CN1293395A

CN1293395A - 控制运算设备和方法

Info

Publication number: CN1293395A
Application number: CN00129933A
Authority: CN
Inventors: 田中雅人
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2001-05-02
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: JP3437807B2; EP1094375B1; CN1194290C; EP1094375A1; KR100384623B1; US6754542B1; KR20010051053A; DE60009228D1; JP2001117603A; DE60009228T2

Abstract

一种控制运算设备和方法,包括:减法部,它根据受控系统的受控变量和设定点来计算受控变量的误差;干扰检测部,它在各控制周期中根据误差输出检测是否有干扰;误差校正量计算部,当检测到一干扰时,它根据误差的大小计算误差校正量;误差校正量收敛运算部,它进行收敛运算、使得该误差校正量计算部输出的误差校正量逐渐向0收敛;以及控制运算部,它根据减法部输出的误差和收敛运算部输出的收敛运算后的误差校正量来计算受操纵变量。

Description

控制运算设备和方法

本发明涉及一种控制运算设备，该设备根据一设定点与一受控变量之间的误差(偏差)来计算一受操纵变量(a manipulatedvariable)而进行比方说PID(比例、积分和差分)控制或IMC(内部模型控制)，本发明特别涉及一种控制运算设备和一种控制运算方法，该控制运算设备能抑制随一干扰而产生的过调。

使用PID控制的现有装置一般用作可用于不定受控系统的通用控制运算装置。如图5所示，现有的PID控制运算装置10包括：一主计算机11，该主计算机从一输入设定点SP中减去一受控变量PV而输出一误差Er；以及一控制运算部12，该控制运算部从减法部11输出的误差Er计算出一受操纵变量MV后把该受操纵变量输出到一受控系统13。

设C_PID为控制运算部12的转移函数，P为受控系统13的转移函数，可用方程(1)从控制运算部12的转移函数C_PID中得出受操纵变量MV：

MV=C_PID(SP-PV) …(1)

该转移函数C_PID可表示为：

C_PID=Kg{1+(1／Tis)}(1+Tds)／(1+ηTds) …(2)

其中，Kg为比例增益，Ti为积分时间，Td为差分时间，η为常数(例如η=0．2)

此时，在控制温度和压力时，受控系统13的转移函数P可用方程(3)近似求出：

P=Kp Erp(-Lps)／(1+Tps)…(3)

其中，Kp为增益，Tp为时间常数，Lp为停滞时间。增益Kp提供该受控系统13的静态特性；时间常数Tp提供时间延迟特性(动态特性)；停滞时间Lp提供停滞时间特性(动态特性)。

按照控制理论中的公知调节公式或由M．Morari提出的公知IMC理论，为了满足稳定性和控制的迅速响应，各PID参数(比例增益Kg、积分时间Ti和差分时间Td)最好为：

Kg=αTp／(KpLp) …(4)

Ti=βTp …(5)

Td=γLp …(6)

其中，α、β和γ为常数(例如，α=0．6，β=1，γ=0．5)。如为控制运算部12设定各PID参数，一般可获得良好的控制特性。

按照上述现有的PID控制运算装置，在温度控制的稳定状态下，如出现温度一时下降之类干扰，则该受操纵变量MV更新而回到该温度。在出现温度一时下降之类干扰时，在较长时间后无需更新受操纵变量MV，温度即能自动复原。此时，使用PID控制装置更新受控变量PV会造成受操纵变量的过度校正。因此，作为一种出现在受控变量PV中的现象，如图6所示，出现用一过调表示的过度控制响应。

作为把温度一时下降当作一干扰的例子，当把其上装有许多半导体晶片的一舟皿插入一用来制作半导体的分批型CVD(化学汽相淀积)反应炉中时，该反应炉中的温度会一时下降。在图7所示的分批型CVD炉中，标号61表示一舟皿、62表示一反应炉、63-1到63-5表示加热反应炉62中各加热区1到5的加热器、64-1到64-5表示用于对区1到5中的温度(受控变量PV)进行测量的传感器，65-1到65-5表示各PID控制运算设备。各PID控制运算设备65-1到65-5计算受操纵变量MV后把它们输出到加热器63-1到63-5，把区1到5中的温度设定成由设定点SP指定的温度。

对于使用化学反应形成薄膜的半导体制作过程中的温度控制来说，过调是一种不希望发生的严重现象。在该情况下，日本特许公开No．4-039701(参考文献1)公开了一种控制运算装置。如图8A所示，这种装置在检测到受控变量PV接近设定点SP时，把输入PID控制运算部的设定点SP校正到一接近受控变量PV的值，从而抑制过调。

参考文献1公开的控制运算装置在检测到受控变量PV接近设定点SP时校正设定点SP。为此，在因受干扰而使受控变量PV偏离设定点SP的时刻与受控变量PV稳定在一接近设定点的值的时刻之间有一时间间隔，在这个时间间隔中的一系列受控变量变化的最后一个周期的第二半段周期内，过调抑制功能才被激励。因此，在出现使受控变量快速变化的干扰、例如把一舟皿装入分批型CVD炉中出现的温度一时下降时，该过调抑制功能对干扰后受操纵变量的立即过度校正不起作用，而这种过度校正应加以抑制。

因此，如图8A和9A所示，其控制结果与没有过调抑制功能的普通控制运算装置没有多大差别。也就是说，即使过调抑制功能在检测到受控变量PV接近设定点SP时受到激励，也为时太晚，无法进行有效控制。如上所述，在现有控制运算装置中，如果所加的干扰使受控变量PV迅速变化，就无法抑制过调。

本发明的目的是提供一种控制运算设备和方法，即使出现使受控变量迅速变化的干扰，这种设备和方法也能抑制过调。

为了实现上述目的，按照本发明，提供一种控制运算装置，包括：第一计算装置，它根据一受控系统的一受控变量和设定点计算一受控变量的误差；检测装置，它在各控制周期中根据该第一计算装置输出的误差检测是否有一干扰；第二计算装置，当检测到一干扰时，它根据第一计算装置输出的误差的大小计算误差校正量；收敛运算装置，它进行收敛运算，以致于使误差校正量计算装置输出的误差校正量逐渐向0收敛；以及控制运算装置，它根据第一计算装置输出的误差和收敛运算装置输出的收敛运算后的误差校正量来计算受操纵的变量。

下面结合附图，详细说明本发明的最佳实施例。

图1是本发明一实施例的PID控制运算设备的方框图；

图2是图1所示的PID控制运算设备的工作流程图；

图3A和3B是曲线图，表示在图1所示的PID控制运算设备中和现有技术的PID控制运算设备中受控变量和受操纵变量的变化情况；

图4A和4B是曲线图，表示在出现不同大小的干扰时图1所示的PID控制运算设备和现有技术的PID控制运算设备中受控变量和受操纵变量的变化情况；

图5是一使用现有PID控制运算设备的控制系统的方框图；

图6A和6B是曲线图，表示在出现温度一时下降之类的干扰时图5中PID控制运算部中的受控变量(温度)和受操纵变量的变化情况；

图7是一分批型CVD炉的剖面图；以及

图8A和8B是曲线图，表示在具有过调抑制功能的现有控制运算设备中受控变量和受操纵变量的变化情况。

图1示出了本发明一实施例的PID控制运算设备。如图1所示，该实施例的PID控制运算设备包括：输入一受控变量PV的一受控变量输入部1、输入一设定点SP的一设定点输入部2；一计算受控变量PV与设定点SP之间的误差Er(以下称之为误差Er)的减法部3；一在各控制周期中根据该误差Er确定是否存在一干扰以及根据该确定结果输出一激励信号s1的干扰检测部4；一在收到表示检测到干扰的激励信号s1时、根据误差Er的大小来计算误差校正量Erx的误差校正量计算部5；一进行收敛运算、使得误差校正量Erx按照预定规则向0逐渐收敛的误差校正量收敛运算部6；一根据减法部3输出的误差Er和收敛运算后的误差校正量Erx’计算受操纵变量MV的控制运算部7；以及把受操纵变量MV输出到一受控系统的一受操纵变量输出部8。

下面结合图2说明上述结构的PID控制运算设备的工作过程。

首先，受控变量PV从一受控系统(例如一检测受控变量PV的传感器)输入到与外部连接的接口的受控变量输入部1(步骤S101)。与此同时，由一操作员设定的设定点SP输入设定点输入部2(步骤S102)。减法部3从设定点输入部2输出的设定点SP中减去从受控变量输入部1输出的受控变量PV后输出所得结果即误差Er(=SP-PV)(步骤S103)。

干扰检测部4确定各控制周期中是否存在干扰(步骤S104)。如干扰检测部4确定存在干扰，则干扰检测部4把激励信号s1输出到误差校正量计算部5。当受控变量PV向偏离设定点SP方向变化时，干扰检测部4确定存在干扰。如下所述，受控变量PV偏离设定点SP有两种情况。

(Ⅰ)一种情况是，误差Er为正值，绝对值︱Er︱增加(受控变量PV变得比设定点SP小)，即，Er＞0和Er＞Er’(Er’为上一控制周期的误差)；以及

(Ⅱ)另一种情况是，误差Er为负值，绝对值︱Er︱增加(受控变量PV变得比设定点SP大)，即，Er＜0和Er＜Er’。

当出现上述情况(Ⅰ)和(Ⅱ)之一时，干扰检测部4确定存在干扰，从而输出激励信号S1。

在收到干扰检测部4输出的激励信号S1时，误差校正量计算部5用误差Er乘以一预定系数计算出误差校正量Erx，并把它输出到误差校正量收敛运算部6(步骤S105)。误差校正量Erx由下式计算：

Erx=Er …(7)

其中，ξ为一常数(例如ξ=0．8)。

然后，误差校正量收敛运算部6进行收敛运算，使得从误差校正量计算部5输出的误差校正量Erx按照预定规则向0逐渐收敛(步骤S106)。确切说，误差校正量收敛运算部6按照下式(8)计算收敛运算后的误差校正量Erx’：

Erx’=Erx …(8)

其中，λ为一常数(0＜λ＜1，例如，λ=0．95)。如误差校正量计算部5不输出误差校正量Erx，则误差校正量收敛运算部6把上一控制周期收敛运算获得的误差校正量Erx’用作当前控制周期的误差校正量Erx按照方程(8)进行收敛运算。该误差校正量Erx’(Erx)的初始值为0。

控制运算部7根据从误差Er中减去收敛运算后的误差校正量Erx’获得的值用方程(9)进行PID运算，计算出受操纵变量MV(步骤S107)。

MV=C_PID(Er-Erx’) …(9)

C_PID=Kg{1+(1／Tis)}(1+Tds)／(1+ηTds) …(10)

其中，Kg为比例增益，Ti为积分时间，Td为差分时间，η为常数(例如η=0．2)。

由控制运算部7计算的受操纵变量MV经与外部连接的接口的受操纵变量输出部8输出到一受控系统、例如阀或加热器之类的运行装置(步骤S108)。该控制运算设备在各控制周期中反复进行上述步骤S101-S108的处理，直到操作员之类的人员输入一停止指令。

图3A和3B示出了上述PID控制运算设备中的受控变量PV和受操纵变量MV的状态。在图3A中，标号PV0表示用现有控制运算设备获得的受控变量。在图3B中，标号MV0表示用现有控制运算设备获得的受操纵变量。

如图3A所示，当在时间t1出现一干扰时，立即根据由该干扰造成的误差Er计算误差校正量Erx’(Erx)，利用所算出的误差校正量Erx’，把控制过程中所用的、与误差等同的输入值校正到其绝对值小的值(Er-Erx’)。在这个过程中，即使干扰使得受控变量PV迅速变化，受操纵变量的过度校正在干扰一出现时就受到抑制。因此，较之现有控制运算设备能抑制过调。

在出现干扰(受控变量PV偏离设定点SP)、误差的绝对值︱Er︱增加的情况结束时(图3A中时刻t2)，干扰检测部4停止输出激励信号S1。随着这个过程，误差校正量计算部5停止计算误差校正量Erx，因此误差校正量Erx’由于误差校正量收敛运算部6的作用逐渐向0收敛。如上所述，由于误差校正量Erx’逐渐向0收敛而不是急剧复原到0，因此该控制过程不会发生由受操纵变量MV的急剧变化造成的不连续、不合适的控制操作。

本发明的关键在于，一旦检测到干扰，误差的绝对值︱Er︱就增大，以及把该误差Er乘以一预定系数得出误差校正量Erx’(Erx)。根据本发明，确定误差校正量Erx’的方法基于以下事实：在特定受控变量PV附近，受控系统通常用线性特性近似表示，而一般用途的控制运算方法，如PID控制法为线性控制方法。使用这一方法不会降低受控系统的线性特性。

与温度控制一样，当在可线性近似表示的实际受控系统中出现干扰时，如图4A和4B所示，在许多情况下误差Er的大小发生变化。但是，由于线性特性，干扰时间和复原时间变化不大。参照图4A和4B，标号MV1和PV1分别表示在有关现有控制运算设备的实例1中的受操纵变量和受控变量；MV2和PV2分别表示在有关现有控制运算设备的实例2中的受操纵变量和受控变量。

根据本发明的控制运算设备，上述常数ξ和λ的数值相对于图4A和4B所示的大小不同的干扰而保持不变，因此可合适地进行过调抑制。由于每一受控系统都有其独有的常数ξ和λ值，因此，可以很好地实现过调抑制功能，而无需经常改变数值，并且可操作性良好。

在该实施例中，将与误差等同的、用于控制过程的输入值校正为如方程(9)所表示的(Er-Erx’)。但是，由于用(SP-PV)计算误差Er，因此，实际上，该实施例中将误差校正为(SP-PV-Erx’)。所以，该功能相当于由{(SP-Erx’)-PV}表示的设定点校正或由{SP-(PV+Erx’)}表示的受控变量校正。

在该实施例中，本发明用于PID控制。但本发明显然不受此限制，也可用于IMC控制。用于IMC控制时，控制运算部7进行IMC操作而不是PID操作。

按照上述本发明，在根据一受控变量与一设定点之间的误差计算一受操纵变量而进行PID／IMC控制的控制运算设备中，当根据误差的绝对值的增加而检测到一干扰时，根据该误差大小来计算误差校正量，根据误差和误差校正量来计算受操纵变量。如此，即使出现使受控变量的变化速度高到现有过调抑制功能无法获得良好结果的干扰，也能自动抑制过调。此外，由于误差校正量按照预定规则逐渐向0收敛，因此控制过程不会发生由于受操纵变量的急剧变化而造成的不连续、不合适的控制操作。

Claims

1、一种控制运算设备，其特征在于，包括：

第一计算装置(3)，所述的装置(3)根据一受控系统的一受控变量(PV)和设定点(SP)计算一受控变量的误差(Er)；

检测装置(4)，所述的装置(4)在各控制周期中根据所述第一计算装置输出的误差检测是否有干扰；

第二计算装置(5)，当检测到干扰时，所述的装置(5)根据所述第一计算装置输出的误差的大小计算误差校正量(Erx)；

收敛运算装置(6)，所述的装置(6)进行收敛运算、使得所述误差校正量计算装置输出的误差校正量逐渐向0收敛；以及

控制运算装置(7)，所述的装置(7)根据所述第一计算装置输出的误差和所述收敛运算装置输出的收敛运算后的误差校正量(Erx’)来计算受操纵变量(MV)。

2、按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述计算装置包括减法装置，该减法装置从一设定点中减去该受控系统的受控变量而计算误差。

3、按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述干扰检测装置在所述第一计算装置输出的误差的绝对值增加时检测到干扰。

4、按权利要求3所述的设备，其特征在于，当Er＞0和Er＞Er’，其中Er为误差，Er’为上一控制周期的误差，以及Er＜0和Er＜Er’时，所述干扰检测装置检测到干扰。

5、按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二计算装置用所述第一计算装置输出的误差乘以一预定系数来计算误差校正量。

6、按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制运算装置进行PID(比例、积分和差分)操作和IMC(内部模型控制)操作之中的一种操作。

7、按权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述设备进一步包括：

受控变量输入装置(1)，受控系统的受控变量输入到所述的受控变量输入装置(1)中；

设定点输入装置(2)，将设定点输入到所述的设定点输入装置(2)中；以及

所述第一计算装置利用所述受控变量输入装置输出的受控系统的受控变量和所述设定点输入装置输出的设定点来计算受控变量的误差。

8、一种控制运算方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据一受控系统的受控变量(PV)和设定点(SP)来计算受控变量的误差(Er)；

在各控制周期中根据所算出的误差检测是否有干扰；

当检测到干扰时根据所算出的误差的大小计算误差校正量

(Erx)；

进行收敛运算、使得所算出的误差校正量按照预定规则逐渐向0收敛；以及

根据所算出的误差和收敛运算后的误差校正量(Erx’)计算受操纵变量(MV)，并把受操纵变量输出到该受控系统。

9、按权利要求8所述的方法，其特征在于，计算误差的步骤包括以下步骤：从设定点中减去受控系统的受控变量而计算出误差。

10、按权利要求8所述的方法，其特征在于，检测干扰的步骤包括以下步骤：当该所算出的误差的绝对值增加时检测到所述干扰。

11、按权利要求10所述的方法，其特征在于，检测干扰的步骤包括以下步骤：当Er＞0和Er＞Er’，其中Er为误差，Er’为上一控制周期的误差以及Er＜0和Er＜Er’时，检测到所述干扰。

12、按权利要求8所述的方法，其特征在于，计算误差校正量的步骤包括以下步骤：用一算出的误差乘以一预定系数来计算误差校正量。

13、按权利要求8所述的方法，其特征在于，计算受操纵变量的步骤包括以下步骤：计算PID(比例、积分和差分)操作和IMC(内部模型控制)操作之中的一种操作的受操纵变量。

14、按权利要求8所述的方法，其特征在于，

该方法进一步包括以下步骤：

输入一受控系统的一受控变量；

输入一设定点；以及

计算误差的步骤包括以下步骤：利用该受控系统的输入受控变量和输入的设定点来计算受控变量的误差。