TWI621001B

TWI621001B - 藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器

Info

Publication number: TWI621001B
Application number: TW103120216A
Authority: TW
Inventors: 蘇鴻德
Original assignee: 蘇鴻德
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2018-04-11
Also published as: TW201546581A

Abstract

一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器，其包含一控制單元、至少一變數、一動態偏離因子單元及一補償單元。控制單元依據一測量訊號與一參考訊號而得到一輸出訊號，輸出訊號送到一程序中以使測量訊號趨近參考訊號。變數係程序中可影響測量訊號或受該控制單元影響之訊號。動態偏離因子單元依據變數之一短時間均值與一長時間均值而得到變數之一動態偏離因子。補償單元將動態偏離因子補償到測量訊號、參考訊號或輸出訊號，而得到對應之補償訊號。該補償訊號取代對應之測量訊號、參考訊號或輸出訊號以對程序進行控制。

Description

藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器

本發明關於一種控制器，特別關於一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器。

圖1為一種動態程序(Dynamic Process，或製程)的示意圖。在圖1所示的動態程序中有三個或更多個類比程序變數(Process Variable,PV)，每個程序變數會隨著時間而改變，變數與變數間也會有不同的相互影響關係。其中至少有一個是獨立變數(Idependent Variable)和一個依賴變數(Dependent Variable)。

如圖2所示，為了控制其中一個依賴變數而將其定為「被控制變數」(Controlled Variable,CV)並加入一個例如單變數控制器(Single-Input Single-Output,SISO)的控制單元301，便形成一個控制迴路(Control Loop)，如此，動態程序更包含控制單元。可透過動態程序中的獨立變數(或稱「操作變數」(Manipulated Variable,MV))對被控制變數的影響，將被控制變數控制在特定參考值或設定值(Reference or Setpoint,SP)。圖2中實線代表控制單元的輸出入訊號與方向，細虛線代表變數間確定的相互影響關係，粗虛線代表變數間可能的相互影響關係，箭頭方向代表相互影響關係的方向。

由於技術成熟以及簡易通用性與價格考量，一般工業程序都是使用單變數控制器。然而，一般的程序中大部分都有兩個或更多的程序變數，因此除了簡單獨立式的單變數控制策略外，在先前技術中也有許多不同的方法，可以將單變數控制器擴展程適用於多變數環境中，以達到更好的控制效果。例如獨立式的單變數控制策路(Single Loop Control)、串級式的單變數控制策略(Cascade Control)、前饋式的單變數控制策略(Feedforward Control)及多變數控制策略(Multi-Variable Control)等。在先前技術中的控制策路通常需要使用到多數個單變數控制器，每一個單變數控制器對應一個被控制變數(即每一單變數控制器的MV與CV自成一個迴路)，因而，只能提供單一的控制功能，並無法利用到其餘的程序變數來協助控制。

因此，如何提供一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器，特別是僅利用單變數控制器便可達到多變數或多功能控制之控制效能，實為當前重要課題之一。

有鑒於上述課題，本發明之一目的在於提供一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器，該控制器可以將控制迴路以外的程序變數很輕易地導入到動態程序的控制迴路中，而不需修改或調整控制參數，便可將任何一個單變數控制器變成一個性能優越的多變數或多功能控制器。

為達上述目的，依據本發明構成之控制器包含一控制單元、至少一變數、至少一動態偏離因子單元以及一補償單元。該控制單元依據一測量訊號與一參考訊號而得到一輸出訊號，該輸出訊號送到該程序以使該測量訊號改變。該變數係程序中可影響該測量訊號或受該控制單元影響之其中一個訊號。該至少一動態偏離因子單元依據該變數之一短時間均值與一長時間均值而得到該變數之一動態偏離因子(Dynamic Offshoot Factor,DOF)。該補償單元將該動態偏離因子補償到該測量訊號、該參考訊號與該輸出訊號之其中之一，而得到對應之一補償訊號，該補償訊號取代該相對應的測量訊號、該參考訊號或該輸出訊號，以對該控制單元進行控制。

在一實施例中，該控制單元為一單變數控制器或一多變數控制器中的一個單變數控制單元。

在一實施例中，測量訊號、參考訊號、輸出訊號與補償訊號各為一數值或一函數。

在一實施例中，變數係為程序之一程序變數、或另一控制器之一測量訊號、一參考訊號或一輸出訊號。

在一實施例中，動態偏離因子係關於短時間均值或當時的測量值偏離長時間均值之程度。

在一實施例中，短時間均值是在一個測量時距(Sampling Interval)下所測得的訊號值、或是在S個測量時距下所測得的訊號平均值、或是該變數之訊號經過一個低通濾波器後的訊號值，該濾波器的沉澱時間相當於S個測量時距，該S大於或等於1；該長時間均值是在一個測量時距下所測得的訊號值經過一個低通濾波器後的訊號值，或是在L個測量時距下所測得的訊號平均值，該濾波器的沉澱時間相當於該L個測量時距，該L的值大於該S。

在一實施例中，補償單元係以相加或百分比方式將動態偏離因子補償到測量訊號、參考訊號與輸出訊號之其中之一。

在一實施例中，當該短時間均值與該長時間均值實質相等時，該變數之動態偏離因子係實質為零，或者該短時間均值與該長時間均值接近時，該動態偏離因子的值接近零而可被忽略。

在一實施例中，動態偏離因子之計算公式如下：其中，β為動態偏離因子，(t)為短時間均值，(t)為長時間均值，α為零或可調整常數，可避免分母為零或可用於調整β。再者，該動態偏離因子可經過處理以得到一補償量後再補償到該測量訊號、該參考訊號與該輸出訊號之至少其中之一。

關於本發明之其他目的、優點及特徵，將可由以下較佳實施例的詳細說明並參照所附圖式來了解。

2‧‧‧控制器

2a~2e‧‧‧控制迴路

100‧‧‧加熱爐

101‧‧‧進料流量控制器

102‧‧‧空氣流量控制器

103‧‧‧燃料氣流量控制器

104‧‧‧出口溫度控制器

105‧‧‧過氧量控制器

106‧‧‧燃料氣熱量指示器

107‧‧‧燃料氣流量指示器

201‧‧‧控制單元

202‧‧‧變數

203‧‧‧動態偏離因子單元

204‧‧‧補償單元

205‧‧‧測量訊號

206‧‧‧參考訊號

207‧‧‧輸出訊號

208‧‧‧短時間均值

209‧‧‧長時間均值

210‧‧‧動態偏離因子

211‧‧‧補償量

212‧‧‧補償訊號

213‧‧‧原始訊號

301‧‧‧控制單元

圖1為一種動態程序的示意圖。

圖2為具有一單變數控制器之動態程序的示意圖。

圖3為本發明一實施例之控制器的示意圖。

圖4為本發明一實施例之動態偏離因子單元的示意圖。

圖5係為本發明一實施例之短時間均值、長時間均值以及動態偏離因子的曲線示意圖。

圖6係為本發明另一實施例之控制器的示意圖。

圖7顯示本發明之控制器具有前饋控制特性的示意圖。

圖8顯示本發明之控制器具有多對一控制、多功能控制之特性的示意圖。

圖9顯示本發明之控制器具有多對多控制特性的示意圖。

圖10顯示本發明之控制器應用於加熱爐的示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖3、圖4顯示本發明一實施例之控制器2，該控制器2用來對一程序進行控制，並包含一控制單元201、至少一變數202、至少一動態偏離因子單元203以及一補償單元204。

本實施例之控制單元201以單變數控制器為例，其中控制單元201並非直接比較原來的測量訊號205與參考訊號206而得到輸出訊號207(輸出訊號207送到程序以使測量訊號205改變而趨近參考訊號206)，因為測量訊號205將被補償後的補償訊號212所取代(以下詳述)。在其他實施例中，控制單元可為多變數控制器。

變數202為程序中可影響測量訊號205或受控制單元201影響之其中一個訊號。變數202可為一個或是一個以上，本實施例以多個變數202為例。變數202可為程序之程序變數、或另一控制器之測量訊號、參考訊號或輸出訊號，於此，係以程序變數為例作說明。

動態偏離因子單元203依據變數202之一短時間均值與一長時間均值而得到變數202之一動態偏離因子210。圖4為本發明一實施例之動態偏離因子單元203的示意圖，動態偏離因子單元203依據變數202得到一短時間均值208與一長時間均值209。短時間均值208是在一個測量時距(Sampling Interval)下所測得的訊號值、或是在S個測量時距下所測得的訊號平均值、或是該變數之訊號經過一個低通濾波器後的訊號值。於此，係以在S個測量時距下所測得的訊號平均值為例，若是在利用低通濾波器的例子中，濾波器之沉澱時間(Settling Time)相當於S個測量時距(S大於或等於1)。長時間均值209是在一個測量時距下所測得的訊號值經過一個低通濾波器後的訊號值，或是在L個測量時距下所測得的訊號平均值。於此，係以在L個測量時距下所測得的訊號平均值為例，若是在利用低通濾波器的例子中，濾波器之沉澱時間相當於L個測量時距(L的值大於該S)。

動態偏離因子之計算公式如下：其中，均值估算器F(T,x(t))是依據一個程序變數x(t)，在T個測量時距(Sampling Interval)下所測得的訊號值，來估算該訊號的平均值、或是依據該程序變數所測得的一個訊號，經過低通濾波器(Low Pass Filter)後的訊號值。λ _i與γ _i係分別依據平均時間長度(T個測量時距)與濾波器之沉澱時間(相當於T個測量時距)而定的係數，N代表濾波器的級數(Order)以使濾波器的沉澱時間相當於T；α係為零或可調整常數，可避免分母為零或可用於調整β；(t)為短時間均值；(t)為長時間均值；β為動態偏離因子。

圖5為本發明一實施例之短時間均值、長時間均值以及動態偏離因子的曲線圖，其中顯示動態偏離因子係關於短時間均值偏離長時間均值之程度。再者，該動態偏離因子具有下列特性：

1、動態偏離因子的初始值等於零。

2、當變數的長時間均值與短時間均值並無明顯差異、或達穩定狀態(Steady State)時，動態偏離因子等於零、或是其值接近零而可被忽略。

3、當變數在同一個數值附近維持相當長的時間時，動態偏離因子DOF)等於零、或是接近零而可被忽略。

變數的訊號值可能是原始電子訊號、或是經過轉換而代表物理意義的訊號，因此變數的訊號可先經過轉換再估算平均值、或先估算平均值後再轉換。此外，變數202之動態偏離因子210可經過進一步的處理以得到一補償量211(如圖4之g函數所示)，例如以正負號限制方向性或以增益比調整其強度。

如圖3所示，補償單元204用來將動態偏離因子210補償到測量訊號205、參考訊號206或輸出訊號207，而得到對應之一補償訊號212(補償訊號212可為一數值或一函數)，該補償訊號212取代測量訊號205、參考訊號206或輸出訊號207，以供控制單元201對該程序進行控制。圖4所示之原始訊號(z(t))213可代表測量訊號205、參考訊號206與輸出訊號207之其中之一，而(t)代表其對應的補償訊號212。在圖3的實施例中，變數202為影響測量訊號205的訊號，而補償訊號212取代原先的測量訊號205作為控制單元201的輸入測量訊號。

補償單元204可以相加或以百分比方式將動態偏離因子210補償到測量訊號205、參考訊號206與輸出訊號207之至少其中之一。於此係以相加方式將動態偏離因子210補償到該測量訊號205為例作說明。在其他實施例中，該補償單元204可以其他方式來補償動態偏離因子210，例如以函數方式。

本發明更提供一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制方法，該控制方法包含下列步驟：

1.選擇控制迴路外的一個程序變數x(t)，該變數與該迴路中之控制單元的訊號z(t)必須有相互影響關係，亦即x(t)的改變會影嚮y(t)、或z(t)的改變會影嚮x(t)。

2.利用一均值估算器算出x(t)的短時間均值(t)

3.利用一均值估算器算出x(t)的長時間均值(t)

4.利用步驟2與步驟3結果，計算動態偏離因子β

5.利用β計算出訊號的補償量△z(t)

6.將該補償量△z(t)導入z(t)，使該控制單元的原始訊號更改為補償信號(t)。

7.如果有需要加入其他程序變數，可重複步驟1至步驟6。

其中z(t)代表該控制迴路中之控制單元的測量訊號y(t)、參考訊號 r(t)、或輸出訊號u(t)或三者的任意組合均可(如圖6所示)。

在圖6中顯示本發明之控制器2可應用於控制單元201的測量訊號205、參考訊號206、輸出訊號207或三者任意組合上；其中，變數202分別與測量訊號205、參考訊號206與輸出訊號207有相互影響關係。若有需要時，可選取一個或多個動態偏離因子單元203依據相對應的程序變數202得到個別變數之對應的動態偏離因子210。補償單元204將對應的動態偏離因子210分別補償到測量訊號205、參考訊號206或輸出訊號207以得到對應的補償訊號212。藉此，就可使單變數控制單元201達到多變數之控制功能。

以下舉例說明本發明之一控制器2所具有的特性。

(1)、具有前饋控制的特性：由於動態偏離因子沒有單位(Dimensionless)，因此更可以利用程序變數間的相互影響關係，而應用到多個控制迴路上。如圖7所示，當控制迴路2a外的一個程序變數202對迴路中的測量訊號205(被控制變數CV)有影響的相互影響關係時，透過動態偏離因子單元203的轉換，可將x ₁(t)導入到控制迴路2a中，如此則可以產生類似前饋控制的功效。圖7中z(t)可以是控制單元的測量訊號、參考訊號、與輸出訊號之其中之一。

(2)、具有多對一控制、多功能控制的特性：如圖8所示，當控制迴路2b對控制迴路2c中的測量訊號205有明顯的相互影響關係時，測量訊號205可透過動態偏離因子單元203的轉換，而補償到控制迴路2b中，如此可以使得兩個單變數控制器同時可控制測量訊號205，而產生多對一控制的功效。圖8中的z ₁(t)可以是控制迴路2b之控制單元201的測量訊號、參考訊號、與輸出訊號之其中之一。對控制迴路2b而言，除了本身的控制功能外，當測量訊號205偏離的程度過高時，還可兼顧控制測量訊號205的功能，而達到多功能的效果。

(3)、具有多對多控制的特性：如圖9所示，當控制迴路2d對控制迴路2e有明顯的相互影響關係時，兩個迴路的輸出訊號或參考訊號可透過動態偏離因子單元203的轉換，而補償到對方的控制迴路中，如此可以使得兩個控制單元201相互控制對方，亦即產生多對多控制的功效。圖9中的z ₁(t)或z ₂(t)可以是該控制迴路2b之控制單元201的測量訊號、參考訊號、與輸出訊號之其中之一。圖9中的實施例以兩個變數(y ₁、y ₂)方式呈現，然而，可以依需求而推廣到兩個以上變數的組態。

本發明之控制器2可應用於多種領域之控制，以下以應用於加熱爐為例作說明。

圖10為本發明一實施例之控制器2應用於加熱爐100之一控制迴路示意圖。在此應用中，空氣與燃料氣分別引入加熱爐100中，使得進料於加熱爐100中時，可產生燃燒反應，進而產生出料。加熱爐100為一典型的多變數控制程序，為使加熱爐100穩定作動，必須確認進料與進入的空氣、燃料氣達到操作的目標。因此，加熱爐100的控制基本上具有進料流量控制器101、空氣流量控制器102與燃料氣流量控制器(FIC-FG)103。另外，為使加熱爐100操作在一預設輸出溫度(TI-OUT)，係加入爐管出口溫度控制器104以控制燃料氣流量。控制迴路更包含一用來控制過氧量的過氧量控制器105、一燃料氣熱量(fuel gas heat content)指示器(AI-FG)106及一燃料氣流量指示器(FI-FG)107。

在加熱爐100的操作上，當燃料氣熱值(燃料氣流量乘上燃料氣單位熱量值)不穩定時，過氧量當然會非常難以控制，空氣不足時，會導致燃燒不完全，最直接的後果便是冒黑煙，當然還有其他有害氣體的產生，造成環境汙染。當空氣過多時，造成能源的浪費，也同樣會造成環境汙染。其實過氧量(AI-O2)不僅受空氣流量改變的影響，燃料氣熱值對過氧量的影響更甚。為改善控制性能，可以考慮使用燃料氣流量來控制過氧量。然而，燃料氣流量已使用於控制加熱爐出口溫度並形成它自己的控制迴路，而一個單變數控制器一次僅能控制一個變數而已。但是，藉由本發明之動態偏離因子單元203的設置，可先將過氧量控制器之測量訊號y(t)之動態偏離因子β計算出來，如下：並且從燃料氣流量F _FG(t)減去動態偏離因子。這樣，所得到之燃料氣流量(t)可藉由過氧量之改變而得到補償。

舉例來說，當過氧量低於其長時間平均值時，其動態偏離因子210為負。再乘上一個負值的k，則補償之燃料氣流量(t)會大於F _FG(t)。當燃料氣流量控制器103之輸入訊號被調整時，燃料氣流量控制器103可作動如同其當初的設計。在其參考訊號沒有改變的情況下，(t)高出實際的燃料氣流量△F _FG(t)的量。結果，由於其輸入訊號變高，燃料氣流量控制器將會減少其輸出以降低實際的燃料氣流量。在該控制器103的其他設定沒有改變的情況下，可以預期最後的燃料氣流量將會減少△F _FG(t)的量。

藉由本發明之應用，當過氧量太低時，不只過氧量控制器105會提升空氣流量，而且燃料氣流量會由於過氧量之動態偏離因子對燃料氣流量控制器103之影響的關係而被間接降低。因此當加熱爐過氧量太低而快要產生黑煙時，利用過氧量之動態偏離因子210 β便可促使燃料氣流量控制器103降低燃料氣流量。過氧量之動態偏離因子中的k值可以如下計算：其中，a為一正值常數，b為在不減少燃料氣流量且加熱爐不排出黑煙的情況下，過氧量之最小容許量。在此情況下，燃料氣流量只有在過氧量低於b時才會被調整。反之，過氧量高於b時，燃料氣流量不會被調整。如此一來，燃料氣流量控制器103只控制加熱爐出口溫度。只有當加熱爐快要冒黑煙時，燃料氣流量控制器103先滿足緊急的環境要求而降低燃料氣流量。當長時間均值接近短時間均值時，動態偏離因子會逐漸接近零。DOF的效應至終會不見。

當過氧量與其移動平均值非常接近時，動態偏離因子(DOF)也接近零，也就是燃料氣補償流量與燃料氣流量將會非常接近，因此燃料氣流量控制器(FIC-FG)103的運作如常。當過氧量在短時間變得偏低時，一般而言燃料氣流量控制器103作動空氣檔板都會來不及。透過本發明，可藉由動態偏離因子(DOF)的應用，先將燃料氣閥關小，才能避免冒黑煙。其原理就是利用，當過氧量在短時間變得偏低時，動態偏離因子為負值，燃料氣補償流量經過補償後會增加，在燃料氣流量控制器103正常運作下，當被控制變數CV(即燃料氣流量之測量訊號)因補償而增加時，燃料氣流量控制器103便會產生作用將控制閥關小，直到補償流量趨近於其設定點(即參考訊號)，因此燃料氣實際流量便會被降低，也同時達到提高過氧量的功能。而爐管出口溫度控制器104則仍然依照輸出溫度(TI-OUT)的測量值調整燃料氣流量控制器103的設定點(即參考訊號)。因此煙道氣過氧量除了有過氧量控制器(AIC-O2)105透過空氣流量控制器(FIC-AIR)102來控制外，也可透過燃料氣流量控制器103來控制，而達到二對一的控制效果，因此控制成效將大幅提升。

本發明之控制器2先計算出程序變數之動態偏離因子210，並將其補償到測量訊號、參考訊號或輸出訊號，而得到對應之一補償訊號，將補償訊號取代測量訊號、參考訊號或輸出訊號，以供控制單元對程序進行控制。如此，本發明便能將任何一個單變數控制器變成一個性能優越之多變數或多功能控制器，並對程序有真實的控制而能提升控制效能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。如果控制單元被設定為手動操作時、或控制單元被忽略或省略時，該測量訊號經過DOF補償過後的補償訊號仍可以提供操作人員的預警作用。控制器可以是硬體設備或軟體或兩者組合。

Claims

一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器，其係對一程序進行控制，並包含：一控制單元，依據一測量訊號與一參考訊號而得到一輸出訊號，該輸出訊號送到該程序以使該測量訊號改變；至少一變數，其係程序中可影響該測量訊號或受該控制單元影響之其中一個訊號；至少一動態偏離因子單元，依據該變數之一短時間均值與一長時間均值而得到該變數之一動態偏離因子；以及一補償單元，將該動態偏離因子補償到該測量訊號、該參考訊號與該輸出訊號之其中之一，而得到對應之一補償訊號，該補償訊號取代該相對應之測量訊號、該參考訊號或該輸出訊號，以對該控制單元進行控制，其中該短時間均值是在一個測量時距下所測得的訊號值、或是在S個測量時距下所測得的訊號平均值、或是該變數之訊號經過一個低通濾波器後的訊號值，該濾波器的沉澱時間相當於S個測量時距，該S大於或等於1；其中該長時間均值是在一個測量時距下所測得的訊號值經過一個低通濾波器後的訊號值，或是在L個測量時距下所測得的訊號平均值，該濾波器的沉澱時間相當於該L個測量時距，該L大於S。
如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該控制單元為一單變數控制器或一多變數控制器中的一個單變數控制單元。
如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該測量訊號、該參考訊號、該輸出訊號、及該補償訊號各為一數值或一函數。
如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該變數為該程序之一程序變數、或另一控制器之一測量訊號、一參考訊號或一輸出訊號。
如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該動態偏離因子為關於該變數在一個測量時距(Sampling Interval)下所測得的訊號值偏離該變數長時間均值之程度。
如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該補償單元係以相加或百分比方式將該動態偏離因子補償該測量訊號、該參考訊號與該輸出訊號之其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中當該短時間均值與該長時間均值實質相等時，該變數之動態偏離因子實質為零，或者該短時間均值與該長時間均值接近時，該動態偏離因子的值接近零而可被忽略。
一種藉由單變數控制單元達成多變數控制之控制器，其係對一程序進行控制，並包含：一控制單元，依據一測量訊號與一參考訊號而得到一輸出訊號，該輸出訊號送到該程序以使該測量訊號改變；至少一變數，其係程序中可影響該測量訊號或受該控制單元影響之其中一個訊號；至少一動態偏離因子單元，依據該變數之一短時間均值與一長時間均值而得到該變數之一動態偏離因子；以及一補償單元，將該動態偏離因子補償到該測量訊號、該參考訊號與該輸出訊號之其中之一，而得到對應之一補償訊號，該補償訊號取代該相對應之測量訊號、該參考訊號或該輸出訊號，以對該控制單元進行控制，其中該動態偏離因子之計算公式如下：其中，β為動態偏離因子，(t)為短時間均值，(t)為長時間均值，α為零或可調整常數，可避免分母為零或可用於調整β。
如申請專利範圍第8項所述之控制器，其中該動態偏離因子經過處理以得到一補償量後再補償到該測量訊號、該參考訊號與該輸出訊號之其中之一。