CN1451106A - 控制设备和控制方法 - Google Patents

Abstract

控制器(PID1－PIDn)实现的控制能够使第一到第n控制回路的控制变量符合它们的预先设定值。阶跃响应进度计算部分(C_R1)计算控制变量的变化最慢的第一控制回路的阶跃响应进度α1。控制回路内部预先设定值计算部分(C_S2－C_Sn)根据阶跃响应进度α1校正第二到第n控制回路的预先设定值，以使第二到第n控制回路的控制变量的变化与第一控制回路的控制变量的变化同步，并且为所说的控制器(PID2－PIDn)给出校正过的预先设定值。

Description

控制设备和控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有多个控制器的控制设备，所说的控制器能够实现控制，以使多个控制回路的控制变量符合它们的预先设定值；并且，更加具体地说，本发明涉及这样一种控制设备和控制方法，通过减小除控制变量变化最小的最慢控制回路外的控制器的稳定等待时间，所说的控制设备和控制方法能够实现节能。

一些设备(例如，使用电加热器的作为执行元件的半导体制造设备)早已经是公知的了，在这些设备中，一个设备要加入控制系统的多个回路。在这种设备中，各个控制回路的控制器是相互独立地进行操作的。

控制回路的控制变量不总是以相同的速度变化的。因为在控制回路的控制变量的变化之间存在着速度差异，因此除了展示最慢变化的最慢控制回路之外，其余的控制回路的响应都变得比最慢控制回路的响应快。在维持稳定状态的同时，除了最慢控制回路外的控制回路的控制器都必须等待，直到最慢控制回路的响应完成。这些控制器在完成响应后都需要一个稳定等待时间，在此期间控制器一直在等待同时还要保持稳定状态。在稳定等待时间使控制器能耗增加。

发明内容

提出本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种控制设备和控制方法，通过减小除最慢控制回路外的控制器的稳定等待时间所说的控制设备和控制方法能够实现节能。

按照本发明，提供了一种控制设备，所说的控制设备包括：第一控制器(PID1)，它实现的控制能够使第一控制回路的控制变量符合一个预先设定值；至少一个其余控制器(PID2-PIDn)，它实现的控制能够使控制变量的变化大于第一控制回路的至少一个其余控制回路的控制变量符合一个预先设定值；一个阶跃响应进度计算部分(C_R1)，所说的阶跃响应进度计算部分计算第一控制回路的阶跃响应进度(α1)；一个控制回路内部预先设定值计算部分(C＿S2-C＿Sn)，针对每一个其余控制器按排这样一个计算部分，用于根据阶跃响应进度校正相应的其余控制回路的预先设定值，以使所说的相应的其余控制回路的控制变量的变化与第一控制回路的控制变量的变化同步，并且为所说的其余控制器给出校正过的预先设定值。

按照本发明，提供了一种控制设备，所说的控制设备包括：多个控制器(PID1-PIDn)，它们实现的控制能够使多个控制回路的控制变量符合多个预先设定值；多个阶跃响应进度计算部分(C_R1a-C_Rna)，针对对应的控制器按排这样的计算部分，用于计算相应的控制回路的阶跃响应进度(α1-αn)；一个最慢阶跃响应进度计算部分(C_Rm)，它在由阶跃响应进度计算部分计算的阶跃响应进度中选择最慢的进度(αmin)；和，控制回路内部预先设定值计算部分(C＿S1a-C＿Sna)，针对对应的控制器按排这样一些计算部分，用于根据最慢进度校正相应的控制回路的预先设定值，以使所说的相应的控制回路的的控制变量的变化与最慢进度的控制变量的变化同步，并且为所说的相应的控制器给出校正过的预先设定值。

按照本发明，提供了一种在具有多个控制器的一个控制设备中的控制方法，所说的控制器实现的控制能够使多个控制回路的控制变量符合预先设定值，所说的控制方法包括如下步骤：计算控制变量的变化是最慢的一个第一控制回路的阶跃响应进度，以及根据所说的阶跃响应进度校正其余控制回路的预先设定值，以使所说的除第一控制回路外的其余控制回路的的控制变量的变化与第一控制回路的控制变量的变化同步，从而为所说的相应的控制器给出校正过的预先设定值。

按照本发明，提供了一种控制方法，所说的控制方法包括如下步骤：计算控制回路的阶跃响应进度，在计算的阶跃响应进度中选择最慢进度，和根据最慢进度校正控制回路的预先设定值，以使所说的控制回路的控制变量的变化与最慢进度的控制变量的变化同步，从而为所说的控制器给出校正过的预先设定值。

图1是表示按照本发明的第一实施例的控制设备的安排的方块图；

图2是说明图1中的控制设备的操作的流程图；

图3是说明图1中的控制设备的操作的流程图；

图4是表示常规的控制设备的控制操作的实例的视图；

图5是表示图1的控制设备的控制操作的实例的视图；

图6是表示按照本发明的第二实施例的控制设备的安排的方块图；

图7是说明图6中的控制设备的操作的流程图；

图8是说明图6中的控制设备的操作的流程图；

图9是表示图6中的控制设备的控制操作的实例的视图。

具体实施方式

[第一实施例]

下面将详细描述本发明的优选实施例。图1是表示按照本发明的第一实施例的控制设备的安排的方块图。图1中的控制设备包括：从第一到第n的多个控制器PID1-PIDn，它实现的控制能够使从第一到第n个(n是等于或大于2的整数)控制回路的控制变量符合它们的预先设定值；一个阶跃响应进度计算部分C_R1，所说的阶跃响应进度计算部分计算控制变量的变化最慢的第一控制回路的阶跃响应进度；和，控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2到C＿Sn，针对除了第一控制回路的第一控制器PID1之外的控制器PID2到PIDn安排这样一个计算部分，用于根据阶跃响应进度校正第二到第n个控制回路的预先设定值，以使所说的第二到第n个控制回路的控制变量的变化与第一控制回路的控制变量的变化同步，并且为所说的控制器PID2到PIDn给出校正过的预先设定值。

第一控制回路由以下各部分组成：第一控制器PID1及其要控制的目标Proc1；第二控制回路，第二控制器PID2及其要控制的目标Proc2；第三控制回路，第三控制器PID3及其要控制的目标Proc3；第n控制回路，第n控制器PIDn及其要控制的目标Procn。

当控制回路作为独立的控制系统在一个设备(如半导体制造设备等)中操作的时候，并且当完成阶跃响应所需的时间在各控制回路之间不同的时候，第一实施例可以应用到多个回路，其中在所说的设备中，一个设备可以配备多个能同时实现阶跃响应(如启动)的控制系统的回路。尤其是，当预先了解了一个控制回路(第一控制回路)：它的控制变量的变化是最慢的，这时，就更加可以应用第一实施例。

下面将说明按照第一实施例的控制设备的操作。图2和3是表示图1中的控制设备的操作的流程图。

阶跃响应进度计算部分C＿R1通过完成噪声处理来减小控制变量PV1的噪声，所说的噪声处理是通过下述的针对第一控制回路的控制目标Proc1的控制变量PV1的传递函数表达式给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤101)：

PV1*＝{1/(1+Tfs}}PV1                           ………(1)

在方程(1)中，PV*是在噪声处理后的控制变量，Tf是噪声滤波器的时间常数。对应于低通滤波器的噪声处理可以减小控制变量PV1的噪声。控制变量PV1的噪声实例是用来测量控制变量PV1的传感器(未示出)的测量噪声。

阶跃响应进度计算部分C＿R1检查针对第一、第二、第三、……第n控制回路设置的任一外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自预先指定的对应的一个预定值dSP1x、dSP2、dSP3……dSPn开始发生了大的变化(步骤104)：

SPkx＞SPkx`+dSPk    (k＝1，2，3，…n)    …(2)

SPkx＞SPkx`-dSPk    (k＝1，2，3，…n)    …(3)

在不等式(2)和(3)中，SPkx`是在一个控制周期之前第k个控制回路的外部预先设定值。

如果不等式(2)或(3)成立，即，如果在当前控制周期第k个(k＝1，2，3，......n)控制回路的外部预先设定值SPkx大于在一个控制周期之前的外部预先设定值SPkx`与一个预定的值dSPk之和，或者，如果外部预先设定值SPkx小于在一个控制周期之前的外部预先设定值SPkx`与一个预定的值dSPk之差，则阶跃响应进度计算部分C＿R1确定：外部预先设定值SPkx的变化量大于预定值dSPk。阶跃响应进度计算部分C＿R1然后设定当前的控制周期，以此作为阶跃响应的开始(在步骤104中的YES)。

如果在步骤104中是YES，阶跃响应进度计算部分C＿R1设定第一控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PV1*，以此作为第一控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PV1a，设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SP1x，以此作为第一控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SP1b，并且将第一控制回路的阶跃响应进度α1复位到0(步骤105)。将控制变量PV1*设定为阶跃响应开始之前的控制变量的理由是，控制变量PV1*代表了目标Proc1对于在当前控制周期之前来自于控制器PID1的操纵变量的响应。

在操作开始后的第一个控制周期，阶跃响应进度计算部分C＿R1不进行在步骤104和105中的过程，而是执行初始化处理(步骤102和103)。更加具体地说，阶跃响应进度计算部分C＿R1设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PV1*，以此作为控制变量PV1a的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SP1x，以此作为预先设定值SP1b的初始值，并且将阶跃响应进度α1复位到0。

阶跃响应进度计算部分C＿R1计算第一控制回路的阶跃响应进度α1(步骤106)。阶跃响应进度α1是一个Δα到1的实数。随着阶跃响应进度α1接近于1，阶跃响应进展得越快。Δα代表的是阶跃响应进度校正量(例如0.05)。

如果控制变量PV1a等于预先设定值SP1b，则阶跃响应进度计算部分C＿R1设定阶跃响应进度α1为1。如果控制变量PV1a不等于预先设定值SP1b，则阶跃响应进度计算部分C＿R1使用控制变量PV1a、预先设定值SP1b、和噪声处理控制变量PV1*来计算阶跃响应进度α1：

α1＝(PV1*-PV1a)/(SP1b-PV1a)+Δα             …(4)

如果计算的阶跃响应进度α1小于一个控制周期前的阶跃响应进度α1`，阶跃响应进度计算部分C＿R1设定一个控制周期前的阶跃响应进度α1`，以此作为当前控制周期期间的阶跃响应进度α1。如果计算的阶跃响应进度α1大于1，则阶跃响应进度计算部分C＿R1设定当前控制周期的阶跃响应进度为1。要注意的是，在第一个控制周期，α1`为0。于是，在步骤106中的过程结束了。

在步骤101中，要针对控制变量PV1进行噪声处理，从而可以在步骤106中精确计算阶跃响应进度α1。如果控制变量PV1包含噪声分量，则在计算阶跃响应进度α1的过程当中就要产生误差。

第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2通过完成噪声处理来减小控制变量PV2的噪声，所说的噪声处理是通过下述的针对第二控制回路的控制目标Proc2的控制变量PV2的传递函数表达式给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤107)：

PV2*＝{1/(1+Tfs)}PV2                 ………(5)

在方程(5)中，PV2*是在噪声处理后的控制变量。

第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2检查针对第一、第二、第三、……第n控制回路设置的任一外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自预先指定的对应的一个预定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPnx开始发生了大的变化(步骤110)。

如果不等式(2)或(3)确定，则第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2确定：外部预先设定值SPkx(k＝1，2，3，...，n)的变化量大于预定值dSPk。第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2然后设定当前的控制周期，以此作为阶跃响应的开始(在步骤110中的YES)。

如果在步骤110中是YES，则第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2设定第二控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PV2*，以此作为第二控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PV2a，并且设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SP2x，以此作为第二控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SP2b(步骤111)。

在操作开始后的第一个控制周期，第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2不进行在步骤110和111中的过程，而是执行初始化处理(步骤108和109)。更加具体地说，第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PV2*，以此作为控制变量PV2a的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SP2x，以此作为预先设定值SP2b的初始值，并且设定控制变量PV2a，以此作为内部预先设定值SP2的初始值。

第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2计算第二控制回路的内部预先设定值SP2(步骤112)：

SP2＝(SP2’Tx+SP2*dT)/(Tx+dT)    ....(6)

SP2’代表的是第二控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SP2。在第一控制周期，使用控制变量PV2a作为初始值。Tx代表移动时间，例如Tx等于2Tf至5Tf，dT代表的是控制周期，SP2*代表第二控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SP2*＝(SP2b-PV2a)α1+PV2a        ....(7)

在步骤112中的过程结束。要针对在步骤107中的控制变量PV2进行噪声处理，从而可以在步骤112精确计算内部预先设定值PV2。

34第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3通过完成噪声处理来减小控制变量PV3的噪声，所说的噪声处理是通过下述的针对第三控制回路的目标Proc3的控制变量PV3的传递函数表达式给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤113)：

PV3*＝{1/(1+Tfs)}PV3                  ………(8)

在方程(8)中，PV3*是在噪声处理后的控制变量。

第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3检查不等式(2)或(3)是否确定(步骤116)。如果不等式(2)或(3)确定，而且在步骤116中是YES，则第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3设定第三控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PV3*，以此作为第三控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PV3a，并且设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SP3x，以此作为第三控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SP3b(步骤117)。

在操作开始后的第一个控制周期，第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3不进行在步骤116和117中的过程，而是执行初始化处理(步骤114和115)。更加具体地说，第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PV3*，以此作为控制变量PV3a的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SP3x，以此作为预先设定值SP3b的初始值，并且设定控制变量PV3a，以此作为内部预先设定值SP3的初始值。

第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3计算第三控制回路的内部预先设定值SP3(步骤118)：

SP3＝(SP3’Tx+SP3*dT)/(Tx+dT)     ....(9)

SP3’代表的是第三控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SP3。在第一控制周期，使用控制变量PV3a作为初始值。SP3*代表第三控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SP3*＝(SP3b-PV3a)α1+PV3a         ....(10)

以此方式重复与步骤107到112或113到118相同的过程。在第n-1个控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn-1(未示出)计算了内部预先设定值SPn-1之后，第n个控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn通过完成噪声处理来减小控制变量PVn的噪声，所说的噪声处理是通过下述的针对第n控制回路的目标Procn的控制变量PVn的传递函数表达式给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤151)：

PVn*＝{1/(1+Tfs)}PVn                   ………(11)

在方程(11)中，PVn*是在噪声处理后的控制变量。

第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn检查不等式(2)或(3)是否确定(步骤154)。如果不等式(2)或(3)确定，而且在步骤154中是YES，则第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn设定第n控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PVn*，以此作为第n控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PVna，并且设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SPnx，以此作为第n控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SPnb(步骤155)。

在操作开始后的第一个控制周期，第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn不进行在步骤154和155中的过程，而是执行初始化处理(步骤152和153)。更加具体地说，第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PVn*，以此作为控制变量PVna的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SPnx，以此作为预先设定值SPnb的初始值，并且设定控制变量PVna，以此作为内部预先设定值SPn的初始值。

第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn计算第n控制回路的内部预先设定值SPn(步骤156)：

SPn＝(SPn’Tx+SPn*dT)/(Tx+dT)    ....(12)

SPn’代表的是第n控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SPn。在第一控制周期，使用控制变量PVna作为初始值。SPn*代表第n控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SPn*＝(SPnb-PVna)α1+PVna        ....(13)

第一控制器PID1通过执行由下述传递函数表达式给出的PID计算来计算操纵变量输出MV1(步骤157)：

MV1＝Kg1{1+1/(Ti1s)+Td1s}(SP1x-PV1)    (14)

在方程(14)中，Kg1、Ti1、Td1是控制器PID1的比例增益、积分时间、和微分时间。第一控制器PID1向目标Proc1输出经过计算的操纵变量输出MV1。

第二控制器PID2通过执行由下述传递函数表达式给出的PID计算、并且使用由第二控制回路内部预先设定值计算部分CS＿2输出的内部预先设定值SP2来计算操纵变量输出MV2(步骤158)：

MV2＝Kg2{1+1/(Ti2s)+Td2s}(SP2x-PV2)    (15)

在方程(15)中，Kg2、Ti2、Td2是控制器PID2的比例增益、积分时间、和微分时间。第二控制器PID2向目标Proc2输出经过计算的操纵变量输出MV2。

第三控制器PID3通过执行下述PID计算、并且使用由第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3输出的内部预先设定值SP3来计算操纵变量输出MV3(步骤159)：

MV3＝Kg3{1+1/(Ti3s)+Td3s}(SP3-PV3)    (16)

在方程(16)中，Kg3、Ti3、Td3是控制器PID3的比例增益、积分时间、和微分时间。第三控制器PID3向目标Proc3输出经过计算的操纵变量输出MV3。

以此方式依次计算操纵变量输出。在第n-1个控制器PIDn-1(未示出)计算出操纵变量输出MVn-1之后，第n控制器PIDn通过执行下述PID计算、并且使用由第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn输出的内部预先设定值SPn来计算操纵变量输出MVn(步骤190)：

MVn＝Kgn{1+1/(Tins)+Tdns}(SPn-PVn)    (17)

在方程(17)中，Kgn、Tin、Tdn是控制器PIDn的比例增益、积分时间、和微分时间。第n控制器PIDn向目标Procn输出经过计算的操纵变量输出MVn。

步骤101到190定为在一个控制周期内的过程，并且每个控制周期重复步骤101到190中的过程。

在第一实施例中，对于由两个或多个回路组成的一个控制系统，外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx通过一次外部操作几乎同时得以改变。在此之后，通过阶跃响应进度计算部分C＿R1计算预先掌握的变化最慢的控制变量(第一控制回路)的阶跃响应进度α1。将计算结果输出到其余控制回路的内部预先设定值计算部分C＿S2到C＿Sn。

内部预先设定值计算部分C＿S2到C＿Sn计算所说的内部预先设定值SP2到SPn，对于所说的内部预先设定值SP2到SPn进行校正，以便根据阶跃响应进度α1可以抑制第2到第n回路的阶跃响应，从而使第2到第n回路的控制变量PV2至PVn的进度与第一控制回路的变化最慢的控制变量PV1的进度同步。

变化最慢的第一控制回路的控制器PID1根据由操作人员设定的初始外部预先设定值SP1x计算操纵变量输出MV1。

第二到第n控制回路的控制器PID2-PIDn根据经过校正的内部预先设定值SP2-SPn计算操纵变量输出MV2-MPn。

这种安排能够防止当第一到第n控制回路的外部预先设定值SP1x-SPnx几乎同时改变时、除变化最慢的第一控制回路外的控制回路的阶跃响应进展得比第一控制回路的阶跃响应快得过多。除了第一控制回路的控制器之外的其余控制器PID2-PIDn能够在完成阶跃响应时消除控制器在维持稳定状态的同时需要等待的稳定等待时间。

当控制器PID1-PIDn例如控制多个加热器以实现升温控制时，在常规的控制设备中的控制器PID2-PIDn在保持高温稳定状态的同时必须在那里等待，一直等到至少完成了第一控制回路的阶跃响应为止，导致大量能量的消耗。与此相反，在第一实施例的控制设备中，可以省去控制器PID2-PIDn的稳定等待时间，减少能量损耗，实现节能。

图4是表示常规的控制设备的控制操作的实例的视图，其中的控制回路的控制器PID1-PIDn是相互独立地操作的。图5是表示按照第一实施例的控制设备的控制操作的实例的视图。图4和5表示的是计算控制变量PV1、PV2、PV3、…PVn的模拟结果，其中：第一控制回路的外部预先设定值SP1x自SP1a变到SP1b，第二控制回路的外部预先设定值SP2x自SP2a变到SP2b，第三控制回路的外部预先设定值SP3x自SP3a变到SP3b，并且第n控制回路的外部预先设定值SPnx自SPna变到SPnb。图4和5只表示出第一到第三控制回路。在图4和5的例子中，第一控制回路是控制变量的变化最慢的一个回路。

如图4所示，在常规的控制设备中，第二、第三、……第n控制回路的控制变量PV2、PV3……PVn在第一控制回路的控制变量PV1达到预先设定值SP1b之前达到SP2b、SP3b、……SPnb。在第二、第三、……第n控制回路的控制器PD2，PD3，……中产生稳定的等待时间T_w2，T_w3，……T_wn。

在第一实施例中，如图5所示，第二、第三、……第n控制回路的控制变量PV2、PV3……PVn与第一控制回路的控制变量PV1同步地改变。因此，在第二、第三、……第n控制回路的控制器PID2、PID3……PIDn中不会产生任何稳定等待时间。

[第二实施例]

图6是表示按照本发明的第二实施例的控制设备的安排的方块图。图6中的控制设备包括：从第一到第n的多个控制器PID1-PIDn；阶跃响应进度计算部分C_R1a到C_Rna，针对控制器PID1-PIDn安排所说的阶跃响应进度计算部分，所说的阶跃响应进度计算部分计算第一到第n的控制回路的阶跃响应进度；一个最慢阶跃响应进度计算部分C＿Rm，所说的最慢阶跃响应进度计算部分C＿Rm从由阶跃响应进度计算部分C_R1a到C_Rna计算的阶跃响应进度中选择最慢的进度；和，控制回路内部预先设定值计算部分C＿S1a到C＿Sna，针对控制器PID1到PIDn安排这样一个计算部分，用于根据最慢阶跃响应进度校正第一到第n个控制回路的预先设定值，以使所说的第一到第n个控制回路的控制变量的变化与最慢的进度同步，并且为所说的控制器PID1到PIDn给出校正过的预先设定值。

第一实施例适用的情况是：预先了解一个控制回路，它的控制变量的变化是最慢的。第二实施例适用的情况是：没有预先了解其控制变量的变化是最慢的这个控制回路。

下面将说明按照第二实施例的控制设备的操作。图7和8是表示图6中的控制设备的操作的流程图。

在步骤201到206中通过第一控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R1a实现的过程几乎与在第一实施例中描述的在步骤101到106中通过第一控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R1中实现的过程相同，这里省去了对它的详细描述。第二实施例与第一实施例的不同点是：阶跃响应进度计算部分C＿R1a向第一控制回路内部预先设定值计算部分C＿S1a输出预先设定值SP1b和控制变量PV1a。

第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a通过完成噪声处理来产生噪声处理控制变量PV2*，所说的噪声处理是通过针对第二控制回路的控制目标Proc2的控制变量PV2的传递函数表达式(5)给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤207)。

第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a检查针对第一、第二、第三、……第n控制回路设置的任一外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自预先确定的对应的一个预定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPn开始发生了大的变化(步骤210)。

如果不等式(2)或(3)成立，则第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a确定：外部预先设定值SPkx(k＝1，2，3，…n)的变化量大于预定值dSPk。第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a然后设定当前的控制周期，以此作为阶跃响应的开始(在步骤210中的YES)。

如果在步骤210中是YES，第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a设定第二控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PV2*，以此作为第二控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PV2a，设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SP2x，以此作为第二控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SP2b，并且将第二控制回路的阶跃响应进度α2复位到0(步骤211)。

在操作开始后的第一个控制周期，第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a不进行在步骤210和211中的过程，而是执行初始化处理(步骤208和209)。更加具体地说，第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PV2*，以此作为控制变量PV2a的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SP2x，以此作为预先设定值SP2b的初始值，并且将阶跃响应进度α2复位到0。

第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a计算第二控制回路的阶跃响应进度α2(步骤212)。如果控制变量PV2a等于预先设定值SP2b，则第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a设定阶跃响应进度α2为1。如果控制变量PV2a不等于预先设定值SP2b，则第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a使用控制变量PV2a、预先设定值SP2b、和噪声处理控制变量PV2*来计算阶跃响应进度α2：

α2＝(PV2*-PV2a)/(SP2b-PV2a)+Δα    …(18)

如果计算的阶跃响应进度α2小于一个控制周期前的阶跃响应进度α2`，则第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a设定一个控制周期前的阶跃响应进度α2`，以此作为当前控制周期期间的阶跃响应进度α2。如果计算的阶跃响应进度α2大于1，则第二控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R2a设定当前控制周期的阶跃响应进度α2为1。要注意的是，在第一个控制周期，α2`为0。于是，在步骤212中的过程结束了。

第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a通过完成噪声处理来产生噪声处理控制变量PV3*，所说的噪声处理是通过针对第3控制回路的控制目标Proc3的控制变量PV3的传递函数表达式(8)给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤213)。

第三阶跃响应进度计算部分C＿R3a检查针对第一、第二、第三、……第n控制回路设置的任一外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自预先确定的对应的一个预定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPn开始发生了大的变化(步骤216)。

如果不等式(2)或(3)成立，则第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a确定：外部预先设定值SPkx(k＝1，2，3，…n)的变化量大于预定值dSPk。第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a然后设定当前的控制周期，以此作为阶跃响应的开始(在步骤216中的YES)。

如果在步骤216中是YES，第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a设定第三控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PV3*，以此作为第三控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PV3a，设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SP3x，以此作为第三控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SP3b，并且将第三控制回路的阶跃响应进度α3复位到0(步骤217)。

在操作开始后的第一个控制周期，第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a不进行在步骤216和217中的过程，而是执行初始化处理(步骤214和215)。更加具体地说，第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PV3*，以此作为控制变量PV3a的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SP3x，以此作为预先设定值SP3b的初始值，并且将阶跃响应进度α3复位到0。

第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a计算第三控制回路的阶跃响应进度α3(步骤218)。如果控制变量PV3a等于预先设定值SP3b，则第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a设定阶跃响应进度α3为1。如果控制变量PV3a不等于预先设定值SP3b，则第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a使用控制变量PV3a、预先设定值SP3b、和噪声处理控制变量PV3*来计算阶跃响应进度α3：

α3＝(PV3*-PV3a)/(SP3b-PV3a)+Δα    …(19)

如果计算的阶跃响应进度α3小于一个控制周期前的阶跃响应进度α3`，则第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a设定一个控制周期前的阶跃响应进度α3`，以此作为当前控制周期期间的阶跃响应进度α3。如果计算的阶跃响应进度α3大于1，则第三控制变量阶跃响应进度计算部分C＿R3a设定当前控制周期的阶跃响应进度α3为1。要注意的是，在第一个控制周期，α3`为0。于是，在步骤218中的过程结束了。

以此方式重复与步骤207到212或213到218相同的过程。在第n-1个控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rn-1a(未示出)计算了第n-1个控制回路的阶跃响应进度αn-1之后，第n个控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna通过完成噪声处理来产生噪声处理控制变量PVn*，所说的噪声处理是通过针对第n控制回路的控制目标Procn的控制变量PVn的传递函数表达式(11)给出的，其中的控制变量是通过一个传感器(未示出)测量的(步骤251)。

第n阶跃响应进度计算部分C＿Rna检查针对第一、第二、第三、……第n控制回路设置的任一外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自预先确定的对应的一个预定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPn开始发生了大的变化(步骤254)。

如果不等式(2)或(3)成立，则第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna确定：外部预先设定值SPkx(k＝1，2，3，…n)的变化量大于预定值dSPk。第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna然后设定当前的控制周期，以此作为阶跃响应的开始(在步骤254中的YES)。

如果在步骤254中是YES，第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna设定第n控制回路在当前的控制周期期间的噪声处理控制变量PVn*，以此作为第n控制回路在阶跃响应开始之前的控制变量PVna，设定在当前的控制周期期间的外部预先设定值SPnx，以此作为第n控制回路在阶跃响应开始之后的预先设定值SPnb，并且将第n控制回路的阶跃响应进度αn复位到0(步骤255)。

在操作开始后的第一个控制周期，第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna不进行在步骤254和255中的过程，而是执行初始化处理(步骤252和253)。更加具体地说，第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna设定在当前控制周期期间的噪声处理控制变量PVn*，以此作为控制变量PVna的初始值，还要设定在当前控制周期期间的外部预先设定值SPnx，以此作为预先设定值SPnb的初始值，并且将阶跃响应进度αn复位到0。

第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna计算第n控制回路的阶跃响应进度αn(步骤256)。如果控制变量PVna等于预先设定值SPnb，则第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna设定阶跃响应进度αn为1。如果控制变量PVna不等于预先设定值SPnb，则第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna使用控制变量PVna、预先设定值SPnb、和噪声处理控制变量PVn*来计算阶跃响应进度αn：

αn＝(PVn*-PVna)/(SPnb-PVna)+Δα    …(20)

如果计算的阶跃响应进度αn小于一个控制周期前的阶跃响应进度αn`，则第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna设定一个控制周期前的阶跃响应进度αn`，以此作为当前控制周期期间的阶跃响应进度αn。如果计算的阶跃响应进度αn大于1，则第n控制变量阶跃响应进度计算部分C＿Rna设定当前控制周期的阶跃响应进度αn为1。要注意的是，在第一个控制周期，αn`为0。于是，在步骤256中的过程结束了。

在此之后，最慢的阶跃响应进度计算部分C＿Rm从第一、第二、第三、……第n所有控制回路的阶跃响应进度α1，α2，α3，…αn中计算最小值αmin(最慢控制变量阶跃响应进度)，并且向内部预先设定值计算部分C＿S1a到C＿Sna输出这个αmin(步骤257)。

更加具体地说，如果阶跃响应进度α1小于阶跃响应进度α2，则最慢阶跃响应进度计算部分C＿Rm将α1设定为最小值αmin，或者，如果阶跃响应进度α1等于或大于阶跃响应进度α2，则将α2设定为αmin。如果阶跃响应进度α3小于最小值αmin，则最慢阶跃响应进度计算部分C＿Rm将α3设定为最小值αmin。类似地，最慢阶跃响应进度计算部分C＿Rm在最小值αmin和最大为αn的每个阶跃响应进度之间重复进行比较，从而可以确定最小值αmin。

第一控制回路内部预先设定值计算部分C＿S1a计算第一控制回路的内部预先设定值SP1(步骤258)：

SP1＝(SP1’Tx+SP1*dT)/(Tx+dT)    ....(21)

SP1’代表的是第一控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SP1。在第一控制周期，使用控制变量PV1a作为初始值。SP1*代表第一控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SP1*＝(SP1b-PV1a)αmin+PV1a      ....(22)

第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2a计算第二控制回路的内部预先设定值SP2(步骤259)：

SP2＝(SP2’Tx+SP2*dT)/(Tx+dT)    ....(23)

SP2’代表的是第二控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SP2。在第一控制周期，使用控制变量PV2a作为初始值。SP2*代表第二控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SP2*＝(SP2b-PV2a)αmin+PV2a       ....(24)

第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3a计算第三控制回路的内部预先设定值SP3(步骤260)：

SP3＝(SP3’Tx+SP3*dT)/(Tx+dT)     ....(25)

SP3’代表的是第三控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SP3。在第一控制周期，使用控制变量PV3a作为初始值。SP3*代表第三控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SP3*＝(SP3b-PV3a)αmin+PV3a       ....(26)

以类似的方式计算内部预先设定值。在第n-1个控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sn-1a计算了第n-1个控制回路的内部预先设定值SPn-1之后，第n个控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sna计算第n个控制回路的内部预先设定值SPn(步骤290)：

SPn＝(SPn’Tx+SPn*dT)/(Tx+dT)      ....(27)

SPn’代表的是第n控制回路在一个控制周期之前的内部预先设定值SPn。在第一控制周期，使用控制变量PVna作为初始值。SPn*代表第n控制回路的内部预先设定值基准并且由下式给出：

SPn*＝(SPnb-PVna)αmin+PVna         ....(28)

然后，第一控制器PID1通过执行由下述传递函数表达式给出的PID计算并使用从第一控制回路内部预先设定值计算部分C＿S1a输出的内部预先设定值SP1来计算操纵变量输出MV1(步骤291)：

MV1＝Kg1{1+1/(Ti1s)+Td1s}(SP1-PV1)      (29)

在方程(29)中，Kg1、Ti1、Td1是控制器PID1的比例增益、积分时间、和微分时间。第一控制器PID1向目标Proc1输出经过计算的操纵变量输出MV1。

第二控制器PID2通过执行由方程(15)给出的PID计算、并且使用由第二控制回路内部预先设定值计算部分C＿S2a输出的内部预先设定值SP2来计算操纵变量输出MV2(步骤292)。第二控制器向目标Proc2输出经过计算的操纵变量输出MV3。

第三控制器PID通过执行由方程(16)给出的下述PID计算、并且使用由第三控制回路内部预先设定值计算部分C＿S3输出的内部预先设定值SP3来计算操纵变量输出MV3(步骤293)。第三控制器PID3向目标Proc3输出经过计算的操纵变量输出MV3。

以此方式依次计算操纵变量输出。在第n-1个控制器PIDn-1(未示出)计算出操纵变量输出MVn-1之后，第n控制器PIDn通过执行由方程(17)给出的PID计算、并且使用由第n控制回路内部预先设定值计算部分C＿Sna输出的内部预先设定值SPn来计算操纵变量输出MVn(步骤320)。第n控制器PIDn向目标Procn输出经过计算的操纵变量输出MVn。

步骤201到320定为在一个控制周期内的过程，并且每个控制周期重复步骤201到320中的过程。

在第二实施例中，对于一个由两个或多个回路组成的控制系统，通过一次外部操作就可几乎同时改变外部预先设定值SP1x、SP2x、SP3x、…SPnx。在此之后，通过阶跃响应进度计算部分C＿R1a-C_Rna计算对应控制回路的阶跃响应进度α1到αn。将计算结果输出到最慢的阶跃响应进度计算部分C＿Rm。

最慢的阶跃响应进度计算部分C＿Rm计算最小值，即在对应的控制回路的阶跃响应进度α1到αn中的最慢阶跃响应进度αmin，并且向控制回路内部预先设定值计算部分C＿S1a-C_Sna输出这个最慢进度αmin。

内部预先设定值计算部分C＿S1a-C_Sna计算内部预先设定值SP1到SPn，对于所说的内部预先设定值SP1到SPn进行校正，以便根据最慢的进度αmin抑制第一到第n控制回路的阶跃响应，从而使第一到第n控制回路的控制变量PV1到PVn的进度与控制回路的变化最慢的控制变量的进度同步。这时，对于这个最慢控制回路，进行相同的处理，以便不会影响这个最慢控制回路的响应速度。第一到第n控制回路的控制器PID1到PIDn根据这个校正的内部预先设定值SP1到SPn计算操纵变量输出MV1到MVn。

这种安排能够防止当第一到第n控制回路的外部预先设定值SP1x-SPnx几乎同时改变时、除变化最慢的控制回路外的控制回路的阶跃响应进展得比控制回路的阶跃响应快得过多。除了变化最慢的控制回路的控制器之外的其余控制器能够消除控制器的稳定等待时间，实现节能。尤其是在第二实施例中，不需要预先了解控制变量的变化最慢的这个最慢控制回路。即使当阶跃响应速度视情况而有所变化并且这个最慢控制回路也发生了变化时，控制回路也能够正常操作。

图9表示的是按照本发明的第二实施例的控制设备的控制操作的实例。图9表示的是计算控制变量PV1、PV2、PV3、…PVn的模拟结果，其中：第一控制回路的外部预先设定值SP1x自SP1a变到SP1b，第二控制回路的外部预先设定值SP2x自SP2a变到SP2b，第三控制回路的外部预先设定值SP3x自SP3a变到SP3b，并且第n控制回路的外部预先设定值SPnx自SPna变到SPnb。图9只表示出第一到第三控制回路。在图9的例子中，第二控制回路是控制变量的变化最慢的一个回路。

如图9所示，在应用第二实施例的时候，第一、第三、……第n控制回路的控制变量PV1、PV3……PVn的变化与控制变量的变化最慢的第二控制回路的控制变量PV2的变化同步。在第一、第三、……第n控制回路的控制器PID1、PID3…PIDn中不产生任何稳定等待时间。

在第一和第二实施例中，以n≥4为例进行说明，然而本发明还可以应用到n≥2的情形。

在第一和第二实施例中，所有的外部预先设定值是同时改变的。然而，本发明不局限于此，即使当包括n个回路中的最慢回路在内的两个或多个回路的外部预先设定值因为略有定时移动而有所变化时，也能获得第一实施例的效果。此外，即使当n个回路中的两个或多个任意回路的外部预先设定值因为略有定时移动而有所变化时，也能获得第二实施例的效果。

如以上所述，本发明适合于在一个设备内具有多个控制系统回路的设备。

Claims (4)

1.一种控制设备，其特征在于所说的控制设备包括：

第一控制器，它实现的控制能够使第一控制回路的控制变量符合一个预先设定值；

至少一个其余控制器，它实现的控制能够在使控制变量的变化大于第一控制回路的至少一个其余控制回路的控制变量符合一个预先设定值；

一个阶跃响应进度计算部分，所说的阶跃响应进度计算部分计算第一控制回路的阶跃响应进度；

一个控制回路内部预先设定值计算部分，针对每一个其余控制器按排所述的控制回路内部预先设定值计算部分，用于根据阶跃响应进度校正相应的其余控制回路的预先设定值，以使所说的相应的其余控制回路的控制变量的变化与第一控制回路的控制变量的变化同步，并且为所说的其余控制器给出校正过的预先设定值。

2.一种控制设备，其特征在于所说的控制设备包括：

多个控制器，它们实现的控制能够使多个控制回路的控制变量符合多个预先设定值；

多个阶跃响应进度计算部分，针对对应的控制器按排所述的计算部分，用于计算相应的控制回路的阶跃响应进度；

一个最慢阶跃响应进度计算部分，它在由阶跃响应进度计算部分计算的阶跃响应进度中选择最慢的进度；和，

控制回路内部预先设定值计算部分，针对对应的控制器按排所述控制回路内部预先设定值计算部分，用于根据最慢进度校正相应的控制回路的预先设定值，以使所说的相应的控制回路的的控制变量的变化与最慢进度的控制变量的变化同步，并且为所说的相应的控制器给出校正过的预先设定值。

3.一种在具有多个控制器的一个控制设备中的控制方法，所说的控制器实现的控制能够使多个控制回路的控制变量符合预先设定值，其特征在于所说的控制方法包括如下步骤：

计算控制变量的变化是最慢的一个第一控制回路的阶跃响应进度；以及

根据所说的阶跃响应进度校正其余控制回路的预先设定值，以使所说的除第一控制回路外的其余控制回路的的控制变量的变化与第一控制回路的控制变量的变化同步，从而为所说的相应的控制器给出校正过的预先设定值。

4.一种在具有多个控制器的一个控制设备中的控制方法，所说的控制器实现的控制能够使多个控制回路的控制变量符合预先设定值，其特征在于所说的控制方法包括如下步骤：

计算控制回路的阶跃响应进度，

在计算的阶跃响应进度中选择最慢进度，和

根据最慢进度校正控制回路的预先设定值，以使所说的控制回路的控制变量的变化与最慢进度的控制变量的变化同步，从而为所说的控制器给出校正过的预先设定值。

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