CN1054676A

CN1054676A - 过程控制系统

Info

Publication number: CN1054676A
Application number: CN91101529A
Authority: CN
Inventors: 广井和男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1991-03-09
Publication date: 1991-09-18
Anticipated expiration: 2006-03-09
Also published as: JPH03259301A; EP0445940A1; KR910017257A; CN1026922C; EP0445940B1; AU621254B2; DE69109159D1; JP2839626B2; DE69109159T2; KR950003551B1; AU7269491A

Abstract

该系统包括目标值发生单元和主控制单元。前者产生给定的目标值，后者接收目标值和控制量值进行控制操作来抑制控制量值因外扰引起的波动并将控制量值调整到给定的目标值，它包括根据从比例增益、积分时间的控制常数从比例、积分和偏差控制操作的选择进行比例积分控制操作的抑制单元、将控制量值调整到给定目标值的调整单元、设定多个比例增益修正系数的比例增益修正系数单元以及从多个给定的比例增益修正系数中选出一个的系数选择单元。

Description

本发明涉及一种过程控制系统，具体涉及一种供比例控制操作用的具有两个自由度的过程控制系统。

自过程控制问世以来，各个生产领域已广泛应用比例-积分（PI）控制器或比例-积分-偏差（PID）（Proportional，Integration and Derivative）控制器。实际上，在仪表领域中，PID控制器已经成为必不少可少的装置了。

过去已提出的控制系统有各种各样。目前控制系统已从模拟系统转移到数字控制和计算系统了。然而，工业设备操作控制在PID控制器的应用中所起的主导作用仍未改变。

这样的PID控制计算的基本公式为：

其中MV（S）为操作信号，E（S）为偏差，KP为比例增益，T为积分时间，T为偏差时间，S为拉普拉斯算子，（1/η）为偏差增益。

这样的PID控制计算叫做具有一个自由度的PID控制计算系统。

这构成了一种所谓“一个自由度”的系统，在这个系统中仅一组PID控制常数可被设定。

当然，要同时优化外扰抑制特性和目标值跟踪特性两者是不可能的。

总的来说，使用PI或PID控制操作的控制系统必须满足外扰抑制特性和目标值跟踪特性两者的功能。

前者，即外扰抑制特性，表明如何最好地抑制外扰的影响。

后者，即目标值跟踪特性，表明在目标值发生变化时如何最好地跟踪过程值的目标值。

在一般的PI或PID控制系统中，由于最佳抑制外扰变化的影响所使用的PI或PID控制常数值与最佳跟踪目标值的变化所使用的PI和PID控制常数值大不相同，因此该两种特性不能同时最佳化。实际上，它们处于相互矛盾的关系中。

具体地说，若将PID控制常数设定得使其能最好地抑制外扰变化的影响，则目标值跟踪特性就变得不稳定。相反，若将PID控制常数设定得使其得以最好地踪目标值的变化，则外扰抑制特性就变得非常差而软弱无力。

为此，希望能研究出一种同时优化这样的PID控制器的外扰抑制性和目标值跟踪特性的技术。

为解决这个问题，Issac M Horowitz 1963年发表了“两个自由度PI或PID（以下简称为2D0F PID）算法的基本原理”，这样算法可以独立地设定两组PID控制常数。近几年来日本也应用了基于这个原理的2DOFPID对改进工业设备的操作控制方面作出了巨大的贡献。

图1是传统的两自由度型PID控制系统的方框图，其中给定P操作和D操作具有两个自由度。在这种系统中设有目标值过滤器11，目标值过滤器11进行计算处理，得出两自由度型式的比例增益和偏差时间。该系统接收来自目标值发生单元10的目标值SV，并将来自待控制的系统12的控制值PV和从目标值过滤器11算得的过滤器输出SV。馈到偏差计算单元13。偏差计算单元13进行（SVo-PV）的计算，求出偏差E，再将偏差E馈到PI控制计算单元14。此PI控制计算单元14接收偏差E，并进行PI控制计算以得出操作信号MV，再将操作信号MV馈到加法单元15。此加法单元15将操作信号MV和外扰信号D相加组合在一起，然后把此得出的已组合相加的信号施加到被控制的系统12上。由此进行控制以使目标值SVo＝控制量值PV。

在目标值过滤器11中，系数单元21将目标值SV乘以为实现比例控制操作具有两个自由度的比例增益修正系数α，结果得出输出（SV.α），再将该输出馈到加法单元22。然后由减法单元23从目标值SV中减去系数单元21的输出（SV.α）。随后，得出的减法输出SV（1-α）施加到减法单元24上。

系数单元21的输出（SV.α）也馈到系数单元25，由系数单元25将该输出（SV.α）乘以实现偏差控制操作具有两个自由度的偏着时间修正系数γ，结果得出乘积输出（SV.α.γ），再将此输出馈到减法单元26。

该减法单元26从上述乘积输出（SV.α.γ），中减去控制量PV，得出差数输出[（SV.α.γ）-PV]，此差数输出馈到系数单元27，在系数单元27中将该差差数输出[（SV.α.γ）-PV]与偏差增益1/η相乘。此系数单元27的输出分两路走。其中一路输出直接输入到减法单元28。另一路输出通过第一阶延迟元件29输入到减法装置28。

在减法单元28中，从系数单元27的输出中减去第一阶延迟元件29的输出，再将结果馈送到减法单元24上。接着，减法单元24从减法单元23的输出中减去减法单元28的输出。得出的输出令其通过时间常数为积分时间T的第一阶延迟元件30使其适当延迟。然后由加法单元31将该第一阶延迟元件30的输出和减法单元28的输出相加。接着加法单元22使加法单元31的输出与系数单元21的输出相加，以得出目标值过滤器11的输出SVo。

这样，目标值过滤器11的输出SVo和目标值SV以及控制量值PV之间存在下列关系：

其结果是，取操作信号MV中的目标值SV分量为MV，则从图1和上式（2），我们得出下式：

再取操作信号MV的控制量值PV分量为MV，同样，我们从图1和上式（2）得出下式：

这样，从这些方式（3）和（4）可以看出，简单的PID控制达到控制值PV。而至于目标值SV，比例增益修正系数α和偏差增益修正系数γ可分别独立地设定，从而实现了所谓两自由度的PID控制。

尽管这种2DOF PID控制器具有各种优点，但却具有以下缺点。具体地说，如式（3）和式（4）所示，有三种不同的方法可以将偏差控制操作应用到目标值SV和控制量值PV（受外扰D的影响），这取决于设定γ和T的方式（见下面的表二）。在实际工业应用中，这些组合可以有选择地加以采用，或在操作期间加以改变，这取决于过程特性和控制要求。

其结果是，给定用以实现两个自由度的系数α的值都大不相同，这取决于选用上述哪一种组合方式。所以在采用几百到几千个PID控制环路的一个工厂设备中，每次就需要改变系数α值的设定值。这要花很多时间，而且记不住待设定的系数α的具体值。

因此若能顺能进行设定使比例控制操作具两个自由度的系数值的设定操作，则将对2DOF PID的进一步推广作出很大的贡献。

本发明的目的是改进过程控制系统的可控性。

本发明的另一个目的是使自动设定所希望的、使过程控制系统中比例控制操作达到两个自由度的、比例增益修正系数值成为可能。

本发明的其它目的和优点，将从下面的描述或通过本发明的实施即可明了。

本发明的上述目的是通过提供一个系统用以控制经受外界干扰的过程系统来实现的，具体作法是将该过程系统的控制量输出值调整到一给定的目标值。该系统包括：目标值发生装置和主控制装置。目标值发生装置用以产生给定目标值，主控制装置接收目标值和控制量值，用以进行控制操作，以抑制控制量值因外扰而产生的波动并将控制量值调整到给定的目标值。主控制装置包括：抑制装置、调整装置、比例增益修正系数装置和系数选择装置。抑制装置根据至少包括比例增益、积分时间的控制常数从比例、积分和偏差控制操作所作出的选择来至少进行比例积分控制操作，控制常数所包括的常数又是从调整到使其抑制外扰所产生的控制量值的波动的比例增益、积分时间和微商时间三者之中选取的。调整装置以根据至少是一个给定的比例增益修正系统来从比例、积分和偏差控制操作中选择而至少进行比例积分控制操作，以根据已调整的给定的比例增益修正系数和用以调整抑制装置的偏差时间的、给定的偏差时间修正系数的选择，来调整抑制装置的比例增益，从而将控制量值调整到该给定的目标值。比例增益修正系数装置用以设定多个给定的增益修正系数，系数选择装置用以根据判定抑制装置是否进行偏差控制操作和调整装置是否进行偏差控制操作的判定结果、从多个给定的增益修正系数中选取给定的增益修正系数。

图1 是传统的两自由度型PID控制系统的一个实施例的方框图;

图2 是本发明两个自由度型PID控制系统的一个实施例的方框图;

图3 是本发明的另一个实施例的方框图;

图4 是本发明又一个实施例的方框图。

下面参照附图说明本发明的一个实施例。若最佳抑制外扰的比例增益及其偏差时间分别为K_P和T_D，最佳跟踪目标值的比例增益及其偏差时间分别为K^＊ _P和T^＊ _D，则可从式（3）和式（4）得出下面的式（5）和式（6）：

K^＊ _P＝α.K_P， α＝（K^＊ _P/K_P）（5）

K^＊ _P·T^＊ _D＝K_P.α.γ.T_Dγ＝T^＊ _D/T_D（6）

以前提出的从待控制的系统的时间响应求出控制常数的方法有很多。这些方法常用的有例如CHR（Chien，Hrones和Reswick）的方法，如表1所示。

表1中，K是控制系统的增益，T是时间常数，L则为空载时间。

从表1和式（5）可以求出使比例控制操作具有两个自由度的比例增益修正系数α，如表2所示，这取决于是否对目标值SV进行偏差控制和是否对（受外扰影响的）控制量进行偏差控制这两种情况的组合。

表2 控制方式与比例增益修正系数的关系

序号控制方式 γ T α

（不超调）（20%超调）

1 PI-PID ＝0 ≠0 0.37 0.50

2 PI-PI 任意＝0 0.58 0.86

3 PI-PID ≠0 ≠0 0.63 0.79

从表2显然可以看出，比例增益修正系数α的值差别很大，从0.37至0.63，这取决于控制方式，即取决于是否对目标值SV进行偏差控制和上是否对（受外扰影响的）控制量进行偏差控制这两种情况的组合而定。

现在再参看图2来描述本发明的一个实施例。如图2所示，该实施采用了能判别偏差时间T和使偏差控制操作具有两个自由度的偏差时间修正系数γ的主控制单元16。图2与图1相同的各部分使用相同的标号，这里不再详述。

具体地说，该装置是这样构成的;在目标值过滤器11中设有比例增益修正系数设定单元17、18，该两单元根据例如表2设定两个（或在其它情况下）比例增益系数α、α。此外还设有判别单元19，判别单元19通过输入第一阶延迟元件29所设定的偏差时间T的值和系数单元25所设定的偏差时间系数γ来判别偏差时间T和偏差时间系数γ的组合。此外还设有选择单元20，选择单元20从事先由比例增益修正系数设定单元17和18根据判别单元19的判别结果（即根据偏差时间T和偏差时间修正系数γ的组合）设定的诸多比例增益修正系数中自动选择最佳值。该选择单元20所选择的比例增益系数α在系数单元21中设定。

现在以具体实例进行说明。判别单元19输入第一阶延迟元件24所设定的偏差时间T和系数单元25所设定的偏差时间系数γ。然后再根据该系数γ和偏差时间T在系统单元21中设定下列数据：

（Ⅰ）当γ＝0，T≠0时，根据表2设定比例增益修正系数α＝0.37;

（Ⅱ）不然的话，设定比例增益修正系数α＝0.60。

之所以在上述（Ⅱ）的情况下选取0.60的值是因为在表2中0.58和0.63彼此接近，因而用一个单一的中间值代替它们。

这样，极为不同数值的系数α值取决于鉴别出在目标值SV上是否有偏差控制行动和在（受外扰影响的）的控制量上是否有偏差控制行动这两者的组合。此外，最佳比例增益修正系数事先在比例增益修正系数设定单元17和18中设定，判别单元19则在判别偏差时间T和偏差时间系数γ之后从比例增益修正系数设定单元17或18提取其中一个最佳比例增益修正系数。并在系数单元21中自动设定该最佳比例增益修正系数。这就有可能消除每次改变比例增益修正系数设定值这个令人厌烦的操作，这取决于偏差时间T和偏差时间系数γ的组合，这个组合是原先就要求了的。这就能大大改进设定操作，特别是在大型工业设备的情况，在那种场合下采用了成百上千的控制回路。

此外，由于系数α的值若始终能自动设定比例增益，则能保持整个最佳的两自由度的PID控制。

图3示出了本发明的另一个实施例。在该实施例中，在目标数值过滤器11的减法单元23与减法单元24之间设有第一阶延迟元件32。两个自由度的全PID控制是通过往第一阶延迟元件32上施加系数β等效获取两个自由度形式的积分时间T（即采用时间常数β.T）达到的。

比例增益系数α的最佳值当然也可以用目标值过滤器11在系数单元21中以图2同样的方式根据偏差时间T与偏差时间系数γ的组合来设定。

图4示出了本发明的又一个实施例。在该实施例的装置中，在目标值过滤器11的减法单元23的输出侧设有第一阶延迟元件33和减法单元34，减法单元34从减法单元28的输出中减去第一阶延迟元件32的输出。两个自由度的全PID控制是通过该第一阶延迟元件33使用系数β等效获取两自由度形式的积分时间T达到的。在此情况下，比例增益系数α的最佳值也可在系数单元21中设定，这取决于偏差时间T与偏差时间系数γ的组合。

除以上所述之外，本发明在不脱离其实质内容的情况下可按各种不同的方式修改和实施。

如上所述，按照本发明，可以根据偏差时间T与偏差时间系数γ的组合自动选择和设定最佳的比例增益系数。这样就可以提供易于调整、高可控性和高通用性的两自由度控制器。

Claims

1、用以控制一个经受外部干扰的过程系统的一种系统，其控制是通过将该过程系统输出的控制量值调整到一给定的目标值，其特征在于，该系统包括：

目标值发生装置，用以产生一给定的目标值；和

主控制装置，接收该目标值和控制量值，用以进行控制操作以抑制外部干扰所产生的控制量值的波动，并将该控制量值调整到该给定的目标值；

该主控制装置包括：

抑制装置，用以根据包括至少比例增益、积分时间在内的控制常数从比例、积分和偏差控制操作中作出的选择，至少进行比例积分控制操作，上述控制常数所包括的常数又是从调整到使其抑制外扰所产生的控制量值的波动的比例增益、积分时间和偏差时间三者之中选取的；

调整装置，用以根据至少一给定的比例增益修正系数从选自比例、积分和偏差控制操作进行至少比例和积分控制操作，以根据所给定经调整的比例增益修正系数和调整该抑制装置的偏差时间的一给定偏差时间修正系数的选择，来调整该抑制装置的比例增益，从而将控制量值调节到该给定的目标值；

比例增益修正系数装置，用以设定多个给定的比例增益修正系数；以及

系数选择装置，用以根据判定“该抑制装置的偏差控制操作是否进行和该调整装置的偏差控制操作是否进行”的结果，从多个给定的比例增益修正系数中选取给定的比例增益修正系数。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的比例增益修正系数装置包括用以设定两个给定的比例增益修正系数的装置;所述的系数选择装置包括用以根据对以下两种情况的判别结果选择两给定比例增益修正系数中的一个，该两种情况的第一种情况是该抑制装置进行偏差控制操作，该调整装置来进行偏差控制操作的情况，第二种情况是其它情况。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括积分时间修正系数装置，用以根据给定的积分时间修正系数将该抑制装置的积分时间调整到一给定的积分时间修正系数，以便将控制量值调节到给定的目标值。

4、用以控制一个经受外部干扰的过程系统的一种方法，该控制是通过将该过程系统输出的控制量值调整到一给定的目标值而进行控制的，其特征在于，该方法包括以下步骤：

产生一给定的目标值;和

进行控制操作，以抑制外扰所引起的控制量值的波动，并将控制量值调整到该给定目标值，其中进行控制操作的步骤包括：根据包含至少比例增益、积分时间在内的控制常数从比例、积分和偏差控制操作中作出的选择，进行至少比例一积分控制操作，该控制常数所包括的常数是从调整到使其抑制外扰所产生的控制量值的波动的比例增益、积分时间和偏差时间三者之中选取的;

根据至少一给定的比例增益修正系数，依照比例、积分和偏差控制操作的选择至少进行比例和积分控制操作，以根据已经调整的给定的比例修正系数的选择来调整该比例增益，从将控制量值调节到给定的目标值;

设定多个给定的比例增益修正系数;以及控制操作是否进行和将控制量值调节到给定的目标值的偏差控制操作是否进行的判别结果，从多个给定的比例增益修正系数中选出给定的比例增益修正系数。