CN1016469B

CN1016469B - 具有改进的前馈反馈结合的过程控制

Info

Publication number: CN1016469B
Application number: CN88103947A
Authority: CN
Inventors: 広井和男; 伊藤光二郎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-25
Publication date: 1992-04-29
Also published as: US4951191A; EP0296638A3; EP0296638A2; DE3889014T2; JPS643705A; DE3889014D1; CN1031139A; KR890000942A; KR910000871B1; EP0296638B1

Abstract

一个过程控制器包括为取出由于负载变化而产生的前馈控制变量(D_n)中之变化量(ΔD_n)的变化取出电路(20A)和按照由前馈控制校正的反馈控制系统的操作信号(MV_n-1)对前馈控制变量(D_n-1)的比值(MV_n-1/D_n-1)乘前馈控制变量(D_n)中的变化量(ΔD_n)来进行前馈控制失调自动调节的自动调节控制电路(14，22A-24A)，从而确定下一次最佳前馈控制变量。

Description

本发明涉及一种具有反馈和前馈结合在一起的控制系统的过程控制器，特别是一种具有改进的自动调节装置，以便针对不同的负载而进行反馈控制的过程控制器。

本发明是对以下美国专利的一种改进：

美国专利号：4，714，988;

申请人：Hiroi等;

授予专利日期：1987年12月22日

本申请溶合了该美国专利公开的所有内容。

对于各个不同的制造厂家来说，最重要的一点是要有高度灵活的产生能力、节省的能源和优质的产品。为此，工厂必须由最优控制参量控制。然而，由于受干扰或类似因素的影响，控制系统容易发生很大的变化，因此选择最优控制参量是非常困难的。这样，就需要一种自动调节装置，它能在一个选择控制参量有困难的控制系统中，比较容易地自动调节最佳控制参量。

在以上所描述的背景之下，一种具有前馈模式自动调节功能的过程控制器便问世了，如美国专利4，714，988图5所示。下面采用该专利中的参考号进行描述。

该过程控制器包括反馈和前馈控制系统。在反馈控制系统中，比较器31根据目标变量SV和通过测量被控变量X得到的过程变量X，计算偏差en。偏差en加到调整单元32上，执行速度PID操作，然后，调整单元32的PID输出通过加法器33，由速度-位置信号转换器34转换成位置信号A。位置信号加到加法器35上，得到操作信号M。操作信号M再加到被控对象36上，这样更换调整了被控变量X。

在前馈控制系统中，乘法器40从干扰信号D得到前馈被控变量B。然后，干扰信号D在控制系统中引起的变化由静态和动态特性补偿装置补偿。

静态特性补偿装置包括差值运算单元51、开关62B，等。由乘法器40得到的前馈被控变量B经差值运算单元51转换成速度信号C。然后，速度信号C通过开关62B1加到加法器33上。动态特性补偿装置类似地包括开路微分器42、开关62B，等。开路微分器42从前馈被控变量B得到动态特性中的变化量E，变化量E再经开关62B2加给加法器35。

在如上所述的过程控制器中，用于前馈控制系统的参量（系数）是这样确定的：自动调节控制装置包括减法器43，它从速度-位置信号转换器34得到前馈被控变量B和输出信号A之间的偏差信号，除了偏差信号，自动调节控制装置还得到控制偏差信号en、静态特性补偿信号c和动态特性补偿信号E，并且将这些信号送至相应的信号电平检测器55至59。当偏差信号超过预定范围时，信号电平检测器55发出ON信号（H）。当其它信号电平检测器57至59的输入信号（C、F、en）在预定范围内时，它们发出ON信号（H）。当从所有的信号电平检测器55至59输出ON信号时，从AND电路（60、61）便输出一个启动控制信号，启动计时电路（62-64）。从启动计时电路算起经过一段预定的时间之后，定时电路输出一个调节定时信号，以接通开关62A。当开关62A接通时，偏差信号经开关62A输入到前馈参量校正运算单元44，以确定用于前馈控制的参量。这样，根据该参量，完成调节控制，特别是，前馈参量校正运算单元44利用偏差信号的整数值和预定系数校正前馈基准参量，并将所得的参量输送给乘法器40。前馈控制参量被调节（自动调节），以致于减法器43输出的偏差信号变为零。在参量调节期间，开关62B1和62B2保持关断。这便可以压缩前馈参量调节期间引起的操作变量的变化。

然而，上述自动调节控制装置从设备的各自部分取得了一些工作状态信号（C、E、en，等），并在稳定的条件之下自动调节参量。于是在一些工厂中，做到自动调节定时是很困难的。如果稳定状态有所变化，则参数的调节精度会大大变低。

为得到自动调节定时，便增加了大量的功能，这导致了非常复杂的电路结构。此外，许多环路控制器采用了分布型控制器。在这种情况下，为了实现设备的小型化和功能的多样化，就要限制存储器容量，因此，设备就不可能具有那么多的功能。如果设备设计成具有美国专利4，714，988的图5中所示的所有功能的话，就必须存储大量的计算过程，及为这些计算过程所需要的过程数据，于是就要求有相当大的存储容量。尽管如此，设计具有所有这些功能的设备仍然是很困难的。

本发明考虑到了上述情况，提供了一种过程控制器，它能连续地执行前馈调节控制，而不管调节时刻如何，它还能在不影响其它控制功能的条件下，采用简单的电路结构，可靠地执行自动调节。

为达此目的，本发明的过程控制器包括：变化量取出装置，用于取出由于负载的变化或类似情况引起的前馈控制变量中的变化量（△D_n）;自动调节控制装置，用于根据前馈被控变量中的变化量（△F_n）自动调节前馈控制的失调状态，前馈被控变量中的变化量（△F_n）是将由前馈控制校正的反馈控制系统的操作信号（MV_n-1）与前馈控制变量（D_n-1）的比（MV_n-1/D_n-1）乘以前馈控制变量（D_n）中的变化量（△D_n）之后得到的，由此确定下一最佳前馈控制变量。

图1是根据本发明的一个最佳实施例的过程控制器基本结构的框图，其中前馈系统包括静态特性补偿电路（14，20A-24A）;

图2是根据本发明的另一个最佳实施例的过程控制器基本结构的框图，其中前馈系统包括静态特性补偿电路（14，20A-24A）和动态特性补偿电路（17，26A-28A）;

图3是根据本发明的第三个最佳实施例的过程控制器基本结构的框图，其中前馈系统除了包括静态特性补偿电路（14，20A-24A）之外，还包括前馈增益自适应机构（13，30A-36A），以及动态特性补偿电路（17，26A-28A）;

图4是对图1所示的静态特性补偿电路做一些改进（20B-22B）的框图;

图5是对图1所示的静态特性补偿电路做出的另一些改进（20c-24c）的框图。

本发明的最佳实施例将参照附图予以说明，为避免重复，图中同样的参考号表示同样的或类似的部分。

在图1和图2中所示的最佳实施例，除了一个不具有动态特性补偿电路，而另一个具有动态特性补偿电路（17，26A-28A）之外，其它部分是相同的、因此，这些相同部分将同时给予说明。

在图1中，过程控制的目标变量SV输送给比较器10的正输入端（+），过程被控变量X反馈到比较器10的负输入端（-）。二者之差S10输送给PID运算单元12。经过比例积分/微分运算的信号S12输送给加法器14。加法器14的另一输入端输入对应于前馈被控变量（以后予以说明）中的静态变化量的静态特性补偿信号△F_n。

加法器14的输出S14送给操作变量求和单元（MVS）16。如果操作信号在前一瞬间为MV_n-1，此刻为MV_n，前一瞬间和此刻的信号变化为△MV_n，则MVS16的功能可表示为

MV_n＝MV_n-1+△MV_n

图1所示的实施例中，MVS16输出的操作信号送给作为控制对象的过程18，过程18输出的过程被控变量X反馈至比较器10。

图2所示的实施例中，MVS16输出的操作信号送给加法器17，加法器17的另一输入端输入对应于前馈控制变量（或干扰信号）中的动态变量的动态特性补偿信号（或分量）△G_n。加法器17的输出S17送给作为控制对象的过程18，过程18输出的过程被控变量X反馈至比较器10。

如果过程18的时间常数为T_p，干扰信号的时间常数为T_d，复数算子为S，则图2中的开路微分器26A的传递函数为：

（T_p-T_d）S/（1+T_d·S）

下面介绍前馈控制系统（20A-24A）。前馈控制系统包括作为变化量取出装置的变化量运算单元20A。变化量运算单元20A根据先前的前馈控制变量D_n-1和当前的前馈控制变量D_n之差检测出变化量△D_n，并将变化量送至乘法器22A。

在图2所示的设备中，前馈控制变量D_n中的变化量△D_n分为静态和动态特性补偿分量，据此补偿由于干扰信号引起的控制系统的变化量。然而，图1所示的设备不会有动态特性补偿电路。

如果变化量运算单元20A得到的前馈控制变量中的变化量△D_n、即前馈控制变量D_n中的变化量直接送至反馈控制系统的加法器14，以作为前馈被控变量中的变化量△F_n，那么前馈参量就会产生失调，有时就得不到最优控制。由于这一原因，静态特性补偿装置必须包括调节控制装置（22A，24A）。

调节控制装置包括除法器24A，用于将前馈控制系统中的从MVS16输出的操作信号MV_n除以前馈控制变量D_n。除法器24A的商信号S24A输送给乘法器22A。乘法器22A将除法器24A的输出S24A乘以前馈控制变量中的变化量△D_n，以得到执行最优前馈被控变量中的变化量△F_n。乘法器22A的输出信号△F_n送至加法器14。

图2所示的用于得到动态特性补偿分量的动态特性补偿装置包括开路微分器26A和乘法器28A，乘法器28A用来将微分器26A的输出S26A乘以除法器24A的输出S24A。乘法器28A的输出作为△G_n送至加法器17，信号△G_n与MVS16的输出操作信号MV_n相加。

为了易于理解本发明的设备，在对其工作过程作描述之前，先来举例说明传统设备中的自动调节控制。在该设备中，校正前馈参量，使得反馈和前馈控制系统的结合在一起的输出（操作信号MV_n）等于前馈被控变量E_n，据此调节前馈控制的失调状态。如果前馈被控变量E_n的参考值E_n为E_no，那么E_no可表示为：

E_nO＝KO·D_n（1）

（这里KO是比例系数，n表示控制执行时间）如果在这种情况下操作信号MV_n不等于E_n，这意味着前馈控制失调。为了消除这种失调，当MV_n和E_n之间的差超过了预定范围时，系数KO必须由前馈参数校正算术运算调节为K1以产生MV_n＝E_n，为了此目的，必须获得要校正的参数X，如果E_n＝K1·D_n＝X·K_o·D_n＝X·E_no＝MV_no，X由下式计算：

X＝MV_n/E_no（2）

如果K1＝K0+△K，并且△K是由这一公式获得的，△K由下式给定：

△K＝K1-K0＝X·K0-K0

＝K0（X-1）

＝K0·｛（MV_n/E_no）-1}

＝（E_na/D_n）{（MV_n-E_no）/E_no}

＝（MV_n-E_nO）/D_n（3）

如果使用公式（2）或（3）的任一个，可以执行满足E_n＝MV_n的调节。

采用由前馈参数算术运算获得的参数K1进行自动调节之后，当前馈控制变量D由n-1时刻的D_n-1变到n时刻的D_n（当前时刻）时，前馈被控变量E_n是：

E_n＝K1·D_n＝X·K0·D_n

＝X·K0·D_n-1·（D_n/D_n-1）

＝E_n-1·（D_n/D_n-1）

＝MV_n-1·（D_n/D_n-1）（4）

如果公式（4）转换成速度信号做为静态特性补偿分量，并对在先的和当前的时刻之间的前馈被控变量中的变化量△E_n进行计算，△E_n由下式表示：

△E_n＝E_n-E_n-1＝E_n-MV_n-1

＝MV_n-1·（D_n/D_n-1）-MV_n-1

＝MV_n-1｛（D_n-D_n-1）/D_n-1｝（5）

公式（5）可以改写为：

△E_n＝（MV_n-1/D_n-1）·（D_n-D_n-1）

＝（MV_n-1/D_n-1）·△D_n（6）

如图1或2所示的装置，前馈控制系统包括变化量运算单元20A和除法器24A以求出前馈控制变量中的变化量△D_n和比率（MV_n-1/D_n-1）。

因此，将采用变化量△D_n和比值（MV_n-1/D_n-1）的△F_n信号加到加法器14，藉此进行前馈控制。如果△D_n直接作为△F_n输入给加法器14，如上述便会出现前馈失调。

在图1和图2所示的装置中，取出由前馈控制校正的反馈控制系统的调节的输出MV_n，并且在取出之前即刻获得的信号MV_n-1被该时间的干扰信号所产生的前馈控制变量D_n-1来除。所得到的商信号S24A（MV_n-1/D_n-1）与信号中的变化量相乘，从而获得了前馈被控变量中的变化量△F_n：

△F_n＝MV_n-1·（D_n-D_n-1）D_n-1（7）

方程7可提供由方程（5）获得的同样的补偿分量，换句话说，本发明的装置能够确定在现时刻的最佳前馈被控变量，并且不必采用调节定时信号取出装置和前馈参数算术单元的装置，这与美国专利4，714，988号等传统的装置不同。

因此，由实施例中的设置，前馈控制的失调分量能够被最佳前馈被控变量中的变化量△F_n消除，△F_n是通过把由前馈控制校正的反馈控制系统来的调整的输出信号（操作信号MV_n）和正比于象干扰一类前馈控制因素的值的信号D_n进行结合而得到的。这样，便能克服定时的困难（即当上述美国专利的图5中所示的装置那样，装置的各部分的操作状态信号（C，E，en等）的稳定条件得以满足后获得一个调节定时信号）;还能解决降低调节精度的问题。

本发明的装置总能进行前馈控制的自动调节，而不管调节时刻如何。在这种情况下，自动调节功能能够作用，而不会对其他控制功能产生不利影响，这种安排比较上述美国专利简化了许多。可以大大减小控制所必须的计算因子。因此，也能减小计算所用的存储量。装置可做得紧凑，例如，本发明对环路控制器的分布式控制是有效的。

在图2所示的实施例中，由于干扰产生的前馈被控变量的补偿可分别采用静态和动态特性补偿分量来完成，然而，如图1所示本发明也可有效地应用于不具有动态特性补偿分量的前馈控制系统。

图3表示的是本发明的另一个实施例的过程控制器。在这一实施例中，前馈系统除静态特性补偿电路（14，20A-24A）和动态特性补偿电路（17，26A-28A）之外还包括前馈自适应机构（13，30A-34A）。

该实施例采用了一个所谓的自适应前馈/反馈控制系统。该系统适用于这种情况，即过程18是一个包括温度，浓度等参数的混合过程。由于自适应前馈/反馈控制系统是如美国专利4，698，745号所描述的已知技术，下面主要对怎样将自适应控制方法利用于本实施例进行描述。（注意美国专利4，698，745号是与本发明相配合的）。

图3中，前馈控制变量D^＊ _n通过系数乘法器30A转换为前馈控制变量D_n。前馈控制变量D_n相应于图2所示的前馈控制变量D_n。

增益调节系数K_n通过低通滤波器25A将来自除法器24A的输出S24A进行滤波而获得，并输入给乘法器22A，28A和32A。乘法器32A接收前馈控制变量D_n，其相乘结果（＝K_n×D_n）输出给算术单元34A。注意本实施例的自适应操作可通过改变滤波器25A的时间常数来变换之。例如，如果要进行慢的自适应操作，可增加滤波器25A的整数时间常数。

算术单元34A进行1+C（d_n-XO）/XO的算术运算。对算术单元34A的算术参数（C，d_n，X0）有选择地调节，算术单元34A将其相乘结果输出给乘法器13。乘法器13将来自PID算术单元12的输出S12与相乘结果S34A相乘，并将相乘结果S13输出给加法器14。

在混合过程的情况下（温度，浓度，等）参数C选为1.0。在非混合过程（压力，流速，水平等）参数C选为0。参数XO表示基于PID参数的确定的前馈控制变量D_n的水平（K_n＝1）。参数d_n表示前馈控制变量D_n与增益调节系数K_n的积（基于PID参数确定，K_n＝1）。

在图3所示实施例中，根据过程18的内容可适当进行前馈控制。

图4表示了本发明的另一实施例。在该实施例中，设置了包含变化量取出装置（图1中的20A）的变化率算术单元20B;在此，在先的和当时的前馈控制变量D_n与D_n-1之间的差值，（D_n-D_n-1）除以前馈控制变量D_n-1，来得到一个商信号（D_n-D_n-1）/D_n-1得到的信号S20B输入给乘法器22B，乘法器22B将信号S20B与操作信号MV_n相乘，MV_n是由前馈控制来校正的，从而得到所述信号△F_n。信号△F_n输入给加法器14，并被加到调整单元12来的输出上。

采用本实施例的安排，可进一步对图1至图3的结构进行简化。

图5表示了本发明的另一个实施例的装置。在这一实施例中，在先和当时的时刻之间的前馈控制变量的变化量△D_n由变化率算术单元20C计算;乘法器22C将变化量△D_n乘以在先时刻的MVS16的输出MV_n-1，以获得由MV_n-1·△D_n表示的输出S22C。随后，由在先时刻的前馈控制变量D_n-1除输出S22C，从而获得信号△F_n。

在本发明的范围内可以做出各种其他变形和改进。

根据如上所示的本发明，可提供一种不管调节同步能够连续进行前馈自动调节，并能由简单结构进行可靠的参数自动调节，而对其他功能没有不利影响的过程控制器。

Claims

1、一种过程控制器，包括一反馈电路和一前馈电路，

a)该反馈电路具有

输出相应于控制目标变量(SV)和过程结果(PV)之间的差(S10)的第一信号(S12)的第一装置(10-12)，

输出根据预定传递函数对第一信号(S12)进行转换而获得的第二信号(WV_n)的第二装置(16)，和

根据第二信号(MV_n)而被控制的，输出控制结果(PV)的第三装置(18)；

其特征在于：

b)该前馈电路具有：

第四装置(20A-24A)，响应外部信号D_n并与上述第二装置(16)连接，用来检测静态特性补偿信号(△F_n)，该信号(△F_n)代表了第二信号(WV_n)与一个商值(△D_n/D_n-1)的乘积(MV_n·(△D_n/D_n-1)，该商值是通过把当前的和在先的外部信号之间的差(△D_n)除以在先外部信号(D_n-1)而得到的，

第五装置(14)，连接在上述第四装置(20A-24A)，上述第一装置(10-12)，和上述第二装置(16)上，用来给上述第二装置提供第一信号(S12)和静态特性补偿信号(△F_n)的复合信号(S14)。

2、根据权利要求1的控制器，其特征在于所说前馈电路进一步具有：

第六装置（26A-28A），响应该外部信号（D_n）的基本时间微分分量值（S26A）并连接在上述第四装置（20A-24A）上，用来检测相应于该外部信号（D_n）的基本时间微分分量值（S26A），和第二信号（MV_n）的动态特性补偿信号（△G_n），和

第七装置（17），连接在上述第六装置（26A-28A），上述第二装置（16）和上述第三装置（18）上，用来向上述第三装置（18）提供第二信号（MV_n）和动态特性补偿信号（△G_n）的复合信号（S17）。

3、根据权利要求1的控制器，其特征在于所说前馈电路进一步包括：

第八装置（32A-34A），响应相应于上述外部信号（D_n）的另一外部信号（D_n ^＊），并连接在上述第四装置上（20A-24A），用来产生相应于该另一外部信号（D^＊ _n）和用该外部信号（D_n）除该第二信号（MV_n）获得的信号（K_n）的乘积（d_n＝K_n×D^＊ _n）的调整信号（S34A），和

第九装置（13），连接在上述第八装置（32A-34A）上述第一装置（10-12），和上述第五装置（14）上，用来向上述第五装置（14）提供该第一信号（S12）和该调整信号（S34A）的复合信号。

4、根据权利要求1至3中任一个的控制器，其特征在于，所说第四装置（20A-24A，图1）包括：差值装置（20A），响应上述外部信号（D_n），输出当时和在先外部信号（D_n，D_n-1）之间的差信号（△D_n），

除法装置（24A），用来输出由所述在先外部信号（D_n-1）除在接收到该在先外部信号（D_n-1）时得到的该第二信号（MV_n-1）而获得的商信号（S24A），和

乘法装置（22A），用来产生来自所述差信号（△D_n）和所述商信号（S24）的积（MV_n·△D_n/D_n-1）的静态特性补偿信号（△F_n）。

5、根据权利要求4的控制器，其特征在于所说第四装置（20A-25A，图3）进一步包括：

滤波装置（25A），安置在上述除法装置（24A）和上述乘法装置（22A）之间，用来向上述乘法装置提供由低通滤波器对商信号（S24A）进行滤波后的商信号（K_n）。

6、根据权利要求1至3中任一个的控制器，其特征在于所说第四装置（20B-22B，图4）包括：

除法装置（20B），响应所述外部信号（D_n），用来输出由所述在先外部信号（D_n-1）除所述当时和在先外部信号（D_n，D_n-1）之间的所述差（△D_n）获得的差商信号（S20B）和

产生装置（22B），用来产生来自所述差商信号（S20B）和所述第二信号（MV_n）的所述积（MV_n·△D_n/D_n-1）的所述静态特性补偿信号（△F_n）。

7、根据权利要求1至3的任一个的控制器，其中所说第四装置（20C-24C;图5）包括：

差值装置（20C），响应所述外部信号（D_n），来输出所述当时和在先外部信号（D_n，D_n-1）之间的所述差信号（△D_n），

乘法装置（22c）用来产生来自所述差信号（△D_n）和所述第二信号（MV_n）的积（MV_n·△D_n）的积信号（S22c），和

除法装置（24c）用来将所述在先的外部信号（D_n-1）除所述积信号（S22c），以便输出所述静态特性补偿信号（△F_n）。