CN1069134A

CN1069134A - 程序控制系统

Info

Publication number: CN1069134A
Application number: CN92105829A
Authority: CN
Inventors: 广井和男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1993-02-17
Anticipated expiration: 2007-06-11
Also published as: KR960003368B1; EP0518651B1; EP0518651A2; KR930001030A; US5544039A; DE69212721D1; DE69212721T2; CN1061764C; EP0518651A3

Abstract

一种系统用于控制具有程序系统增益和死时间的程序系统，该程序系统的传输函数包括一个相应于程序系统增益的增益项，和一个相应于死时间的死时间项，该控制过程是在一个外加扰动的条件下，根据控制器控制变量的输出，将程序系统的控制变量输出，调节到一个目标值，所说控制器至少在控制变量与目标值的偏差基础上，进行比例积分控制操作。这个系统包括死时间补偿装置，一个系统模型单元，一个模型单元和增益调节装置。

Description

本发明涉及程序控制系统，特别是涉及采用了对死时间补偿作了改进的史密斯方法的，一种程序控制系统。

在程序控制的历史中，具有比例积分（PI）或比例微分（PID）调节功能的控制单元，被广泛用于所有的工业领域，而且对于设备操作也是不可缺少的。

当一个程序系统，采用死时间L和一级滞后T（一个时间常数）来近似时，在仅有一级滞后的情况下，这个程序系统可以简单地由比例积分微分（PID）控制方法来控制。但是若包括了死时间L时，而死时间L变大，换句话说当L/T变大，仅用比例积分微分控制就变得越来越困难了。

所以，作为一种用于提高包含死时间程序系统的控制能力的方法，史密斯提出了所谓“史密斯方法”或“死时间史密斯补偿方法”现在此种方法被广泛采用。其设计是增加一个死时间补偿器，该补偿器使用了一个程序系统模型，来进行比例积分微分控制，并将死时间移出控制循环方式，来单独控制近似的一级滞后程序系统。

图1（a）所示为使用了这样的死时间史密斯补偿方法的，控制单元的功能框图。在此单元中，死时间补偿器5与是新加进控制系统的6偏差计算器1得到目标值SVn，与控制变量PVn之间的偏差En。比例积分微分（PID）调节装置3，在此偏差En的基础上，执行比例积分（PI）或比例积分微分（PID）的控制操作，并且把所得到的控制信号MVn加到程序系统2上。

在死时间补偿器5中，一级滞后模型装置6，按照一级滞后传输函数、输出比例积分微分（PID）调节装置3的控制变量MVn。程序系统模型装置（也称程序系统模型）7，按照一级滞后和死时间的传输函数、输出比例积分微分（PID）调节装置3的相同控制信号MVn。减法器8从一级滞后模型装置6的输出之中，减去程序系统模型7的输出。

其结构是减法器8的输出端与减法器4相连，同时减法器4又置于偏差计算器1的输出端，在此，死时间补偿器5的输出，被从偏差En中减去。

在图1（a）中

Gp、e^-Lp·S：程序系统的传输函数

Gp-Kp/（1+Tp·S）：消去死时间的程序系统的传输函数

Lp：程序系统死时间

Kp：程序系统增益

Tp：程序系统时间常数

S：拉普拉斯算子

此外，

Gm·t^-1ma：程序系统模型的传输函数

Gm-Km/（1+Tm·S）：消去死时间的程序系统模型的传输函数

Lm：程序系统模型死时间

Km：程序系统模型增益

Tm：程序系统模型时间常数

如果将图1（a）经等效变换重新排列，它就变成如图1（b）中所示

此处，扰动D是很小的，可以忽略。同时，如果假定程序系统特征与程序系统模型7的特性一致的条件成立，也就是说存在关系式

扰动＝很小，Tp＝Tm，Lp＝Lm （1）

我们有Gp＝Gm，当SVn→PVn的传输常数在此种情况下找到时，它变成

PVn/SVn＝｛（Gc·Gm）/（1+Gc·Gm）｝e^-1p·S（2）

它可变换成图1（c）中的结构型式。所以，这意味着，在这个控制单元中，具有消去死时间的一级滞后模拟器6，可以由PID调节装置3反馈控制。换句话说，由于死时间可以从控制循环中移去，所以，这个单元可以很容易地由PID调节装置3所控制。而且，予期具有较好的控制能力。死时间单元9、被置于控制循环之外。

然而，从上面的解释可以明显的看出，采用上述类型的死时间史密斯补偿方法，除非方程（1）的条件成立，否则控制单元是不能如图1（c）所示那样构成的。

可是，在实际的设备控制中，使方程（1）的条件成立常常是困难的。例如，在死时间的进程中，方程（1）的条件，可能由于程序系统特征的改变和环境的变化（诸如环境温度、催化剂温度、原料状态或负载大小等）而改变。结果，方程（1）中的条件变化越大，控制能力就变得越差。因此，就存在着不可能实现死时间史密斯补偿方法功能的问题，结果造成对设备控制能力的巨大影响。

本发明的一个目的是用死时间补偿控制单元，控制一个程序控制系统。另一个目的是，在程序系统增益特性变化的条件下，用改进的死时间补偿控制单元，使有可能控制一个程序控制系统。

按照本发明，上述目的是通过提供一个控制系统而实现的。所控制的程序系统具有程序系统增益和死时间，其传输函数包括一个相应于程序系统增益的增益项，和一个相应于死时间的死时间项。在外加扰动条件下，所说控制过程是基于一个受控变量和目标值之间偏差，根据至少执行比例积分控制操作的控制器，所控制变量的输出，将程序系统的受控变量输出，调整到目标值而实现的。这个系统包括死时间补偿器，它与控制器相连。控制器包括一个系统模型单元，该单元具有与程序系统的传输函数近似的系统传输，还包括一个模型单元，该单元具有将死时间项从系统传输函数中消去的模型传输函数。所说死时间补偿器用于输出一个补偿信号以补偿死时间。这个系统还包括与死时间补偿器相连的增益调节器，可根据程序系统增益的变化、将系统模型单元的增益，调整到程序系统增益上。

另一方面，根据本发明上述目的是通过一种控制方法而实现的。该方法在外加扰动的条件下，基于控制变量和目标值之间的偏差。根据至少执行比例积分控制操作的控制器、所控制变量的输出，将程序系统的受控变量输出调整到目标值，从而控制一个程序系统，该系统具有程序系统增益和死时间，其传输函数包括相应于程序系统增益的增益项，和相应于死时间的死时间项。该方法包括下述步骤：通过使用死时间补偿器来补偿死时间，该死时间补偿器与控制器相连，包括一个系统模型单元和一个模型单元，系统模型单元具有与程序系统的传输函数近似的系统传输函数;模型单元具有将死时间项，从系统传输函数中消去后得到的模型传输函数，按照程序系统的增益变化将系统模型单元的增益，调整到程序系统增益上。

图1（a）到1（c）所示为能补偿死时间的普通程序控制系统的框图。

图2为本发明采用了史密斯方法，进行死时间补偿的程序系统的框图。

图3为本发明采用了史密斯方法，进行死时间补偿的另一个程序控制系统的框图。

图4所示为图3中程序控制系统的运算图。

以下参照图2描述本发明的一个实施例。在图2中凡是与图1中符号相同的那些函数或部分，将不再详细介绍。

在图2中，模型增益校正器10，是为死时间补偿器5提供的，它对应于程序系统增益的变化，自动校正死时间补偿器5的增益。

在模型增益校正器10中，除法器11接收程序系统2的受控变量PVn和作为死时间补偿器5一部分的程序系统模型7的输出信号PVmn，并计算出它们的比值Kn＝PVn/PVmn。时间平均值运算器12，通过计算除法器11的输出Kn的时间平均值，计算出比值Kn’（下文中、平均值均采用加“’”号来表示）。乘法器13用此平均比值Kn’乘以死时间补偿器5的输出，自动校正死时间补偿器的输出。

所以，在模型增益校正器10中，从程序系统2输出的受控变量PVn，和从作为死时间补偿器的一部分的程序系统模型7中输出的信号PVmn，被送入除法器11中。经过运算PVn/PVmn，求得比值Kn’后，将其传送到前面的时间平均值运算器12。在时间平均值运算器中，平均值Kn’是从除法器11输出的初始比值Kn’对时间进行平均而求得、并被送入乘法器13。在这里、与平均比值Kn’相乘，使得死时间补偿器5的输出信号自动改变。

接下来，讲述对于程序系统增益的改变，程序系统模型增益的校正。如果程序系统2的特性与程序系统模型7的特性是一致的话，受控变量PVn和程控系统模型7的输出信号PVmn、应该是一致的。即，如果比值Kn＝PVn/PVmn、那么Kn＝1。但是，实际上，Kn＝1是由于程序系统2特性的变化。所以，在此单元中，测得程序系统增益的变化-比值Kn，并且根据这个比值Kn，校正程序系统模型增益的变化。

此处，受控变量PVn和程序系统模型7的输出信号PVmn，对于控制信号MVn可比表示为：

PVn＝MVn·｛Kp/（1+Tp·S）｝·e^-Lp·S（3）

PVmn＝MVn·｛Km/（1+Tm·S）｝·e^-Lp·S（4）

而除法器11的输出，即比值Kn为

Kn＝PVn/PVmn （5）

于是如将方程（3）、（4）代入方程（5）中，我们得到：

Kn＝（Kp/Km）·｛（1+Tm·S）｝/｛（1+Tp·S）｝·e^{-（Lp-Ln）·S}（6）

设Tm＝Tp Lm＝Lp

关系式（6）就可以变为

Kn＝Kp/Km （7）

此外，为了消除比值Kn的瞬时波动的影响，比值Kn被送入时间平均值运算器12中。如果对于一个指定的时间、取时间平均值，其输出取作Kn’，Kn’＝（Kp’/Km’）（8）

所以，如果这个平均值Kn’送入乘法器13，并与死时间补偿器5的输出相乘，则乘法器13的输出Mon为

Mon＝Kn’×死时间补偿器5的输出

＝（Kp’/Km’）× (Km)/(1+Tm·S) ×（1-e^-LM·S）×MVn

上式中，由于Km’＝Km，因此可得到下式

＝Kp’× 1/(1+Tm·S) ×（1-e^-LM·S）×MVn （9）

换句话说，从关系式（9）可明显看出，通过死时间补偿器5的输出端、附加模型增益校正器10，使得死时间补偿器5的程序系统模型7的增益，总是可以自动校正到程序系统2的增益，Kp。

所以，在采用了上述类型的实施内容时，通过依据程序系统增益的变化，自动校正程序系统模型7的增益，总是有可能使得程序系统与程序系统模型的特性一致。因此，通过充分应用死时间史密斯补偿方法，控制能力增强了，即使对于特性变化和程序系统的环境变化也是如此。此外，用程序系统模型7的输出，去除程序系统2的受控变量，也可得到校正的增益比。故而，程序系统模型7的增益、可以用非常简单的结构校正。

进一步，程序系统模型增益可以准确地被校正，而不受该比值的瞬时波动的影响。即将该比值用时间平均值运算器12，对于一个指定时间求其平均值。该比值是用程序系统2的受控变量，除以程序系统模型7的输出信号而得到的。

特别是、在一个实际的工厂里，程序系统的特性变化大而且频繁。但是，程序系统模型7的增益，能够根据程序系统增益的变化而自动得到校正。因此，即使在一个带有死时间的控制系统中，也能极大地提高控制能力。

此外，在上面的实施例中，除法器11所得的比值Kn，在时间平均值运算器12中，得出在一个指定时间里的时间平均值。但是，即使省去时间平均值运算器12，也能得到近似的效果。除此之外，本发明在不偏离其要旨的前提下，还可以进行不同的改进。

本发明的另一个实施例，将结合图3在以下部分中予以描述。另外，凡图3中与图1（a）到（c）中符号相同的那些函数或部分，将不再详细介绍。

图3中，模型增益校正器10对应于程序系统2的增益变化，自动校正死时间补偿器5的增益，在死时间补偿器5中，采用了史密斯方法。

模型增益校正器10包括除法器11，它接收来自程序系统2的受控变量PVn，和构成死时间补偿器5的一部分的程序系统模型7的输出信号PVmn，并计算出它们的比值Kn＝PVn/PVmn，算出的增益比值信号Kn存贮在存贮器12中。乘法器13对应于程序系统2的增益变化校正程序系统模型的增益。这里从存贮器中读出的增益比信号与死时间补偿器5的输出信号相乘。该设计是把增益作了修正之后的信号，加到减法器4上。

此外，模型增益校正器10，包括信号识别器14，它识别从死时间补偿器5输出的几乎为零的信号，并输出一个零值识别信号。所得到的零识别信号被导入时间限制器15中。时间限制器15具有定时功能。当零识别信号（死时间补偿器5输出“零”）被持续，超过一个特定时间Tn时，它就施加一个校正命令信号到存贮器12中，以校正增益比信号Kn。在其它时间里，它具有紧跟在前的增益比信号Kn的同时，停止记忆修正并校正程序系统模型7的增益的功能。

接下来，将采用图3所示的结构，并对实验和研究的结果加以解释。现在，如果完全响应程序系统2所需时间，取作TR，那么完全响应所需时间TR、可以表示为：

TR＝近似死时间Lp+（3-5）·Tp

此处，如果程序系统的特性和程序系统模型特性是一致的，那么当上式中完全响应所需时间TR在受控变量PVn变化之后超出时，受控变量PVn和程序系统模型7的输出PVmn也将是一致的，如图4所示。所以这时增益比Kn应为：

Kn＝PVn/PVmn＝1

但是，实际上有时Kn＝1是不真实的。这是因为程序系统特性的增益变化、是由于程序系统2特性的变化和环境的状态，诸如周围温度、催化剂密度、材料条件和负载的大小。所以，程序系统特性的增益与程序系统模型是不一致的。因此，如果程序系统模型的增益、通过计算增益比Kn，使得与程序特性的增益一致，那么史密斯方法的条件将被满足。

所以，完全响应所需时间TR的定时，是必要的。但是，因为死时间补偿器5已消除了死时间，从中已消除了死时间的完全响应所需时间TR的剩余时间Ts，也就是说

Ts＝（3-5）·Tm

作为近似的完全响应所需时间，被定时。如果，在这个时间Ts消逝后所得到的增益比Kn被采用，它就成为近似反映程序系统的增益变化的值。此外，如果使用这个增益比Kn进行程序系统模型增益补偿，那么史密斯方法的条件可以被满足。

对于程序系统增益的变化，程序系统模型增益的校正，将在下面用一些关系式予以解释。

首先，受控变量PVn对于PID调节装置3，所加的控制信号MVn，和程序系统模型7的输出PVmn可以表示为

PVn＝MVn·Qp·e^-Lp·S

＝MVn·｛Kp/（1+Tp·S）｝·e^-Lp·S（10）

PVmn＝MVn·Gm·e^-Lp·N

＝MVn·｛Km/（1+Tm·S）｝·e^-Lp·S（11）

同时，除法器11输出的增益比信号Kn为：

Kn＝PVn/PVmn （12）

如果关系式（10）和（11）被代入关系式（12）中，则得出下面（13）式：

Kn＝（Kp/Km）·｛（1+Tm·S）/（1+Tp·S）｝·e^-<Lp-Lm^>·S（13）

当死时间补偿器5的输出变为零，一个零信号被信号识别器所识别，并且一个校正命令信号从时间限制器15中输出时，由于在控制信号MVn变化之后，超出完全响应所需时间TR，所以在关系式（13）中

（1+Tm·S）/（1+Tp·S）＝1·e^-<Lp-Lm^>·S＝1

所以，最后（13）式变为

Kn＝（Kp/Km）（14）

于是，用此式得到的增益比值信号，被导入增益校正13中，并与死时间补偿器5的输出信号Xn相乘。用此种方法，就从增益校正13中得到一个输出Yn，如下式

Yn＝Kn/Xn （15）

＝（Kp/Km）·｛Km/（1+Tm·S）｝·（1-e^-LM·S）·MVn

＝（Kp/（1+Tm·S）｝·（1-e^-LM·S）·MVn（16）

因此，从16式明显看出，如果模型增益校正10的增益比值信号Kn，与死时间补偿器5的输出Xn相乘，死时间补偿器5的程序系统模型增益Km，总是被程序系统增益Kp自动校正。

所以，一般来说，当史密斯死时间补偿方法，用于包含死时间的程序系统时，总是扰动微小，也就是程序系统特性与程序系统模型一致的情况。但是在大多数情况下，由于程序系统2的特性变化和环境状态，程序系统特性增益发生变化。所以，程序系统的增益和程序系统模型不一致，从而对控制能力有较大影响。

于是，该单元从受控变量和程序系统模型的输出中，求得增益比值信号，同时在一个与控制信号变化之后的，完全响应时间等效的时间里，存贮增益比值。其设计是使程序系统模型增益，可用此存贮的增益比值信号校正。所以，死时间补偿器5的程序系统模型增益，在程序系统增益变化的基础上被校正。故而，史密斯死时间补偿方法的功能，可以充分显示，而具有有效的控制能力的死时间补偿控制单元可以实现。

特别是，在一个实际的工厂里，程序系统的增益变化，大而频繁。但是，对于一个实际工厂的采用能力，由于程序系统模型增益的自动修正而明显的提高。如果使用散布于工厂周围各个地方的控制单元，将对整个工厂控制能力的提高，作出很大贡献。此外，可以实现工厂操作的全面适应性和超自动化，从而产生高质量产品。

顺便说说，本发明不局限于上述实施例，换句话说，在上述实施例中，其结构是将除法器11的输出传送到乘法器13、按现实情况来说，就是它被存贮到存贮器12之后。但是，它可以具有一种结构、具有一个平滑装置，以消除诸如比值运算器11或存贮器12输出端比值Kn的瞬时波动。并且，校正可通过使用死时间补偿器5的输出“0”，由消除定时器15来执行，或利用如T＝（3-5）·Tm来进行，该值是由定时装置15设置的定时值。在后一种情况，由于时间常数Tm形成的部分，可以简单的被忽略、并可作为一种近似用于增益变化。

除此之外，在不脱离原宗旨的前提下，本发明还可以有各种改进。

当使用如上述的本发明时，提供一个能完全展示，死时间史密斯补偿方法的功能的，死时间补偿控制单元是可能的。促使，由于程序系统特性的变化和它的环境改变，使程序系统的增益产生变化时，甚至是一个带有死时间的控制系统，也有可能以有效的能力进行控制。

Claims

1、一种系统用于控制具有程序系统增益和死时间的程序系统，程序系统的传输函数包括一个相应于程序系统增益的增益项单元和一个相应于死时间的死时间单元，所说控制、是在一个外加扰动条件下、根据控制器的控制变量输出，将程序系统输出的受控变量调整到一个目标值，所说控制器至少在受控变量和目标值之间的偏差基础上，进行比例积分控制操作，该系统包括：

与控制器相连的死时间补偿装置，包括有一个系统模型单元、具有系统传输函数近似于程序系统的传输函数、和一个模型单元，与系统模型单元并联，具有由系统传输函数消除死时间项单元而得到的模型传输函数，所说补偿装置用于输出一个补偿信号以补偿死时间，

与死时间补偿装置相连的增益调节装置，用于根据程序系统增益的变化、将系统模型单元的增益、调整到程序系统的增益上。

2、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：增益调节装置包括增益比值探测装置，以系统模型单元的第一输出信号，除以受控变量，来探测程序系统增益与系统模型单元增益的增益比值，还包括一个乘法器、用于将从死时间补偿装置输出的补偿信号与探测的增益比值相乘，补偿信号是从模型单元的第二输出信号，减去系统模型单元的第一输出信号而得到的。

3、按照权利要求2所述的系统，其特征在于：增益比值探测装置包括除法器、用系统模型单元的第一输出信号除以受控变量，来探测初始增益比值、还包括一个时间平均值运算器、用以计算初始增益比值的时间平均值，以测得增益比值。

4、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：增益调节装置包括除法器，用系统模型单元第一输出信号除以受控变量，以测得增益比值、包括存贮器、用于存贮增益比值。还包括校正装置，用于在死时间补偿器输出的补偿信号为零，超过一个予定时间时，校正增益比值。

5、按照权利要求4所述系统、其特征在于：校正装置包括信号识别装置、用于在死时间补偿器输出的补偿信号为零时，产生一个识别信号，还包括一个时间限定装置、用于在识别信号连续产生超过一个予定时间时，校正存贮在存贮装置中的增益比值。

6、一种控制具有程序系统增益和死时间的程序系统的方法，所说程序系统的传输函数，包括一个相应于程序系统增益的增益项，和一个相应于死时间的死时间项，控制过程是在一个外加扰动条件下、根据控制器控制变量的输出，将程序系统的受控变量输出调节到一个目标值，将控制器至少在受控变量和目标值之间的偏差基础上、进行比例积分控制操作、它包括下述步骤：

采用死时间补偿装置补偿死时间、该补偿器与控制器相连，包括一个系统模型单元、其系统传输函数近似于程序系统的传输函数，还包括一个模型单元、它与系统模型单元并联，其模型传输函数是从系统传输函数中，消除死时间项而得，以及，

根据程序系统增益的变化、将系统模型单元的增益调节到程序系统的增益。

7、按照权利要求6所述的方法，其特征在于：调节步骤包括测量程序系统的增益、与系统模型单元增益的增益比的步骤，它是用系统模型单元的第一输出信号，除以受控变量，还包括用测得的增益比，乘以死时间补偿装置的补偿信号输出的步骤、补偿信号是从模型单元的第二输出信号中，减去系统模型单元的第一输出信号而得到的。

8、按照权利要求7所述的方法，其特征在于：测量增益比的步骤，包括用系统模型单元的第一输出信号，除以受控变量，来测得初始增益比的步骤，以及计算初始增益比的时间平均值、以测得增益比的步骤。

9、按照权利要求6所述的方法，其特征在于：调节步骤包括，用系统模型单元除以受控变量，以测得增益比的步骤、存贮该增益比的步骤，和当死时间补偿装置的补偿信号输出为零，超过一个予定时间时，校正该增益比的步骤。

10、按照权利要求9所述的方法，其特征在于：校正步骤包括当死时间补偿装置的补偿信号，输出为零时，产生一个识别信号的步骤，以及当该识别信号持续产生超过一个予定时间时，校正存贮在存贮器内的增益比的步骤。