CN1212551C - 控制设备 - Google Patents

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CN1212551C CNB031362117A CN03136211A CN1212551C CN 1212551 C CN1212551 C CN 1212551C CN B031362117 A CNB031362117 A CN B031362117A CN 03136211 A CN03136211 A CN 03136211A CN 1212551 C CN1212551 C CN 1212551C
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Abstract

一种控制设备，包括：操纵量输出单元、运算单元、第一下限设定单元、第一上限设定单元、第二下限设定单元、第二上限设定单元以及控制单元。操纵量输出单元输出第一和第二操纵量到受控对象。运算单元计算一个极限环自动调节的控制参数。控制单元基于表示设定值与控制变量间偏差的控制参数计算第一操纵量，并将计算得出的第一操纵量输出到对象。在实施极限环自动调节时，运算器将包含用作下限值的第二下限值和用作上限值的第二上限值的第二操纵量输出到对象，并按照与输出的操纵量相对应的控制响应计算控制单元的控制参数，并将计算得出的控制参数赋予控制单元。

Description

控制设备
技术领域
本发明涉及一种过程控制方法，尤其是，涉及一种具有将恒定幅度的操纵量输出到受控对象并基于与所述的操纵量输出相对应的控制响应来调节控制参数的极限环自动调节功能的控制设备。
背景技术
一个多功能的温度控制设备或类似设备具有自动调节(自调节)功能，以容易地完成对PID参数的调节。自动调节功能的典型方法是为要被输出到受控对象的操纵量MV(a manipulated variable MV)设定上下极限值、生成具有恒定操纵量幅度的极限环、并调节PID参数(参考文献：Kazuo Hiroi，“Fundamentals and Applications of Digital InstrumentationControl System”，Kogyougijustsusha，ISBN4-905957-00-1，pp.156-159，October 1987)的极限环自动调节方法。
下面说明极限环自动调节的实例，首先，预先设定一个表示在实施极限环自动调节时输出到受控对象的操纵量MV下限值的操纵量下限设定值OL_AT，以及一个表示操纵量MV上限值的操纵量上限设定值OH_AT。
在实施极限环自动调节时，将控制变量PV(a controlled variable PV)与设定值SP进行比较(图7，步骤S401)。如果所述控制变量PV大于所述设定值SP，则输出操纵量的下限值OL_AT到对象(步骤S402)。如果所述控制变量PV等于或小于所述设定值SP，则输出操纵量的上限值OH_AT到对象(步骤S403)。
实施检测控制变量PV极值的极值增量/减量检测过程(步骤S404)，每一个控制循环均执行步骤S401到S404的过程。如果检测到控制变量PV的四个极值则终止检测。设定值SP与控制变量PV间的偏差Er由下式给出：
Er＝SP-PV                         ...(1)
如图6所示，第一极值偏差Er1表示测得的四个极值中最新得到的极值中的偏差，第二极值偏差Er2为第二新的极值偏差；而第三极值偏差Er3为第三新的极值偏差。
第一操纵量转换占用时间Th1为：在第一极值偏差Er1前即时反转偏差Er符号的时刻t5与获得第一极值偏差Er1的时刻t6之间的时间间隔。第二操纵量转换占用时间Th2为：在第二极值偏差Er2前即时反转偏差Er符号的时刻t3与获得第二极值偏差Er2的时刻t4之间的时间间隔。
包括比例带Pb、积分时间Ti以及微分时间Td的PID参数由公式(2)至(4)给出。计算得出的PID参数被赋予控制设备的控制单元(步骤S405)。
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH_AT-OL_AT)    ...(2)
Ti＝6(Th1+Th2)                    ...(3)
Td＝1.2(Th1+Th2)                  ...(4)
之后，终止极限环自动调节。
在实际控制中有些多功能温度控制设备直接使用输出到受控对象的操纵量MV的上限设定值OH和下限设定值OL，作为用于实施极限环自动调节的操纵量上限设定值OH_AT和操纵量下限设定值OL_AT。通常，OH＝100％而OL＝0％。因此，在自动调节时，操纵量上限设定值OH_AT＝100％，而操纵量下限设定值OL_AT＝0％。
对于一个受控的热绝缘对象，能够使控制变量PV保持在设定值SP附近的操纵量MV必须要低至MV＝20％或者更低。在此状态下，如果在设定OH_AT＝100％时，实施MV＝0％至100％的自动调节，温度将快速升高并且缓慢降低(由于其高的热绝缘特性，对象难于冷却)。与附图8A中正确实施极限环自动调节的情况相比，附图8B所示的极限环所需的时间较长。
在传统的极限环自动调节中，还有可能改变操纵量上限设定值OH和操纵量下限设定值OL到特征值，然后实施自动调节。然而，如果在实施自动调节时改变了操纵量上限设定值OH和操纵量下限设定值OL，在自动调节结束时必须对它们进行重置。
特别地，须由现场的操人员频繁地进行自动调节的受控对象需要繁琐的设定操作，因而大大地降低了使用性能。
操纵量上限设置值OH和操纵量下限设定值OL并非总是设置为OH＝100％和OL＝0％，而有可能设为其它数值。在最差的情形下，现场操作人员可能将用于实施极限环自动调节的操纵量上限设定值OH_AT设为高于实际控制中的操纵量上限设定值OH，而将用于实施极限环自动调节的操纵量的下限设定值OL_AT设为低于实际控制中的操纵量的下限设定值OL。相反，操作人员可能在重置操纵量的上限设置值OH和操纵量的下限设定值OL时将其错误地设定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够独立地设置在常规控制操作中输出到受控对象的操纵量的上限和下限值，以及在实施极限环自动调节时输出到对象的操纵量的上限和下限值，并且无需任何现场操作人员繁琐的设置操作的控制设备。
本发明的另一个目的是，提供一种在实施极限环自动调节时输出到受控对象的操纵量的上限和下限值不会偏离在常规控制操作中输出到对象的操纵量的上限和下限值的控制设备。
为实现上述目的，根据本发明，提供了一种控制设备，包括：操纵量输出装置，用于输出具有恒定幅度的第一和第二操纵量到受控对象，在常规操作时所述的第一操纵量被输出到常规操作时的对象，而在实施极限环自动调节时第二操纵量被输出到的对象；运算装置，用于按照与来自操纵量输出装置的第一和第二操纵量相对应的控制响应计算用于调节输出到对象的控制参数的极限环自动调节控制参数；第一下限设置装置，用于预先设置表示第一操纵量的下限值的第一下限值；第一上限设置装置，用于预先设置表示第一操纵量的上限值的第一上限值；第二下限设置装置，用于预先设置表示第二操纵量的下限值的第二下限值；第二上限设置装置，用于预先设置表示第二操纵量的上限值的第二上限值；控制装置，按照表示设定值和控制变量之间偏差的控制参数执行反馈控制计算，以便计算出第一操纵量，并且输出第一操纵量到对象；其中，在实施极限环自动调节时，运算装置将具有用作下限值的第二下限值和用作上限值的第二上限值的第二操纵量输出到对象，按照与输出的操纵量相对应的控制响应计算控制装置的控制参数，然后将计算的控制参数赋予控制装置。
附图说明
图1是说明根据本发明第一实施例的控制设备的配置的结构图；
图2是说明图1中控制设备实施极限环自动调节的流程图；
图3是说明图1中极限环自动调节运算单元极值增量/减量检测过程的流程图；
图4是说明根据本发明第二实施例的控制设备的配置的结构图；
图5是说明图4中控制设备实施极限环自动调节操作的流程图；
图6是说明常规极限环自动调节的波形图；
图7是说明常规极限环自动调节操作流程的流程图；及
图8A和图8B是说明常规极限环自动调节所存在的问题的波形图。
具体实施方式
【实施例1】
以下将参照相应的附图对本发明的第一实施例作出详细的说明。
根据第一实施例的控制设备包括输入设定值SP的设定值输入单元1、连接到传感器13并且输入控制变量PV的控制变量输入单元2、连接到设定值输入单元1和控制变量输入单元2并且基于表示设定值SP和控制变量PV间偏差的控制参数实现反馈控制计算的控制单元4、连接到控制单元4和受控对象14并输出操纵量MV的操纵量输出单元3。
所述控制设备还包括：预先设定第一操纵量下限设定值OL的第一操纵量输出下限设定单元5、预先设定第一操纵量上限设定值OH的第一操纵量输出上限设定单元6、预先设定第二操纵量下限设定值OL_AT的第二操纵量输出下限设定单元7、和预先设定第二操纵量上限设定值OH_AT的第二操纵量输出上限设定单元8。
设定值输入单元1输入由控制设备的操作人员设定的设定值SP。控制变量输入单元2输入经传感器13检测的控制变量PV。操纵量输出单元3将操纵量MV输出到受控对象14。
在常规的操作中，控制单元4基于表示设定值SP和控制变量PV间偏差的控制参数实现反馈控制计算，并计算出第一操纵量。
第一操纵量输出下限设定单元5预先设定表示常规操作中输出到对象的第一操纵量下限值的操纵量下限设定值OL。第一操纵量输出上限设定单元6预先设定表示第一操纵量上限值的第一操纵量上限设定值OH。
第二操纵量输出下限设定单元7预先设定表示实施极限环自动调节时输出到对象的第二操纵量下限值的第二操纵量下限设定值OL_AT。第二操纵量输出上限设定单元8预先设定表示第二操纵量上限值的第二操纵量上限设定值OH_AT。
控制设备还包括连接到第一操纵量输出下限设定单元5、第一操纵量输出上限设定单元6、第二操纵量输出下限设定单元7、第二操纵量输出上限设定单元8、控制单元4并且存储设定值的操纵量相关设定值存储单元9，连接到所述的操纵量相关设定值存储单元9并且设置第二操纵量的下限和上限值的第二操纵量控制单元10，以及连接到设定值输入单元1、控制变量输入单元2、控制单元4、操纵量输出单元3、第二操纵量控制单元10并且计算控制参数的极限环自动调节运算单元11。
操纵量相关设定值存储单元9存储第一操纵量的下限设定值OL、第一操纵量的上限设定值OH、第二操纵量的下限设置值OL_AT、第二操纵量的上限设置值OH_AT。在实施极限环自动调节时，第二操纵量控制单元10查询在实施极限环自动调节时存储在操纵量相关设定值存储单元9中的设定值。如果第二操纵量的下限设置值OL_AT低于第一操纵量的下限设定值OL，则第二操纵量控制单元10使用第一操纵量的下限设定值OL取代第二操纵量的下限设置值OL_AT，将其设定为第二操纵量的下限值。
在实施极限环自动调节时，第二操纵量控制单元10查询在实施极限环自动调节时存储在操纵量相关设定值存储单元9中的设定值。如果第二操纵量的上限设定值OH_AT高于第一操纵量的上限设定值OH，则第二操纵量控制单元10将使用第一操纵量的上限设定值OH取代第二操纵量的上限设定值OH_AT，将其设置为第二操纵量的上限设定值。
极限环自动调节运算单元11执行极限环自动调节处理程序，输出第二操纵量到受控对象，并按照与输出的操纵量相对应的控制响应计算控制单元4的控制参数。
以下将参照附图2说明所述控制设备的极限环自动调节功能。
设定值SP由控制设备的操作人员设定，并经由设定值输入单元1输入到控制单元4和极限环自动调节运算单元11。控制变量PV由传感器13测得，并经由控制变量输入单元2输入到控制单元4和极限环自动调节运算单元11。
表示在控制中输出到对象14的操纵量MV的下限值的第一操纵量下限设定值OL由操作人员预先设定，并经由第一操纵量输出下限设定单元5存储到操纵量相关设定值存储单元9。同样，表示在控制中输出到对象的操纵量MV的上限值的第一操纵量上限设定值OH由操作人员预先设定，并经由第一操纵量输出上限设定单元6存储到操纵量相关设定值存储单元9。
表示在实施极限环自动控制时输出到对象的操纵量MV的下限值的第二操纵量下限设置值OL_AT由操作人员预先设定。第二操纵量下限设置值OL_AT经由第二操纵量输出下限设定单元7存储到操纵量相关设定值存储单元9。
表示在实施极限环自动控制时输出到对象的操纵量MV的上限值的第二操纵量上限设置值OH_AT由操作人员预先设定。第二操纵量上限设置值OH_AT经由第二操纵量输出上限设定单元8存储到操纵量相关设定值存储单元9。
极限环自动调节运算单元11在实施极限环自动控制时对控制变量PV和设定值SP进行比较(图2，步骤S101)。
作为控制变量PV和设定值SP间比较的结果，如果控制变量PV高于设定值SP，极限环自动调节运算单元11将由第二操纵量控制单元10决定的操纵量MV的下限值输出到操纵量输出单元3。作为控制变量PV和设定值SP间比较的结果，如果控制变量PV等于或小于设定值SP，极限环自动调节运算单元11将由第二操纵量控制单元10决定的操纵量MV的上限值输出到操纵量输出单元3。
如果存储在操纵量相关设定值存储单元9中的第一操纵量的下限设定值OL等于或小于存储在操纵量相关设定值存储单元9中的第二操纵量的下限设置值OL_AT(步骤S102，“是”)，则第二操纵量控制单元10采用第二操纵量的下限设置值OL_AT作为操纵量MV的下限值。
如果控制变量PV大于设定值SP并且第一操纵量的下限设定值OL等于或小于第二操纵量的下限设置值OL_AT，由于第二操纵量的下限设置值OL_AT被采用为操纵量MV的下限值，则极限环自动调节运算单元11将由第二操纵量控制单元10决定的操纵量MV＝OL_AT输出到操纵量输出单元3。操纵量输出单元3将输入的操纵量MV输出到受控对象(步骤S103)。
如果第一操纵量的下限设定值OL高于第二操纵量的下限设置值OL_AT(步骤S102，“否”)，则第二控制操纵量控制单元10采用第一操纵量的下限设定值OL作为操纵量MV的下限值。
如果控制变量PV大于设定值SP并且第一操纵量的下限设定值OL高于第二操纵量的下限设置值OL_AT，由于第一操纵量的下限设定值OL被采用为操纵量MV的下限值，则极限环自动调节运算单元11将由第二操纵量控制单元10决定的操纵量MV＝OL输出到操纵量输出单元3。操纵量输出单元3将输入的操纵量MV输出到受控对象(步骤S104)。
如果存储在操纵量相关设定值存储单元9中的第一操纵量的上限设定值OH等于或高于存储在操纵量相关设定值存储单元9中的第二操纵量的上限设置值OH_AT(步骤S105，“是”)，第二操纵量控制单元10采用第二操纵量的上限设置值OH_AT作为操纵量MV的上限值。
如果操纵量PV等于或小于设定值SP并且第一操纵量的上限设定值OH等于或高于第二操纵量的上限设置值OH_AT，由于第二操纵量的上限设置值OH_AT被采用为操纵量MV的上限值，则极限环自动调节运算单元11将由第二操纵量控制单元10决定的操纵量MV＝OH_AT输出到操纵量输出单元3。操纵量输出单元3将输入的操纵量MV输出到受控对象(步骤S106)。
如果第一操纵量的上限设定值OH低于第二操纵量的上限设置值OH_AT(步骤S105，“否”)，则第二操纵量控制单元10采用第一操纵量的上限设定值OH作为操纵量MV的上限值。
如果控制变量PV等于或小于设定值SP并且第一操纵量的上限设定值OH低于第二操纵量的上限设置值OH_AT，由于第一操纵量的上限设定值OH被采用为操纵量MV的上限值，则极限环自动调节运算单元11将由第二操作量控制单元10决定的操纵量MV＝OH输出到操纵量输出单元3。操纵量输出单元3将输入的操纵量MV输出到受控对象(步骤S107)。
而后极限环自动调节运算单元11执行极值增量/减量检测过程(步骤S108)。极限环自动调节中的控制响应与常规的控制响应相同，以下将参照附图3和附图6对极值增量/减量检测过程予以说明。
极限环自动调节运算单元11根据公式(1)并基于设定值SP和控制变量PV计算出当前的控制循环的偏差Er(附图3，步骤S201)。极限环自动调节运算单元11确定不等式(5)是否成立(步骤S202)：
|Er|＞|Ermax|                     ...(5)
其中Ermax是偏差的最大值且其缺省值为零。如果不等式(5)成立，则极限环自动调节运算单元11设定Ermax＝Er，即，设定当前的控制循循环的偏差Er为最大的偏差Ermax(步骤S203)。
极限环自动调节运算单元11确定偏差Er的符号是否已经改变(步骤S204)：
ErEr0＜0                         ...(6)
其中Er0是在先的控制循环中的偏差，不等式(6)用于确保在当前的偏差Er与在先循环中的偏差Er0的乘积为负时，偏差Er的符号已被改变。如果不等式(6)不成立，极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程仍未完成，于是返回步骤S101。
步骤S101到S107和S108(步骤S201到S204)的操作在每个控制循环中重复执行，当偏差Er增加时，最大的偏差Ermax被更新。在图6中的时刻t1，不等式(6)成立。
如果不等式(6)成立，则极限环自动调节运算单元11设定Er1＝Ermax，即，设定最大的偏差Ermax为第一极值偏差Er1。极限环自动调节运算单元11设定一个作为第一操纵量转换占用时间Th1的、使不等式(6)在此时刻前已成立的时刻和最大偏差Ermax最新被更新的时刻之间的时间间隔(步骤S205)。如果不等式(6)在上述的第一个时刻成立，极限环自动调节运算单元11将第一操纵量转换占用时间Th1设定为0。
极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程是否建立了完成状态(步骤S206)。在第一实施例中，极值增量/减量检测过程的完成状态为检测到控制变量PV的四个极值。此时，仅检测到控制变量PV的一个极值，极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程仍未完成，将最大偏差Ermax初始化为0(步骤S207)，然后返回步骤S101。
步骤S101到S107和S108(步骤S201到S204)的操作在每个控制循环中重复执行，在附图6中的时刻t3，不等式(6)再次成立。一旦不等式(6)成立，极限环自动调节运算单元11设定Er2＝Er1，Er1＝Ermax以及Th2＝Th1，即，将第一极值偏差Er1代入第二极值偏差Er2。
极限环自动调节运算单元11设定最大偏差Ermax为一个新的第一极值偏差Er1，并将第一操纵量转换占用时间Th1代入第二操纵量转换占用时间Th2。
极限环自动调节运算单元11设定一个作为第一操纵量转换占用时间Th1的、不等式(6)在此时刻前已成立的时刻t1和最大偏差Ermax最新被更新的时刻t2之间的时间间隔(步骤S205)。
极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程是否建立了完成状态(步骤S206)。此时，仅检测出了控制变量PV的两个极值，极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程仍未完成，将最大偏差Ermax初始化为0(步骤S207)，然后返回步骤S101。
步骤S101到S107和S108(步骤S201到S204)的操作在每个控制循环中重复执行，在附图6中的时刻t5，不等式(6)再次成立。一旦不等式(6)成立，极限环自动调节运算单元11设定Er3＝Er2，Er2＝Er1，Er1＝Ermax以及Th2＝Th1，即，将第二极值偏差Er2代入第三极值偏差Er3。
极限环自动调节运算单元11将第一极值偏差Er1代入第二极值偏差Er2，将最大偏差Ermax设为一个新的第一极值偏差Er1，并将第一操纵量转换占用时间Th1代入第二操纵量转换占用时间Th2。极限环自动调节运算单元11设定一个作为第一操纵量转换占用时间Th1的、使不等式(6)在此时刻前已成立的时刻t3和最大偏差Ermax最后被更新的时刻t4之间的时间间隔(步骤S205)。
极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程是否建立了完成状态(步骤S206)。此时，仅检测到控制变量PV的三个极值，极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程仍未完成，将最大偏差Ermax初始化为0(步骤S207)，然后返回步骤S101。
步骤S101到S107和S108(步骤S201到S204)的操作在每个控制循环中重复执行，在附图6中的时刻t7，不等式(6)再次成立。一旦不等式(6)成立，极限环自动调节运算单元11设定Er3＝Er2，Er2＝Er1，Er1＝Ermax以及Th2＝Th1。极限环自动调节运算单元11设定一个作为第一操纵量转换占用时间Th1的、使不等式(6)在此时刻前已成立的时刻t5和最大偏差Ermax最后被更新的时刻t6之间的时间间隔(步骤S205)。
极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程是否建立了完成状态(步骤S206)。此时，检测到控制变量PV的四个极值，极限环自动调节运算单元11确定极值增量/减量检测过程已完成，将最大偏差Ermax初始化为0(步骤S207)，然后返回步骤S109。
如同附图6所示出的，PID参数的计算最初需要控制变量PV的三个极值，第一个极值对于参数计算可能是不正确的，因而要检测控制变量PV的四个极值。
在进行了极值增量/减量的检测后，极限环自动调节运算单元11计算出控制单元4(步骤S109)的控制参数(第一实施例的PID参数)。如果第一操纵量下限设定值OL等于或低于第二操纵量下限设定值OL_AT，并且第一操纵量上限设定值OH等于或高于第二操纵量上限设定值OH_AT，极限环自动调节运算单元11使用前文所述的公式(2)计算比例带Pb。
如果第一操纵量下限设定值OL高于第二操纵量下限设定值OL_AT，并且第一操纵量上限设定值OH等于或高于第二操纵量上限设定值OH_AT，则极限环自动调节运算单元11计算比例频Pb：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH_AT-OL)           ...(7)
如果第一操纵量下限设定值OL等于或低于第二操纵量下限设定值OL_AT，并且第一操纵量上限设定值OH低于第二操纵量上限设定值OH_AT，则极限环自动调节运算单元11计算比例频Pb：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH-OL_AT)          ...(8)
如果第一操纵量下限设定值OL高于第二操纵量下限设定值OL_AT，并且第一操纵量上限设定值OH低于第二操纵量上限设定值OH_AT，则极限环自动调节运算单元11计算比例带Pb：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH-OL)             ...(9)
极限环自动调节运算单元11依据上文所述的公式(3)和公式(4)计算积分时间Ti和微分时间Td。极限环自动调节运算单元11将计算得出的比例带Pb、积分时间Ti和微分时间Td赋予控制单元4。结果，终止PID参数计算处理和极限环自动调节。
在极限环自动调节之后的常规控制操作中，控制单元4在每次循环中基于自设定值输入单元1输入的设定值SP和自控制变量输入单元2输入的控制变量PV，依据下文将给出的使用Laplace算子的转移函数执行反馈控制计算，来计算操纵量MV。也就是，控制单元4计算操纵量MV以使控制变量PV与设定值SP一致。
MV＝(α/Pb){1+(1/Tis)+Tds}(SP-PV)     ...(10)
其中α为常数，例如，100。由控制单元4计算出的操纵量MV经操纵量输出单元3输出到对象。如果操纵量MV小于第一操纵量下限设定值OL，控制单元4将操纵量MV＝OL输出到操纵量输出单元3。
如果操纵量MV大于第一操纵量上限设定值OH，则控制单元4将操纵量MV＝OH输出到操纵量输出单元3。
如上文所述，根据第一实施例，操作人员可以独立于实际控制中使用的第一操纵量下限设定值OL和第一操纵量上限设定值OH，来设定用于实施自动调节的第二操纵量下限设定值OL_AT和第二操纵量上限设定值OH_AT。
在第一实施例中，自动调节时的第二操纵量被防止了自第一操纵量下限设定值OL或第一操纵量上限设定值OH的偏离，换而言之，对于OL＞OL_AT，第一操纵量下限设定值OL被用来取代第二操纵量下限设定值OL_AT以用作第二操纵量的下限值。
如果自动调节中第二操纵量OH＜OH_AT，则第一操纵量上限设定值OH被用来取代第二操纵量上限设定值OH_AT以用作第二操纵量的上限值。
以这样的设置，第一实施例使得采用合适的第二操纵量的自动调节以及现场操作人员无需频繁地改变设置。此外，自动调节中的第二操纵量不会偏离用作基础操纵量的上限和下限的第一操纵量下限设定值OL和第一操纵量上限设定值OH。
【实施例2】
图4说明了根据本发明第二实施例的控制设备的配置，其使用与图1相同的附图标记来表示相同的部分。
根据第二实施例的控制设备包括：设定值输入单元1、控制变量输入单元2、操纵量输出单元3、控制单元4、第一操纵量输出下限设定单元5、第一操纵量输出上限设定单元6、第二操纵量输出下限设定单元7、第二操纵量输出上限设定单元8、和操纵量相关设定值存储单元9。
所述的控制设备还包括：连接到操纵量相关设定值存储单元9的自动终止操作单元12，用于自动地终止实施极限环自动调节时的自动调节并告知操作人员设置是不正常的。以及连接到设定值输入单元1、操纵量输入单元2、控制单元4、操纵量输出单元3、和自动终止操作单元12并且计算控制参数的极限环自动调节运算单元11a。
所述的自动终止操作单元12查询在实施极限环自动调节时存储在操纵量相关设定值存储单元9中的设定值。如果第二操纵量的下限设定值OL_AT低于第一操纵量下限设定值OL，或第二操纵量的上限设定值OH_AT高于第一操纵量上限设定值OH，所述的自动终止操作单元12自动终止自动调节，并告知操作人员设置不当。
所述的极限环自动调节运算单元11a执行极限环自动调节处理程序，输出第二操纵量到一个受控对象，并基于一个与输出的操纵量相对应的控制响应计算控制单元4的控制参数。
以下将参照附图5说明所述控制设备的极限环自动调节功能。所述的自动终止操作单元12查询存储在操纵量相关设定值存储单元9中的设定值。如果第一操纵量上限设定值OH低于第二操纵量的上限设定值OH_AT(步骤S301，“是”)，或第一操纵量下限设定值OL高于第二操纵量的下限设定值OL_AT(步骤S302，“是”)，则自动终止操作单元12终止极限环自动调节，并告知操作人员第二操纵量的上限设定值OH_AT或第二操纵量的下限设定值OL_AT中至少一个数值设置不当(步骤S303)。
如果自动终止操作单元12未终止极限环自动调节，则继续极限环自动调节。所述的极限环自动调节运算单元11a对控制变量PV和设定值SP进行比较(步骤S304)。
作为控制变量PV和设定值SP间的比较结果，如果控制变量PV高于设定值SP，极限环自动调节运算单元11a采用第二操纵量的下限设定值OL_AT作为操纵量MV的下限值，并输出操纵量MV＝OL_AT到操纵量输出单元3。操纵量输出单元3输出操纵量MV到受控对象(步骤S305)。
如果步骤S304中的控制变量PV等于或小于设定值SP，极限环自动调节运算单元11a采用第二操纵量的上限设定值OH_AT作为操纵量MV的上限值，并输出操纵量MV＝OH_AT到操纵量输出单元3。操纵量输出单元3输出操纵量MV到受控对象(步骤S306)。
极限环自动调节运算单元11a实施极值增量/减量检测过程(步骤S307)。所述的极值增量/减量检测过程，除了当极限环自动调节运算单元11a由附图3中的步骤S204和步骤S207返回时，不是返回到步骤S101而是返回到步骤S301，及由附图3中的步骤S208返回时，不是返回到步骤S109而是返回到步骤S308外，与图3中的极值增量/减量检测过程几乎相同。
完成极值增量/减量检测之后，极限环自动调节运算单元11a计算PID参数(步骤S308)。即，极限环自动调节运算单元11a根据上文所述的公式(4)、(8)、(9)计算比例带Pb、积分时间Ti以及微分时间Td。计算得出的比例带Pb、积分时间Ti以及微分时间Td被赋予控制单元4。
极限环自动调节最后的常规控制中的控制单元4的操作与第一实施例相同。
如上文所述，根据第二实施例，操作人员可以独立于实际控制中使用的第一操纵量下限设定值OL和第一操纵量上限设定值OH，来设定用于实施自动调节的第二操纵量下限设定值OL_AT和第二操纵量上限设定值OH_AT。
当OL＞OL_AT或OH＜OH_AT时，自动调节自动终止被激活以告知操作人员设置不当，以便于防止自动调节中的第二操纵量偏离第一操纵量下限设定值OL或第一操纵量上限设定值OH。
因此，第二实施例使得使用适当的第二操纵量的自动调节以及现场操作人员无需频繁的改变设置。还使自动调节中的第二操纵量不会偏离用作基础操纵量的上限和下限的第一操纵量下限设定值OL和第一操纵量上限设定值OH。
第一实施例和第二实施例中描述的控制设备可由具有运算器、存储器、界面、和控制上述硬件资源的程序的计算机来实现。
根据本发明，所述的控制设备采用第一操纵量输出下限设定单元来预先设定表示常规控制中第一操纵量输出下限值的第一操纵量下限设置值，采用第一操纵量输出上限设定单元来预先设定表示第一操纵量上限值的第一操纵量上限设置值，采用第二操纵量输出下限设定单元来预先设定表示实施极限环自动调节时输出到受控对象的第二操纵量下限值的第二操纵量下限设置值，采用第二操纵量输出上限设定单元来预先设定表示第二操纵量上限值的第二操纵量上限设置值。
此配置使得操作人员可以独立于用于常规控制的第一操纵量下限设定值和第一操纵量上限设定值，设定用于实施极限环自动调节的第二操纵量下限设定值和第二操纵量上限设定值。
结果是，在实施自动调节时无需改变第一操纵量下限设定值和第一操纵量上限设定值。本发明还减少了在实施自动控制时改变第一操纵量下限设定值和第一操纵量上限设定值时和在常规控制操作中对其进行重置时所需的繁琐的设置操作。在对第一操纵量下限设定值和第一操纵量上限设定值进行重置时，还可避免对其做出错误的设置。第二操纵量下限设定值和第二操纵量上限设定值可独立于第一操纵量下限设定值和第一操纵量上限设定值设置。
第二操纵量下限设定值和第二操纵量上限设定值可被设定为适当的数值以正确地实施极限环自动调节。实施极限环自动调节所需的时间可被缩短。
控制设备还包括第二操纵量控制单元，用来使极限环自动调节单元在第二操纵量下限设定值低于第一操纵量下限设定值时，使用第一操纵量下限设定值取代第二操纵量下限设定值作为第二操纵量，并在第二操纵量上限设定值高于第一操纵量上限设定值时，使用第一操纵量上限设定值取代第二操纵量上限设定值作为第二操纵量的上限值。
结果是，在实施极限环自动调节时输出到受控对象的第二操纵量的上限和下限值可避免偏离常规控制中输出到对象的第一操纵量的上限和下限值。并可省略对正确控制参数的计算。
控制设备还包括自动终止操作单元，其在第二操纵量下限设定值低于第一操纵量下限设定值或第二操纵量上限设定值高于第一操纵量上限设定值时终止执行极限环自动调节。
以这样的设置，在实施极限环自动调节时输出到受控对象的第二操纵量被阻止了自常规控制操作中输出到受控对象的第一操纵量的上限和下限值的偏离。控制设备的操作人员可以再次设定第二操纵量的下限设定值和第二操纵量的上限设定值。因而，可避免对正确控制参数的计算。
控制设备还包括自动终止操作单元，其可在第二操纵量的下限设定值低于第一操纵量的下限设定值或第二操纵量的上限设定值高于第一操纵量的上限设定值时，告知操作人员第二操纵量的下限设定值或第二操纵量的上限设定值中至少一个数值的设置不当。
所述的自动终止操作单元可使控制设备的操作人员识别出第二操纵量的下限设定值或第二操纵量的上限设定值中至少一个是不合适的。自动终止操作单元可促成操作人员重新设置第二操纵量的下限设定值和第二操纵量的上限设定值。从而可避免计算正确的控制参数。

Claims (14)

1.一种控制设备，其特征在于：包括：
操纵量输出装置(3)，用于将具有恒定幅度的第一和第二操纵量输出到受控对象(14)，所述的第一操纵量在常规操作时被输出到对象，而所述的第二操纵量在实施极限环自动调节时被输出到对象；
运算装置(11)，用于按照与来自所述的操纵量输出装置的第一和第二操纵量相对应的控制响应计算用于调节输出到对象的控制参数的极限环控制参数；
第一下限设定装置(5)，用于预先设定表示第一操纵量下限值的第一下限值；
第一上限设定装置(6)，用于预先设定表示第一操纵量上限值的第一上限值；
第二下限设定装置(7)，用于预先设定表示第二操纵量下限值的第二下限值；
第二上限设定装置(8)，用于预先设定表示第二操纵量上限值的第二上限值；以及
控制装置(4)，用于按照表示设定值和控制变量之间偏差的控制参数执行反馈控制计算以计算第一操纵量，并将计算出的第一操纵量输出到对象；
其中，在实施极限环自动调节时，所述的运算装置(11)将具有用作下限值的第二下限值和用作上限值的第二上限值的第二操纵量输出到对象，并按照与输出的操纵量相对应的控制响应计算所述控制装置的控制参数，而后将计算的控制参数赋予所述的控制装置。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括操纵量控制装置(10)，用于在实施极限环自动调节时当第二下限值小于第一下限值时将第一下限值作为第二操纵量的下限值输出到所述的运算装置(11)。
3.根据权利要求2所述的的设备，其中，在第二上限值大于第一上限值时，所述的操纵量控制装置(10)将第一上限值作为第二操纵量的上限值输出到所述的运算装置(11)。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括自动终止操作装置(12)，用于在实施极限环自动调节时，当第二下限值小于第一下限值时自动终止极限环自动调节的实施。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述的自动终止操作装置(12)在实施极限环自动调节时当第二上限值大于第一上限值时自动终止极限环自动调节的实施。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括自动终止操作装置(12)，用于在实施极限环自动调节时当第二下限值小于第一下限值时以及第二上限值大于第一上限值时自动告知操作装置第二下限值和第二上限值中至少一个数值的设置不正常。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括设定值输入装置(1)，用于输入设定值到所述的控制装置(4)和所述的运算装置(11)。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括控制变量输入装置(2)，用于输入经传感器(13)检测的控制变量。
9.根据权利要求1所述的设备，其中设Er为偏差，SP为设定值，PV为控制变量，所述的运算装置(11)通过下式计算偏差：
Er＝SP-PV。
10.根据权利要求1所述的设备，其中当第一下限值不大于第二下限值及第一上限值不小于第二上限值时，设Pb为比例带，Ti为积分时间，Td为微分时间，所述的运算装置(11)计算控制参数：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH_AT-OL_AT)
Ti＝6(Th1+Th2)
Td＝1.2(Th1+Th2)
其中，Er1表示第一极值偏差，Er2表示第二极值偏差，Th1表示第一操纵量转换占用时间，Th2表示第二操纵量转换占用时间，OH_AT表示第二操纵量上限设定值，OL_AT表示第二操纵量下限设定值。
11.根据权利要求10所述的设备，其中当第一下限值大于第二下限值及第一上限值不小于第二上限值时，所述的运算装置(11)计算比例带：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH_AT-OL)
其中OL表示第一操纵量下限设定值。
12.根据权利要求10所述的设备，其中当第一下限值不大于第二下限值及第一上限值小于第二上限值时，所述的运算装置(11)计算比例带：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH-OL_AT)
其中OH表示第一操纵量上限设定值。
13.根据权利要求10所述的设备，其中当第一下限值大于第二下限值及第一上限值小于第二上限值时，所述的运算装置(11)计算比例带：
Pb＝250|Er2-Er1|/(OH-OL)
其中OH表示第一操纵量上限设定值，OL表示第一操纵量下限设定值。
14.根据权利要求1所述的设备，其中设MV为第一操纵量，α为常数，所述的控制装置(4)计算第一操纵量：
MV＝(α/Pb){1+(1/Tis)+Tds}(SP-PV)。
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