專利名稱：控制設備和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有多個控制器的控制設備，所說的控制器能夠實現(xiàn)控制，以使多個控制回路的控制變量符合它們的預先設定值；并且，更加具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種控制設備和控制方法，通過減小除控制變量變化最小的最慢控制回路外的控制器的穩(wěn)定等待時間，所說的控制設備和控制方法能夠實現(xiàn)節(jié)能。
一些設備(例如，使用電加熱器的作為執(zhí)行元件的半導體制造設備)早已經是公知的了，在這些設備中，一個設備要加入控制系統(tǒng)的多個回路。在這種設備中，各個控制回路的控制器是相互獨立地進行操作的。
控制回路的控制變量不總是以相同的速度變化的。因為在控制回路的控制變量的變化之間存在著速度差異，因此除了展示最慢變化的最慢控制回路之外，其余的控制回路的響應都變得比最慢控制回路的響應快。在維持穩(wěn)定狀態(tài)的同時，除了最慢控制回路外的控制回路的控制器都必須等待，直到最慢控制回路的響應完成。這些控制器在完成響應后都需要一個穩(wěn)定等待時間，在此期間控制器一直在等待同時還要保持穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定等待時間使控制器能耗增加。
按照本發(fā)明，提供了一種控制設備，所說的控制設備包括第一控制器(PID1)，它實現(xiàn)的控制能夠使第一控制回路的控制變量符合一個預先設定值；至少一個其余控制器(PID2-PIDn)，它實現(xiàn)的控制能夠使控制變量的變化大于第一控制回路的至少一個其余控制回路的控制變量符合一個預先設定值；一個階躍響應進度計算部分(C_R1)，所說的階躍響應進度計算部分計算第一控制回路的階躍響應進度(α1)；一個控制回路內部預先設定值計算部分(C＿S2-C＿Sn)，針對每一個其余控制器按排這樣一個計算部分，用于根據階躍響應進度校正相應的其余控制回路的預先設定值，以使所說的相應的其余控制回路的控制變量的變化與第一控制回路的控制變量的變化同步，并且為所說的其余控制器給出校正過的預先設定值。
按照本發(fā)明，提供了一種控制設備，所說的控制設備包括多個控制器(PID1-PIDn)，它們實現(xiàn)的控制能夠使多個控制回路的控制變量符合多個預先設定值；多個階躍響應進度計算部分(C_R1a-C_Rna)，針對對應的控制器按排這樣的計算部分，用于計算相應的控制回路的階躍響應進度(α1-αn)；一個最慢階躍響應進度計算部分(C_Rm)，它在由階躍響應進度計算部分計算的階躍響應進度中選擇最慢的進度(αmin)；和，控制回路內部預先設定值計算部分(C＿S1a-C＿Sna)，針對對應的控制器按排這樣一些計算部分，用于根據最慢進度校正相應的控制回路的預先設定值，以使所說的相應的控制回路的的控制變量的變化與最慢進度的控制變量的變化同步，并且為所說的相應的控制器給出校正過的預先設定值。
按照本發(fā)明，提供了一種在具有多個控制器的一個控制設備中的控制方法，所說的控制器實現(xiàn)的控制能夠使多個控制回路的控制變量符合預先設定值，所說的控制方法包括如下步驟計算控制變量的變化是最慢的一個第一控制回路的階躍響應進度，以及根據所說的階躍響應進度校正其余控制回路的預先設定值，以使所說的除第一控制回路外的其余控制回路的的控制變量的變化與第一控制回路的控制變量的變化同步，從而為所說的相應的控制器給出校正過的預先設定值。
按照本發(fā)明，提供了一種控制方法，所說的控制方法包括如下步驟計算控制回路的階躍響應進度，在計算的階躍響應進度中選擇最慢進度，和根據最慢進度校正控制回路的預先設定值，以使所說的控制回路的控制變量的變化與最慢進度的控制變量的變化同步，從而為所說的控制器給出校正過的預先設定值。


圖1是表示按照本發(fā)明的第一實施例的控制設備的安排的方塊圖；圖2是說明圖1中的控制設備的操作的流程圖；圖3是說明圖1中的控制設備的操作的流程圖；圖4是表示常規(guī)的控制設備的控制操作的實例的視圖；圖5是表示圖1的控制設備的控制操作的實例的視圖；圖6是表示按照本發(fā)明的第二實施例的控制設備的安排的方塊圖；圖7是說明圖6中的控制設備的操作的流程圖；圖8是說明圖6中的控制設備的操作的流程圖；圖9是表示圖6中的控制設備的控制操作的實例的視圖。
第一控制回路由以下各部分組成第一控制器PID1及其要控制的目標Proc1；第二控制回路，第二控制器PID2及其要控制的目標Proc2；第三控制回路，第三控制器PID3及其要控制的目標Proc3；第n控制回路，第n控制器PIDn及其要控制的目標Procn。
當控制回路作為獨立的控制系統(tǒng)在一個設備(如半導體制造設備等)中操作的時候，并且當完成階躍響應所需的時間在各控制回路之間不同的時候，第一實施例可以應用到多個回路，其中在所說的設備中，一個設備可以配備多個能同時實現(xiàn)階躍響應(如啟動)的控制系統(tǒng)的回路。尤其是，當預先了解了一個控制回路(第一控制回路)它的控制變量的變化是最慢的，這時，就更加可以應用第一實施例。
下面將說明按照第一實施例的控制設備的操作。圖2和3是表示圖1中的控制設備的操作的流程圖。
階躍響應進度計算部分C＿R1通過完成噪聲處理來減小控制變量PV1的噪聲，所說的噪聲處理是通過下述的針對第一控制回路的控制目標Proc1的控制變量PV1的傳遞函數表達式給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟101)PV1*＝{1/(1+Tfs}}PV1 ………(1)在方程(1)中，PV*是在噪聲處理后的控制變量，Tf是噪聲濾波器的時間常數。對應于低通濾波器的噪聲處理可以減小控制變量PV1的噪聲?？刂谱兞縋V1的噪聲實例是用來測量控制變量PV1的傳感器(未示出)的測量噪聲。
階躍響應進度計算部分C＿R1檢查針對第一、第二、第三、……第n控制回路設置的任一外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自預先指定的對應的一個預定值dSP1x、dSP2、dSP3……dSPn開始發(fā)生了大的變化(步驟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`是在一個控制周期之前第k個控制回路的外部預先設定值。
如果不等式(2)或(3)成立，即，如果在當前控制周期第k個(k＝1，2，3，......n)控制回路的外部預先設定值SPkx大于在一個控制周期之前的外部預先設定值SPkx`與一個預定的值dSPk之和，或者，如果外部預先設定值SPkx小于在一個控制周期之前的外部預先設定值SPkx`與一個預定的值dSPk之差，則階躍響應進度計算部分C＿R1確定外部預先設定值SPkx的變化量大于預定值dSPk。階躍響應進度計算部分C＿R1然后設定當前的控制周期，以此作為階躍響應的開始(在步驟104中的YES)。
如果在步驟104中是YES，階躍響應進度計算部分C＿R1設定第一控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PV1*，以此作為第一控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PV1a，設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SP1x，以此作為第一控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SP1b，并且將第一控制回路的階躍響應進度α1復位到0(步驟105)。將控制變量PV1*設定為階躍響應開始之前的控制變量的理由是，控制變量PV1*代表了目標Proc1對于在當前控制周期之前來自于控制器PID1的操縱變量的響應。
在操作開始后的第一個控制周期，階躍響應進度計算部分C＿R1不進行在步驟104和105中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟102和103)。更加具體地說，階躍響應進度計算部分C＿R1設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PV1*，以此作為控制變量PV1a的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SP1x，以此作為預先設定值SP1b的初始值，并且將階躍響應進度α1復位到0。
階躍響應進度計算部分C＿R1計算第一控制回路的階躍響應進度α1(步驟106)。階躍響應進度α1是一個Δα到1的實數。隨著階躍響應進度α1接近于1，階躍響應進展得越快。Δα代表的是階躍響應進度校正量(例如0.05)。
如果控制變量PV1a等于預先設定值SP1b，則階躍響應進度計算部分C＿R1設定階躍響應進度α1為1。如果控制變量PV1a不等于預先設定值SP1b，則階躍響應進度計算部分C＿R1使用控制變量PV1a、預先設定值SP1b、和噪聲處理控制變量PV1*來計算階躍響應進度α1α1＝(PV1*-PV1a)/(SP1b-PV1a)+Δα …(4)如果計算的階躍響應進度α1小于一個控制周期前的階躍響應進度α1`，階躍響應進度計算部分C＿R1設定一個控制周期前的階躍響應進度α1`，以此作為當前控制周期期間的階躍響應進度α1。如果計算的階躍響應進度α1大于1，則階躍響應進度計算部分C＿R1設定當前控制周期的階躍響應進度為1。要注意的是，在第一個控制周期，α1`為0。于是，在步驟106中的過程結束了。
在步驟101中，要針對控制變量PV1進行噪聲處理，從而可以在步驟106中精確計算階躍響應進度α1。如果控制變量PV1包含噪聲分量，則在計算階躍響應進度α1的過程當中就要產生誤差。
第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2通過完成噪聲處理來減小控制變量PV2的噪聲，所說的噪聲處理是通過下述的針對第二控制回路的控制目標Proc2的控制變量PV2的傳遞函數表達式給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟107)PV2*＝{1/(1+Tfs)}PV2 ………(5)在方程(5)中，PV2*是在噪聲處理后的控制變量。
第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2檢查針對第一、第二、第三、……第n控制回路設置的任一外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自預先指定的對應的一個預定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPnx開始發(fā)生了大的變化(步驟110)。
如果不等式(2)或(3)確定，則第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2確定外部預先設定值SPkx(k＝1，2，3，...，n)的變化量大于預定值dSPk。第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2然后設定當前的控制周期，以此作為階躍響應的開始(在步驟110中的YES)。
如果在步驟110中是YES，則第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2設定第二控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PV2*，以此作為第二控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PV2a，并且設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SP2x，以此作為第二控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SP2b(步驟111)。
在操作開始后的第一個控制周期，第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2不進行在步驟110和111中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟108和109)。更加具體地說，第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PV2*，以此作為控制變量PV2a的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SP2x，以此作為預先設定值SP2b的初始值，并且設定控制變量PV2a，以此作為內部預先設定值SP2的初始值。
第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2計算第二控制回路的內部預先設定值SP2(步驟112)SP2＝(SP2’Tx+SP2*dT)/(Tx+dT)....(6)SP2’代表的是第二控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SP2。在第一控制周期，使用控制變量PV2a作為初始值。Tx代表移動時間，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內部預先設定值基準并且由下式給出SP2*＝(SP2b-PV2a)α1+PV2a....(7)在步驟112中的過程結束。要針對在步驟107中的控制變量PV2進行噪聲處理，從而可以在步驟112精確計算內部預先設定值PV2。
34第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3通過完成噪聲處理來減小控制變量PV3的噪聲，所說的噪聲處理是通過下述的針對第三控制回路的目標Proc3的控制變量PV3的傳遞函數表達式給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟113)PV3*＝{1/(1+Tfs)}PV3 ………(8)在方程(8)中，PV3*是在噪聲處理后的控制變量。
第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3檢查不等式(2)或(3)是否確定(步驟116)。如果不等式(2)或(3)確定，而且在步驟116中是YES，則第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3設定第三控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PV3*，以此作為第三控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PV3a，并且設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SP3x，以此作為第三控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SP3b(步驟117)。
在操作開始后的第一個控制周期，第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3不進行在步驟116和117中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟114和115)。更加具體地說，第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PV3*，以此作為控制變量PV3a的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SP3x，以此作為預先設定值SP3b的初始值，并且設定控制變量PV3a，以此作為內部預先設定值SP3的初始值。
第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3計算第三控制回路的內部預先設定值SP3(步驟118)SP3＝(SP3’Tx+SP3*dT)/(Tx+dT) ....(9)SP3’代表的是第三控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SP3。在第一控制周期，使用控制變量PV3a作為初始值。SP3*代表第三控制回路的內部預先設定值基準并且由下式給出SP3*＝(SP3b-PV3a)α1+PV3a ....(10)以此方式重復與步驟107到112或113到118相同的過程。在第n-1個控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn-1(未示出)計算了內部預先設定值SPn-1之后，第n個控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn通過完成噪聲處理來減小控制變量PVn的噪聲，所說的噪聲處理是通過下述的針對第n控制回路的目標Procn的控制變量PVn的傳遞函數表達式給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟151)PVn*＝{1/(1+Tfs)}PVn ………(11)在方程(11)中，PVn*是在噪聲處理后的控制變量。
第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn檢查不等式(2)或(3)是否確定(步驟154)。如果不等式(2)或(3)確定，而且在步驟154中是YES，則第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn設定第n控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PVn*，以此作為第n控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PVna，并且設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SPnx，以此作為第n控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SPnb(步驟155)。
在操作開始后的第一個控制周期，第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn不進行在步驟154和155中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟152和153)。更加具體地說，第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PVn*，以此作為控制變量PVna的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SPnx，以此作為預先設定值SPnb的初始值，并且設定控制變量PVna，以此作為內部預先設定值SPn的初始值。
第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn計算第n控制回路的內部預先設定值SPn(步驟156)SPn＝(SPn’Tx+SPn*dT)/(Tx+dT)....(12)SPn’代表的是第n控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SPn。在第一控制周期，使用控制變量PVna作為初始值。SPn*代表第n控制回路的內部預先設定值基準并且由下式給出SPn*＝(SPnb-PVna)α1+PVna....(13)第一控制器PID1通過執(zhí)行由下述傳遞函數表達式給出的PID計算來計算操縱變量輸出MV1(步驟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、積分時間、和微分時間。第一控制器PID1向目標Proc1輸出經過計算的操縱變量輸出MV1。
第二控制器PID2通過執(zhí)行由下述傳遞函數表達式給出的PID計算、并且使用由第二控制回路內部預先設定值計算部分CS＿2輸出的內部預先設定值SP2來計算操縱變量輸出MV2(步驟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、積分時間、和微分時間。第二控制器PID2向目標Proc2輸出經過計算的操縱變量輸出MV2。
第三控制器PID3通過執(zhí)行下述PID計算、并且使用由第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3輸出的內部預先設定值SP3來計算操縱變量輸出MV3(步驟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、積分時間、和微分時間。第三控制器PID3向目標Proc3輸出經過計算的操縱變量輸出MV3。
以此方式依次計算操縱變量輸出。在第n-1個控制器PIDn-1(未示出)計算出操縱變量輸出MVn-1之后，第n控制器PIDn通過執(zhí)行下述PID計算、并且使用由第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn輸出的內部預先設定值SPn來計算操縱變量輸出MVn(步驟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、積分時間、和微分時間。第n控制器PIDn向目標Procn輸出經過計算的操縱變量輸出MVn。
步驟101到190定為在一個控制周期內的過程，并且每個控制周期重復步驟101到190中的過程。
在第一實施例中，對于由兩個或多個回路組成的一個控制系統(tǒng)，外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx通過一次外部操作幾乎同時得以改變。在此之后，通過階躍響應進度計算部分C＿R1計算預先掌握的變化最慢的控制變量(第一控制回路)的階躍響應進度α1。將計算結果輸出到其余控制回路的內部預先設定值計算部分C＿S2到C＿Sn。
內部預先設定值計算部分C＿S2到C＿Sn計算所說的內部預先設定值SP2到SPn，對于所說的內部預先設定值SP2到SPn進行校正，以便根據階躍響應進度α1可以抑制第2到第n回路的階躍響應，從而使第2到第n回路的控制變量PV2至PVn的進度與第一控制回路的變化最慢的控制變量PV1的進度同步。
變化最慢的第一控制回路的控制器PID1根據由操作人員設定的初始外部預先設定值SP1x計算操縱變量輸出MV1。
第二到第n控制回路的控制器PID2-PIDn根據經過校正的內部預先設定值SP2-SPn計算操縱變量輸出MV2-MPn。
這種安排能夠防止當第一到第n控制回路的外部預先設定值SP1x-SPnx幾乎同時改變時、除變化最慢的第一控制回路外的控制回路的階躍響應進展得比第一控制回路的階躍響應快得過多。除了第一控制回路的控制器之外的其余控制器PID2-PIDn能夠在完成階躍響應時消除控制器在維持穩(wěn)定狀態(tài)的同時需要等待的穩(wěn)定等待時間。
當控制器PID1-PIDn例如控制多個加熱器以實現(xiàn)升溫控制時，在常規(guī)的控制設備中的控制器PID2-PIDn在保持高溫穩(wěn)定狀態(tài)的同時必須在那里等待，一直等到至少完成了第一控制回路的階躍響應為止，導致大量能量的消耗。與此相反，在第一實施例的控制設備中，可以省去控制器PID2-PIDn的穩(wěn)定等待時間，減少能量損耗，實現(xiàn)節(jié)能。
圖4是表示常規(guī)的控制設備的控制操作的實例的視圖，其中的控制回路的控制器PID1-PIDn是相互獨立地操作的。圖5是表示按照第一實施例的控制設備的控制操作的實例的視圖。圖4和5表示的是計算控制變量PV1、PV2、PV3、…PVn的模擬結果，其中第一控制回路的外部預先設定值SP1x自SP1a變到SP1b，第二控制回路的外部預先設定值SP2x自SP2a變到SP2b，第三控制回路的外部預先設定值SP3x自SP3a變到SP3b，并且第n控制回路的外部預先設定值SPnx自SPna變到SPnb。圖4和5只表示出第一到第三控制回路。在圖4和5的例子中，第一控制回路是控制變量的變化最慢的一個回路。
如圖4所示，在常規(guī)的控制設備中，第二、第三、……第n控制回路的控制變量PV2、PV3……PVn在第一控制回路的控制變量PV1達到預先設定值SP1b之前達到SP2b、SP3b、……SPnb。在第二、第三、……第n控制回路的控制器PD2，PD3，……中產生穩(wěn)定的等待時間T_w2，T_w3，……T_wn。
在第一實施例中，如圖5所示，第二、第三、……第n控制回路的控制變量PV2、PV3……PVn與第一控制回路的控制變量PV1同步地改變。因此，在第二、第三、……第n控制回路的控制器PID2、PID3……PIDn中不會產生任何穩(wěn)定等待時間。
圖6是表示按照本發(fā)明的第二實施例的控制設備的安排的方塊圖。圖6中的控制設備包括從第一到第n的多個控制器PID1-PIDn；階躍響應進度計算部分C_R1a到C_Rna，針對控制器PID1-PIDn安排所說的階躍響應進度計算部分，所說的階躍響應進度計算部分計算第一到第n的控制回路的階躍響應進度；一個最慢階躍響應進度計算部分C＿Rm，所說的最慢階躍響應進度計算部分C＿Rm從由階躍響應進度計算部分C_R1a到C_Rna計算的階躍響應進度中選擇最慢的進度；和，控制回路內部預先設定值計算部分C＿S1a到C＿Sna，針對控制器PID1到PIDn安排這樣一個計算部分，用于根據最慢階躍響應進度校正第一到第n個控制回路的預先設定值，以使所說的第一到第n個控制回路的控制變量的變化與最慢的進度同步，并且為所說的控制器PID1到PIDn給出校正過的預先設定值。
第一實施例適用的情況是預先了解一個控制回路，它的控制變量的變化是最慢的。第二實施例適用的情況是沒有預先了解其控制變量的變化是最慢的這個控制回路。
下面將說明按照第二實施例的控制設備的操作。圖7和8是表示圖6中的控制設備的操作的流程圖。
在步驟201到206中通過第一控制變量階躍響應進度計算部分C＿R1a實現(xiàn)的過程幾乎與在第一實施例中描述的在步驟101到106中通過第一控制變量階躍響應進度計算部分C＿R1中實現(xiàn)的過程相同，這里省去了對它的詳細描述。第二實施例與第一實施例的不同點是階躍響應進度計算部分C＿R1a向第一控制回路內部預先設定值計算部分C＿S1a輸出預先設定值SP1b和控制變量PV1a。
第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a通過完成噪聲處理來產生噪聲處理控制變量PV2*，所說的噪聲處理是通過針對第二控制回路的控制目標Proc2的控制變量PV2的傳遞函數表達式(5)給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟207)。
第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a檢查針對第一、第二、第三、……第n控制回路設置的任一外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自預先確定的對應的一個預定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPn開始發(fā)生了大的變化(步驟210)。
如果不等式(2)或(3)成立，則第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a確定外部預先設定值SPkx(k＝1，2，3，…n)的變化量大于預定值dSPk。第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a然后設定當前的控制周期，以此作為階躍響應的開始(在步驟210中的YES)。
如果在步驟210中是YES，第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a設定第二控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PV2*，以此作為第二控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PV2a，設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SP2x，以此作為第二控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SP2b，并且將第二控制回路的階躍響應進度α2復位到0(步驟211)。
在操作開始后的第一個控制周期，第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a不進行在步驟210和211中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟208和209)。更加具體地說，第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PV2*，以此作為控制變量PV2a的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SP2x，以此作為預先設定值SP2b的初始值，并且將階躍響應進度α2復位到0。
第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a計算第二控制回路的階躍響應進度α2(步驟212)。如果控制變量PV2a等于預先設定值SP2b，則第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a設定階躍響應進度α2為1。如果控制變量PV2a不等于預先設定值SP2b，則第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a使用控制變量PV2a、預先設定值SP2b、和噪聲處理控制變量PV2*來計算階躍響應進度α2α2＝(PV2*-PV2a)/(SP2b-PV2a)+Δα…(18)如果計算的階躍響應進度α2小于一個控制周期前的階躍響應進度α2`，則第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a設定一個控制周期前的階躍響應進度α2`，以此作為當前控制周期期間的階躍響應進度α2。如果計算的階躍響應進度α2大于1，則第二控制變量階躍響應進度計算部分C＿R2a設定當前控制周期的階躍響應進度α2為1。要注意的是，在第一個控制周期，α2`為0。于是，在步驟212中的過程結束了。
第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a通過完成噪聲處理來產生噪聲處理控制變量PV3*，所說的噪聲處理是通過針對第3控制回路的控制目標Proc3的控制變量PV3的傳遞函數表達式(8)給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟213)。
第三階躍響應進度計算部分C＿R3a檢查針對第一、第二、第三、……第n控制回路設置的任一外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自預先確定的對應的一個預定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPn開始發(fā)生了大的變化(步驟216)。
如果不等式(2)或(3)成立，則第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a確定外部預先設定值SPkx(k＝1，2，3，…n)的變化量大于預定值dSPk。第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a然后設定當前的控制周期，以此作為階躍響應的開始(在步驟216中的YES)。
如果在步驟216中是YES，第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a設定第三控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PV3*，以此作為第三控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PV3a，設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SP3x，以此作為第三控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SP3b，并且將第三控制回路的階躍響應進度α3復位到0(步驟217)。
在操作開始后的第一個控制周期，第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a不進行在步驟216和217中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟214和215)。更加具體地說，第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PV3*，以此作為控制變量PV3a的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SP3x，以此作為預先設定值SP3b的初始值，并且將階躍響應進度α3復位到0。
第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a計算第三控制回路的階躍響應進度α3(步驟218)。如果控制變量PV3a等于預先設定值SP3b，則第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a設定階躍響應進度α3為1。如果控制變量PV3a不等于預先設定值SP3b，則第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a使用控制變量PV3a、預先設定值SP3b、和噪聲處理控制變量PV3*來計算階躍響應進度α3α3＝(PV3*-PV3a)/(SP3b-PV3a)+Δα…(19)如果計算的階躍響應進度α3小于一個控制周期前的階躍響應進度α3`，則第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a設定一個控制周期前的階躍響應進度α3`，以此作為當前控制周期期間的階躍響應進度α3。如果計算的階躍響應進度α3大于1，則第三控制變量階躍響應進度計算部分C＿R3a設定當前控制周期的階躍響應進度α3為1。要注意的是，在第一個控制周期，α3`為0。于是，在步驟218中的過程結束了。
以此方式重復與步驟207到212或213到218相同的過程。在第n-1個控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rn-1a(未示出)計算了第n-1個控制回路的階躍響應進度αn-1之后，第n個控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna通過完成噪聲處理來產生噪聲處理控制變量PVn*，所說的噪聲處理是通過針對第n控制回路的控制目標Procn的控制變量PVn的傳遞函數表達式(11)給出的，其中的控制變量是通過一個傳感器(未示出)測量的(步驟251)。
第n階躍響應進度計算部分C＿Rna檢查針對第一、第二、第三、……第n控制回路設置的任一外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x……SPnx是否自預先確定的對應的一個預定值dSP1、dSP2、dSP3……dSPn開始發(fā)生了大的變化(步驟254)。
如果不等式(2)或(3)成立，則第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna確定外部預先設定值SPkx(k＝1，2，3，…n)的變化量大于預定值dSPk。第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna然后設定當前的控制周期，以此作為階躍響應的開始(在步驟254中的YES)。
如果在步驟254中是YES，第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna設定第n控制回路在當前的控制周期期間的噪聲處理控制變量PVn*，以此作為第n控制回路在階躍響應開始之前的控制變量PVna，設定在當前的控制周期期間的外部預先設定值SPnx，以此作為第n控制回路在階躍響應開始之后的預先設定值SPnb，并且將第n控制回路的階躍響應進度αn復位到0(步驟255)。
在操作開始后的第一個控制周期，第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna不進行在步驟254和255中的過程，而是執(zhí)行初始化處理(步驟252和253)。更加具體地說，第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna設定在當前控制周期期間的噪聲處理控制變量PVn*，以此作為控制變量PVna的初始值，還要設定在當前控制周期期間的外部預先設定值SPnx，以此作為預先設定值SPnb的初始值，并且將階躍響應進度αn復位到0。
第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna計算第n控制回路的階躍響應進度αn(步驟256)。如果控制變量PVna等于預先設定值SPnb，則第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna設定階躍響應進度αn為1。如果控制變量PVna不等于預先設定值SPnb，則第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna使用控制變量PVna、預先設定值SPnb、和噪聲處理控制變量PVn*來計算階躍響應進度αnαn＝(PVn*-PVna)/(SPnb-PVna)+Δα…(20)如果計算的階躍響應進度αn小于一個控制周期前的階躍響應進度αn`，則第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna設定一個控制周期前的階躍響應進度αn`，以此作為當前控制周期期間的階躍響應進度αn。如果計算的階躍響應進度αn大于1，則第n控制變量階躍響應進度計算部分C＿Rna設定當前控制周期的階躍響應進度αn為1。要注意的是，在第一個控制周期，αn`為0。于是，在步驟256中的過程結束了。
在此之后，最慢的階躍響應進度計算部分C＿Rm從第一、第二、第三、……第n所有控制回路的階躍響應進度α1，α2，α3，…αn中計算最小值αmin(最慢控制變量階躍響應進度)，并且向內部預先設定值計算部分C＿S1a到C＿Sna輸出這個αmin(步驟257)。
更加具體地說，如果階躍響應進度α1小于階躍響應進度α2，則最慢階躍響應進度計算部分C＿Rm將α1設定為最小值αmin，或者，如果階躍響應進度α1等于或大于階躍響應進度α2，則將α2設定為αmin。如果階躍響應進度α3小于最小值αmin，則最慢階躍響應進度計算部分C＿Rm將α3設定為最小值αmin。類似地，最慢階躍響應進度計算部分C＿Rm在最小值αmin和最大為αn的每個階躍響應進度之間重復進行比較，從而可以確定最小值αmin。
第一控制回路內部預先設定值計算部分C＿S1a計算第一控制回路的內部預先設定值SP1(步驟258)SP1＝(SP1’Tx+SP1*dT)/(Tx+dT)....(21)SP1’代表的是第一控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SP1。在第一控制周期，使用控制變量PV1a作為初始值。SP1*代表第一控制回路的內部預先設定值基準并且由下式給出SP1*＝(SP1b-PV1a)αmin+PV1a ....(22)第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2a計算第二控制回路的內部預先設定值SP2(步驟259)SP2＝(SP2’Tx+SP2*dT)/(Tx+dT)....(23)
SP2’代表的是第二控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SP2。在第一控制周期，使用控制變量PV2a作為初始值。SP2*代表第二控制回路的內部預先設定值基準并且由下式給出SP2*＝(SP2b-PV2a)αmin+PV2a ....(24)第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3a計算第三控制回路的內部預先設定值SP3(步驟260)SP3＝(SP3’Tx+SP3*dT)/(Tx+dT) ....(25)SP3’代表的是第三控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SP3。在第一控制周期，使用控制變量PV3a作為初始值。SP3*代表第三控制回路的內部預先設定值基準并且由下式給出SP3*＝(SP3b-PV3a)αmin+PV3a ....(26)以類似的方式計算內部預先設定值。在第n-1個控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sn-1a計算了第n-1個控制回路的內部預先設定值SPn-1之后，第n個控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sna計算第n個控制回路的內部預先設定值SPn(步驟290)SPn＝(SPn’Tx+SPn*dT)/(Tx+dT) ....(27)SPn’代表的是第n控制回路在一個控制周期之前的內部預先設定值SPn。在第一控制周期，使用控制變量PVna作為初始值。SPn*代表第n控制回路的內部預先設定值基準并且由下式給出SPn*＝(SPnb-PVna)αmin+PVna ....(28)然后，第一控制器PID1通過執(zhí)行由下述傳遞函數表達式給出的PID計算并使用從第一控制回路內部預先設定值計算部分C＿S1a輸出的內部預先設定值SP1來計算操縱變量輸出MV1(步驟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、積分時間、和微分時間。第一控制器PID1向目標Proc1輸出經過計算的操縱變量輸出MV1。
第二控制器PID2通過執(zhí)行由方程(15)給出的PID計算、并且使用由第二控制回路內部預先設定值計算部分C＿S2a輸出的內部預先設定值SP2來計算操縱變量輸出MV2(步驟292)。第二控制器向目標Proc2輸出經過計算的操縱變量輸出MV3。
第三控制器PID通過執(zhí)行由方程(16)給出的下述PID計算、并且使用由第三控制回路內部預先設定值計算部分C＿S3輸出的內部預先設定值SP3來計算操縱變量輸出MV3(步驟293)。第三控制器PID3向目標Proc3輸出經過計算的操縱變量輸出MV3。
以此方式依次計算操縱變量輸出。在第n-1個控制器PIDn-1(未示出)計算出操縱變量輸出MVn-1之后，第n控制器PIDn通過執(zhí)行由方程(17)給出的PID計算、并且使用由第n控制回路內部預先設定值計算部分C＿Sna輸出的內部預先設定值SPn來計算操縱變量輸出MVn(步驟320)。第n控制器PIDn向目標Procn輸出經過計算的操縱變量輸出MVn。
步驟201到320定為在一個控制周期內的過程，并且每個控制周期重復步驟201到320中的過程。
在第二實施例中，對于一個由兩個或多個回路組成的控制系統(tǒng)，通過一次外部操作就可幾乎同時改變外部預先設定值SP1x、SP2x、SP3x、…SPnx。在此之后，通過階躍響應進度計算部分C＿R1a-C_Rna計算對應控制回路的階躍響應進度α1到αn。將計算結果輸出到最慢的階躍響應進度計算部分C＿Rm。
最慢的階躍響應進度計算部分C＿Rm計算最小值，即在對應的控制回路的階躍響應進度α1到αn中的最慢階躍響應進度αmin，并且向控制回路內部預先設定值計算部分C＿S1a-C_Sna輸出這個最慢進度αmin。
內部預先設定值計算部分C＿S1a-C_Sna計算內部預先設定值SP1到SPn，對于所說的內部預先設定值SP1到SPn進行校正，以便根據最慢的進度αmin抑制第一到第n控制回路的階躍響應，從而使第一到第n控制回路的控制變量PV1到PVn的進度與控制回路的變化最慢的控制變量的進度同步。這時，對于這個最慢控制回路，進行相同的處理，以便不會影響這個最慢控制回路的響應速度。第一到第n控制回路的控制器PID1到PIDn根據這個校正的內部預先設定值SP1到SPn計算操縱變量輸出MV1到MVn。
這種安排能夠防止當第一到第n控制回路的外部預先設定值SP1x-SPnx幾乎同時改變時、除變化最慢的控制回路外的控制回路的階躍響應進展得比控制回路的階躍響應快得過多。除了變化最慢的控制回路的控制器之外的其余控制器能夠消除控制器的穩(wěn)定等待時間，實現(xiàn)節(jié)能。尤其是在第二實施例中，不需要預先了解控制變量的變化最慢的這個最慢控制回路。即使當階躍響應速度視情況而有所變化并且這個最慢控制回路也發(fā)生了變化時，控制回路也能夠正常操作。
圖9表示的是按照本發(fā)明的第二實施例的控制設備的控制操作的實例。圖9表示的是計算控制變量PV1、PV2、PV3、…PVn的模擬結果，其中第一控制回路的外部預先設定值SP1x自SP1a變到SP1b，第二控制回路的外部預先設定值SP2x自SP2a變到SP2b，第三控制回路的外部預先設定值SP3x自SP3a變到SP3b，并且第n控制回路的外部預先設定值SPnx自SPna變到SPnb。圖9只表示出第一到第三控制回路。在圖9的例子中，第二控制回路是控制變量的變化最慢的一個回路。
如圖9所示，在應用第二實施例的時候，第一、第三、……第n控制回路的控制變量PV1、PV3……PVn的變化與控制變量的變化最慢的第二控制回路的控制變量PV2的變化同步。在第一、第三、……第n控制回路的控制器PID1、PID3…PIDn中不產生任何穩(wěn)定等待時間。
在第一和第二實施例中，以n≥4為例進行說明，然而本發(fā)明還可以應用到n≥2的情形。
在第一和第二實施例中，所有的外部預先設定值是同時改變的。然而，本發(fā)明不局限于此，即使當包括n個回路中的最慢回路在內的兩個或多個回路的外部預先設定值因為略有定時移動而有所變化時，也能獲得第一實施例的效果。此外，即使當n個回路中的兩個或多個任意回路的外部預先設定值因為略有定時移動而有所變化時，也能獲得第二實施例的效果。
如以上所述，本發(fā)明適合于在一個設備內具有多個控制系統(tǒng)回路的設備。
權利要求
1.一種控制設備，其特征在于所說的控制設備包括第一控制器，它實現(xiàn)的控制能夠使第一控制回路的控制變量符合一個預先設定值；至少一個其余控制器，它實現(xiàn)的控制能夠在使控制變量的變化大于第一控制回路的至少一個其余控制回路的控制變量符合一個預先設定值；一個階躍響應進度計算部分，所說的階躍響應進度計算部分計算第一控制回路的階躍響應進度；一個控制回路內部預先設定值計算部分，針對每一個其余控制器按排所述的控制回路內部預先設定值計算部分，用于根據階躍響應進度校正相應的其余控制回路的預先設定值，以使所說的相應的其余控制回路的控制變量的變化與第一控制回路的控制變量的變化同步，并且為所說的其余控制器給出校正過的預先設定值。
2.一種控制設備，其特征在于所說的控制設備包括多個控制器，它們實現(xiàn)的控制能夠使多個控制回路的控制變量符合多個預先設定值；多個階躍響應進度計算部分，針對對應的控制器按排所述的計算部分，用于計算相應的控制回路的階躍響應進度；一個最慢階躍響應進度計算部分，它在由階躍響應進度計算部分計算的階躍響應進度中選擇最慢的進度；和，控制回路內部預先設定值計算部分，針對對應的控制器按排所述控制回路內部預先設定值計算部分，用于根據最慢進度校正相應的控制回路的預先設定值，以使所說的相應的控制回路的的控制變量的變化與最慢進度的控制變量的變化同步，并且為所說的相應的控制器給出校正過的預先設定值。
3.一種在具有多個控制器的一個控制設備中的控制方法，所說的控制器實現(xiàn)的控制能夠使多個控制回路的控制變量符合預先設定值，其特征在于所說的控制方法包括如下步驟計算控制變量的變化是最慢的一個第一控制回路的階躍響應進度；以及根據所說的階躍響應進度校正其余控制回路的預先設定值，以使所說的除第一控制回路外的其余控制回路的的控制變量的變化與第一控制回路的控制變量的變化同步，從而為所說的相應的控制器給出校正過的預先設定值。
4.一種在具有多個控制器的一個控制設備中的控制方法，所說的控制器實現(xiàn)的控制能夠使多個控制回路的控制變量符合預先設定值，其特征在于所說的控制方法包括如下步驟計算控制回路的階躍響應進度，在計算的階躍響應進度中選擇最慢進度，和根據最慢進度校正控制回路的預先設定值，以使所說的控制回路的控制變量的變化與最慢進度的控制變量的變化同步，從而為所說的控制器給出校正過的預先設定值。
全文摘要
控制器(PID1－PIDn)實現(xiàn)的控制能夠使第一到第n控制回路的控制變量符合它們的預先設定值。階躍響應進度計算部分(C_R1)計算控制變量的變化最慢的第一控制回路的階躍響應進度α1?？刂苹芈穬炔款A先設定值計算部分(C_S2－C_Sn)根據階躍響應進度α1校正第二到第n控制回路的預先設定值，以使第二到第n控制回路的控制變量的變化與第一控制回路的控制變量的變化同步，并且為所說的控制器(PID2－PIDn)給出校正過的預先設定值。
文檔編號G05B11/42GK1451106SQ01813693
公開日2003年10月22日 申請日期2001年8月6日 優(yōu)先權日2000年8月4日
發(fā)明者田中雅人 申請人:株式會社山武