CN1036278A - 比例积分微分控制器系统 - Google Patents

Abstract

一种PID控制器系统包括用PID控制为被控 对象设置的处理单元的PID控制器，和响应于PID 控制器的操作变量和处理单元的控制变量以得到必 须的性能指标，并根据性能指标，为把实际控制变量 转换到控制指令值准备最佳控制参数的自动调整器， 该最佳控制系数从自动调整器反馈到PID控制器。

Description

本发明涉及反馈控制中的比例积分微分控制器，尤其涉及其中控制参数能自动执行的比例积分微分控制器系统。

本发明还涉及能自动设定PID控制参数的系统，该参数能够用在空转时间对时间常数的比例较大的处理过程，这些处理例如可以是：锅炉中的燃烧控制和温度控制，化学和一般工业中的PH中性以及流量控制。

过去，比例积分微分（PID）控制器中的PID控制参数的调节是由操作者手动执行的，操作过程中，操作者观察各种控制变量的各种变化。这样引起了一个问题;即是调节工作变得很费时，并且调节结果会受到操作者个人情况的不同的影响。

另一方面，根据控制理论提出了各种系统，其中包括给被控制对象加上一设定检测信号以设定可控制对象的动态特性，并且根据设定结果控制参数被调节到最佳值。然而，在这些提议中，可以预料到因为由于用了设定测试信号，控制变量发生波动，从而使质量下降或者特别是在高度非线性的设备中将会发生不利的反常状态。此外，除非控制对象的动态特性每变动一次，设定检测也随之改变，控制参数的最佳值就不能达到，这样会导致麻烦的处理过程。

正如1986年11月份的“巧妙的自调控制器”《测量技术》第66～72中所描述的，揭示了一种试探性的方法（巧妙的方法）。其中控制参数的调节是考虑了各种控制变量的响应的形状而执行的。根据该方法，实际响应形状与多个事先准备好的基本响应形状相比较，从而从多个调节规则中选出最佳规则以根据实际响应形状或其渐变趋向，得到一个相匹配的基本响应形状，这样PID控制参数可被修正。这种方法中的不利地方是，可以预料到调节规则的数目增加了，导致了存贮容量的增大。

例如，如1986年11月的“根据经验方法PID自调节”《测量技术》第52页到第59页中描述的就是与该种方法相关的。

在建立一种把可控制的对象例如处理和为控制对象的PID控制器结合起来的装置的时候，通常把在对应于输入信号到处理逐渐改变的控制变量过程中出现的处理变量的时间响应被以空载时间特性和基本时间延迟特性所设定，并且PID控制参数将根据这些特性中的处理增量K，空转时间L和时间常数T而调整到最佳值。这种基于阶跃响应的PID控制参数的最佳调整的方法包括：齐格勒-尼库尔斯（Ziegler-Nichols）（ZN）方法和齐恩-霍恩-来思维克（CHR）（Chein-Hrones-Reswick）方法。这些方法简化了计算但是有以下缺点。例如：当PID控制参数按照ZN方法调整时，对于具有空转时间和第二时间延迟特性的可控对象来说，当指令值作单位阶跃变化时控制响应的变化如图1A的L/T＝0.14和图IB的L/T＝1.0所示。再说，当PID控制参数按照CHR方法调整时，当指令值作单位阶跃变化时控制响应的变化如图3A的L/T＝0.14和图3B的L/T＝1以及图3C的L/T＝5所示。这样，在ZN方法中，控制响应在L/T＝1处就偏离稳定限值，在CHR方法中，控制响应在L/T＝5处发生脉动。由此可以看出，对于L/T有较大值时，上述二种方法的任何一种都不能完现最佳控制。

在另一方面，如PID控制参数的调整的通用方法，在例如“根据可控物体的部分认识的控制系统的设计方法”仪器和控制工程师学会的会刊，1979年8月第5卷第4册，549页/555页所描述的部分模型匹配法。

下面将简要说明部分模型匹配法的要点。实现部分模型匹配法的装置被以框图形式如图2所示：参见该图2，标号1表示PID控制器，标号2表示对应于被控制对象的处理单元，7表示把处理的转换函数Gp（s）置值的处理设定装置，11表示为确定PID控制器的转换函数Gp（s）中的控制参数最佳值的控制参数确定器。

根据部分模型匹配法，PID控制器1的控制参数被这样确定，致使包括指令值SV和控制变量PV的闭环转换函数W（S）与表示控制变量PV理想响应的参考标型的转换函数Gm（s，σ）相一致，其中s是拉普拉斯算符，而σ是时间刻度系数。由处理设定装置7得到的处理过程1的转换函数Gp（s）由下式表示：

$\mathrm{Gp(S)=}\frac{1}{g_o{\mathrm{+g}}_{\mathrm{ls}}{\mathrm{+g}}_{\mathrm{2s}}{}^2{\mathrm{+g}}_{\mathrm{3s}}{}^3\mathrm{+\dots }}\mathrm{\dots \; (1)}$

PID控制器1的转换函数Gc（s）具有以下形式：

Gc（S）＝Kp（1+ (l)/(Ti.s) +T_D·s） …（2.1）

＝ (Kp)/(Ti.s) （1+Ti·s+Ti·T² _DS） …（2.2）

其中Kp，Ti和T_D是控制参数，它们分别被称作比例增益，积分时间和微分时间。

因此，闭环转换函数W（s）可由下式表示：

W（s）＝ (Gc（s）·Gp（s）)/(1+Gc（s）·Gp（s）) …（3）

参考模型的转换函数Gm（s，σ）可由下式给出：

式中α₂，α₃，α₄……是与响应波形相关的常数。

通过把等式（3）与（4）对应起来，PID控制器的转换函数Gc（s）简化成：Gc（s）＝ (Gm（s·σ）)/(Gp（s）｛1-Gm（s·σ）｝)

用等式（5）中的分母除以分子，得出

$\mathrm{+｛}\frac{g_3}{g_o}{\mathrm{-\; a}}_2\frac{g_2}{g_o}{\mathrm{\sigma \; +(a}}_2{}^2{\mathrm{-a}}_3)\frac{g_1}{g_o}{\sigma }^2$

${\mathrm{+(\; 2}}_{\mathrm{a\; 2\; a\; 3}}\mathrm{-a}{}_2{}^3{\mathrm{-a}}_4\mathrm{)\; \sigma }{}^3\mathrm{)s}{}^3\mathrm{｝+\; \dots \; 〕\; (6)}$

考虑到等式（1）等于等式（2.2），可得出下列等式：

$\frac{\mathrm{Kp}}{\mathrm{Ti}}=\frac{g_O}{\sigma }\mathrm{\dots (7)Ti=}\frac{g_1}{g_O}{\mathrm{-\; a}}^2\mathrm{·\; \sigma \; \dots (8)}$

${\mathrm{Ti\; ·T}}_D=\frac{g_2}{g_O}{\mathrm{-\; a}}^2\frac{g_1}{g_O}{\mathrm{\sigma \; +(a}}_2{}^2{\mathrm{-a}}_3\mathrm{)\; \sigma }{}^2\mathrm{\dots (9)\; 0=}\frac{g_3}{g_O}\mathrm{-\; a2}\frac{g_2}{g_O}{\mathrm{\sigma \; +(a}}_2{}^2{\mathrm{-a}}_3)\frac{g_1}{g_O}{\sigma }^2$

${\mathrm{+(2}}_{\mathrm{a2a3}}\mathrm{-a}{}_2{}^3{\mathrm{-a}}_4\mathrm{)\; \sigma }{}^3\mathrm{\dots (10)}$

从等式（10），确定出σ的正最小实根，它被代入等式（8）中以使确定Ti，这样的确定出的正最小实根和Ti被代到等式（7）和（9）中以使决定Kp到T_D。根据该方法，闭环转换函数W（s）和等式（4）的参数模型Gm（s，σ）的相一致一直进行直到等式（4）中的S的四次幂。

由于如等式（10）所示的三次等式解决了决定σ的问题，该方法需要复杂的计算，这些计算对于微机运算是不合适的。

本发明力图解决上述已有技术中的问题，并且提供一个PID控制器系统，其中由操作者完成的调整工作能被大量地减少以防止调整结果，被各个操作都的个性所影响，控制参数的最佳调整不必采用将会干扰控制对象的设定信号，并且在控制对象的动态特性方面的变化能被迅速检测而不必依靠任何手工操作，而总能保持最佳的控制特性。

本发明的另一个目的是提供一种PID控制系统，该系统即使对于具有大的空载时间与时间常数之比的处理过程也能获得极好的控制特性，并且能根据相当简单的运算决定PID控制参数的最佳值以保证PID控制器系统即使通过小容量的计算单元例如微机也能进行运算。

根据本发明，上述第一个目的可由一个PID控制器系统完成，该系统包括：观察当指令变化或终端干扰时出现的控制可变响应形状以决定必须的性能指标的控制可变响应形状识别装置，通过模糊理论定性地估算性能指标以推算或估算PID控制参数的修正值的控制参数修正装置，以及当性能指标超出使控制参数修正装置其范围内时使控制参数修正装置运行的控制决定装置。

至于实现第二个目的，根据惯用的部分模型匹配法的观察是难以解决为获得决定时间刻度系数所必须的根所具有的三次方等式的，现已发现被空转时间和初始延迟时间特性所设定的可控对象可由一多级时间延迟特性来近似，对于指令值借助把控制变量的闭环转换函数与参照模型的转换函数对应起来，所确定的时间刻度系数就能被空转时间的线性方程所近似。

通过借助近似的结果，PID控制参数的最佳值可用对应于处理过程的增益，空转时间和时间常数组成的函数来表示，并且利用特定关系来决定。

图1A和1B表示了当具有空转时间和第二时间延迟特性的可控物体在惯用的PID控制器中借助改变指令值的阶跃形式来加以控制所得到的控制响应的已有技术的例子的图形，其中PID控制参数用惯用的ZN方法来决定，图1A为L/T＝0.14，而图1B为L/T＝1的;

图2是根据部分模型匹配法来实现控制已有技术装置的方框图;

图3A、3B、3C是表明当具有空转时间和第二时间延迟特性的可控物体在惯用的PID控制器中借助改变指令值的阶跃形式来加以控制时得到的控制响应的已有技术例子的图形，其中PID控制参数是以惯用的CHR方法决定的，图3A说明L/T＝0.14，图3B说明L/T＝1，图3C为L/T＝5;

图4是根据本发明的第一实施说明PID控制器系统的方框图;

图5A和5B是分别说明测量过冲量的组成函数和测量阻尼比的组成函数的示意图，这些组成函数被用在图4所示的实施例中;

图6是说明调整规则的例子;

图7是用于控制参数修正系数的组成函数的示意图;

图8是用于说明决定控制参数修正系数方法的示意图;

图9是说明自动调整功能步骤的流程图;

图10是说明根据本发明的自动调整结果的示意图;

图11是说明根据本发明的第二实施例的PID控制器系统的方框图;

图12A和12B是分别说明当指令值阶跃形式变化时所得到的控制可变响应形状和当加上外部阶跃拨动时所得到的控制可变响应形状的示意图;

图13A、13B和13C是分别说明测量超调量的组成函数，测量阻尼率的组成函数和测量周期的组成函数的示意图;

图14是表示用于组成函数的各种形式的调整规则的一个例子的示意图;

图15是表示控制参数修正系数的组成函数的示意图;

图16是用于说明决定控制参数修正系数的方式的图解表方法;

图17是另一个自动调节功能的步骤的流程图;

图18A是说明在初始控制响应形状中出现的较大过冲量和振荡时自动调整响应的示意图;

图18B是说明在初始控制响应形状中出现的过阻尼时的自动调整响应的示意图;

图19是说明根据本发明的另一实施例的PID控制器系统的方框示意图;

图20是说明当PID控制参数被决定时应用部分模型匹配法对于具有空载时间和初始时间延迟特性的可控对象怎样把L/T和σ/T与各种参照模型相联系的示意图;

图21A、21B和21C是分别说明当空载时间和第二时间延迟特性在L/T＝0.4，L/T＝1和L/T＝5条件下通过改变指令数值的阶跃形式所得到的控制响应的示意图。

下面将参照附图，通过例子对本发明进行说明。

如图4方框图所示，根据本发明的第一实施例的PID控制器系统包括PID控制器1，被控对象2以及自动调整器3。

该PID控制器1执行由比较指令值SV和控制变量PV所得到的控制差量e的PID计算，并产生加到被控对象2上的作为处理量MV的PID的运算结果。自动调整器3包括控制变量响应形状识别装置4，控制判定装置5和控制参数修正器6，该控制参数修正器6包括控制参数修正系数判断器6a，调整规则器6b和控制参数调整值计算器6e。

下面详细说明上述各个元件，控制可变响应形状识别装置4观察或检查指令值SV和控制变量PV，并在控制变量PV转换成指令值SV后当控制差量e超过预定值时开始观察控制变量响应。在开始观察的同时，识别装置4恢复（retrieve）PV的特殊值并当控制变量PV转变到指令值SV时停止观察，接着识别装置4根据得到的多个绝对值和指令值SV的宽度改变计算过冲量和阻尼比。

当没有控制变量PV的绝对值时，设定负伪值。如果所得的一过冲量和阻尼比分别在其允许范围内控制判定器5决定控制参数为最佳值，并结束调整。如果过冲和阻尼比率中的任一个不在其允许范围以内，判定器5触发控制参数修正器6。

下面根据失真理论方法来说明控制参数修正系数判断器6a，为了定性地估算过冲量数值和阻尼率幅度，确定了如图5A和5B的组成函数。在图5A和5B中，E（i）（i＝1～5）和D（i）（其中i＝1～3）是为规定组成函数形状的常数，PB、ZE和NB是根据定性估算幅度观点的指定到组成函数的名称。这些名字具有以下意义：

PB：正向大

ZE：零

NB：负向大

在这些附图中，座标表示代表定量等级的组成值G，图6中的标记是用组成函数表示由多个准备好的控制变量响应形状的PID控制系统的调整整规则器6b的调整规则的例子。

例如，参见规则1，该规则的意思是“如果E是PB而D是PB，则CKP是NB，CTD是PB而CTD是PB“如果语句”被称为条件语句而“则语句”被称为结果句，其中E是过冲量值的修正系数，D是阻尼率的修正系数，CKP是比例增益的修正系数，CTI是积分时间的修正系数，并且CTD是微分时间的修正系数。图7是说明用于把定性决定的控制参数修正系数转变成定量值的组成函数示意图。在图7中，C（i）（其中i＝125）是规定组成函数形状的常数，PB、ZE和NB是根据定性表示控制参数修正系数幅度的观点指配给组成函数的名称，它们对应于图5A和5B中的名称，并且座标表示组成值。

例如，下面，参考规则1和2的应用情况，说明确定控制参数修正系数的方法。特别注意图8，它说明了根据模糊原理方法确定比例增益的修正系数CKP的方法。利用如图5A和5B所示的各组成函数来确定来自控制可变响应形状识别装置4的过冲E_o和阻尼率D_o量值的定性的程度。在规则1中，E_o是Gep，D_o是Gdp，在规则2中E是Gep而D_o是Gdz，一个相乘（最小值）计算在各个规则内进行以决定每条规则的适用性，对规则1是Gep而对规则2是Gde。接着，包含在每条规则的结论语句中的组成函数被每条规则的适应性所加权，被加权的组成函数进行累加（最大值）计算，累加计算的结果的梯度中心值被判定作为比例增益修正系数的输出值CKP。积分时间修正系数CTI和微分时间修正系数CTD的输出值可按相似的方法决定。

控制参数调整值计算器6c把得到的PID控制参数修正系数和PID控制参数的现行值相乘以确定现行调整值。

图9说明了在自动调整器3中的处理步骤的流程图。在步骤10中，在一个预定周期处，SV和PV被输入，并且每次SV和PV被输入时，自动调节器3的处理状态的状态标记在第11步中决定。“0”的状态标记表示了监视或监督控制响应的状态，“1”的状态标记表示了观察或估算控制响应的状态，“2”的状态标记表示了计算控制参数的状态。对于“D”的状态标记，在第12步中将判定控制差值是否超过预定值，如果控制差值超过预定值，则在第13步中状态标记被置“1”，并且步骤进入到控制响应观察状态。如果控制差值没有超过预定值，则将保持控制响应的监督状态。如果在第11步中状态标记被判定为“1”，PV的极值PV在第14步中被恢复（retrieve）。该处理对于每个PV输入值所进行，并且直到在第15步中判定PV已被转换到5V为止（观察结果）。在观察结束后，特性指标（过冲量和阻尼率）在第16步中通过用14步中恢复（retrieve）的极值的结果来判定，在第17步中状态标记被置“2”并且步骤进入到控制参数计算状态。上述流程处理的说明对应了控制响应形状识别装置4的运行过程。

如果在第11步中状态标记是“2”，则在第18步中通过根据在16步中判定的特性指标是否在允许范围之内的结论来判定观察到的控制响应是否最佳。这一处理对应于控制判别器5的工作情况。只有在控制响应不是最佳的情况下，则控制参数的修正系数将在第19步中被判定，以及控制参数的调整值将在第20步中被判定，这样得到的控制参数调整值被用于PID控制器1中的控制计算。步骤16对应于控制参数修正系数推断器6a和调整规则器6b的工作情况，步骤20对应于控制参数调整值计算器6c的工作情况，当在第18步中控制响应被判定为最佳，并且处理在第20步中结束时，则状态标记在第21步被复位到“0”，并且步骤回到控制响应监督状态。

本实施例的PID控制器系统是对具有第二时间延迟特性和空转时间特性的可控对象而运行的，产生的结果如图10所示。特别地，当指令值SV变化时所得到的控制变量的时间响应如图10所示当SV开始阶跃式改变时，PV的起始控制响应跟随着SV的改变，其过冲量E为50%，而阻尼率D是0.6，此后对应于SV的二次阶跃改变的二次跟踪尾迹的观察结果所得到的特性指标（过冲量和阻尼率）能落在特性指标的预定允许范围以内，表明得到最佳调整，因此，调整在第三次跟踪尾迹上结束。

如上所述，控制参数的自动调整可以通过较小数目的调整规则而达到。

尽管为了说明的目的，所有组成函数是以三角形型式，但它们并不局限于此，它们可以用矩形特性曲线或者指数曲线来实现而不影响本发明的实质。此外，如果需要可设定组成函数的数目。

参见附图11至图18A和18B，下面将说明根据本发明的第二个实施例的PID控制器系统。本实施例与结合图4到10所作的第一个实施例的不同之处在于除了过冲量和阻尼比外，周期比是被用作为一个控制参数。由于如图11的方框构成形式实质上等同于图4所示的第一实施例，仅除了前者是把周期比作为一个附加的观察参数来修正的，图4所示的参考标号加上一点来表示对应于图4的框图或元件的图11的框图或元件。下面将说明观察和控制的实际执行情况。

控制可变量响应形状识别器4′总是检查指令值SV和控制变量PV，并在开始变量PV已经转换到指令值SV后当控制差值e超过预定值时开始观察控制可变响应。同时在观察开始时，识别装置4′恢复控制变量PV的极值，并当控制变量转换到指令值SV时结束观察。接首，识别装置4′根据所得的多个极值和极值发生的次数计算过冲量阻尼率和周期比，这些控制参数的确定方法将结合附图12A和12B作说明，图12A特别地说明了当指令值SV在t₀时刻阶跃从Y₀变化到Y₁时所得到的控制变量PV的时间响应的例子，表明了在时刻t₁，t₂和t₃时出现的极值X₁，X₂和X₃，并且在时刻t₄时调整结束。过冲量值E，阻尼率D和周期T如下给出：

E＝（X₁-Y₁）/（Y₁-Y₀）

D＝（X₃-Y₂）/（X₁-X₂）

T＝t₃-t₁

因此，已知周期T₁的先前值，周期率R可如下表示：

R＝T₁/T

图12B特别说明了当终端干扰加到指令值保持在Y₀上的控制对象的输入端时所得到的控制变量PV的时间响应的例子，表明了在t₁，t₂，t₃和t₄时刻的绝对值X₁，X₂，X₃和X₄，以及在t₅时刻调整结束，过冲量值E，阻尼率D和周期T可由下式给出：

E＝（Y₀-Y₂）/（X₁-X₀）

D＝（X₃-X₄）/（X₃-X₂）

T＝t₄-t₂

如果在指令值改变时在控制可变响应形状中没有极值出现或者，当终端干扰加上时没有第二次出现极值，则过冲量被置以负值，并且周期被置位到零。如果在控制可变响应形状中仅有一个极值出现以响应指令值变化，或者在控制可变响应形状中只出现二个极值以响应终端干扰;则参照于调整时间的时间差值被用作为周期。

控制判断器5′在判别所得到的过冲量和阻尼率分别在其允许的范围以内时，控制参数为最佳值并结束调整，如果过冲量和阻尼率中的任一个不在其允许范围以内，则判断器5′触发控制参数修正器6′。

下面将根据模糊理论方法说明控制参数修正系数推断器6a′。为了定性地估算过冲量的数值和阻尼率的幅度以及期周比，规定了如图13A，13B，13C所示的组成函数。在图13A到13C中，E（i）（其中i＝1～5），D（i）（其中i＝1～3）和R（i）（其中i＝1～3）是规定组成函数形状的常数，而PB，PM，ZE和NB是根据定性估算幅度的观点而指定给组成函数的名称。在第一个实施例的情况下，这些名称是有以下意义：

PB：正向大

PM：正向中等

ZE：零

NB：负向大

在这些图中，座标表示组成值G，它代表了定性的量度。

图14中的标号是为PID控制参数所用的调整规则器66′的调整规则的一个例子，PID控制参数为采用组成函数准备好的各种控制可变响应形状所规定的。

例如，参见第2条规则，该规则具有的意思是：“如果E是PB，D是PM并且R是PR，则CKP是NR，CTI是NB以及CTD是ZE”“如果语句”被称为条件语句，而“则语句”被称为结论语句，其中E是过冲量的修正系数，D是阻尼率的修正系数，R是周期率的修正系数，CKP是比例增益的修正系数，CTI是积分时间的修正系数，而CTD是微分时间的修正系数。图15示出了用于把定性确定的控制参数修正系数转换成定量值的组成函数。在图15中，C（i）（其中i＝1～5）是用来规定组成函数的形状的常数，PB，ZE和NB是根据定性表示控制参数修正系数幅度的观点来表示指定（分配）给组成函数的名称，它们对应于图13A，13B和13C中所用的名称，座标表示组成值。

例如，考虑利用规则2和3的情况，下面将说明判定控制参数修正系数的方法。特别参见附图16，它说明了根据模糊理论方法的判定比例增益的修正系数CKP的方法，来自控制可变形状识别装置4′和过冲量E_o，阻尼率D_o和周期率R_o的定性量度分别被图13A，13B和13C所示的组成函数所确定。在规则2中，E_o是Gep，D_o是Gdm，R_o是Grp，而在规则3中，E_o是Gep，D_o是Gdm，R_o是Grz，乘积（最小值）计算在各自的规则内进行，以确定每个规则的适用性，每个规则对于规则2来说是Grp，而对于规则3则是Grz，接着，包含在每条规则的结论语句中的组成函数被每条规则的适用性所加权，被加权后的组成函数须要进行累加运算（最大值），累加计算结果的梯度中心值被确定为比例增益修正系数Kpo的输出值，积分时间修正系数T₁和微分时间修正系数CTD的输出值可按同样方法确定。

控制参数调整值计算器6c′把得到的PID控制参数修正系数和PID控制系数的现行值相乘以确定现在调整值。

图17是在自动调整器3′中的处理步骤的流程图。

图17示出了在自动调整器3′中的处理步骤的流程示意图。在第10′步中，在预定周期上SV和PV被输入，并且在SV和PV每次被输入的时刻，能够表明自动调整器3′的处理状态的状态标记在第11′步中决定，状态标记“0”表示了监视或监督控制响应的状态，“1”的状态标记表示观察或估算控制响应的状态，“Z”的状态标记表示计算控制参数的状态，对于状态标记为“0”的情况，在第12′步中将判断控制差值是否超过预定值，如果控制差值超过预定值，状态标记在第13′步中被置“1”，程序进入到控制响应观察状态。如果控制差值没有超过预定值，控制响应监督状态将被保持。如果在第11′步中状态标记被判断为“1”，则在第14′步中PV的极值被恢复。这样的处理对于每次PV输入值都进行，直到在第15′步中被判定为PV已转换到SV为止（观察结束）。在观察结束的情况下，特性指标（超调量和阻尼率）在第16′步中将利用在第14′步已恢复的极值的结果来判断，在第17′中，状态标记被置“2”，处理程序进入到控制参数计算状态，以上说明处理程序对应于控制响应形状识别装置4′的工作过程。

如果在第11′步中状态标记被判别为“2”，则在第18′中通过利用在第16′中所判断的特性指标是否在其允许的范围以内的结果来决定观察到的控制响应是否为最佳值。该处理过程对应于控制判断器5′的工作过程，只有在控制响应不是最佳的情况下，控制参数的修正系数在第19′中被判定，并且在第20′步中控制参数的调整值将被确定，这样得到的控制参数调整值将被用于PID控制器1中的控制计算，第16′步对应于控制参数修正系数推断器6a′和调整规则器6b′的工作过程，第20′步对应于控制参数调整值计算器6c′的工作情况。当在第18′步中控制响应被判别为最佳，并在第20′步中的处理结束时，状态标记在21′步中被复位到“0”，而处理步骤回到控制响应的监督状态。

本实施例的PID控制器系统对于具有第二时间延迟和空转时间特性的可控对象进行控制，所产生的结果如图18A和18B所示。特别地，当指令值SV改变时获得的控制变量PV的时间响应如图18A所示，它表示了初始控制响应的超调量值E是50%而阻尼率为0.6的一个例子，图18B表明了初始控制响应在过阻民情况下的一个例子。可以理解到，在这些例子的任何一个中，最佳的调整可以通过二个跟踪尾迹达到。

如上所述，根据本发明的第二个实施例，不仅可用小数目的调整规则能达到控制参数的自动调整，而且可以根据周期比通过估算控制变量达到快速响应调节。控制可变量响应形状识别装置还可用作第四特性指标，一个对应于上述控制变量的上升时间的控制变量，第一次极值出现时间的先前值和现行值之间的比例，或者控制变量的调整时间的先前值和现行值之间的比例，控制参数修正器6′可用三角形式的组成函数，但是组成函数的形式并不局限于此，它可以是矩形曲线或指数曲线而不影响本发明的实质。此外，可根据需要来设定组成函数的数目。

参见附图19和其图形，下面将说明根据本发明的另一实施例的PID控制器系统。正如图19所示的，本实施例的PID控制器系统包括一个PID控制器1，一个对被控对象进行处理的处理单元2，一个自动调整器“3”，它包括处理设定器7，比例增益计算器8、积分时间计算器9以及微分时间计算器10。

图19所示的实施例特别适合于在设备起始阶段把PID控制器1的控制参数设定在最佳值上。处理设定器7的空转时间/初始时间延迟特性来设定处理单元2的动态特性，并根据空转时间和主时间延迟特性判定处理的增益K，空转时间L和时间常数T。比例增益计算器8判定比例增益K_D，把它作为从处理设定器7处理获得的增益K、空转时间L和时间常数T的函数，积分时间计算器9确定积分时间T_I，并把它作为来自处理设定器7的空转时间L和时间常数T的函数，微分时间计算器10判定微分时间T_D，并把它作为来自处理设定器7的空转时间L和时间常数的函数。

计算器8，9，10使本发明的实施例具有特色并根据下述理论进行计算。

由处理设定器7设定的空转时间/初始时间延迟特性Gp（S）如下所示

$\mathrm{G\; p(s)\; =}\frac{{\mathrm{K\; ·e}}^{\mathrm{-LS}}}{\mathrm{1+T\; ·\; S}}\mathrm{\dots \; (11)}$

等式（11）的空转时间转换函数可由麦克劳林展开式进行展开并简化成：

$\mathrm{Gp}\left(s\right)=\frac{1}{\frac{1}{K}+\frac{L+T}{K}s+\frac{L^2/2+\mathrm{LT}}{K}{S}^2+\frac{L^3/6+L^{2}T/2}{K}{s}^3+\·\·\·}/---\left(12\right)$

通过对等式（12）的处理动态特性应用部分模型匹配法，可从等式（7）到（10）得到以下结果：

(Kp)/(Ti) ＝ 1/(K·σ) …（13）

Ti＝L+T-α_2σ…（14）

${\mathrm{Ti\; ·T}}_D=\frac{L^2}{2}{\mathrm{+LT\; -a}}_2\mathrm{(L+T)\; \sigma \; +(a}{}_2{}^2{\mathrm{-a}}_3\mathrm{)\; \sigma }{}^2\mathrm{\dots (15)}$

$0=\frac{L_3}{6}+\frac{L_2}{2}T-a_2(\frac{L_2}{2}+\mathrm{LT})\mathrm{\σ}$ $+({a_2}^2-a_3)(L+T){\mathrm{\σ}}^2$ $+(2_{a2a3}-{a_2}^3-a_4){\mathrm{\σ}}^3/---\left(16\right)$

除非在等式（16）中存在σ的正实根，否则部分模型匹配法不能对等式（4）所表示的指令控制响应作处理。

接着，时间比L/T对时间常数和时间刻度系数比σ/T对时间系数之间的关系被利用各种参照模型作为系数进行检查以获得如图20所示的结果，检查中所用的参照模型的转换函数如下所示：

（1）Kitamori模型

$\mathrm{Gm(s\; ·\sigma \; )=}\frac{1}{{\mathrm{1+\; \sigma \; s+0.5(\sigma s)}}^2{\mathrm{+0.15(\; \sigma s\; )}}^3{\mathrm{+0.03(\sigma s\; )}}^4}\mathrm{\dots (17)}$

（2）Butter    wooth模型

$\mathrm{Gm(s\; ·\sigma \; )=}\frac{1}{{\mathrm{1+\; \sigma \; s+0.503(\sigma s)}}^2{\mathrm{+0.1479(\; \sigma s\; )}}^3{\mathrm{+0.02188(\sigma s\; )}}^4}\mathrm{\dots (18)}$

（3）Biromial模型

$\mathrm{Gm(s\; ·\sigma \; )=}\frac{1}{{\mathrm{1+\; \sigma \; s+0.375(\sigma s)}}^2{\mathrm{+0.0625(\; \sigma s\; )}}^3{\mathrm{+0.003906(\sigma s\; )}}^4}\mathrm{\dots (19)}$

（4）ITAE最小模型

$\mathrm{Gm(s\; ·\sigma \; )=}\frac{1}{{\mathrm{1+\; \sigma \; s+0.4664(\sigma s)}}^2{\mathrm{+0.1067(\; \sigma s\; )}}^3{\mathrm{+0.01882(\sigma s\; )}}^4}\mathrm{\dots (20)}$

变量σ对应于控制响应的上升时间，它将随L增加而增加。这样，通过研究图20，可以理解到Kitamori模型被用作参考模型，可在L/T从0到10的宽范围内得到σ/T的合理的值。该σ/T可由下式近似：

(σ)/(T) ＝1.37· (L)/(T) …（21）

从等式（21）可以看出，时间刻度系数减小到：

σ＝1.37·L    …（22）

接着，把等式（22）代替到等式（13）到（15）中，比例增益Kp，积分时间Ti和微分时间T_D可确定为如下形式：

Kp＝ (0.215L+T)/(1.37K·L) …（23）

Ti＝0.315L+T    …（24）

T_D= (0.315L·T+0.003L²)/(0.315L+T) …（25）

因此，比例增益计算器8根据K，L和T计算等式（23）以决定比例增益Kp的最佳值，积分时间计算器9计算等式（24）以决定积分时间Ti的最佳值，微分时间计算器10计算等式（25）以决定微分时间T_D的最佳值，以此确保PID控制器1的比例增益Kp，积分时间T和微分时间T_D分别被设定和修正。

在等式（25）中，因为L比TL²项可以忽略，微分时间T_D可根据下式计算：

T_D＝ (0.315L·T)/(0.315L+T) …（26）

根据图19所示的实施例，具有如图1A，1B，3A，3B，3C所示的空转时间和第二时间延迟特性的处理对象的控制响应通过改变单位阶跃的指令值而被检查，以得到如图21A所示的L/T＝0.4，图21B所示的L/T＝1以及图21C所示的L/T＝5的结果，证明了即使L/T较大时，也可以获得很好的控制特性。

尽管上述实施例的说明是以硬件来进行的，目的是使说明清楚，但是明显地理解到它们是在计算机的帮助下，用相同的方法用软件来实现的。

Claims (10)

1、一种PID控制器系统，其特征在于：

一个接收控制指令值和实际被控对象的控制变量之间的差量，并给为可控对象设置的一个处理单元提供一个操作变量的PID控制器，所述处理单元借助操作变量来工作以产生实际的控制变量；以及

自动调整装置对所述PID控制器有关的一个变量和来自所述处理单元的控制变量的响应比使获得必要的性能指标，并根据性能指标为把所述实际控制变量调整到所谓控制指令值准备最佳控制参数，所述最佳控制参数是从自动调整装置到所述PID控制器的反馈。

2、如权利要求1所述的PID控制器系统，其特征在于所述自动调整器装置包括：

用于接收指令值和所述可控对象的实际控制变量，并根据在指令值改变或施加终端干扰时得到的控制变量的响应形式确定多个性能指标的控制可变响应形状识别装置;

定性估算多个性能指标，并根据定性估算的结果推断出PID控制参数的修正值的控制参数修正装置，以及

当众多性能指标不是都在其允许范围以内时触发所述控制参数修正装置的控制决定装置。

3、如权利要求2所述的PID控制器系统，其特征在于所述控制参数修正装置包括为定性估算众多性能指标的每一个幅值的多个估算装置，并且为规定众多定性估算的性能指标间的相互关系而预先准备好的调整规则被加上以使推断出PID控制系数的修正值。

4、如权利要求2所述的PID控制系统，其特征在于所述众多性能指标是过冲量值和阻尼率。

5、如权利要求2所述的PID控制器系统，其特征在于所述众多性能指标是过冲量，阻尼率和表示周期的先前值和现行值间的比率的周期比。

6、如权利要求2所述的PID控制器系统，其特征在于所述众多性能指标是过冲量，阻尼率和表示上升时间的先前值和现行值间比例的上升时间比。

7、如权利要求2所述的PID控制器系统，其特征在于所述众多性能指标是过冲量、阻尼率以及表示调整时间的先前值和现行值间比率的调整时间比。

8、如权利要求1所述的PID控制器，其特征在于所述自动调整器装置包括：

设定为所述可控对象设置的处理单元，以决定所述处理的增益，空转时间和时间常数的设定装置;

响应于所述设定装置产生的增益、空转时间和时间常数，以使设定比例增益的比例增益计算装置;

响应于所述设定装置所产生的空转时间和时间常数，以使设定控制的积分时间的积分时间计算装置;以及

响应于所述设定装置所产生的空转时间和时间常数，以使设定微分时间的微分时间计算装置。

9、如权利要求8所述的PID控制器系统，其特征在于所述积分时间计算装置把空转时间项和时间常数时间项相加决定积分时间，所述比例增益计算装置是把以累加得到的积分时间除以所述增益和空转时间的乘积项来决定比例增益，并且所述微分时间计算装置是把所述增益和空转时间的乘积项除以由累加得到的积分时间来决定微分时间。

10、如权利要求8所述的PID控制器系统，其特征在于所述比例增益计算器装置的输出K_P，积分时间计算器装置的输出Ti和微分时间计算器装置的输出T_D分别由下式决定：

Kp＝ (0.315L+T)/(1.37K·L)

Ti＝0.315L+T

$T_D=\frac{{\mathrm{0.315L\; ·\; T+0.003L}}^2}{\mathrm{0.315L+T}}$

其中K是增益，T是空转时间，L是时间常数。

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