CN1208475A - 对迟缓的自动补偿过程进行调节的方法及实施此方法的调节装置 - Google Patents

Abstract

一种对迟缓的自动补偿过程(P)进行调节的方法及实施此方法的调节装置,所述方法尤其用于温度调节,其中在第一额定值跃变后调整参数(y)被置于最大值并且借助跃变响应对过程(P)的IT1模型进行鉴别。借助此模型计算出时间点,在该时间点用于时间最佳的调节的调整参数(y)必须返回。当在断开时间点后调节参数(x)的变化速度低于预定极限值时,则求出另一个更为精确的模型。根据该更为精确的模型设定线性调节器(R)的参数,所述调节器据此在线性工作时对过程(P)进行调节。在其它的额定值跃变时,借助更为精确的模型计算出转换到用于时间最佳调节的稳定的调整参数(y)的时间点。本发明的调节在第一额定值跃变后已经与过程(P)适配,故不需要为此对过程基本情况的了解。本发明适用于自适应调节器。

Description

对迟缓的自动补偿过程进行 调节的方法及实施此 方法的调节装置

本发明涉及一种对迟缓的自动补偿过程进行调节的方法，尤其是一种用于温度调节的方法，以及一种用于实施此方法的调节装置。

一种用于迟缓的自动补偿过程的自适应调节器在DE-OS 39 29 615中已作了记载。该调节器具有使其参数自动与被调节对象的瞬时变化特性适配的能力。为此记录下过程对额定值跃变式调整的响应并采用叠代方法找出一种可以尽可能好地模拟该跃变响应的PTn-模型。当利用PTn模型的一些参数按照最小误差平方的方法计算出的PTn-模型的跃变响应与实际过程间的误差最小时，这些参数被视为是最佳。在过程鉴别结束后，借助求出的过程模型按等效最佳数值设计调节器。在此涉及的是带有比例积分微分类型调节器的闭合调节回路。有待调节的过程具有自动补偿特性，即它们构成调节对象，在此对象中跃变响应进入新的稳定状态。

该方法的缺点是，在已知的自适应调节器投入工作时，在调节器被最佳化之前，必须进行常常耗费大量时间的跃变试验。只有当调节参数在额定值跃变后又过渡接近到新的稳定的终值上时，该试验才结束。由于因标准过于严格一方面鉴别需要很多时间并且另一方面因标准表述范围过宽增大了出现鉴别错误的风险，故必须精心选择稳态的标准。另外，由于快速激发特性是以调节参数的过调为代价的，故采用线性的比例积分微分-调节器实现的调节质量基本上是有限的。

采用已知的鉴别方法不利的是，蠕变的时间常数也起作用，即极贴近拉普拉斯阶的始点并导致过程的类似积分器的特性，从而造成在调整参数跃变后很长时间不会达到稳态。因此，在这种过程特性时借助完全的跃变响应进行已知的鉴别是非常耗费时间的。

本发明的目的在于，提出一种对迟缓的自动补偿过程进行调节的方法，尤其是一种温度调节方法，采用此方法可以克服上述缺点，以及提供一种用于实施此方法的调节装置。

为实现本发明的目的，本说明书引言部分中所述方式的这种新方法具有在权利要求1特征部分中给出的特征。在权利要求2至11中对本发明方法的进一步设计做了说明。带有权利要求12中所述特征的调节装置适用于实施此方法。

本发明的优点在于，可以完全省去在调节器投入工作时耗费时间的跃变试验。在额定值跃变后调节过程的第一阶段中简单的IT1模型已近似于过程，并且可以时间最佳地并且实际无过调地起动第一额定值。此点的作用尤其在利用可调加热装置将温度调节到预定额定值上时是有益的，在此加热装置中调节器克服外部干扰将温度保持恒定并且例如在化工过程中当变更额定值预给定时尽快地调整所需的新温度。自适应调节器不必给定参数和预先了解过程即可以与任意的温度对象适配。在运行时进行调节器的最佳化，而不必对此由操作人员输入。对作为实现稳态的标准的调节参数的变化速度进行分析和审查，该调节参数在调整参数复位后低于预定的极限值。此后借助一更为精确的模型，尤其是没有积分部分的VZ2-模型对过程进行鉴定。因此在第一调节过程后该模型已供使用并可用于调节器设定。利用运行时的IT1模型和第一实现稳态后的VZ2-模型，由极限值定理或通过观察状态空间内的轨迹求出在非线性工作时时间最佳的起动控制的断开时间点。故调节对额定值跃变的响应大大快于线性调节的能力。当调节参数在额定值跃变后以近似的方式又实现稳态时，将借助更为精确的模型对线性调节器进行调节，该调节器为调整在线性工作时的与额定值较小的偏差以及外部的干扰，产生过程的调整参数。故甚至在时间最佳的预调整时仍保持例如采用比例积分-或比例积分微分-调节器的、有关稳定精度的线性调整的优点。

对在进行温度调节时出现的间隔通常用简单的比例积分-或比例积分微分-调节器即可控制。对非线性工作时的加热功率的时间最佳的预调整将促使，甚至在额定值跃变较小时首先以最大油门加热，而不必为此对线性调节器进行锐变设定，以致有可能导致过调。

由于采用IT1-模型对第一次跃变响应的早期阶段中的过程进行鉴定，因而通过补偿避免了更为精确的模型的缺点，即在此时间点尚不能可靠地对稳定的过程增益进行估计。确切地说，最大的上升速度取决于增益对例如VZ2-模型的支配的时间常数的比例。但IT1-模型已经含有有关与VZ2-模型的小的时间常数相符的延迟时间和上升速度的指示。因此已经足以确定时间最佳的断开点，所述断开点在任何情况下都是可靠的。只有在加热装置短暂地被中间断开后，才对过程根据更为精确的模型，例如VZ2-模型，进行鉴定，该模型也适用于求出线性调节器的参数。由于在这里调节器经时间最佳的预调整以非线性方式工作，故在线性调节器中的微分部分是不需要的，既没有必要衰减通常在温度调节时不会出现的振荡，又没有必要加速额定值跃变时的激励特性。在接着的额定值跃变后，进行对模型-和调节器参数的再次最佳化。

为进行时间最佳的预热，直至特定的时间点都输出完全的调整参数，所述时间点是在VZ2-模型时通过对状态空间内的系统轨迹的观察得出的。此后转换到利用模型增益估计出的稳定的调整参数上并继续加热。只有在近似地实现额定值后，才进行向比例积分-调节的工作方式的转移。为实现无冲击的转换，线性调节器的积分部分的预置应使调节器输出稳定的调整参数。比较有利的是用内部的带有多个不同阶段的过程控制实现用于实施此方法的调节装置，所述阶段的区别在于调节器的工作方式以及作为过程鉴别基础的模型。同样调节装置可以作为硬件电路或作为带有程序存储器的计算单元加以实现，在所述存储器内可存入相应的工作程序。

由用于各个带有热容量和相应的热传导的分系统的单元PT1模型可建立温度调节对象的物理模型。可获得多个大多低次的VZn-模型。在实际过程中3个以上的相关时间常数是很罕见的。过程的典型增益视加热装置的设计在0.5至3之间，时间常数在1至几千秒之间。通常温度调节对象本身是没有交变能力的，即它们在开放式调节回路中仅有实极位并且大多仅有很短的停滞时间。当作为调节参数的输出温度并不是取自热流链端，例如在一个由内部加热的炉中隔热层或炉壁的热容量起作用时，转移零位，即转移函数中的高次计数项就会出现。零位会造成过调的调节特性。常常缺乏主动冷却且人们把许多较小的负的温度梯度视为正的。可以用线性模型对该效应加以解释，对此种模型并没有供使用的负的调整参数。有时由于相的变化，例如汽化、或诸如阀门等具有非线性特性曲线的调节器件会产生温度调节对象的非线性。

下面借助附图所示实施例对本发明及其设计和优点作进一步的说明，附图中：

图1为调节装置的结构图，

图2为图1所示调节装置过程控制的佩特里网络，

图3和4为在被模拟的调节对象上额定值-和调节参数变化及调整参数随时间变化的关系曲线。

图1所示调节装置用于调节例如在过程P中测出的温度等调节参数x，减法器S用于将测出的调节参数x与额定值W进行比较并产生一个调节偏差信号xd，该信号被输送给线性调节器R。调节器R在线性工作时为过程P产生一个调整参数y。以此结束此调节回路。调整参数y和调节参数x接入用于对过程P进行鉴别的一装置IE中，该装置可选择性地转换成用于计算IT1-模型的最佳参数或用于计算至少一个更为精确的模型的最佳参数。为此在装置IE中可以存储调整参数y和调节参数x的信号变化。调整参数y的变化被输送给实时选用的模型，变更模型的参数，使得利用存储的调整参数变化曲线来激发的模型的模拟响应尽可能精确地与存储的调节参数x的实际变化吻合。只有那些根据最小误差平方的方法导致最小偏差的参数被视为是最佳的。过程控制AS获得由装置IE求出的参数、额定值W以及调节偏差作为输入参数，用该过程控制计算出诸如比例积分-或比例积分微分-调节器等线性调节器R的参数。另外，过程控制AS还产生用于选择装置IE中的某个过程模型的转接信号和用于选择是否在线性工作时将调节器R的输出信号作为调整参数y输送给过程P，还是在非线性工作时将由过程控制给定的参数作为调整参数y输送给过程P的转接信号。

图1仅是本发明调节装置的功能结构图。当然可以把所有的功能组集中在唯一一个电子设备中或也可以分散地分布在各种设备上。

根据图2所示的状态转移图，该图也被称作佩特里网络(Petrinetz)，过程控制AS具有7个不同的状态或阶段，对此在下面以温度调节为例加以说明。这7个阶段分别以附图标记1…7加以标示。为将图3和4中的时间过程代入此7个阶段内在图4的时间曲线图的上边界上也标示有某附图标记。

在调节器接通后立即进入阶段1，在此阶段中调节装置由过程控制输出作为调整参数y的值零并等待额定值跃变。

在额定值跃变被判定后，在第2阶段以最大油门加热。

在上升30％后进入阶段3并用作为时间下标的k判别时间离散的IT1模型

x_k+1-x_k＝a₂(x_k-x_k-1)+b₁y_k+b₂y_k-1。该式是在a₁＝-(1+a₂)的条件下由通用的二次ARMA模型 $x_{k-1}+a_1{x}_k+a_2{x}_{k+1}=b_1{y}_k+b_2{y}_{k+1}\stackrel{z}{\↔}G\left(Z\right)=\frac{b_1{z}^1+b_2{z}^{-2}}{1+a_1{z}^1+a_2{z}^{-2}}$ 产生的。由于在Z-范围的极通过 $z=e^{T_{o}s}$ 与S-范围中的极相关联，故该式以作为扫描时间的To换算成时间连续的IT1-模型 $G\left(s\right)=\frac{x\left(s\right)}{y\left(s\right)}=\frac{K_1}{s(T_{1}s+1)};K_1=\underset{Z\·1}{\lim }(1-Z^{-1})G\left(z\right)=\frac{b_1+b_2}{1-a_2};T=\frac{T_0}{\ln a_2}$ 由初态x₀至终态x＝w的IT1模型的时间最佳的控制根据数组场树的语句仅包含最大和最小调整参数间的转接：

y＝y_maxt＜t_stop

y＝0t≥t_stop由拉普拉斯-变换的终值语句确定出断开时间点t_stop。IT1项对电平为y_max的矩形脉冲y(t)＝y_max(h(t))-h(t-t_stop))的响应在图像范围内是： $x\left(s\right)=x_0+\frac{K_1}{s(T_{1}s+1)}{y}_{\max }\left(\frac{1}{s}{{-e^t}_{\mathrm{stop}}}^s\frac{1}{s}\right)$ 在 $t_{\mathrm{stop}}=\frac{w-x_0}{K_1{y}_{\max }}$ 时，稳定的终值 $x(t\→\∞)=\underset{s\→0}{\lim }\mathrm{sx}\left(s\right)=x_0+K_1{y}_{\max }{t}_{\mathrm{stop}}$ 等于W。

对断开点的估计无论如何位于安全侧，因为IT1模型设定是完全隔热的，而在任何实际过程中都会产生向环境的热损耗，有时甚至允许以最大油门进行较长时间的预热。

在第三阶段继续进行完全加热，直至达到预定的断开时间点，由此断开时间点引入第四阶段。

在阶段4断开加热并且等待，直至加热过程明显放慢，即取5个扫描步骤的平均值，每个扫描步骤的平均温度变化小于跃变电平的0.1％。

只有在此后才进入阶段5，在此阶段对粗VZ2-模型进行鉴别，该模型在拉普拉斯-范围内的转移函数是 $G\left(S\right)=\frac{K_2}{(T_{2}s+1)(T_{3}s+1)}$ 其中T₂＞T₃。为该模型设计的比例积分-调节器 $G_R\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{n}s})$ 应使其零点在放慢的检测对象极性的右侧：T_n＝1.2^*T₂。因此在S-平面的相关部分就产生一个带有V.r.n.l.的“交织构象”：极、零点、极，其中第一个极和零点是由比例积分-调节器R造成的，第二个极是由过程P造成的。甚至在增益很大时，该配置也不会导致根轨迹曲线的分支。所以按标准可选用调节器增益K_P＝5/K₂。

调节器的积分器的预置应使在接收时间点由调节器输出根据VZ2-模型估计出的稳定的调整参数。

在阶段5比例积分调节器的工作保持不变，直至产生下一个正的额定值跃变。

此后，在阶段6对一个更为精确的VZ2-模型进行鉴别。由新的初态x₀至新的终态x＝W的VZ2-模型的时间最佳的控制以最大调整参数开始并接着转换到稳定所需的调整参数y_∞＝W/K₂：

y＝y_maxt＜t_stop

y＝y_∞t≥t_stop由于用于任意的t_stop的VZ2-模型在断开时间点后的任何时候实现终态x＝w，故新的断开时间点t_stop并不是由终值语句决定的。所以必需对状态范围内的轨迹进行观察。用状态

z₁＝w-x，z₂＝dz₁/dt＝-dx/dt， z＝(z₁，z₂)^T得出w＝常数时的VZ2-模型的下述状态表述：

z′＝A z+ by+ g

x＝ c^T z+w其中： $A=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -\frac{1}{T_2{T}_3}& -\frac{T_2+T_3}{T_2{T}_3}\end{array}\right],\stackrel{-}{b}=\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{K_2}{T_2{T}_3}\end{array}\right],\stackrel{-}{g}=\left[\begin{array}{c}0\\ \frac{w}{T_2{T}_3}\end{array}\right],$ ${\stackrel{-}{c}}^T=\left[\begin{array}{cc}-1& 0\end{array}\right]$ 系统用状态变换 $\stackrel{-}{z}=Q\stackrel{-}{v},Q^{-1}=\left[\begin{array}{cc}1& T_3\\ 1& T_2\end{array}\right]$ 被变换成对角形式：

v′＝Q^-1AQ v+Q^-1 by+Q^-1 g

x＝ c^TQ v+w其中： $Q^{-1}\mathrm{AQ}=\left[\begin{array}{cc}-\frac{1}{T_2}& 0\\ 0& -\frac{1}{T_3}\end{array}\right],Q^{-1}\stackrel{-}{b}=\left[\begin{array}{c}-\frac{K_2}{T_2}\\ -\frac{K_2}{T_3}\end{array}\right],Q^{-1}\stackrel{-}{g}=\left[\begin{array}{c}\frac{w}{T_2}\\ \frac{w}{T_3}\end{array}\right],$ ${\stackrel{-}{c}}^{T}Q=\left[\begin{array}{cc}-\frac{T_2}{T_2-T_3}& \frac{T_3}{T_2-T_3}\end{array}\right]$ 这时两个新状态V_i，i∈{1，2}的去耦微分方程可以分别解出。在初态V_i0的基础上，作为电平为y_max的调整参数跃变的响应得出时间曲线 $v_i\left(t\right)=(K_2{y}_{\max }-w+v_{i0})e^{-t/T_1}+w-K_2{y}_{\max }$ 所需的由x＝x₀向x＝w的转移在新的坐标中与由 ${\stackrel{-}{v}}_0=\left[\begin{array}{ccc}w& -& x_0\\ w& -& x_0\end{array}\right]$ 向V-平面的起始点的转移相符。当完全加热，直至V₁消失时，则获得最佳的无过调的轨迹。由要求V₁(t_stop)＝′0得出转换时间点 $t_{\mathrm{stop}}=-T_2\ln (1-\frac{w-x_0}{K_2{y}_{\max }})$ 接着y＝y_∞的轨迹沿V2-轴返回起始点。

在阶段6中直至时间最佳的转换时间点之前被完全加热，该转换时间点引入阶段7。

在阶段7中，在向新设计的比例积分-调节器R转移并又进入阶段5之前，输出4次稳定的调整参数。

由该过程会得出有可能起着不利作用的两点：

(1)由于为没有零点的模型设计时间最佳的方案，故在带有转移零位的系统中会产生轻变的过调。

(2)由额定值跃变开始直至5倍的转接时间，过程在受控工作状态下，即没有用于补偿在该预热阶段中出现的干扰的反馈。对这类干扰在预热阶段后才由比例积分-调节器R进行调整。

在图3和图4中记录了调节二次过程时的调整过程。该过程与VZ2-模型相符，其增益K₂＝1并且两个时间常数分别为T₂＝250秒及T₃＝100秒。为进行对照比较分别绘制了根据在DE-OS 39 29 615中记载的方法最佳化的比例积分-调节器的特性以及用细虚线表示的调整参数yv(t)和调节参数xv(t)的变化。

在图3中指令参数w(t)的变化用细线表示，用新的调节装置获得的调节参数x(t)的变化用粗线表示。在图4中对调整参数y(t)用粗线表示。其中要注意的是，变化曲线xv(t)和yv(t)是用已经最佳化的比例积分-调节器获得的，即在采用已知的调节器时事先必须进行未表述的跃变试验。用于比较而采用的比例积分-调节器的参数被调整到K_p＝5和T_n＝300。

在图4中可以清楚地看出过程控制的不同阶段。在时间轴上的0至100秒间的阶段1中调节装置等待额定值w的跃变并且在跃变后的时间点t＝100秒处进入阶段2。并且在时间最佳的预调整的基础上输出完全调整参数y_max。在调节参数x(t)(图3)超过上升的30％后，对过程的IT1模型在阶段3中进行鉴别并计算出最佳断开时间点。所以在图4中没有将两个阶段2和3区分开并且在曲线图的上沿对完全调整参数输出的时域一并标出。在计算出的断开时间点后，调整参数y(t)在阶段4完全返回。如果预热过程明显减慢，则对一更为精确的模型，在这里是VZ2-模型进行鉴别并为此模型设计一个比例积分-调节器。比例积分调节器的积分器的预置应使调节器在阶段5开始时准确地输出稳定的调整参数。为进行比较标出的已知自适应调节器的调整参数yv(t)的变化曲线与此相反在预热阶段永远也不会达到调整参数y的最大值。因此，为在图3中进行比较标出的调节参数xv(t)的上升要慢于在新的调节装置中调节参数x(t)的上升。另外采用已知的自适应调节器的缺点是，调节参数xv(t)很容易过调。与此相反，调节参数x(t)大致是非周期地接近额定值w的。在时间点t＝4100秒时重新给定一额定值跃变，在此跃变的同时过程控制进入阶段6中。这时通过对其参数的重新最佳化计算出更为精确的VZ2-模型。由于这时已有过程增益的值，故可在借助VZ2-模型计算出的转换时间点之后为阶段7调整稳定的调整参数y_∞。阶段7在3倍前面的预热的时间内保持最大的调整参数y_max并且在此后才转接到比例积分-调节器，调节器的参数是为更为精确的VZ2-模型和其用于无冲击转换的积分部分设定的。过程控制在此后又处于阶段5中。通过在图3中对已知自适应调节器的调节参数xv(t)和新的调节装置的调节参数x(t)的对照比较可以清楚地看出，新的调节装置在时间点t＝4100秒时的额定值跃变后明显快速地并且无过调地接近额定值。因而利用新的调节装置可以实现大大改善了的调节质量。

尽管在实施例中对照带有VZ2-特征的过程对新的调节装置的优点做了说明，但原则上讲用新的调节装置也可以调节其模型除了极点还具有计数器零点或停滞时间的过程。在此情况下同样在第一次预热时调节是自动设定的，而不必预先对调节对象加以了解。甚至在额定值w第一次跃变时此点大多也是在无过调的情况下实现的。从第二个控制跃变开始预计调节质量会更好，该调节质量已经非常接近时间最佳的预热。可以对贴近的和相距较远的时间常数、多极和转移零位、大的和小的增益以及小的停滞时间进行控制。仅在带有停滞时间或转移零位的过程时会在第一次预热时出现轻度的过调。

Claims (12)

1.一种对迟缓的自动补偿过程进行调节的方法，尤其是用于温度调节的方法，其特征在于：

-在第一额定值跃变后，为减少非线性工作时的调节偏差(xd)，调整参数(y)以跃变方式被置于第一常数值上，

-在调节偏差(xd)减少10％至70％之后，对过程(P)的IT1-模型进行鉴别，

-借助IT1-模型确定时间点，在此时间点调整参数(y)必须复位，以便使调节参数(x)的过调最多时也很微小，

-只有在调节参数(x)的变化速度在调整参数复位后低于预定极限值时，才求出过程(P)的更为精确的模型，

-根据更为精确的模型对线性调节器(R)的参数进行设定，该调节器将据此在线性工作时对过程(P)进行调节。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：计算出的调整参数(y)的复位时间点应使调节是时间最佳的。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在调节偏差(xd)减少30％以后，对过程的IT1模型进行鉴别。

4.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：在进行温度调节时对作为更为精确模型的VZ2-模型进行鉴别。

5.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

-在另一个额定值跃变后为减少在非线性工作时的调节偏差(xd)，调整参数(y)以跃变的方式被置于另一个常数值上，

-使更为精确模型的参数最佳化，

-借助过程(P)的更为精确的模型确定时间点，在此时间点调整参数必须被置于稳定的值上，以便调节参数(x)到达额定值(w)，

-在调节参数(x)到达额定值后，又被转换到线性工作方式，其中根据更为精确的模型的最佳化参数对线性调节器(R)的参数进行设定。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：在调整参数(y)被置于稳定值上的一段时间是调整参数(y)被置于另一常数值上一段时间的4倍时，由非线性工作转换成线性工作方式。

7.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：调整参数的第一或另一常数值等于其最小值或最大值。

8.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：所述线性调节器(R)为一比例积分-调节器。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：比例积分-调节器(R)的积分部分的预置应使从非线性向线性工作的转移是无冲击的。

10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于：比例积分-调节器(R)的设计应使其重调时间TM大于VZ2-模型的大的时间常数T₂。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：比例积分-调节器的重调时间TM是VZ2-模型的大的时间常数T₂的1.2倍。

12.一种用于实施如上述任一项权利要求所述方法的调节装置，其特征在于：

-一个用于对过程(P)进行鉴别的装置(IE)，对该装置接入调整参数(y)和调节参数(x)，该装置可有选择地换接用于计算IT1-模型的最佳参数或用于计算至少另一个更为精确模型的最佳参数，

-一个线性调节器(R)，该调节器可由用于计算参数的装置进行设定，所述装置根据某个过程模型及其参数计算出调节器参数，所述调节器根据调节偏差(xd)计算出调整参数(y)，

-一个过程控制(AS)，对该控制加入额定值(w)和某过程模型的参数，其中由过程控制(AS)产生两个转接信号，所述转接信号用于选择过程模型或用于控制一开关，该开关用于有选择地接通线性工作时的由线性调节器(R)计算出的调整参数(y)或在过程(P)中非线性工作时由过程控制(AS)产生的调整参数(y)。

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