CN1131466C - 控制系统响应中超调的预测方法 - Google Patents

Abstract

一种过程控制系统，包括一种方法，它根据有关过程变量波形的观察来预测超调并抑制超过过程值设置点的过程变量的超调；不涉及时间定标或幅值大小；运用具有比例积分导数控制的模糊逻辑模块来实现过程变量矫正作用从而减小或消除所述超调。

Description

控制系统响应中超调的预测方法

技术领域

本发明涉及工业过程的控制系统，特别涉及抑制超调，即阻止越过或超过某一控制器的设置点的方法。

背景技术

所谓模糊逻辑的应用曾在1996年6月出版的期刊《塑料技术》中被这样描述：“模糊逻辑使控制能像你那样地思考”。

模糊逻辑已被广泛地应用于工业控制领域。它已被用于代替常规的控制，因为它能克服那些在典型的解决问题的方法中所固有的某些问题。它特别涉及通过改进响应时间而改进设置点或控制过程限制的超调或调整不足。过程控制装置广泛使用模糊逻辑，因为它在温度或压力控制中用于对付那些干扰一般工程控制结构正常稳定的事件和特性问题。当由于某种外部的缘由而在过程中产生变化时，采取某种形式的更正动作是必需的。如果为了控制过调或调整不足的特性而使运行限制设置得过松，则系统必将反应变慢。另一方面，如果采用了过紧的标准，则系统会反应太快，以致于造成相当大的超调。这样，模糊逻辑解决这些情况时采用所谓“人类语言”，如“过热”，“过冷”，“太快”，“太慢”，等。简言之，模糊逻辑以典型语言词汇来定义过程限制，而不是用严格的数学语言。有效过程值相互比较，对每一值指定不同程度的重要性，通过这些比较来作出决定。例如，若速度超过了需要值，则可希望设定速率为“慢”。

具有一个内在抑制超调特性的单回路控制系统，已由若干制造商公开。其中之一见于题名为“一种具有超调抑制算法的比例积分微分控制器”的论文。作者为Yasuda，Mano，Mori，Azegami和Crotty，发表于ISA90国际会议和展览论文集，PP1849-1857。该文涉及了一种运用模糊逻辑控制技术去控制过程超调的方法。

超调抑制作为一组以知识为根据的模糊规则被放在一个比例积分微分控制器中，其作用为修改控制器内在的设置点使控制变量停留在一个必需的或建议的响应曲线上而不会在出现过程变化时发生超调。这一设计要求由控制器的自动调谐器预先设定一个参数-“有效过程终止时间”。这种设计对于具有比较慢的动态响应的系统是有作用的。据报导，若回路有一个很快的超调，抑制不起作用，甚至会使回路不稳定。

一种由Omron生产的模糊温度控制器在其作为模糊温度控制器的型号为E5AF的产品中被公开。这种四分之一DIN的控制器结合有模糊及比例积分微分控制对过程干扰作出快速响应。在这个公开的系统中，带有前馈线路的先进的PID控制在启动和备用状态操作期间提供最佳响应。包含的模糊的PID控制共同作用以最小的超调快速地纠正过程的干扰。该装置能使模糊参数产生变化以调整加于过程上的模糊控制作用。要求的设置值的精度为±0.3％。Omron的设计指明，系统要求使用者预先设置三个参数：模糊强度，模糊比例1及模糊比例2。如果这三个参数设定不正确，或者当系统动态响应太慢时，系统可能变得不稳定。

发明内容

因此，本发明的目的在于给出一种方法用于工业过程控制系统中预测超调以便使控制系统能够采取必要的矫正作用去减少或消除这种超调。

采用超调分析的过程控制系统可以从以下出版的文件得知：

B.FREISLEBEN等人：“预测过程控制的超调的学习模糊系统”，国际会议，第五模糊日，1997年4月28日，554-555页，XP002095089德国

V.PAVLICA等人：“PID-模糊混合控制器”，第12届CAD/CAM机器人和未来工厂国际会议会议录，1996年8月14日375-380页，XP002095090英国

S.ISAKA：“模糊温度控制器和它的应用”SPIE会议记录，模糊逻辑技术应用，2061卷，1993年9月8日，59-65页，XP002095092，美国

在许多典型的工业控制系统中，高度重视的是当设置点的变动或从系统中某一干扰恢复时的反应不使其过程参数超调或穿过以及超过控制器的设置点。本发明阐明一种预测这种超调的方法从而使控制系统能够采取正确行动去减少或消除超调。该预测是通过观察过程变量的波形来实现的。

这一观察过程变量的方法适用于具有大范围动态参数的系统，该法不必设定配置参数，也不需要预先学习系统的动特性。在此公开的关于超调抑制的本发明不要求设置参数，并且在系统动特性的非常大的范围中是稳定的。这是因为该方法仅基于观察过程变量波形的形状而不管时间或振型比例。

在一个对设定点的值没有抑制的系统中，超调将引起增加或升过设定点，在稳定出现后一段时间后才会回到设定点。

当超调抑制应用于这样的系统，设定点一开始便受抑制。在过程值(PV)升向被抑制的设定点的过程中，预测将表明会有超调。因此设定点被保持在抑制水平，直到过程变量开始平衡为止。在这一时间，抑制减小使过程变量没有超调地“软着陆”在完全设置点水平。在一个不存在超调的系统中，显然不使用抑制，不会有变动产生。然而，有了超调抑制时，设置点可能一开始被抑制。然而，一但基于波型的预测表明将不会有超调时，抑制减小，引导过程变量到完全设定点水平而不会有调整时间损失。

此外阐明的超调抑制的运行要求在过程变量波形上升过程中有能力预测到将会有超调。此处公开的用于执行预测的方法在过程动态条件的一个大的范围内能够这样做而不需要预先知道过程的动特性。这一方法运用的观察为：当没有超调时，过程变量以近似指数形式趋向设置点；而当将有超调时，更近似于线性型式。观察是通过对大范围的系统响应的经验的试验数据的研究得出的。因此，若当偏差下降而趋向零，它随时间以指数规律衰减，将没有超调。另一方面，若有超调，则偏差波形近似线性。

偏差曲线的类型，无论是指数的，线性的等等，是以偏差衰减某一固定比例所测得的所需时间间隔来评定的。每两个相继时间值比值被用来作为波形曲率或指数指标的衡量。偏差曲率被用来预测是否有超调。偏差曲率在或接近0.8这一数字时表明将有超调。其值为或接近1.0时则表明无超调。偏差曲率信号是独立于偏差的幅值和时间比例的。

附图说明

本发明将参考以下相关的图形详细说明：

图1为根据本发明方法的包括模糊逻辑的控制系统的框图。

图2为详细说明利用本发明的偏差曲率测量的示意图。

图3为运用本发明方法的模糊逻辑模块的框图。

图4是简化状态框图，说明偏差曲率的计算。

具体实施方式

参阅图1，该图所示为应用按照本发明所述的模糊逻辑的过程控制系统。可以发现，模糊逻辑可以通过开关12A根据需要被连通或断开。该所示系统为一种UDC系统，即通用分布控制类型。图中的是建立设置点的设装置11，用于被控制的过程15。在设置点和过程之间有直接线路(route)作为设置点和比例积分微分单元之间的连接，该单元的输出接到被控制的过程。在设置点建立装置12和PID装置14之间是一个开关点12，此处通过一个开关12A使模糊逻辑模块13可以插入电路以保证经过模糊逻辑从设置点装置11到PID装置14的连接。被处理值的反馈经引线16连到模糊逻辑13和PID装置14。模糊逻辑模块13用来在一定范围内降低超调而不需要设置参数或重新调谐或学习。所需的配置仅仅是选择“on”或“off”以接上或解除模糊超调抑制。任何具有超调的稳定回路都可用本方法来降低超调或消除超调。任何无超调的回路仍将没有超调，并在任何情况下不会使超调明显增加。对于大多数有超调或无超调的回路，稳定时间中值变化可望为负。

为满足以上目的，需尽早检测会不会有超调，以便采取必要的行动以阻止这一超调，并且不必为此而预先知道动特性。为此，本设计应用的以下观察：无超调时，过程值以近似指数型式趋向设置点；有超调时，则以更近似性型式趋向设置点。这一观察是研究了大范围的系统响应的经验试验数据得出的，其中包括具有多个滞后和死点的响应。

已经确定，若偏差降向零并且随时间是指数型式衰减的，则将没有超调(超调量＝设定点-过程值)。若有超调，则偏差波形更接近线性。在其他极端情况，若响应是惰性的，响应远大于指数曲线型响应。问题的解决部分地取决于上述曲线的曲率的测量。曲线偏差的类型若是属于指数型、线型等的那一种，则由测量偏差衰减一个确定的比例所需的时间间隔来评定。即，将每一对相继时间值之比用作波形的曲率或指数性的衡量。

参阅图2可以看出，测量在某一时刻进行，接着在该时刻加1处、该时刻加2处、该时刻加3处，等等处。要确定的是当偏差到达衰减减去一个阈值水平时所需的时间以及衰减减去阈值恒定地出现为0.8的位置。两相继时间间隔之比(见图2)称为偏差曲率。若曲率是指数型的，则偏差曲率为1。相似地，若曲线是线性的，则偏差曲率为0.8。根据上述情况，可以预测超调。

当设置点发生变化，操作开关12A使其接上模糊逻辑13，从而进入模糊超调抑制，被抑制的设置点(SSP)仅向新的设置点方向移动80％。于是过程值将被控到被抑制的设置点。当过程值接近被抑制的设置点时，模糊必须能够预测是否会有超调。若不会有超调，抑制降为零，否则，模糊逻辑保持抑制长久一些以便消除或至少减低超调。这一预测根据偏差曲率确定。已经确定，当过程值接近被抑制设置点时，在分辨过程有无超调上，偏差曲率值有一个清楚的分界。

当以某一设置点等级作用时，抑制起始设定为20％的等级大小，从而使被抑制的设置点向新设置点水平移动80％的距离。等到过程值已经向被抑制的设置点的方向移动大约四分之三时，模糊逻辑已经确定不会有超调而开始减少抑制。当模糊逻辑减小抑制到零，过程值以典型的没有稳定时间变化的方式趋近设置点。

为了获悉存在超调，抑制设置点开始时设定为设置点的80％，当过程值上升时，模糊逻辑确定将存在超调并保持抑制在相同水平。这样，当过程水平开始变平，模糊逻辑减小抑制使过程值“软着陆”在设置点水平。

在图3中示出的模糊机逻辑模块的详细操作和线路不作为本发明的一部分，而是仅仅要求那些模块能够如在此指定和讨论的那样运行。特殊设计细节包括模糊设置的规则的定义将应用一个系统的模拟闭环结合工作环境在下文阐明。

如图3所示有一个后处理模块35，该后处理模块接受来自模糊机的一个抑制值增量，相应地增加或减少抑制值。如果抑制增量是正的，抑制被增加。

若抑制增量为负，则抑制减少并趋向于0。零比值用预处理设定的tscale的值来定比例，使得当抑制增量减小时，抑制以近似等于过程常数值衰减。

仍参考图3，此处所示为一个模糊逻辑模块框图。由本方法控制的超调抑制应能在一个回路中在过程滞后为从10秒到8小时的范围内以终止时间最高为15分的情况下工作。它也应能在设置点等级或干扰-包括偏差-其幅值从1％到整个范围内工作。

本方法的模糊逻辑应能在这一范围值内减小超调而不像现有技术那样要有参数的预先设定也不要求有预调或学习。唯一要求的配置是选择“接通”或“断开”模糊超调抑制，如图1所示。在有引起超调的上述范围内的参数的任何稳定回路均可应用本方法使其超调减小或消除。任何无超调的回路将仍然无超调而决不会造成明显的超调增加。

图3的模糊机运行实施的规则如表A所示。此处所示信息为偏差曲率，其中的偏差曲率是增加、快速衰减、指数衰减，或慢衰减，或以四个水平从大于5倍的抑制比值到0或负抑制比进行抑制。

图3所示的预处理模块接收设置点值和过程值的当前值作为输入然后提供相对偏差以及偏差曲率的修正值给模糊机；模糊机包括输入模糊装置32，规则模块33，以及输出模糊装置34。预处理模块将偏差(设置点减去过程值)除以抑制的当前值，但保证避免当抑制为0时除以零的错误。然后，它将处理结果限制在0和6之间并调节输出为模糊机所要求的水平。计算偏差曲率的方法已在前面简述过。这一计算在偏差下降时进行；但当偏差在其他任意状态时，如增加，平坦或为0等，其动作也必须被确定。

在图4所示的简化状态图中，Elatch值(衰减值减去门限值)在偏差增加时向上啮合，然后，当其减小时，它被作为偏差的闭锁值如图4所示去计算偏差曲率。注意tscale被设置成正比于在转变过程测得的衰减比值，并被用于决定抑制的衰减的比值。对于不同状态及事件及其引起的作用以及从而导致的结果状态的详情见表B所示。

Claims (8)

1.在过程控制系统中，一种抑制过程变量PV超过过程值设置点(11)的方法，包括以下步骤：

用观察与所述过程变量PV有关的波形来预测所述超调；

预测超调将出现在过程变量波形上升期间；

没有超调，则过程变量以指数形式趋向设置点；

出现超调，则过程变量以线性形式趋向设置点；

与所述过程变量有关的所述波形的所述观察与时间比例无关，或者与幅值比例无关；

使得所述系统采取矫正动作以减小或消除所述超调；

运用带有比例积分微分控制的模糊逻辑模块(13)去采取所述过程变量(PV)的所述矫正动作。

2.如权利要求1的方法中，其中：

所述设置点(11)是起始被抑制的。

3.如权利要求1或2的方法，其中所述波形形状的确定由测量当偏差衰减一固定比值所需的时间间隔来得到。

4.如上述权利要求任一个的方法，其中每一对相继时间值之比是所述波形的指数率和两个连续时间间隔的所述比例是偏差曲率。

5.如权利要求4的方法，其中所述偏差曲率是关于是否会产生超调的一种衡量。

6.如权利要求2的方法，其中过程变量被所述模糊逻辑控制在所述的被抑制的设置点。

7.如权利要求6的方法，其中当不存在超调时，所述模糊逻辑将使所述被抑制设置点减小到0。

8.如权利要求6或7的方法，其中若出现超调，所述模糊逻辑保持抑制在小于所述过程变量的水平，直到过程变量平整为止，此后所述模糊逻辑减小抑制以导致过程变量到达过程水平的设置点。

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