CN109716246A - 闭环控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过程(2)的闭环控制装置(1)，其设计用于根据基准变量(w)与受干扰变量(d)影响的受控变量(y)之间的控制偏差(e)经由调节变量(u)作用于过程(2)，其具有‑控制器(4)，控制器由输送给它的控制偏差(e)产生调节变量(u)，‑连接在控制器(4)上游并能通过施控装置(6)被激活和去激活的控制器死区元件(3)，经由控制器死区元件输送的控制偏差(e)在其激活状态下受到控制器死区的影响并且在非激活状态下不受影响，且当控制偏差(e)超过第一阈值时，控制器死区元件被去激活，当控制偏差(e)低于比第一阈值更小的第二阈值时，它被重新激活，和‑接入元件(7)，其包含低通滤波器(10)并优选包含布置在低通滤波器下游的干扰变量死区元件(11)，接入元件由干扰变量(d)产生辅助调节变量(u*)，并且将辅助调节变量接入到调节变量(u)上。

Description

闭环控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种闭环控制装置和一种闭环控制方法。

背景技术

在对过程进行闭环控制时，根据基准变量(额定值)与受控变量(实际值)之间的控制偏差，经由调节变量对这个过程进行干预，以便使得控制偏差最小。控制器由输送给它的控制偏差产生该调节变量，其中，控制器经由执行元件来控制过程。受控变量可能受到干扰变量的影响。通常，由控制器为执行装置生成的控制量与执行装置作用于过程(受控对象)时所使用的调节变量是不同的。这种不同在下文中不会出现，也就是说，简单地认为控制量和调节变量相同。

在技术设施中存在用于闭环控制的应用，在这些应用中，受控变量不必准确地保持在额定值，而是只保持在限定的界限内即可。为此的一个实例是缓冲水平控制系统，它是指对缓冲容器液位的控制系统，在缓冲容器中，液位不必被准确地保持，而是只保持在限定的界限内即可。在流出时，通过作为执行元件的阀来控制液位。入流是干扰变量。这种具有受控变量死区的闭环控制具有以下优点：在死区内执行元件不发生活动，由此可以减少执行元件的能耗和磨损。

为了实现这个死区，已知在控制器的上游连接一个控制器死区元件。然而迄今为止，这在大多数情况下导致控制质量变差，因为只有利用与死区宽度相关的偏置才会达到准确的额定值。

为了能够更好地减少控制干预并且实现更有利的闭环控制表现，在EP 2 579 112B1中提出了一种闭环控制装置，其中，可以探测到并且再次激活连接在控制器上游的控制器死区元件，其中，输送给控制器的控制偏差在控制器死区元件的激活状态下受到控制器死区的影响，并且在非激活状态下不受影响。当控制偏差超过第一阈值(它可以等于死区极限)时，死区元件被去激活，而只有当控制偏差低于比第一阈值更小的第二阈值时，才再次激活死区元件。关于已知的死区元件的更多设计方案和优点可以参见EP 2 579 112 B1。

死区闭环控制的缺点在于，干扰变量更难以被校正，因为受控变量首先必须离开死区，以便激活闭环控制系统并且抵消干扰变量。

发明内容

根据本发明，该问题通过权利要求1中给出的闭环控制装置和权利要求6中给出的闭环控制方法得以解决，其中在从属权利要求中给出有利的改进方案。

本发明的主题是一种用于过程的闭环控制装置，其设计用于根据基准变量与受干扰变量影响的受控变量之间的控制偏差经由调节变量作用于过程，该闭环控制装置

-具有控制器，控制器由输送给其的控制偏差产生调节变量，

-具有控制器死区元件，其连接在控制器上游并且可以通过施控装置被激活和去激活，经由控制器死区元件输送的控制偏差在控制器死区元件的激活状态下受到控制器死区的影响而在非激活状态下不受影响，并且当控制偏差超过第一阈值时，控制器死区元件被去激活，当控制偏差低于比第一阈值更小的第二阈值时，其被重新激活，并且

-具有接入元件，其包含低通滤波器，接入元件由干扰变量产生辅助调节变量并且将辅助调节变量接入到调节变量上。

此外，本发明的主题还包括一种用于过程的闭环控制方法，以便将受干扰变量影响的受控变量以允许波动宽度调节到基准变量，其中

-控制器由输送给它的控制偏差产生调节变量，

-当控制偏差超过第一阈值时，连接在控制器上游的控制器死区元件被去激活，控制器死区元件具有用于确定允许波动宽度的控制器死区，其中，在非激活状态下，输送给控制器的控制偏差不受控制器死区的影响，并且当控制偏差低于比第一阈值更小的第二阈值时，控制器死区元件被再次激活，其中，在激活状态下，输送给控制器的控制偏差受到控制器死区的影响，并且

-测量干扰变量，并且干扰变量经由低通滤波器被作为辅助调节变量接入到调节变量上。

在死区内，闭环控制系统保持去激活，此时干扰变量的改变直接影响到调节变量，从而明显更快速地抵消可测量的干扰，并因此在最佳情况下能够防止离开死区。通过对所接入的干扰变量进行低通过滤，减少了执行元件活动，从而避免了干扰变量的许多小改变或者噪声再次导致调节变量的相应的多次改变。因为低通滤波器位于闭环控制回路的反馈分支外部的干扰变量接入电路中，所以不会影响闭环控制回路的稳定性。因此，必须如下地选择低通滤波器的时间常量大小，即过滤后的干扰变量(或由其产生的辅助调节变量)中的噪声和小波动不再能被觉察到。

然而，大的平滑因数也带来大的延迟，这又可能削弱干扰变量接入电路的预期效果，也就是对干扰的快速反应。此外，干扰的一次改变可能导致经低通过滤后的干扰信号发生缓慢却持续更长时间的改变，从而由此能够出现连续的执行元件活动。根据本发明的一个有利改进方案，这可以通过布置在低通滤波器下游的干扰变量死区元件得以避免。结合用于干扰变量的单独死区，可以明显选择低通滤波器的更小的时间常量。由于时间常量更小，所以不仅过滤效果降低，而且时间延迟也减少。虽然干扰变量在经低通滤波以后继续波动，却没有开始那么强烈。现在，只要过滤后的干扰变量的波动在死区的限定界限内发生，那么干扰变量死区就会使干扰变量接入电路的值保持恒定。在对低通滤波器和干扰变量死区进行相应参数化时，正常运行中干扰变量的噪声和小波动正是这种情况，从而平均恒定的干扰变量不引起执行元件活动。因此，此时应该选择低通滤波器的足够小的时间常量，使得干扰变量的明显改变比较快速地超过死区，并且进而在干扰变量接入电路中产生作用。

因为在大多数情况下干扰变量平均大于零或者说具有偏离零的趋势，所以必须相应地跟踪干扰变量死区的位置。这可以通过用于控制干扰变量死区元件的施控装置来实现，该施控装置将干扰变量死区的当前位置与经低通过滤后的干扰变量在偏差方面进行比较，并且当偏差超过预定程度时，将该当前位置变为经低通过滤后的干扰变量的当前值。在最简单的情况下，这例如如下地实现，即，当经低通过滤后的干扰变量离开死区时，将干扰变量死区的位置以半个死区宽度的数值进行改变，从而干扰变量在这个时间点的当前值位于改变后的死区的中心。

在本发明的有利设计方案中，两个死区元件的施控装置相互耦联，其中，干扰变量死区元件也可以通过其施控装置被激活和去激活，并且当控制偏差离开控制器死区时，暂时去激活。如果受控变量离开控制器死区，那么闭环控制系统变为激活的。因为在这个时间点不可避免地增加了执行元件活动，所以干扰变量的死区可以被临时去激活。以有利的方式，两个死区可以被暂时去激活，直到控制偏差极小。通过将干扰变量死区与控制器死区耦联，受控变量可以更快地再次回到额定值，并且调节值可以更快地再次进入恒定运行。

如果干扰变量超过其死区，那么控制器死区同样也可以被暂时去激活。一方面，通过使受控变量预防性地返回到额定值附近，因此可以防止离开控制器死区。普遍来说，由此却也使得调节变量的改变更加频繁。在某些情况下，控制器死区与干扰变量死区的耦联可以是很重要的，然而一般来说导致了更多的执行元件活动。

以有利的方式，根据本发明的闭环控制装置可以是缓冲水平调节系统的组成部分，其中，在缓冲器中测量到的液位作为受控变量，缓冲器中测量到的入流作为干扰变量，缓冲器的出流作为待调节的变量。

另一有利的应用例如是，通过定量地输送中和剂对容器中介质的pH值进行调节，其中，在容器出流中测量的pH值作为受控变量y，在入流中测量的pH值作为干扰变量，并且将所添加的中和剂的计量作为待调节的变量。

更多其他的应用例如有：

-在具有加热/冷却套的搅拌釜反应器中的温度调节，其中，为了调节温度而输送热蒸汽或者输送冷却水。受控变量是搅拌釜反应器内部的温度，并且在级联式控制的情况下，受控变量是加热/冷却套的温度。干扰变量是输送给反应器的主反应物的进料量。

-通过调整流化层干燥器中的热空气量和温度对产品湿度和产品温度进行调节。可测量的干扰变量在这里是待干燥的原材料的湿度和流量，以及可能是所抽吸的新鲜空气的空气湿度。温度和湿度的死区在这里是常见的，因为它们对应于针对产品质量所给定的规定范围。

-蒸馏塔的顶部和底部的温度调节，其通过为下一级流量控制器给定热蒸汽和回流的额定值来实现。干扰变量是塔中的进料量。温度的死区在这里是常见的，因为它们对应于产品质量的规定范围(例如在酿制烈酒时的酒精含量为39-41％)。

优选地，利用闭环控制装置可以执行的闭环控制方法以软件或者软/硬件的组合来实现，所以本发明也涉及一种计算机程序，其具有可以由计算机运行的用来执行该方法的程序代码指令。与此相关地，本发明还涉及一种计算机程序产品，尤其是数据载体或者存储介质，具有可以由计算机运行的这种计算机程序。这种计算机程序优选是自动化设备的组成部分，由该组成部分实现闭环控制装置，或者，计算机程序保存在自动化设备的存储器中或可以加载到该存储器中，从而在自动化设备运行时，它自动地执行用于控制缓冲器中的液位的方法。

附图说明

此外，借助实例阐述本发明，为此参见附图；分别示出：

图1是根据本发明的闭环控制装置的一个实施例的框图，

图2是根据本发明的闭环控制装置的另一实施例的框图，该闭环控制装置具有干扰变量死区元件，

图3是相关于干扰变量改变调适干扰变量死区的位置的实例，

图4是根据本发明的闭环控制装置作为缓冲水平调节系统的组成部分的实例，

图5是相关于干扰变量改变调适干扰变量死区的位置的实例，

图6是根据本发明的闭环控制装置作为pH值调节系统的组成部分的实例，以及

图7是根据本发明的闭环控制装置作为搅拌釜反应器的温度调节系统的组成部分的实例。

具体实施方式

图1示出了闭环控制装置1的框图，其用于在过程2中对受控变量y进行控制。受控变量y的当前值(实际值)与基准变量(额定值)w进行比较。控制偏差e被计算为受控变量y的基准变量w与实际值之间的差值，控制偏差经由控制器死区元件3输送给控制器4，控制器由控制偏差e产生调节变量u，并且利用调节变量经由执行元件5控制过程2。受控变量y受到在此可测量的、作用于该过程的干扰变量d的影响。

控制器死区元件3按照前文提到的EP 2 579 112 B1所披露的死区元件来设计，并且通过参数化被设定到受控变量y的允许波动宽度上。也就是说，受控变量y不必被准确地调节到额定值w，而是只保持在限定的界限内即可。如EP 2 579 112 B1中所描述的，控制器死区元件3配设有施控装置6以用于其自动激活和去激活，其中，输送给控制器4的控制偏差e在控制器死区元件3的激活状态下受到控制器死区的影响，并且在非激活状态下不受影响。当控制偏差e超过第一阈值时，控制器死区元件3被施控装置6自动地去激活，并且当控制偏差2低于比第一阈值更小的第二阈值时，控制器死区元件被重新激活。

基于死区闭环控制，更难校正干扰变量d的改变，因为受控变量y首先必须离开受控变量死区或者说控制偏差2必须离开控制器死区，以便激活闭环控制系统并且抵消干扰变量d。因此，在接入元件7中，由测量到的干扰变量d产生辅助调节变量u*，并且将其接入到调节变量u上。这可以通过控制器4的内部干扰变量接入电路，或者，如在此所示，在连接于控制器4下游的求和元件8中实现。在此示出的控制器4尤其是理解为实际的控制功能，例如P控制功能或者PI控制功能。广义来说，控制器包含所有有助于由控制偏差e产生调节变量u的功能，并且因此例如也包括控制器死区或者调节变量限制。鉴于控制器的抗饱和逻辑，相加点8必须位于调节变量限制的上游，从而正确地限制总调节变量u-u*，并且这种控制算法识别出是否达到界限。接入元件7包含校正元件9和低通滤波器10。

校正元件9用于考虑干扰变量d对受控变量y的影响的可能存在的非线性。这种校正可以通过按经验预定的特征曲线来实现，为此例如设定不同的干扰变量值并且对它们求出相应的调节变量值(包括接入的辅助调节变量)，这些调节变量值对于使受控变量随着分别设定的干扰变量值在一定程度上保持恒定来说是必要的。

低通滤波器10用于平滑可能校正过的干扰变量d，从而经过滤后的干扰变量或辅助调节变量u*中的噪声和小波动不再能够被察觉到。

图2示出了闭环控制装置1的另一实施例，该实施例与图1的实例的区别在于，在低通滤波器10的下游连接有干扰变量死区元件11。干扰变量死区元件11用于，只要经过滤后的干扰变量d*的噪声和波动在干扰变量死区的界限之内发生，则使得干扰变量接入电路的值保持恒定。因此，可以选择低通滤波器10的比较小的时间常量，从而减少随着低通滤波引起的时间延迟并减少因此造成的干扰变量接入电路对干扰的反应变缓。因此，在正常运行中干扰变量d的噪声和小波动发生在干扰变量死区内且从而干扰变量接入电路的值保持恒定的情况下，干扰变量d的明显改变比较快地导致超过干扰变量死区并且在干扰变量接入电路中发生作用。

在干扰变量d的改变更大时，相应地跟踪干扰变量死区的位置，从而干扰变量d在干扰变量死区之中处于中心。为此，干扰变量死区元件11受到其他施控装置12的控制，该施控装置将干扰变量死区的当前位置(例如中心)与经低通过滤后的干扰变量d*比较，并且当偏差超过预定的程度时，将该位置变为它的当前值。

图3示出了干扰变量死区的位置与干扰变量适配的实例，其以信号流图的简化形式用图形化编程语言CFC(连续功能图)示出。在加法器13中，与干扰变量死区的一半宽度相等的值△与经低通过滤后的干扰变量d*的被存储的且当前作为辅助调节变量u*输出的值相加，并且在减法器14中从该辅助调节变量u*中减去该值。如此形成的和值u*+△是当前干扰变量死区的上限，差值u*-△是当前干扰变量死区的下限。在比较器15中，经低通过滤后的干扰变量d*与两个死区界限u*+△和u*-△中的每一个都进行比较。对于这两次比较，比较器15产生两个输出信号H和L，当经低通过滤后的干扰变量d*在当前干扰变量死区之内时，这两个输出信号的逻辑值都为“0”，并且当经低通过滤后的干扰变量d*超过相关的界限时(例如向下超出下限)，这两个输出信号的逻辑值分别为“1”。只要超过这两个死区界限中的任一个，或者元件16产生值为“1”的控制信号St，并且进而对选择元件17进行控制，在超过界限的情况下，该选择元件用经低通过滤后的干扰变量d*的当前值来取代直到此时所输出的辅助调节变量u*的值。

回到图2，两个死区元件3、11的施控装置6、12相互耦联(耦联部18)，从而它们能够互相控制。当受控变量e离开控制器死区时，那么闭环控制系统被激活，从而执行元件活动增加。因此，在这种情况下，其他施控单元11暂时将干扰变量死区去激活。此外，这两个死区都可以被临时去激活，直至控制偏差e极小为止。通过干扰变量死区与控制器死区的耦联，因此可以使受控变量y更快地再次回到额定值w，并且调节变量的值u-u*更快地再次回到恒定的运行状态。

在特定的情况下，当干扰变量d*超过其死区时，也可以反向地将控制器死区临时去激活，以便使得受控变量y预防性地回到额定值w的附近，并且避免控制偏差e离开控制器死区。

图4示出了作为缓冲水平调节系统的组成部分的闭环控制装置1，其中，未进一步示出的设施中的容器(例如罐)用作缓冲容器19，以便尽管入流21的流量有波动，也在出流20中实现尽可能均匀的流出量。容器19的填充量例如应该为此保持在40％与60％的填充度之间。为了控制作为受控变量y的液位，借助液位测量变换器22检测液位的当前值，并且在闭环控制装置1中将该当前值与预定的液位额定值w(例如50％的填充度)进行比较。此外，借助流量测量变换器23测量容器入流，并且将容器入流用于闭环控制装置1中的干扰变量接入电路。经由形成执行元件5的控制阀24设定出流20中的体积流速。

图5示例性示出了作为受控变量y的液位随时间t的变化、液位额定值w随时间t的变化、作为干扰变量d的有噪声的容器入流随时间t的变化、以及控制阀24的位置或者调节变量u-u*随时间t的变化。这种闭环控制利用控制器死区实现，控制器死区为额定值w+/-15％，并且这种闭环控制利用具有干扰变量死区的根据本发明的干扰变量接入电路来实现，干扰变量死区为干扰变量接入电路的当前存储值+/-7％。可以看出，在干扰变量跃变处(在恒定的额定值w处)，阀位置在长时间段内保持极其恒定。阀24快速地跟随干扰变量(位置A)的跃变，并且液位y保持在控制器死区+/-15％之内。阀位置先是保持恒定，短时间以后(位置B)却再次被调适，因为干扰变量d超过了干扰变量死区的界限。

图6示出了作为容器25中的介质pH值调节系统的组成部分的闭环控制装置1，介质pH值调节通过从储备容器27中定量地输送中和剂26来实现。在容器28的出流28中借助测量探针29测量到的pH值形成受控变量y。同样，干扰变量d是在入流31中借助测量探针30测量到的pH值。执行元件5是用于定量输送中和剂26的控制阀32。由闭环控制装置1产生的调节变量u-u*在被输送给执行元件5之前，与入流31中由流量计33测量到的流量F相乘。为了避免不必要的阀运动，允许出流28中的介质pH值在围绕额定值w的死区内波动。

图7示出了作为具有加热/冷却套(Jacket)35的搅拌釜反应器34的温度调节系统的组成部分的闭环控制装置1。温度调节通过调温回路来实现，经由可控制的阀37、38为调温回路输送热蒸汽39或者输送冷却水40。闭环控制装置1构造为级联式控制系统，并且其获得用温度传感器41、42在搅拌釜反应器34内部和加热/冷却套中测量到的温度来作为受控变量y1、y2。干扰变量d1、d2是借助流量测量变换器43、44在入流45、46中测量到的主要原材料的进料量。

Claims (15)

1.一种用于过程(2)的闭环控制装置(1)，所述闭环控制装置设计用于根据在基准变量(w)与受干扰变量(d)影响的受控变量(y)之间的控制偏差(e)经由调节变量(u)作用于过程(2)，所述闭环控制装置

-具有控制器(4)，所述控制器由输送给该控制器的所述控制偏差(e)产生所述调节变量(u)，

-具有控制器死区元件(3)，所述控制器死区元件连接在所述控制器(4)的上游并且能够通过施控装置(6)被激活和去激活，经由所述控制器死区元件输送的所述控制偏差(e)在所述控制器死区元件的激活状态下受到控制器死区的影响而在非激活状态下不受影响，并且当所述控制偏差(e)超过第一阈值时，所述控制器死区元件被去激活，当所述控制偏差(e)低于比所述第一阈值更小的第二阈值时，所述控制器死区元件被重新激活，并且

-具有接入元件(7)，所述接入元件包含低通滤波器(10)，所述接入元件由所述干扰变量(d)产生辅助调节变量(u*)，并且将所述辅助调节变量接入到所述调节变量(u)上。

2.根据权利要求1所述的闭环控制装置(1)，其特征在于，所述接入元件(7)还包含布置在所述低通滤波器(10)下游的干扰变量死区元件(11)。

3.根据权利要求2所述的闭环控制装置(1)，其特征在于，存在用于控制所述干扰变量死区元件(11)的其他施控装置(12)，所述其他施控装置将干扰变量死区的当前位置与经低通过滤后的干扰变量(d*)在偏差方面进行比较，并且当所述偏差超过预定量时，将干扰变量死区的当前位置变成经低通过滤后的干扰变量(d*)的当前值。

4.根据权利要求2或3所述的闭环控制装置(1)，其特征在于，通过所述其他施控装置(12)能够使所述干扰变量死区元件(11)激活和去激活，两个施控装置(6、12)相互耦联，并且所述其他施控装置(12)设计用于，当所述控制偏差(e)离开所述控制器死区时，将所述干扰变量死区元件(11)去激活。

5.根据权利要求4所述的闭环控制装置(1)，其特征在于，所述施控装置(6)设计用于，当经低通过滤后的干扰变量(d*)离开所述干扰变量死区时，将所述控制器死区元件(3)去激活。

6.一种用于过程(2)的闭环控制方法，用于将受干扰变量(d)影响的受控变量(y)以允许波动宽度调节到基准变量(w)，其中

-控制器(4)由输送给该控制器的控制偏差(e)产生调节变量(u)，

-当所述控制偏差(e)超过第一阈值时，连接在所述控制器上游的控制器死区元件(3)被去激活，所述控制器死区元件具有用于确定所述允许波动宽度的控制器死区，其中，在非激活状态下，输送给所述控制器(4)的所述控制偏差(e)不受所述控制器死区的影响，并且当所述控制偏差(e)低于比所述第一阈值更小的第二阈值时，所述控制器死区元件被再次激活，其中，在激活状态下，输送给所述控制器(4)的所述控制偏差(e)受到所述控制器死区的影响，并且

-测量所述干扰变量(d)，并且所述干扰变量经由低通滤波器(10)被作为辅助调节变量(u*)接入到所述调节变量(u)上。

7.根据权利要求6所述的闭环控制方法，其特征在于，将测量到的且经低通过滤后的干扰变量(d)输送给干扰变量死区元件(11)，所述干扰变量死区元件输出所述辅助调节变量(u*)。

8.根据权利要求7所述的闭环控制方法，其特征在于，将干扰变量死区的当前位置与经低通过滤后的干扰变量(d*)在偏差方面进行比较，并且当该偏差超过预定量时，将所述干扰变量死区的当前位置变为经低通过滤后的干扰变量(d*)的当前值。

9.根据权利要求7或8所述的闭环控制方法，其特征在于，当所述控制偏差(e)离开所述控制器死区元件(3)中的所述控制器死区时，所述干扰变量死区元件(11)被去激活。

10.根据权利要求9所述的闭环控制方法，其特征在于，当经低通过滤后的干扰变量(d*)离开所述干扰变量死区元件(11)中的干扰变量死区时，所述控制器死区元件(3)被去激活。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的闭环控制方法，其特征在于，为了控制缓冲水平，将缓冲器(19)中测量到的液位作为所述受控变量(y)，将缓冲器(19)中测量到的入流(21)作为所述干扰变量(d)，并且将缓冲器(19)的出流(20)作为待调节的变量(u)。

12.根据权利要求6至10中任一项所述的闭环控制方法，其特征在于，为了对用于加工或处理材料的、借助加热和/或冷却剂来控制温度的过程进行温度调节，将该过程中测量到的温度作为所述受控变量(y)，将所述材料的进料作为所述干扰变量(d)，并且将加热和/或冷却剂的输送作为待调节的变量(u)。

13.根据权利要求6至10中任一项所述的闭环控制方法，其特征在于，为了在通过添加附加材料来处理材料的过程的输出端处调节材料质量，将在该过程的输出端处测量到的已处理材料的质量参数作为所述受控变量(y)，将提供给该过程的未处理材料的进料作为所述干扰变量(d)，并且将附加材料的输送作为待调节的变量(u)。

14.一种计算机程序，具有能够由计算机运行的程序代码指令，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码指令执行根据权利要求6至13中任一项所述的方法。

15.一种计算机程序产品，尤其是数据载体或存储介质，具有能够由计算机运行的根据权利要求14所述的计算机程序。