CN102135759A - 调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节系统及调节方法。该调节系统用于减小调节量实际值与该调节量理论值之间的调节误差，其包括至少两个调节部件(110、120...；210、220...)以及用于驱动调节部件(110、120...；210、220...)的至少一个调节器，所述调节器具有由以下元件构成的组合：即至少一个具有成比例分数加固的P元件(111、121...)；至少一个响应调节误差变化速度的微分D元件(112、122...)；至少一个具有调节误差时间积分的集成I元件(130)，其特征在于，各独立的P元件(111、121...)、各独立的D元件(112、122...)以及公共的I元件(130)被分配给至少两个调节部件(110、120...；210、220...)。

Description

调节系统及方法

技术领域

本发明涉及一种调节系统及调节方法。

本发明尤其涉及借助多个调节部件及执行器对其调节量进行处理的调节系统和调节方法。虽然本发明特别有利于在车辆中实行，但其并非仅限于针对车辆的应用，而是可以普遍应用于借助多个不同调节部件来处理调节量的任意系统。

背景技术

在此类系统中，PID调节器的使用是已知的(PID调节器＝比例-积分-微分调节器)，该调节器是指这样的调节器，即它包括：具有成比例份额增益的成比例P元件；具有在调节量上进行调节误差时间积分的集成I元件；响应调节误差变化速度的微分D元件。

实际应用中存在以下问题，即系统中已有的不同执行器通常具有互不相同的特点和物理属性。因此，在系统中所有调节部件仅使用单一PID调节器的情况下，不能充分考虑到各调节部件的不同特点，以至于调节不精确或仅能以不充分的调节速度进行调节。

另一方面，由于独立的PID调节器能够“彼此相对”工作，例如当一个PID调节器根本不驱动或向相反的方向驱动其所属调节部件时，另一个PID调节器则完全驱动其所属调节部件，因此单独PID调节器在多个调节部件情况下向每个独立调节部件的分配会导致不稳定性。

基于上述背景，本发明的目的在于，提供一种调节系统及调节方法，它们在已有更多不同调节部件的情况下也能够实现精确的调节。

上述问题将通过根据本发明的调节系统以及调节方法得以解决。

发明内容

根据本发明，一种用于减小调节量实际值与调节量理论值之间的调节误差的调节系统包括至少两个调节部件以及用于驱动所述调节部件的至少一个调节器，其中该调节器具有由以下元件构成的组合：至少一个具有成比例分数加固的P元件；至少一个响应调节误差变化速度的微分D元件；至少一个具有调节误差时间积分的集成I元件，其中各独立的P元件、各独立的D元件以及公共的I元件被分配给至少两个调节部件。

该发明特别基于以下概念：为了调节具有多个调节部件及执行器的系统，这样来修正PID调节，即根据本发明的调节器包含多个P元件和D元件(最好是一个P元件和一个D元件分别用于每个调节部件)，而只包括一个用于调节部件的公共的I元件。一方面由于存在最好用于每个调节部件的已有P元件和D元件，通过这种方式就能够考虑到不同调节部件各不相同的特点和物理属性。另一方面还由于存在公共的I元件，避免了本文开篇所提及的不稳定性以及非预期的调节部件冲突和矛盾的操控。

根据一实施例，各独立的P元件、各独立的D元件以及公共的I元件被分配给调节系统的所有调节部件。

根据一实施例，各自不同的优先级区分被分配给至少两个调节部件。

根据一实施例，对各调节元件产生影响并通过调节器计算出的调节量u_n(t)的时间状态可以表示为：

$u_n\left(t\right)=K_{\mathrm{pn}}e\left(n\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)d\left(\mathrm{\τ}\right)+K_{\mathrm{dn}}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_{\mathrm{on}}$

其中，e(t)为调节误差，K_pn为各成比例的份额增益，K_dn为各D元件的增益，K_i为公共I元件的增益，而K_on为用于所涉及调节部件的优先级区分的偏移值。

根据一实施例，各自不同的偏移值K_on被分配给至少两个调节部件，特别是分配给所有调节部件。

特别地，调节量可以是冷却水回路中(尤其是车辆的冷却水回路中)的冷却水的温度。在这种情况下，调节部件中的一个可以是恒温器，而调节部件中的另一个可以是可调通风装置。

本发明还涉及一种调节方法，通过该方法来减小调节量实际值与理论值之间的调节误差，该方法被应用到至少两个调节部件以及用于驱动所述调节部件的至少一个调节器，其中该调节器具有由以下元件构成的组合：至少一个具有成比例分数加固的P元件；至少一个响应调节误差变化速度的微分D元件；至少一个具有调节误差时间积分的集成I元件，其中各独立的P元件、各独立的D元件分别和公共的I元件一起被分配给至少两个调节部件。

本方法的优选构造方案和优势参照与根据本发明的调节系统相关联的上述实施例。

本发明的其他构造方案从说明书的具体实施例中得出。

附图说明

下面借助配有附图的优选实施例进一步说明本发明。

图1图示说明了在本发明一实施例中描述的根据本发明的调节系统的结构和工作原理；以及

图2图示说明了根据本发明的调节系统的具体应用示例。

具体实施方式

首先，图1显示了在本发明一实施例中描述的根据本发明的调节系统100的结构和工作原理的示意图。

调节系统100结合待调节的系统140得以实施，在此系统中为了减小调节量实际值150与理论值101之间的误差，需要预先设定多个调节部件及执行器110、120...。这样利用调节系统100，可以通过以适当的调节量来驱动执行器110、120...，从而将图中被标注为数字106的误差(即调节差)调节为零，该误差通过理论值101与实际值150在加法器中的结合而被计算出。如图2中还将进一步详细说明，各单独的调节部件110、120...具有(部分或全部)不同的特点及物理属性。

虽然图1中仅示例性地通过较为简单的视图显示了两个调节部件110、120，但也可以预先设定任意更大数量的调节部件。

根据图1，在针对每一个调节部件110及120的调节系统100中实施独立的P元件、独立的D元件和偏移值。具体来说，被标注为P_l的第一P元件111、被标注为D_l的第一D元件112以及被标注为OFF_l的第一偏移值113被分配给第一调节部件110，同时被标注为P₂的第二P元件121、被标注为D₂的第二D元件122以及被标注为OFF₂的第二偏移值123被分配给第二调节部件120，等等。

此外，调节系统100包括(唯一的)I元件130，该元件公共地分配给所有调节部件110、120...，并且对所有调节部件110、120...共同起作用。该I元件130与偏移值113、123...、独立的调节部件110、120...一起负责调节系统100摇摆状况下的基础设置。分别分配给每个调节部件110、120...的加法器115及125(下文中将详细说明)进行了各P元件、各D元件、(公共)I元件和偏移值的分量求和，以计算出对各调节部件产生影响的调节值。

各P元件111、121...和D元件112、122...在调节系统100摇摆状况下不再作用，而只是通过用来实现各调节部件优先级的调节部件110、120...以及通过用于控制调节误差106的I部分来控制调节部件110、120...。

总之在调节系统100中，动力调节状态通过分别分配给各独立调节部件110，、20...的P元件和D-元件来确定，以便能够考虑到调节部件110、120...的不同特点。同样地，可以通过分别分配给每个调节部件110、120...的偏移值113、123...来对调节部件110，120...进行优先级区分，以考虑到例如调节部件110，120...的不同惰性或与其相关所进行的调节作用的不同效率。

该独立调节距离的动力状态在数学上可以由表示为下述微分方程组(1)的系统来描述，该微分方程描述了通过调节器计算出的、分别对调节部件产生影响的调节量u_n(t)的时间状态。在这些微分方程中，各第一项指明了各P元件111、121...的分量，各第二项指明了公共I元件的分量，各第三项指明了各D元件112、122...的分量，各第四项指明了各偏移值113、123...的分量，用于区分所涉及调节部件的优先级。

$u_1\left(t\right)=K_{p1}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)d\left(\mathrm{\τ}\right)+K_{d1}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_{o1}$

$u_2\left(t\right)=K_{p2}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)d\left(\mathrm{\τ}\right)+K_{d2}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_{o2}$

·

·

·

$u_n\left(t\right)=K_{\mathrm{pn}}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)d\left(\mathrm{\τ}\right)+K_{\mathrm{dn}}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_{\mathrm{on}}---\left(1\right)$

此外，将参照图2对本发明在该系统的车辆中冷却回路的温度调节的应用实例中的工作原理进行说明。

图2显示了根据本发明的调节系统200的应用示例，该系统在内燃机201中既借助构成第一调节部件的电子恒温器210，又借助构成第二调节部件的电子的可成比例调节、具有可变转速的通风装置220，将流过冷却器240的冷却水温度调节到冷却水温度的理论值。

在所示冷却回路的实施例中，借助恒温器210的冷却较之通过通风装置220的冷却率先进行且优先级更高，这是在很多方面都适宜。

首先，相比较而言，电子恒温器210驱动情况下的冷却水温度反应迟缓，且与电子的可调节通风装置220所驱动的情况相比效率和斜度更低。此外，驱动通风装置220所需用的电力远大于用于驱动恒温器210所需的电力。还有，在恒温器闭合情况下借助通风装置220的冷却是没有效果的，这是因为在这种情况下冷却水根本不会流经由通风装置220通过进气所冲击的冷却器240。此外，相比较而言，通风装置220不均匀的驱动会给驾驶员带来不安静及“烦躁”的感觉，并由此对驾驶的舒适性产生不良影响。

尤因如此，通风装置220最好在恒温器210已被完全驱动之后再被驱动。相应地，借助恒温器210先行的冷却可以借助被分配给各调节部件，即分配给恒温器210及通风装置220的偏移值(参看图1中“113”和“123”及方程组(1))来进行。

因此，由于图2所示应用示例中根据本发明的调节以及特别是通过前文所说明的优先级区分，冷却水的实际温度能够更精确地跟踪其理论温度，借此可以重新实现外部运转条件下更为准确的发动机温度调节，并在消耗、零件保护和性能方面进行改善。此外，调节系统200(连同已有的调节部件及执行器)的能量需求也会降低。

在图2所示根据本发明的调节系统200中，只存在一个独立的供恒温器210和通风装置220共用的I元件，由此不稳定性同样得以避免，同时系统处于稳定状态。同样地，调节系统200的动力状态通过被各自分配给恒温器210和通风装置220的P元件和D元件得以确定，以便能够考虑到各独立执行器及调节部件(即恒温器210和通风装置220)的不同特点。

Claims (8)

1.一种调节系统，用于减小调节量实际值与调节量理论值之间的调节误差，其包括至少两个调节部件(110、120...；210、220...)以及用于驱动所述调节部件(110、120...；210、220...)的至少一个调节器，所述调节器具有由以下元件构成的组合：至少一个具有成比例分数加固的P元件(111、121...)；至少一个响应调节误差变化速度的微分D元件(112、122...)；至少一个具有调节误差时间积分的集成I元件(130)，其特征在于，各独立的P元件(111、121...)、各独立的D元件(112、122...)以及公共的I元件(130)被分配给至少两个所述调节部件(110、120...；210、220...)。

2.如权利要求1所述的调节系统，其特征在于，各独立的P元件(111、121...)、各独立的D元件(112、122...)分别和公共的I元件(130)一起被分配给所述调节系统的所有调节部件(110、120...；210、220...)。

3.如权利要求1或2所述的调节系统，其特征在于，互不相同的优先级区分被分配给至少两个调节部件(110、120...；210、220...)。

4.如权利要求1至3所述的调节系统，其特征在于，对所述调节部件(110、120...；210、220...)产生影响并通过所述调节器计算得来的调节量u_n(t)的时间状态可表示为

$u_n\left(t\right)=K_{\mathrm{pn}}e\left(n\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)d\left(\mathrm{\τ}\right)+K_{\mathrm{dn}}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_{\mathrm{on}}$

其中，e(t)为调节误差，K_pn为各成比例的份额增益，K_dn为各D元件的增益，K_i为公共I元件(130)的增益，而K_on为用于所涉及调节部件(110、120...；210、220...)的优先级区分的偏移值。

5.如权利要求4所述的调节系统，其特征在于，各自不同的偏移值K_on被分配给至少两个调节部件(110、120...；210、220...)，特别是分配给所有调节部件。

6.如上述权利要求中任一项所述的调节系统，其特征在于，所述调节量是冷却水回路的冷却水的温度，尤其是车辆的冷却水回路中的冷却水的温度。

7.如权利要求6所述的调节系统，其特征在于，调节部件中的一个(210)是恒温器，而调节部件中的另一个(220)是可调通风装置。

8.一种调节方法，通过该方法来减小调节量实际值与调节量理论值之间的调节误差，该方法被应用到至少两个调节部件(110、120...；210、220...)以及用于驱动所述调节部件(110、120...；210、220...)的至少一个调节器，其中所述调节器具有由以下元件构成的组合：至少一个具有成比例分数加固的P元件(111、121...)；至少一个响应调节误差变化速度的微分D元件(112、122...)；至少一个具有调节误差时间积分的集成I元件(130)，其特征在于，各独立的P元件(111、121...)、各独立的D元件(112、122...)以及公共的I元件(130)被分配给至少两个调节部件(110、120...；210、220...)。

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