CN1024849C

CN1024849C - 过程控制系统

Info

Publication number: CN1024849C
Application number: CN89101575A
Authority: CN
Inventors: 広井和男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1989-03-18
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2004-03-18
Also published as: DE68919248D1; US5029066A; AU608421B2; CN1036085A; AU3121089A; EP0333477A3; JPH07104681B2; KR920004079B1; DE68919248T2; JPH01239603A; KR890015122A; EP0333477B1; EP0333477A2

Abstract

一种通过将由过程系统输出的控制量值调节到一给定目标值而控制该受外部扰动作用的过程系统的控制系统，包括一计算控制量值和微分时间在内的调整到抑制由外部扰动造成的控制量波动的第一状态下的控制常数执行比例、积分和微分控制中的包括比例和积分作用的一主控制单元。及执行补偿运算将主控制单元的控制常数等效调整到跟踪目标值变化的第二给定状态的补偿控制单元。

Description

本发明涉及一种过程控制系统，尤其涉及一种能够实现比例、积分和微分控制的系统。

通常，作为这种过程控制装置基础的比例（P）、积分（I）、和微分（D）控制算法是一种称为一个自由度的PID控制算法。其中只有各个控制常数（比例系数、积分时间或微分时间）中的一个可以进行设定。因此，这种过程控制装置产生的响应特性由各个控制常数的调整情况建立，在一般过程控制中，当控制目标受到外界扰动时，各个控制常数被迅速调整而能迅速消除扰动的影响。

然而，当控制常数在最佳抑制外界扰动的条件下设定时，如目标值变化的话，控制值将对目标值的变化产生超调。另一方面，如果控制值以最佳方式跟随目标值的变化，即控制常数在最佳目标值跟踪特性的条件下设定，则对应于外界扰动的抑制特性就相当平缓，其结果是响应特性花很长时间。

近来已经注意到这种情况。例如，本申请人在美国专利号4，755，924的专利中描述了一种双自由度PID控制算法，其中控制常数可分别独立地进行调整，使其最佳特性条件对应于目标值跟踪和外部扰动抑制这两种情况。将这两种双自由度PID控制算法提供给一工厂的全套控制系统，控制特性能得到很大的改进。这算法的最基本元件是一个目标值滤波器。图1是表示一个具有两个自由度或仅有一个比例（P）运算的通用过程控制装置的方框图。

图1表示的通用过程控制装置包括一个差值计算单元10，一个微分超前型主控制单元11，作为控制目标的过程系统12和补偿控制单元13。差值计算单元10计算目标值SV经过补偿控制单元13得到的校正目标值SV′和控制目标12反馈来的控制值PV之间的差值ε（＝SV′-PV）。主控制单元11根据调整到对控制值PV的外部扰动造成的偏差呈最佳抑制特性的控制常数（比例增益K_P，积分时间T_I，和微分时间T_D），对差值ε进行比例、积分、微分计算，并计算调整输出MV以使控制值PV与目标值SV一致然后将其输出到控制目标12。

主控制单元11由比例加积分计算单元21（1+1/T_I·S）;减法单元22;不完全微分计算单元23（T_D·S）/（1+η·T_D·S）;和比例增益单元24（K_P）组成。控制值PV和目标值SV间差值ε输到比例十积分计算单元21;经比例+积分计算的结果再输入到减法单元22。控制值PV也输到不完全微分计算单元23，不完全微分计算的结果也输入到减法单元22。对两者作减法的结果输入到按比例增益K_P进行放大的比例增益单元24，然后，计算的调整输出值MV输出到控制目标12。控制目标12由作为它的运算值的计算调整输出值MV来完成一恰当的控制运算。

如施加一个外界扰动D并在控制中产生扰动，那么就从控制值PV的波动中检测出来。另外，调整计算单元13由超前/滞后单元（1+α·T_I·S）/（1+T_I·S）组成。其目的是通过有效地修正主控制单元11的比例增益为最佳跟踪目标值SV变化的特性状态并输出修正目标值而使比例运算（P）具有双自由度。

在图1中，对应于外界扰动变化的控制算法的传递函数C_D（S）为

C_D（S）＝MV/PV＝K_P[（1+（1/T_I·S）+（T_D·S）/（1+η·T_D·S）] （1）

而对应于目标值变化的控制算法的传递函数为

C_S（S）＝MV/SV＝[（1+α·T_I·S）/（1+T_I·S）×K_P[（1+1/（T_I· S）]＝K_P[α+1/（T_I·S）（2）

其中K_P，T_I和T_D是传递函数的控制常数，分别表示比例增益、积分时间和微分时间。S是一复数变量（拉普拉斯算符），以及η是约0.1到0.3的常量。变量α是外界干扰抑制的最佳比例增益K_P修正为目标值跟踪的最优比例增益K_P＊（＝α·K_P）比例增益修正系数。

所以，从上述方程（1）和（2）得出，如果这比例增益修正系数α的变化是由于在目标值SV输入线上加入了一个由超前/滞后单元（1+α·T_I·S）/（1+T_I·S）组成的补偿控制单元13（如图1所示），并且对于方程（1）所示的外部扰动变化的控制算法，比例增益仍为K_P，那么在方程（2）中所示的对于目标值变化的控制算法，其比例增益就成为αK_P。因此，设定α，比例增益K_P能独立地进行调整，使得对于跟踪目标值和外界扰动抑制这两方面均能达到最佳特性状态。也就是说，仅对比例运算（P）具有两个自由度。

然而，在工业的需求中，当存在几百到几千个回路，要考虑到，如果只有比例常数P的运算为二个自由度，要使上述比例增益修正系数α在每一情况下都最优化是不可能的，因为，更确切地说，控制目标12的特性存在相当多的变量，即这特性多少要随控制目标12的增益、时间常数和延迟时间的变化而变化时。结果，α只能固定在用CH·R（Chien，Hrones，Reswich）方法的最佳值的附近。因而，通过固定这比例增益修正系数α，在比例、积分、微分控制的控制常数的设定中提供双自由度的好处（即依靠同时实现外界扰动抑制和目标值跟踪两个特性得以提高控制能力的好处）在实际工厂的应用中被减半了。

因此，使用通常的过程控制装置，存在着这样的问题，即提高控制能力的优点不能通过同时实现外界扰动抑制和目标值跟踪两个特征而充分地体现出来。

本发明的目的就是提高过程控制系统的控制能力。

本发明的另一目的在于使得同时调整外界扰动抑制特性和目标值跟踪特性成为可能。

根据本发明提供的一种系统可以达到上述目的，它通过将过程系统的输出控制量值调节到给定的目标值来控制该受外部扰动作用的过程系统。所述系统包括：计算控制量值和给定目标值之差的差值计算装置：根据控制常数（比例增益、积分时间、微分时间）执行比例、积分和微分控制作用中的比例和积分作用的主控制装置，所述控制常数调整到抑制外部扰动造成的控制值波动的第一状态，以及根据一个给定的、用来将主控制装置的控制常数等效f调整到对应于目标值变化的第二给定状态的修正系数执行补偿控制运算的补偿控制装置。

根据本发明的另一方面，上述目的由一种系统实现，它通过将过程系统输出的控制量值调节到一给定目标值来控制易受外界扰动作用的过程系统，该方法包括如下几步：计算控制量值和给定目标值间差值;根据控制常数（比例增益、积分时间和微分时间）执行比例、积分和微分控制作用中的至少包括比例和积分作用的主控制装置，该控制常数调整到抑制外部扰动造成的控制波动的第一状态;以及根据给定的用来将主控制装置的控制常数等效地调整到跟踪目标值变化的第二给定状态的修正系数执行补偿控制运算的补偿控制装置。

本发明的其它目的、特征和优点将从如下详细的描述中看清楚。然而应该明白，那些表示本发明一较佳实施例的详细描述和特别例子仅仅是用于说明，因此在本发明内容范围内的各种变化和改进对熟悉该领域内的人来说通过这详细的描述将变得很清楚。

按照下面包括附图的详细说明将对本发明更进一步了解并知道它的许多优点，其中：

图1是表示普通过程控制系统的框图;

图2和图3是解释本发明概念原理的梗概;

图4是表示根据本发明的一种过程控制系统的方框图;

图5、图6和图7是表示根据本发明的过程控制系统的其它实施例的方框图。

用CHR方法，如果控制目标特性符合方程（3）

Gp（S）＝KXE^-LS/（1+T·S）（3）

最佳控制常数（比例增益K_P，积分时间T_I，微分时间T_D）如图2所示。图2表示响应特性为“无超调，最小设定时间”的情况。

在上述方程（1）和（2）中，如K_P是为实现外界扰动抑制的最佳比例增益，K_P＊是为实现目标值跟踪的最佳比例增益，则

K_P＊＝α·K_P·

α＝K_P＊/K_P（4）

因此，α等于目标值跟踪的最佳比例增益与外界抑动扰制的最佳比例增益之比。

下面，从方程（4）和图（2），如我们对双自由度比例/积分/微分控制模型求比例增益修正系数α的话，情况如图3所示。尤其，比例增益修正系数α，在比例/积分（PI）-比例/积分（PI）控制的情况下是

α1＝K_P＊/K_P＝0.35T/KL/0.6T/KL＝0.58 （5）

而比例增益修正系数α在比例/积分（PI）-比例/积分/微分（PID）控制中是

α2＝K_P＊/K_P＝0.35T/KL0.95T/KL＝0.37 （6）

那就是，取决于微分计算的控制常数（微分时间T_D）是否为零。双自由度比例/积分/微分控制的比例增益修正系数α的值明显地不同。

由上述，可以实现通用型双自由度的比例/积分/微分控制装置，能要求对所有控制目标如流量、压力、水位、温度和成分进行控制，按照微分计算的控制常数（微分时间T_D）是否为零或非零，修正双自由度比例/积分/微分控制的补偿计算的比例增益修正系数α的值。

特别要指出，通常适于每一控制目标的双自由度比例/积分/微分控制的应用对象是：

比例积分、比例积分控制运用于

-流量、压力控制

比例积分、比例积分微分控制适用于

-温度、水位、成分控制，

然而，采用本发明的双自由度比例积分微分控制;要求调整的控制常数的数目实际上与单自由度比例积分微分控制的情况是一样的，所有控制目标的一个最佳控制特性以相同的灵敏度获得。

在上述思想基础上的本发明一个实施例参照附图描述如下：

图4是表示根据本发明的一个过程控制装置的设计的一个例子的功能框图。与图1相同的部分给出相同标号并且它们的描述也省略了，在此仅对两者不同部分进行描述。

具体地说，在图4中，除图1中有的以外，提供有参数设置单元15，一个判别单元17和一转换开关单元18。在参数设置单元15中，设定了比例增益修正系数α₁（＝0.58），同样也设定了比例增益修正系数α₂（＝0.37）。设定在不完全微分计算单元23的微分时间T_D供给判别单元17，该判别单元17在完成判别这微分时间T_D是零或非零以后输出一判别输出值。随着来自判别单元17的判别输出，通过转换开关单元18的转换作用，转换开关18将超前/滞后单元（1+α（T_D）·T_I·S）/（1+T₁·S）（构成补偿计算单元13）的系数α₁设定为比例增益修正系数α₂（已设定在参数设定单元15中）或比例增益修正系数α₁（已设定在参数设定单元15中）之中的一个或另一个。

当来自判别单元17的判别输出的“微分时间T_D是0”，它设定比例增益修正系数α₁，当这输出的“微分时间为非零”，它设定比例增益修正系数α₂。在构成如上述的双自由度比例积分微分控制过程控制装置中，首先，在控制目标12为流量或压力等情况下，设定在主要控制单元11的不完全微分计算单元23中的微分时间T_D变为0。结果，双自由度比例积分微分控制模型变为比例积分（PI）-比例积分（PI）控制，响应来自判制单元17的判别输出，转换开关18打到在图中实线所示的一侧（那微分时间T是0）。因此，作为超前/滞后单元（1+α（T_D）·T_I·S）/（1+T_I·S）的超前单元的系数α（T_D），参数设定单元15的比例增益修正系数α₁（＝0.58）作为最佳比例增益设定。因此，在这种情况下，对外界扰动变化控制算法的传递函数C_D（s）为：

C_S（S）＝MV/PV＝K_P[1+1/（T_I·S）（7）

而对目标值变化控制算法的传递函数C_S（S）为

C_S（S）＝MV/SV

＝（1+α1·T_I·S）/（1+T_I·S）

×K_P[1+1/（T_I·S）]

＝K_P[α1+1/（T_I·S）] （8）

相反，在控制目标12如为温度，水位或成分等情况下，设定在主要控制单元11的不完全微分计算单元23的微分时间T_D将为非零，正因如此，双自由度比例积分微分控制模型成为一个比例积分（PI）-比例积分微分（PID）控制，通过来自判别单元17的判别输出（微分时间T_D为非零）转换开关转到在图中虚线侧，用这种方法，作为构成补偿控制单元13的超前/滞后单元（1+α（T_D）·T_I·S）/（T_I·S）的超前单元的系数α（T_D），参数设定单元15的比例增益修正参数α₂（＝0.37）作为最佳比例增益设定。

因此，在这种情况下，外界扰动波动控制算法的传递函数C_D （S）成为C_D（S）＝MV/PV＝K_P[1+1/（T_I·S）] （9）

而目标值的变量的控制算法的传递函数成为

C_S（S）＝MV/SV＝（1+α₂·T₁·S）/（1+T₁·S）

×K_P[1+1/（T₁·S）]

＝K_P[α₂+1/（T₁·S）（10）

利用上述实施例，将双自由度参数即外界扰动抑制的最佳比例增益K_P修正为目标值跟踪的最佳比例增益K_P＊（＝α·K_P）的比例增益修正系数α（T_D）被修改为根据主控制单元11的不完全微分计算单元23的微分时间T_D是否为零来选择设定为α₁或α₂。所以将得到下述优点。

（a）无论双自由度比例积分微分控制模型是否是比例积分（PI）-比例积分（PI）控制，或比例积分（PI）-比例积分微分（PID）控制，最佳控制性总是能得到的，这是因为同时能实现外界扰动抑制和目标值跟踪两种特性。

（b）控制目标12可适用于所有控制对象如流量、压力、温度、水位或成分等的控制，因此具有普遍的工业应用。

（c）须调整的控制常数的数目与常用单自由度比例积分微分控制相同，运算也相同，因此同时能达到两种调整方法的统一，同时在控制能力方面取得较大提高。

本实施例的过程控制系统是通常适用的基本的具有很好响应特性的双自由度比例积分微分过程控制装置，它改进了控制系统的基础，取代了传统的单自由度比例积分微分控制或双自由度比例积分微分控制。将来，在工业控制的柔性和超导体应用等方面将有所发展，而且，由于导致了产品质量、数量或产品类型，或最佳性能方面的变化目标值和外界扰动的波动方面的变化将变得越加频繁。

为了适应这些发展，需要双自由度控制。提供以双自由度控制作为基础的本实施例的过程控制装置，设备工作性能能提高到它的极限，将对在工业领域内的发展作出可以预料到的贡献。

本发明并不限止于上述实施例，也可进行如下实施。

（a）在图4的上述实施例中，对所有控制系统来说是最基本的和必不可少的比例（P）操作就一双自由度过程控制装置进行了描述。然而本发明同样可以用于其中比例+积分（PI），操作是双自由度形式的过程控制装置。

图5是表示一种过程控制装置的设计的功能框图。与图4相同部分给出相同标号，其描述也省略了。下面仅对与图4不同的部分进行描述。因此，除图4已有部分之外，图5具有包括一初级滞后单元（β（T_D）/1+T₁·S））的补偿计算单元19，不完全微分计算单元20（T₁·S）/（1+T₁·S）;将补偿计算单元19的输出和计算单元20的输出进行差值运算的减法器27;设定积分时间修正参数β₁（＝0.1）和积分时间修正参数β₂（＝0.15）的参数设定单元22。由于它的对应于来自判别单元17的判别输出的转换作用，转换开关24将补偿计算单元19的延迟时间参数β（T_D）设定为设在参数设定单元22中的积分时间修正参数β₁或积分时间修正参数β₂中的一个或另一个，换句话说，如果来自判别单元17的判别输出是“微分时间是零”，则它就设定积分时间修正参数β₁，如这输出是“微分时间T_D是非零，它就设定积分时间修正参数β₂。

在本实施例中，在设定在主控制单元11的不完全微分计算单元23的微分时间是零这种情况中，双自由度比例积分微分控制模型变为比例积分（PI）-比例积分（PI）控制。因此，转换开关由于取决于判别单元17的判别输出（微分时间T_D是零）而放在图中实线处，这样，如构成补偿计算单元13的超前/滞后单元（1+α（T_D）·T₁·S）/（1+T₁·S）的滞后单元的参数α（T_D）一样，参数计算单元15的比例增益修正参数α₁（＝0.58）设定为最佳比例增益。同时，转换开关24响应判别单元17的判别输出（微分时间T_D为零）而放到图中实线处，因此设定构成补偿计算单元19的初级滞后单元（T₁·S）/（1+T₁·S）的滞后部分的参数β（T_D），使得参数设定单元22的积分时间修参数β₁（＝0.1）为最佳积分时间。

相反，当设定在主控制单元11的不完全微分计算单元23的微分时间为非零，则双自由度比例积分微分控制模式就成为比例积分（PI）-比例积分微分（PID）控制。因此，由于判别单元17的判别输出（微分时间T_D为非零），转换开关18放在图中虚线处，并且，和构成调整设定单元13的超前/滞后单元（1+α（T_D）·T₁·S）/（1+T₁·S）的超前单元的参数α（T_D）一样，参数设定单元15的比例增益修正系数α₂（＝0.37）设定为最佳比例增益;同时，由于判别单元17的判别输出（微分时间为非零），转换开关24放在图中虚线侧，这样和构成调整计算单元19的初级滞后单元（T₁·S）/（1+T₁·S）的滞后部分的参数β（T_D）一样，参数设定单元22的积分时间修正参数β₂（＝0.15）设定为最佳积分时间。

对于本实施例，将外界扰动抑制的最佳比例增益修正为目标值跟踪最佳比例增益的比例增益修正参数α（T_D）以及将外界扰动抑制最佳积分时间修正到目标值跟踪最佳积分的积分时间修正参数β（T_D）都是由根据主控制单元11的不完全微分时间计算单元23的微分时间是否为零，来选择设定为α₁、β₁或α₂、β₂的，这样与图4实施例相比益处更加多了。

（b）在上述图4实施例中，补偿控制单元13的比例增益修正参数α（T_D）是由根据主控制单元11的不完全微分计算单元23的微分时间是零或非零改变它们的设定α₁或α₂来进行修正的。然而本发明并不限制于此，如相同标号的部分所示，可应用一种结构，其中具有包含超前/滞后单元（1+α₁·T₁·S）/（1+T₁·S）和（1+α₂·T₁·S）/（1+T₁·S）的计算单元41和42，根据判别单元17根据微分时间T_D的有或没有的判别输出，由转换开关25选择两者中一个的输出。

（c）在图5所述上述实施例中，由根据主控制单元11的不完全微分计算单元23的微分时间是零或非零，选择设定为α₁和β₁或α₂和β₂来修正调整控制单元13的比例增益修正参数α（T_D）和积分时间修正参数β（T_D）。然而，本发明并不局限于此，如图7所示，其中与图5和图6所示部分给出相同标号，可采用一种结构，其中具有包含超前/滞后单元（1+α₁·T₁·S）/（1+T₁·S）和（1+α₂·T_I·S）/（1+T₁·S）的补偿计算单元41和42和包含初级滞后单元（β₁）/（1+T₁·S）和（β₂）/（1+T₁·S）的调整计算单元91和92，由判别单元17根据微分时间T_D的有或没有的判别输出，由转换开关25和26分别选择两者中一个作为输出。

（d）在上述所有实施例中，在响应特征为无“无超调，最小设定时间”的情况下，比例增益修正参数选为α₁＝0.58和α₂＝0.37。然而，本发明并不局限于此，例如，在响应特性为“20%超调最小设定时间”的情况下，比例增益修正参数可选为α₁＝0.88，α₂＝0.5，那就是，如上述的比例增益修正参数的值根据上述响应特征而不同。然而，无论哪种情况，α₁和α₂间差别不很大，所以α₁和α₂间转换绝对不会很大。

Claims

1、一种通过将由过程系统输出的控制量值调节到一给定目标值控制一易受外界干扰的过程系统的控制系统，包括：

计算控制量值和给定目标值之差的差值计算装置；

根据包括比例增益、积分时间和微分时间的控制常数至少执行比例、积分和微分控制运算中的比例积分运算的主控制装置，该控制常数被调整到可抑制外部扰动所造成的控制波动的第一给定状态；

根据给定的修正系数执行补偿控制运算以便将主控制装置的控制常数调整到对应于目标值变化的第二给定状态的补偿控制装置；

其特征在于：上述补偿控制装置包括判别微分控制运算的控制常数是零或非零的判别装置，根据一给定增益修正系数执行所述补偿控制运算并将主控制装置的控制常数等效地调整到对应目标值变化的第二给定状态的主补偿控制装置，以及根据上述判别微分控制运算的控制常数是零或非零的判别装置，在主补偿控制装置中设定给定的增益修正系数的参数设定装置。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于：上述参数设定装置包括设定多个给定增益修正系数的装置及，根据上述判别装置判别到的上述微分控制运算的控制常数是零或非零选择多个给定增益修正参数中一个的转换开关装置。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于：上述补偿控制装置包括判别微分控制运算的控制常数是零或非零的判别装置;根据给定增益修正系数和给定积分时间修正系数执行所述补偿控制并使主控制装置的控制常数等效调整到对应于目标值变化的第三给定状态的主补偿控制装置;以及根据上述判别装置判别的上述微分控制运算的上述控制常数是零或非零，在上述补偿控制装置中设定给定的增益修正系数和给定积分时间修正系数的参数设定装置。

4、如权利要求3所述的系统，其特征在于：上述参数设定装置包括设定多个给定增益修正系数和多个给定积分时间系数的装置，及根据所述判别装置判别到上述微分控制运算的上述控制常数是零或非零，从上述多个给定增益修正系数和多个给定积分时间修正系数中各选择一个的开关装置。

5、一种通过调节过程系统输出控制量值为给定目标值来控制受外界干扰的调节系统的方法，包括如下步骤：

计算控制量值和给定目标值之差，

根据包括比例增益、积分时间和微分时间的控制常数至少执行比例、积分和微分控制运算中的比例和积分运算，并且该控制常数调整到可抑制外部扰动所造成的控制波动的第一给定状态;

执行将控制常数调整到相应于目标值变化的第二给定状态的补偿控制运算;

其特征在于：完成补偿控制运算的步骤包括判别微分控制运算的控制常数是零或非零的步骤，及执行补偿控制运算将控制常数调整到相应于目标值变化的第二给定状态的步骤，还包括根据微分控制运算的控制常数被判定为零或非零设定给定的增益修正系数的步骤。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于：设定步骤包括根据微分控制运算的控制常数判定为零或非零的设定多个给定增益修正系数并从多个给定增益修正系数中选择一个的子步骤。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于：执行补偿控制运算的步骤包括确定微分控制运算的控制常数是零或非零的步骤，并且执行补偿控制运算的步骤包括选择一给定增益修正系数和一给定积分时间修正系数，并将控制常数调节到对应于目标值变化的第三给定状态，并根据微分控制运算的控制常数被判定为零或非零设定给定的增益修正系数和给定的积分时间修正系数。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：设定步骤包括设定多个给定增益修正系数和多个给定积分时间修正系数，以及根据微分控制运算的控制常数被判定是零或非零从该多个给定增益修正系数中和多个给定积分时间修正系数中各选择一个的子步骤。