，使之成为零。

上述目前所采用的消除残余偏差的方法，有以下问题：第一，不仅手动操作麻烦，而且还会由于误操作引起失控。第二，使用检测目标值与环境量的差值，并对操作量进行自动加减的方法，必须知道目标值与环境量的差值同对操作量进行的加减量之间的函数关系，因此，难于作到精确的工作。此外，还必须使用别的手段来测定环境量。第三，对于PI控制方式，使用计算机控制时，由于较长时间在作积分运算，所以，必须占用存储器的大部分容量，而且，加减运算时容易造成漏位。

本发明的目的旨在提供一种能够自动地精确工作，并消除残余偏差的手段，既没有上述目前所用的比例控制方式消除残余偏差所存在 的缺点，又不需要大的存储器容量。

本发明采用的手段是：当比例控制工作达到平衡时，记忆该时刻的操作量，然后，检测残余偏差，并把和残余偏差成正比的值与上述记忆的操作量相加，再把这两者之和作为新的操作量输给控制对象。

下面，以温度控制为例，说明上述结构的作用。

假设控制对象的目标温度为T，控制对象的温度（测定值）为T₁，环境温度为T₀，则

物体与目标温度的偏差为δ＝T-T₁，

物体与环境温度的偏差为D＝T₁-T₀，

如果假设开始时T₀＜T₁＜T，则不断与δ成比例地对物体施加功率W，

W＝Kδ……（1），其中K是比例因子，

另一方面物体又以速率E消耗热能，一般用D的一个非线性函数来表示：

E＝F（D）……（2）

在达到平衡状态时，上面的（1）式和（2）式相等，从而可得平衡时的残余偏差为

δ₀＝ 1/(K) F（D）……（3）

平衡时的操作量为W₀，W₀＝Kδ₀，

在通常的比例控制系统中，不能把物体准确地加热到目标温度T，继续保持在T₁，它比T少一个δ₀，这是一个不能控制的残余量。为了基本消除这个不能控制的残余量δ₀，在供给功率和热消耗之间达到平衡以后，继续执行更多的控制操作。也就是说，第一个平衡状态建立之后，物体处在平衡温度T₁，它比目标温度T低一个残 余偏差δ₀，这时，继续对物体供给功率W^（1）＝Kδ₀+G₁δ……（4），其中G₁是一个新的比例因子，它可以等于K，上式右边的第一项Kδ₀是在第一平衡状态时连续供给的功率，而第二项是一个新的比例项，由于新的功率G₁δ的加入，物体的温度开始增加，直至建立第二个平衡状态，为了得到在第二平衡状态时的非控残余偏差，对（2）式进行一级近似

由（4）和（5）得

根据式（6）可得：

$\mathrm{\delta \; =}\frac{F_1}{G_1{\mathrm{+\; F}}_1}{\delta }_0\mathrm{=\; \delta }{}_2\mathrm{\dots \dots (7)}$

此时物体的温度T₂＝T-δ₂……（8）

由式（7）可知δ₂＜δ₀，则T₂＞T₁……（9）

可见经过第二次平衡后物体的温度更加接近于目标温度。继续进行相似的控制操作，可使物体的温度基本上等于目标温度T。

所以在第n次平衡后的非控残余温度偏差为δn

${\delta }_n=\frac{F_n\mathrm{-\; 1}}{G_{\mathrm{n-\; 1}}{\mathrm{+F}}_{\mathrm{n\; -\; 1}}}{\delta }_{\mathrm{n\; -\; 1}}$

$=\frac{F_{\mathrm{n\; -\; 2}}}{G_{\mathrm{n\; -\; 2}}{\mathrm{+\; F}}_{\mathrm{n\; -\; 2}}}·\frac{F_{\mathrm{n\; -\; 1}}}{G_{\mathrm{n\; -\; 1}}{\mathrm{+\; F}}_{\mathrm{n\; -\; 1}}}{\delta }_{\mathrm{n\; -\; 2}}$

$\mathrm{┋\; ┋}$

$=\frac{F_1}{G_1{\mathrm{+\; F}}_1}·\frac{F_2}{G_2{\mathrm{+\; F}}_2}\mathrm{\dots \dots }\frac{F_{\mathrm{n\; -\; 1}}}{G_{\mathrm{n\; -\; 1}}{\mathrm{+\; F}}_{\mathrm{n\; -\; 1}}}{\delta }_{\mathrm{n\; -\; 2}}$

<math><msub><mi>= δ </mi><mi>0</mi></msub><FROM>j = 1<TO>n - 1<OF></PRODUCT><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>G </mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>+ F </mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>……(10) </mi></math>

如果比例因子Gj彼此相等，且都等于K，并且代表功率损耗率的函数E＝F（D）可被认为线性的情况下，上式可简化为：

δn＝δ₀（ (F)/(G+F) ）^n-1……（11）

这里F＝Fj，G＝Gj（j＝1，2，…，n-1）

下面，结合附图来介绍本发明的一个实施例。第1图是本发明的一个实施例的结构方框图，第2图是该实施例中控制对象的斜视图， 第3图是说明控制工作的曲线图，第4图是控制工作的流程图。

这个实施例是使用热电微型组件对分光光度计的流体槽进行温度控制的比例控制器。热电微型组件是放热还是吸热，取决于电流的方向，而放热量或吸热量由电流的大小决定。但是，由于改变电流值比较麻烦，所以，在本实施例中采用的方法是：在一恒定周期内，接通和断开恒定的电流，通过改变一个周期内的通电时间进行温度控制。在第2图中，1是流体槽，2是热电微型组件，该热电微型组件把流体槽1夹在中间，3是装在流体槽1上的传感器，本实施例使用的传感器是热敏电阻。把热敏电阻3的阻抗变化变换为电压信号，然后再把该电压信号同一个恒定电压进行比较，通过调节热电微型组件在一恒定周期内的通电时间使两者的差值变为零，从而实现温度控制。

第1图是控制回路。下面，以这个图为例，说明一下一般的比例控制。如图所示，热敏电阻3与运算放大器A₁连接，设运算放大器A₁外加的恒定电压为V，热敏电阻的阻抗为R，则通过热敏电阻的阻抗变换为RV/r的电压信号从运算放大器输出。这个电压信号在比较电路C中同与目标温度值对应的标准电压V₀进行比较，两者之差即偏差通过A/D转换器AD变换为数字信息，输入到计算机CPU。在温度控制未达到平衡的期间，CPU通过A/D转换器读入偏差，而把与该偏差成正比的控制信号输给热电微型组件调节器4。具体说来，就是CPU按一定的时间间隔t把比较电路C的输出电压信号Ti采样，作A/D转换后读入，在采样周期t中，在n＝aTi（a是比例常数）的时间把通电信号输给热电微型组件调节器4。热电微型组件调节器是使热电微型组件2流过恒定电流的电源装置，依靠来自CPU的上述信号，控制通过热电微型组件2的电流接通和断开。这样，流过热电微型组件2的电流就是矩形波，周期为t， 脉冲宽度与偏差Ti成正比，于是，电流提供的电功率就与偏差成正比，从而实现比例控制。

下面，说明一下本发明的具体实施例。每采样一次偏差Ti，就和前次采样时的偏差进行一次比较，当连续若干次的偏差相等时，CPU就判断温度控制工作达到了平衡状态。这时的偏差Ti。为残余偏差，在该时刻向热电微型组件调节器4输出的信号N是平衡时的操作量（N₀）。如果CPU判断温度控制工作达到了平衡状态，便开始下一个动作。首先记忆平衡时的操作量N₀，然后，令操作量N为

N＝N₀+aTi

其中，Ti是每次采样得到的偏差，它和残余偏差Ti₀不同。通过有限次反复进行其一操作，使偏差Ti趋近于零，最后达到N＝N₀。在第3图中（A）是控制温度与时间的关系曲线，L是目标温度，在t₀时刻，可以判断达到了平衡，δ₀是比例控制的残余偏差，在t₀时刻以后，温度上升，趋近于目标值。操作量N的变化如第3图的（B）所示。这一实施例相当于把前面（10）式的G取为K。

第4图是CPU工作的流程图，启动以后，（1）开始时取N₀＝0，

（2）然后对偏差Ti进行采样，（3）计算操作量n＝aTi，（4）判断是否平衡，如果判断是NO（不平衡），则（5）计算N＝N₀+n（N₀＝0）并输给热电微型组件调节器，再返回（2）执行。如果（4）的判断是YES（平衡），则（6）令上一次（5）求出的N为N₀，并把N＝N₀+n输给热电微型组件调节器（5），然后，再返回（2）执行，此后，就按照（2）、（3）、（4）、（5）、（2）的顺序反复执行。

本发明的控制器能够使残余偏差实际上变为零，既不需要用计算机进行PI控制时那样大容量的存储器，而且控制程序简单，不会产生运算误差。

Claims (2)

1、一种比例控制系统，通过在物体上施加操作量来控制物体的物理量，所述比例控制系统包括：第一装置，用于检测所述的物理量；第二装置，用于输出一个反映所述物理量与一预定标准值之差的差值信号；第三装置，它能与所述差值信号成比例地产生所述的操作量，其特征在于所述比例控制系统包括：一个平衡状态控制装置，用于探测所述的物理量是否已经稳定在平衡常数值上；存储器，用于存储所述的平衡常数值；加法装置，用于将所述平衡常数值加到来自所述第二装置的所述差值信号上；操作量变化装置，根据所述加法装置的输出，使所述第三装置产生一个新的操作量，从而使得当所述物理量稳定在所述平衡值时，与所述平衡常数值同所述差值信号之和成比例地控制所述物体。

2、根据权利要求1的比例控制系统，其中所述的比例控制系统是一种温度控制器，这里所述的物理量是温度，所述的操作量是热能，其中所述平衡状态控制装置、所述存储器、所述加法装置和所述操作量变化装置的功能都是计算机化的。

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