CN105283814B - 自动调谐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动调谐和校准系统和工艺的反馈控制。根据本发明，自动进行的一系列的执行器脉冲，并基于传感器的响应的坡度，确定待控制的系统的动态信息（这将称为系统识别过程）。这通过自动传感器校准过程进行，以确定控制器的操作窗口。根据系统识别过程中采集的信息，自动计算用于传感器达到设定点的指定时间的控制器的参数。本发明涉及由控制器和/或控制算法管理和/或控制的任何系统。本发明涉及使用本发明的方法参数化如PID、PI、P、PDF的任何控制算法。

Description

自动调谐
技术领域
本发明涉及反馈控制的改进，具体的，但不限制的，涉及系统和工艺的反馈控制。本发明的实施例还涉及用于这种应用的控制系统的校准和参数化，和/或涉及系统和工艺动态的识别。
背景技术
控制系统通常用于调整和控制系统和工艺。控制系统通常包括传感器和执行器，凭此执行器的输入导致改变，该改变由传感器检测。在几乎所有的情况下，本领域技术人员可以理解，执行器的输入和传感器的输出之间为非线性关系，这可能归因于例如执行器的速度、传感器的响应性和分辨率、时间滞后、力学、惯性等广泛的系统变量。
如此，几乎全部的控制系统需要调整包含于控制算法中的某些参数，以满足性能规格。通常手动调整控制算法的参数，因为在一些情况下，不能完全建模和模拟真实世界情况或真实实验环境。本发明提供一种方法，该方法用于自动调整控制器的参数、以满足特定性能特征。
发明内容
本发明通常涉及反馈控制系统。但是，本发明具体地用于真空沉积系统领域，凭此模拟所有可能的工艺参数（其能够获得无需校准的自包含控制系统）是特别困难的。
根据本发明的一方面，提供可自动执行一系列的执行器的动作，并基于传感器的响应，确定待控制的系统的动态信息（这将称为系统识别过程）。这通过自动传感器校准过程进行，以确定控制器的操作窗口。根据该信息，为特定动态响应，自动计算控制器的参数。
本发明的第二方面提供一种自动计算控制器的参数的方法，其包括步骤：自动传感器校准过程，以确定控制器的操作窗口；根据传感器的响应，自动执行一系列的执行器动作；系统识别过程，用于确定关于待控制的系统的动态信息；以及根据校准和系统识别过程，针对特定动态响应自动计算控制器的参数。
本发明的第三方面提供一种用于自动计算控制器的参数的方法，该方法需要获得系统中的特定动态响应，该系统包括可操作地连接至传感器和执行器的控制器，凭此传感器的输出依赖于执行器的输入，该方法包括：自动传感器校准过程，以确定最大（1）和最小（2）传感器水平，自动传感器校准过程包括：执行一系列的第一执行器斜坡（actuatorramps）（4）并记录传感器的响应（3）；确定在执行第一执行器斜坡（4）过程中记录的最大（1）和最小（2）传感器值；记录与最小传感器值（2）对应的执行器值（5）；记录与最大传感器值（1）对应的执行器值（6）；确定控制器的操作窗口为落入最小传感器值（2）对应的执行器值（5）和最大传感器值（1）对应的执行器值（6）之间的执行器值的范围；系统识别过程，以确定系统的动态响应特征，该系统识别过程包括：选择落入控制器的操作窗口内的执行器值（u0）；在选择的执行器值（u0）周围执行第二执行器斜坡（3）；通过记录在偏离u0的执行器值（Δu）处的传感器响应的坡度（dy/dt），分析传感器响应（2）；以及确定关系（B），其为动态系统参数的特征，其中B= f(dy/dt, Au)。
合适地，该方法进一步包括针对从所选择的所述执行器值（u0）偏移的多个执行器值（Δu），为B确定平均值。
该方法可进一步包括如下步骤：计算用于指定的到设定点的时间（tts）的最优的控制器的参数（K），到设定点的时间（tts）为从初始执行器的输入开始至传感器的输出达到设定点的点所经过的时间。
初始，可以使用默认到设定点的时间（tts），当进行自动调谐之后，可通过函数K =g(B, tts)计算最优的控制器的参数（K）。
合适地：
B = dy/dt / Au (1)
K = 向量(Kl,K2), 其中 (2)
Kl = 2 x (阻尼比) x (1.8/tts) x (1/B); 和 (3)
K2 = (1.8/tts)2 x (1/B) (4)
K = g x (1/B); 其中 (5)
g = 向量 (2 x (阻尼比) x (1.8/tts), (1.8/tts)2) (6)
默认到设定点的时间可以是任意的。但是，优选使用计算的默认tts，其为执行器的动作与传感器的响应之间的相位差的函数。可通过识别执行器和传感器数据曲线中的拐点，并计算拐点之间的时间滞后来计算该相位差。因此，默认tts可以是n×相位差（以秒计），优选为3×相位差（以秒计）。通过利用计算的默认tts，确保防止系统不稳定，如果默认tts值，或任意tts值过低可导致系统不稳定。
根据控制器使用的控制算法合适地选择函数g，其中控制算法包括选自以下组中的任意一个或多个：比例（P）控制算法、比例积分（PI）控制算法、比例-积分- 微分（PID）控制算法、或者比例-微分反馈（PDF）控制算法。
虽然第一斜坡的周期可以是任何持续周期，但是可以使用大致1分钟的斜坡周期。相似地，虽然第二斜坡的周期可以是任何持续周期，但是可以是大致10秒。
通过对在一段时间内记录的最高或最低传感器值进行积分或平均可合适地获得最大（1）和最小（2）传感器值。
可合适地自动识别并记录最大（1）和最小（2）传感器值，其中缩放传感器值，从而最大值（1）表示为100%传感器值，最小值（2）表示为0%传感器值。
第一和/或第二斜坡可包括选自以下组中的任意一个或多个：三角脉冲、平方阶梯脉冲（1）、锯齿形脉冲（2）、平方脉冲（3）、和恒定信号。
第二斜坡可以包括使用在不同平均振幅处的一系列的连续脉冲的斜坡，其中可计算用于不同平均振幅的最优的控制器的参数，其中控制器配置为为完整范围的可能的设定点插入最优控制器增益。
可根据传感器、系统、执行器或工艺的类型自动选择脉冲持续时间和振幅。
本发明的第四方面提供选自以下组中的任意一个或多个：等离子沉积处理方法；非等离子沉积和处理方法、等离子真空法、反应磁控溅射法、非反应性磁控溅射方法、等离子体辅助化学气相沉积法、阴极电弧离子辅助沉积法、高功率脉冲磁控管溅射（HIPIMS）方法、和涂层或沉积法，上述方法中的任意一个或全部都由控制器控制，其中自动计算控制器的参数，以获得根据本发明的特定动态响应。
控制器合适地适于调节沉积的速度、组合物和均匀性。
执行器合适地用于控制选自以下组中的任意一个或多个：处理气体的流量、电压、电流、电压频率、电压幅度、电流频率、电流振幅、气体或流体注射流速率、化学注射液、颗粒注射液、电动机、线性执行器、气动执行器和阀。
传感器合适地用于直接或间接测量沉积速度。
传感器可以包括选自以下组中的任意一个或多个：目标电压传感器、等离子发光传感器、压力传感器、氧分压传感器、和氢气传感器、光发射传感器、光谱CCD、局部压力传感器、和氧传感器（Lambda sensor）。
图形用户界面可以用于执行本发明的方法的控制器。GUI可适用于使用户设定到设定点的时间，其包括用于用户选择理想的到设定点的时间的滑块或文本输入框，凭此当tts改变时，可利用函数g自动重新计算控制器的参数。
本发明的另一方面在于提供由前面所述方法控制的系统，其中该系统包括选自以下组中的任意一个或多个：能量产生装置、风力涡轮机、水电涡轮机、潮汐流涡轮机、当驱动时干预电能产生的发动机、能量转换系统、气动系统、能源网格、能量管理系统、光伏能源生产和管理系统、和能量存储系统。
本发明涉及由控制器和/或控制算法管理和/或控制的任何系统。该系统涉及模拟、数字或混合控制的模拟/数字系统。
本发明还涉及对能量产生元件的控制，其中能量产生元件为例如风力涡轮机、水电涡轮机、潮汐流涡轮机、以及当驱动时干涉电能产生的任何发动机。
本发明还涉及对能量转换系统的控制。
本发明还涉及对利用能量的元件的控制，该能量为例如电能、热能、燃烧能、核能和其任意组合。
本发明还涉及对气动系统的控制。
本发明还涉及对能量网格的控制。
本发明还涉及能量管理系统，例如建筑物的能量管理系统。
本发明还涉及光伏能量的产生和管理。
本发明还涉及任何能量存储方法，例如电池、氧化还原电池、熔融盐、重力、飞轮、超导体、和能量存储系统的任何组合。
本发明还涉及等离子体和非等离子体沉积和处理方法。本发明还涉及与等离子体真空和非真空应用相关的控制系统和工艺，等离子体真空和非真空应用为例如反应性和非反应性磁控溅射、等离子体辅助化学气相沉积、阴极电弧离子辅助沉积、HIPIMS和任何涂层或沉积方法。
本发明涉及任何溅射工艺，其中控制系统用于调节沉积速度、组合物和均匀性。例如，通过控制系统调节反应性溅射工艺中反应性气体，如氧气或氮气的流量。
本发明涉及使用本发明的方法控制具有例如铝、钛、银等任何靶材料的溅射系统。
本发明涉及任何溅射系统，其中传感器用于直接或间接测量沉积速度，例如目标电压传感器、等离子体光发射传感器、氧分压传感器、氢传感器、或者任何相关的元件传感器。
本发明还涉及任何类型的基于反馈控制系统的执行器和传感器。例如，具有速度传感器、角速度旋转位置和转速传感器、温度传感器、光强度传感器、电压或电流传感器和压力传感器的控制系统。控制系统的执行器的例子包括，但不限于：电压或电流振幅或频率的信号、气体或流体注射液流速、化学剂注射液、颗粒注射液和所有机电致动装置，例如电动机、线性执行器、气动执行器和阀门。
本发明涉及使用本发明的方法参数化如PID、PI、P、PDF的任何控制算法。
附图说明
参考附图，仅通过举例方式进一步描述本发明，其中：
图1展示了用于斜坡化执行器输入的传感器输出的示意图；
图2展示了可用于代替图1的三角斜坡的各种不同的斜坡曲线；
图3展示了用于斜坡式执行器的输入的传感器的输出的另一示意图；
图4展示了用于斜坡式执行器的输入的传感器的输出的另一示意图；
图5展示了用于指定的执行器的输入的传感器的输出的示意图，此时他们称为理想（设定点）值；
图6为用于本发明的GUI示意图；以及
图7展示了三阶段执行器斜坡曲线的示意图。
具体实施方式
现在参考附图：图1展示了用于自动传感器校准过程的执行器和传感器响应。执行一系列的执行器斜坡（4）（虽然可以使用任何长度的周期，但是作为示例使用1分钟的周期），并记录传感器响应（3）。图1展示了三个斜坡，尽管可使用任何数目的斜坡进行该过程。校准过程的目的在于确定最大（1）和最小（2）传感器水平。最大（1）和最小（2）值可以是数学公式，例如为经过一段合适的时间的最高或最低值的积分，或作为平均值。可自动识别并记录这些值，例如，缩放传感器曲线，从而最大值（1）表示为100%，最小值（2）表示为0%。与最大和最小传感器值对应的执行器值为点（5）和（6）-控制器的操作窗口。随后将在点（5）和（6）之间的执行器水平进行自动调谐过程。该执行器水平将称为u0。应该注意的是，图1展示了执行器和传感器之间的逆向关系。本发明描述的校准和自动调谐过程等同地应用至一种工艺，该工艺具有执行器和传感器之间的直接关系，或执行器和传感器信号之间的其他复杂关系。图1描述的脉冲为三角形，但是，可利用其他任何合适类型的脉冲进行校准。
图2中展示了不同可能的脉冲类型，例如方形阶梯脉冲（1）、锯齿（2）、方形脉冲（3）、或任何其他类型的脉冲或其组合，和/或恒定信号。
图3展示了用于系统识别过程的执行器和传感器响应。在u0（1）周围执行执行器脉冲（3）（约为10秒的周期）。随后分析传感器响应（2），以确定关于系统的动态响应特征的信息。对于在时间（5）处给定的单样本点，记录传感器响应的坡度（4），称为dy。对于相同的样本点，记录相应的执行器值，并计算其与u0之差，称为Δu。然后可计算系统动态特征参数B，其中B = f(dy, Δu)。然后计算并记录所有样本点的B的平均值。图3展示了利用三角形脉冲的工艺，但是该工艺可等同地适用于使用如图4所示的方形脉冲，其中（1）是执行器脉冲，（2）为传感器响应。可根据传感器、系统、执行器或工艺的类型自动选择包括脉冲长度和振幅的脉冲类型。
随后可计算用于指定的到设定点的时间（tts）的最优的控制器的参数K。tts为从初始控制动作的开始至传感器达到理想值（设定点）的点的时间。这展示在图5中，其中（1）表示到设定点的时间。默认tts用于初始控制器的参数的计算。默认tts可根据使用的传感器的类型，例如光发射、光谱CCD、电压、分压或氧传感器而不同。由函数K = g(B, tts)计算最优的控制器的参数。函数g将根据使用的如PID或PDF的控制算法而不同。
图6展示了用于设定本发明的到设定点的时间的用户界面的例子。控制器操作者可以移动滑块（1）上的点（2），以增加或减少到设定点的时间，或者可直接在文本框（3）中输入到设定点的时间。当tts改变时，可利用函数g重新自动计算控制器的参数。该用户界面可以采用任何数字或图形视觉设置。
图7为本发明描述的自动调谐过程的延展，其中使用处于不同平均振幅的多个连续脉冲。如图所示，在平均振幅水平（1）、（2）和（3）处，执行执行器脉冲（4）。可为与小、中和大设定点振幅对应的这三个水平计算最优的控制器的参数。为此，为全部范围的可能的设定点插入最优控制器增益。平均振幅水平的数目不必限制为三个，增加或减少水平的数据将增加或减少插值的保真度。

Claims (19)

1.一种自动计算控制器的参数的方法，其包括步骤：自动传感器校准过程，以确定控制器的操作窗口；根据传感器的响应，自动执行一系列的执行器动作；系统识别过程，用于确定关于待控制的所述系统的动态信息；以及根据所述校准和系统识别过程，针对用户特定动态响应而自动计算所述控制器的参数，其特征在于：
自动计算要获得特定用户动态响应所需要的控制器参数的步骤包括：
自动传感器校准过程，以确定最大(1)和最小(2)传感器水平，所述自动传感器校准过程包括：
执行一系列的第一执行器斜坡(4)，并记录所述传感器响应(3)；
确定在执行所述第一执行器斜坡(4)期间记录的最大(1)和最小(2)传感器值；
记录与所述最小传感器值(2)对应的执行器值(5)；
记录与所述最大传感器值(1)对应的执行器值(6)；
确定所述控制器的操作窗口为落入所述最小传感器值(2)对应的所述执行器值(5)和所述最大传感器值(1)对应的所述执行器值(6)之间的所述执行器值的范围；
系统识别过程，以确定所述系统的所述动态响应特征，所述系统识别过程包括：
选择落入所述控制器的操作窗口内的执行器值u0；
在所选择的执行器值u0周围执行第二执行器斜坡(3)；
通过记录在偏离u0的执行器值Δu处的所述传感器响应的坡度dy/dt，分析所述传感器响应(2)；以及
确定关系B，其为动态系统参数的特征，其中B＝f(dy/dt,Δu)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括针对从所选择的所述执行器值u0偏移的多个执行器值Δu，为B确定平均值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：计算用于指定的到设定点的时间tts的最优的控制器的参数K，所述到设定点的时间tts为从初始执行器的输入开始至所述传感器的输出达到设定点的点所经过的时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，初始地，使用默认的到设定点的时间tts，且其中当执行了所述自动调谐方法之后，通过函数K＝g(B,tts)计算所述最优的控制器的参数K。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述控制器使用的控制算法选择函数g，且其中所述控制算法包括选自以下组中的任意一个或多个：比例(P)控制算法、比例积分(PI)控制算法、比例-积分-微分(PID)控制算法、或者比例-微分反馈(PDF)控制算法。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一斜坡的周期大致为1分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二斜坡的周期大致为10秒钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对在一段时间内记录的最高或最低传感器值进行积分或平均，获得最大(1)和最小(2)传感器值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，自动识别并记录最大(1)和最小(2)传感器值，其中缩放所述传感器值，从而所述最大值(1)表示为100％传感器值，所述最小值(2)表示为0％传感器值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和/或第二斜坡包括选自以下组中的任意一个或多个：三角脉冲、平方阶梯脉冲(1)、锯齿形脉冲(2)、平方脉冲(3)、和恒定信号。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第二斜坡包括使用在不同平均振幅处的一系列的连续脉冲的斜坡，其中为不同平均振幅计算所述最优的控制器的参数K，且其中所述控制器被配置以为完整范围的可能的设定点插入最优控制器增益。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据传感器、系统、执行器或工艺的类型自动选择脉冲持续时间和振幅。
13.根据权利要求1所述的方法，其中自动计算控制器的参数，以获得用户特定动态响应，该方法为以下组中的任意一个或多个：等离子沉积处理方法；非等离子沉积和处理方法、等离子真空法、反应磁控溅射法、非反应性磁控溅射方法、等离子体辅助化学气相沉积法、阴极电弧离子辅助沉积法、高功率脉冲磁控管溅射(HIPIMS)方法、和涂层或沉积法。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制器适用于调节沉积的速度、组合物和均匀性。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述执行器用于控制选自以下组中的任意一个或多个：处理气体的流量、电压、电流、电压频率、电压幅度、电流频率、电流振幅、气体或流体注射流速率、化学注射液、颗粒注射液、电动机、线性执行器、气动执行器和阀。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传感器用于直接或间接测量沉积速度。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述传感器包括选自以下组中的任意一个或多个：目标电压传感器、等离子发光传感器、压力传感器、氧分压传感器、和氢气传感器、光发射传感器、光谱CCD、局部压力传感器、和氧传感器。
18.适用于根据权利要求4或5所述的方法的控制器的图形用户界面，所述GUI适于使用户设定到设定点的时间，包括用于用户选择理想的到设定点的时间的滑块或文本输入框，凭此当tts改变时，可利用函数g自动重新计算所述控制器的参数。
19.由权利要求1所述的方法控制的系统，其特征在于，所述系统包括选自以下组中的任意一个或多个：能量产生装置、风力涡轮机、水电涡轮机、潮汐流涡轮机、当驱动时干预电能产生的发动机、能量转换系统、气动系统、能源网格、能量管理系统、光伏能源生产和管理系统、和能量存储系统。
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