KR19990022789A

KR19990022789A - 다변수 예측 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를결합하는 방법

Info

Publication number: KR19990022789A
Application number: KR1019970709258A
Authority: KR
Inventors: 루 쥬니어 쥬킨
Original assignee: 데이비드 에스. 호이리스; 하니웰 인코포레이티드
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 1999-03-25
Also published as: EP0832449A1; JP3842291B2; CN1258869A; KR100407203B1; DE69603859T2; US5561599A; EP0832449B1; CN1118730C; JPH11513148A; DE69603859D1; RU2185649C2; WO1997000467A1

Abstract

처리 제어 시스템은 피드백 제어기와, 적어도 하나의 조작 변수 및 하나의 제어 변수를 갖는다. 피드포워드 루프는 왜란을 받기 쉬운 시스템을 포함한다. 독립적인 피드포워드 제어는 다음의 단계를 포함하는 피드백 제어기내로 결합된다. 피드포워드 제어 퍼넬과 피드백 제어 퍼넬은 각 제어 변수(cv)에 대하여 왜란이 제거되는 시간(T_FF)과 제어 변수가 정상값에 도달하는 시간(T_FB)을 각각 지정하도록 정의된다. 보다 짧은 피드포워드 제어 퍼넬과 피드백 제어 퍼넬이 선택된다. T_FF가 T_FB보다 적으면, 피드백 제어 속도는 피드백 제어기 속도가 증가하지 않도록 보정된다. T_FF가 T_FB보다 크거나 같으면, 어떤 보정도 실행되지 않고, 피드포워드 제어 솔루션과 피드백 제어 솔루션에 대하여 독립적인 조절 파라미터를 효율적으로 제공한다. 제어 변수(cv)의 새로운 값이 계산되고, 이 새롭게 계산된 cv에 의해 처리가 제어된다.

Description

다변수 예측 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법

피드포워드 제어를 포함한 제어 시스템에서, 피드포워드 제어를 처리하는 종래의 방법은 피드백(FB)제어기와 피드포워드(FF)제어기의 두 가지의 제어기를 포함하는 것으로, 각 제어기는 각각의 자체 세트의 조절 파라미터를 갖는다. 현재 사용 가능한 몇몇 시스템에서는, 단일 피드백 제어기가 사용되고, 피드백 루프의 에러는 피드포워드 루프의 왜란 에러와 결합된다. 피드백 에러와 피드포워드 왜란 효과를 제거하기 위해 출력을 이동시킨 FB 제어기에 의해 유일한 수정 솔루션이 발생된다. 단일 피드백 제어기는 왜란효과가 제거될 수 있는 속도를 제한함으로서 단일 세트의 조절 파라미터를 갖는다. 왜란이 제거되는 속도를 증가시키기 위해 제어기의 속도를 증가시키면, 피드백 제어기의 안정성 마진(margin)은 감소된다. 피드포워드 제어 속도는 피드포워드 제어기가 개방 루프 제어이기 때문에 피드백 제어기 속도보다 더 빠르게 푸쉬될 수 있다. 즉, 피드포워드는 피드포워드 모델이 안정하는 한 동작중에는 본래의 안정성을 유지하는 반면에, 피드백 제어는 제어 속도가 너무 빨리 푸쉬되면, 불안정하게 될 수 있다. 피드포워드 제어가 빠르게 진행되도록 설계되면, 불안정한 상태로 동작할 가능성이 거의 없다. 사용자가 피드백 제어기를 빠르게 동작하도록 조절하면, 피드백 제어기가 불안정한 상태에 이르지 않도록 주의를 해야만 한다. 그래서 피드백과 피드포워드 제어기에 대한 독립적인 조절 파라미터를 가지는 것이 바람직하다. 단일 제어기내에서 피드백과 피드포워드 제어를 실행하기 위한 두 가지의 제어 알고리듬을 사용하는 다변수를 예측 제어기는 CPU 시간이 많이 걸린다. 피드백 제어기가 피드백 동작과 피드포워드 동작을 결합하고 피드백 제어를 위한 한 세트의 조절 파라미터와 피드포워드 제어를 위한 한 세트의 조절 파라미터로 독립적인 조절을 분리하도록 다변수를 예측 제어기를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 다변수 예측 제어기의 피드백 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합한 방법을 제공한다.

본 발명은 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 다변수 예측 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명이 이용되는 처리 제어 시스템을 나타내는 기능 블록도이다.

도 2는 설정치의 변화에 따른 처리 변수에 대한 응답 곡선을 도시한 도면이다.

도 3은 피드백 제어 퍼넬의 예(A)와 피드포워드 제어 퍼넬의 예(B)를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예의 기능 블록도이다.

본 발명은 다변수 예측 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법에 관한 것으로, 처리 제어 시스템은 피드백 제어기를 포함하고, 적어도 하나의 조작 변수(mv)와 적어도 하나의 제어 변수(cv)를 포함한다. 또한 처리 제어 시스템은 피드포워드 루프를 포함하고, 상기 처리 제어 시스템은 왜란을 받기 쉽다. 본 발명의 방법은 피드백 제어기내에 독립적인 피드포워드 제어를 내장하고 각 제어 변수에 대한 피드포워드 제어 퍼넬(funnel)과 각 cv에 대한 피드백 제어 퍼넬을 규정하는 단계를 포함한다. 피드포워드 제어 퍼넬은 왜란이 제거되는 제1 시간(T_FF)과 제어 변수가 입력 변화에 응답하여 정상값에 도달하는 제2 시간(T_FB)을 지정한다. 피드포워드 제어 퍼넬과 피드백 제어 퍼넬의 단락은 각 제어 변수(cv)가 선택된다. 제1 시간(T_FF)이 제2 시간(T_FB)보다 적으면, 피드백 제어 속도는 피드백 제어기의 속도가 증가되지 않도록 보상된다. T_FF가 T_FB보다 크거나 같으면, 어떤 보상도 실행되지 않고, 피드포워드 제어 솔루션과 피드백 제어 솔루션에 대한 독립적인 조절 파라미터를 효과적으로 제공한다. 제어 변수의 새로운 값은 피드백 제어기의 제어 절차에 따라서 계산되고, 그 처리는 새롭게 계산된 솔루션에 따라서 제어된다.

따라서, 본 발명의 목적은 제어기내에서 피드포워드 제어를 결합하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 다변수 예측 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 이들 목적 및 추가의 목적은 이하의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조함으로써 더욱 명확해 질것이고. 지면에서 동일 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하며, 도면은 본 발명의 일부를 예시하는 것이다.

본 발명의 방법을 설명하기 전에, 본 발명이 사용되는 시스템 환경을 이해하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명이 이용되는 처리 제어 시스템의 기능 블록도를 도시한다. 제어기(10)는 처리기(20)에 입력 변수(u)와 결합하는 다수의 출력을 갖는다. 예를 들어, 처리기(20)는 밸브와 히터기와 같이 제어 가능한 다수의 소자를 포함한다. 처리기(20)의 처리 변수(y)는 제품의 품질을 관리하는 온도, 압력, 레벨, 플로우등을 포함한다. 입력 변수(조작 변수;u)는 다음과 같이 정의된다:

u =또는

mv =

출력 변수(제어 변수;cv)는 다음과 같이 정의된다:

cv =

그래서, 처리기(20)는 m개의 조작 변수와 n개의 제어 변수를 갖는 동적인 처리기(P(s))이다. 제어 변수(cv)는 cv를 조절하는 n₁과, cv를 제한하는 n₂와, cv를 최적화하는 n₃를 포함한다. 일반적으로,

본 발명에서 제어 사양(r)(r은 선행의 시스템내의 설정치이다.)은 다음과 같이 정의된다.

r =

조절된 cv_j에 의해, 하위 경계값과 상위 경계값은 동일하다. 제한된 cv_j에 의해, 상위 경계값은 하위 경계값보다 크거나, 또는 하위 경계값만 있거나 상위 경계값만 있다. 마지막으로, 최적화된 cv에 대해서는 어떤 경계값도 존재하지 않는다.

제어기(10)의 범위 제어 기능은 상술한 세 가지의 경우를 처리하기 위해 다음과 같이 공식화된다.

제안식:와

;

여기서 W는 사용자 중량 매트릭스이다.

응용에 따라서, A는 입력에 대한 출력의 동적인 처리에 관한 동적인 모델 매트릭스(a_ij계수)이고; y(최적의 응답 범위)는 범위 변수(설정치의 확장)이고; x(제어 솔루션)는 조작 변수(Δu; 즉, Δu =u_CURRENT-u_LAST)이다.와(처리 변수)는 처리 동작이 가능한 소정의 범위이고,와는 처리 동작이 가능한 소정의 물리적인 제한 범위이다.

다변수 예측 제어기(MPC)의 더욱 상세한 설명은 본 출원과 동일 양수인에게 양도되어 참고로 본 명세서에 통합되어 있는 1994년 9월 27일자로 특허된 Method of Multivariable Predictive Control Utilizing Range Control이라는 명칭의 미국 특허 제 5,351,184호에 개시되어 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 피드포워드 제어기는 피드백 제어기를 사용하는 처리 제어 시스템내에 포함된다. 상기 기술한 미국 특허 제 5,351,184호에 기술된 제어기(10)의 두 개의 영역 제어 절차(영역 제어 범위 알고리듬(RCA)으로 언급됨)는 CPU 시간이 두배가 되기 때문에 사용하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 동일한 RCA를 사용하고 동일한 단일 제어기(10)를 사용하지만, 두개의 상이한 독립적인 제어기를 갖는 효과를 얻는다.

도 2는, 설정치(sp)의 변화에 대한 처리 변수(pv;제어 변수(cv)로 언급됨)의 응답 곡선을 도시한다. 퍼넬은 퍼넬(FUNNEL-HI)의 상위 경계값에 대한 포인트(,,...)와, 퍼넬(FUNNEL-LO)의 하위 경계값에 대한 포인트(,,,...)를 갖는 것으로 정의되어, 그 처리 변수는 시간 T₁일 때에 소정의 값(정상값)에 도달한다. 상기 퍼넬은 응답 곡선에 대한 경계를 정의한다. 도 2의 곡선은 상기 언급한 특허에서 더욱 상세히 기술된 제어 범위를 본 발명의 바람직한 실시예의 다변수 예측 제어기가 사용된 이후의 범위(δ)를 도시한다; 그러나 당업자는 본 발명에서 제어 범위가 요구되지 않는 것을 알게될 것이다.

본 발명의 실행에 있어서, 두 개의 퍼넬은 피드백 제어 퍼넬과 피드포워드 제어 퍼넬로 정의된다. 두 개의 퍼넬을 정의함으로써, 사용자는 왜란의 효과를 제거하기에 적당한 시간을 지정할 수 있고 설정치 변화에 대한 동작(정상)값에 도달하는 cv를 갖는 상이한 시간을 지정할 수 있다.

퍼넬은 A와 B를 포함하는 도 3에 도시된 바와 같이 정의 된다. 도 3의 A는 cv가 시스템 개방 루프 응답 시간의 시간(0.8 또는 80%)에서 그 동작값에 도달하는 피드백(FB) 제어 퍼넬의 예를 도시한다. 그래서 cv 동작비율은 다음과 같이 정의된다.

상기 예에서 0.8값은 사용자에 의해 지정된다. 피드포워드 제어 퍼넬은 피드포워드(FF) 대 피드백(FB) 동작비율을 정의하여 사용자에 의해 지정된다. 도 3의B의 예에서 0.5의 FF/FB 동작비율은 피드포워드 왜란이 개방 루프 응답 시간의 40%(즉, 도 3의 A의 0.8의 cv 동작비율이 선택되는 전술한 예에 대하여)내에서 제거되는 의미로 지정된다.

제어기(10)에는 왜란 효과가 T_FF에서 제거되는 시간과 처리 변수의 동작값이 T_FB에 도달하는 시간과, 짧은 퍼넬을 정의하는 짧은 시간을 포함하는 퍼넬의 특성이 입력된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 제어기(10)는 보다 짧은 두 개의 퍼넬을 사용한다. 그래서 왜란 효과를 제거하길 원하는 사용자의 요구가 충족된다.(FF 제어 퍼넬은 상기 예에서 보다 짧은 퍼넬이 된다.) 그러나, 근래의 제어기는 설정치 추적에 대한 cv 응답 시간을 충족하기 위한 사용자의 요구를 만족시키지 못한다.

두 개의 시간 요구를 충족시키기 위해, 즉 독립된 조절 파라미터를 갖는 처리기 제어 시스템은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 도 4에 도시된 것과 같이 변형되었다. 제어기(10)의 RCA 알고리듬은 각 cv에 대하여 보다 짧은 두 개의 퍼넬을 사용하도록 변형된다. 그래서, 더 빠른 제어 속도가 선택된다. 또한, 상기 시스템은 필터(F_i)를 갖는 대각선 필터(30)를 포함하도록 변형된다.(i는 cv의 수) cv 중 하나의 필터는 제어 범위 알고리듬에 의해 속도가 증가되지 않는 것처럼 피드백 제어기(10)의 속도를 보정한다. 상기 필터의 공식은 다음과 같다.

F_i=

여기서 FF 대 FB의 비율이 1보다 작으면,

그리고 T_S는 샘플링 시간이다.

FF 대 FB의 비율이 1보다 크거나 같으면,

상기 왜란은 FF 모델(50)과 결합하고(선행 기술에 공지된 방법으로), 출력은 각 cv에 대한 필터의 출력에 가산되고, 제어기(10)에 입력되어 합산된다. FF 처리기(40)는 처리기상의 왜란의 효과와 cv상의 효과를 나타내는 것을 포함한다. FF 처리기(40)의 출력은 처리기(20)의 출력(cv)에 가산되어 선행 기술에 공지된 방법으로 cv상에 합성 효과를 제공한다. 그래서, 다변수 예측 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법을 포함한 처리 제어 시스템이 도시된다.

본 발명의 바람직한 실시예와 관련하여 지금까지 예시하였지만, 본 발명의 범주와 기본적인 사상으로부터 벗어남이 없이 여러 가지 변경 및 수정이 가능함을 이해할수 있을 것이다. 본 발명의 실질적인 범주 내에서 빠진 변화와 변경을 커버하기 위해 청구항에 추가할 것이다.

Claims

피드백 제어기와, 적어도 하나의 조작 변수(mv) 및 적어도 하나의 제어 변수(cv)와, 피드포워드 루프를 포함하며 왜란받기 쉬운 처리 제어 시스템에서, 피드백 제어기내에서 독립적인 피드포워드 제어를 결합하는 방법에 있어서,

a) 각 제어 변수에 대하여 왜란이 제거되는 제1 시간(T_FF) 및 입력 변화에 응답하여 제어 변수가 정상값에 도달하는 제2 시간(T_FB)을 지정하는 피드포워드 제어 퍼넬과, 각 cv에 대한 피드백 제어 퍼넬을 정의하는 단계와;

b) 각 cv에 대하여 짧은 피드포워드 제어 퍼넬 및 피드백 제어 퍼넬을 선택하는 단계와;

c) 제1 시간(T_FF)이 제2 시간(T_FB)보다 작으면 피드백 제어기 속도가 증가하지 않도록 피드백 제어 속도를 보정하고, 제1 시간(T_FF)이 제2 시간(T_FB)보다 크거나 같으면, 다음 단계로 진행시킴으로써, 독립적인 조절 파라미터를 효율적으로 제공하는 단계와;

d) 솔루션을 발생하기 위해 제어기 절차에 따라서 제어 변수의 새로운 값을 계산하는 단계와;

e) 지정된 시간내에 왜란의 제거를 포함하는 솔루션에 따라서 처리를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적인 피드포워드 제어의 결합 방법.
제1항에 있어서, 상기 처리 제어 시스템은 다변수 예측 제어기인 것을 특징으로 하는 독립적인 피드포워드 제어의 결합 방법.
제2항에 있어서, 상기 피드백 제어기의 제어기 절차는 영역 제어 절차인 것을 특징으로 하는 독립적인 피드포워드 제어의 결합 방법.
제3항에 있어서, 상기 보정 단계는 F_i=(i는 cv의 색인)에 따라서 각 제어 변수(cv_i)를 필터링하는 단계를 포함하는데,

피드포워드 대 피드백 비율이 1보다 작으면,

(T_S는 샘플링 시간, OLRT 는 개방 루프 응답 시간)이고,

피드포워드 대 피드백 비율이 1보다 크거나 같으면,

인 것을 특징으로 하는 독립적인 피드포워드 제어의 결합 방법.