專利名稱：減小控制系統(tǒng)中的振蕩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對閉環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制的方法和其中存儲(chǔ)有用于使處理單元執(zhí)行這樣的方法的指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，以及一種被適配為用作控制系統(tǒng)中受控的系統(tǒng)的一部分的控制單元，例如致動(dòng)器。
背景技術(shù)：
PID調(diào)節(jié)器對工業(yè)過程控制來說非常常見，并且提供比例、積分和微分控制。更大范圍的過程采用大量這樣的調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品以大系列被生產(chǎn)。越來越普遍的是，調(diào)節(jié)器基于微計(jì)算機(jī)，因此能夠使用更為復(fù)雜的控制功能?；蛘哂捎赑ID調(diào)節(jié)器中參數(shù)的不恰當(dāng)設(shè)置，或者由于過程的特性發(fā)生變化，在從 PID調(diào)節(jié)器到受控元件的控制信號中可能發(fā)生振蕩。這些振蕩是不期望的，因?yàn)樗鼈円鹣到y(tǒng)中的受控元件的磨損，所述受控元件是致動(dòng)器和閥門。另外，這些振蕩引起非最優(yōu)的過程控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述提及的問題。這通過一種對受控制器控制的控制系統(tǒng)執(zhí)行控制的方法來實(shí)現(xiàn)，其中所述控制器遞送控制輸入給所述系統(tǒng)中的至少一個(gè)控制單元，例如閥門，所述方法包括步驟-檢測到所述控制單元的所述控制輸入中的振蕩水平，-基于檢測到的所述振蕩水平采用倍增因子放大所述控制輸入。因此在檢測到振蕩時(shí)控制單元的特性發(fā)生變化。因此振蕩被最小化，并且例如控制單元的磨損被降低且服務(wù)間隔增大。而且，通過最小化控制單元的振蕩，降低了控制單元的能量消耗并獲得了改進(jìn)的控制。振蕩水平是對到控制單元的輸入信號振蕩了多少的指示。振蕩水平是對控制回路穩(wěn)定性的指示。高振蕩水平指示幾乎不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)或者指示該系統(tǒng)非常接近于不穩(wěn)定?？刂茊卧缈梢允怯糜陂y門的致動(dòng)器或類似裝置。 控制器例如可以是PID控制器、PI控制器或P控制器，或者其它控制器?？刂葡到y(tǒng)可以是閉環(huán)控制系統(tǒng)，但是其它控制系統(tǒng)也是相關(guān)的。在一實(shí)施例中，通過計(jì)算衰減比來檢測所述振蕩水平，其中所述衰減比用于確定所述倍增因子。計(jì)算衰減比是確定振蕩水平的一種特別的簡單方法。在一實(shí)施例中，選擇一定范圍的衰減比作為導(dǎo)致倍增因子為1的最佳衰減比。在一實(shí)施例中，低于所述最佳衰減比的衰減比導(dǎo)致大于1的倍增因子。這在例如閉環(huán)響應(yīng)過慢的情況下能夠改善控制性能。在一實(shí)施例中，高于所述最佳衰減比的衰減比導(dǎo)致小于1的倍增因子。這能夠減少閉環(huán)配置中的控制單元的超調(diào)和振蕩行為。
在一實(shí)施例中，該方法還包括如下步驟基于已確定的所述倍增因子，確定對用于所述控制單元的整個(gè)工作范圍的控制輸入的放大。在一實(shí)施例中，確定對整個(gè)工作范圍的放大的所述方法包括步驟-確定針對表示所述整個(gè)工作范圍的至少三個(gè)預(yù)定義工作點(diǎn)的放大值，-對所述放大值進(jìn)行插值。在一實(shí)施例中，對所述控制輸入的放大值必須位于最大和最小預(yù)設(shè)放大之間。否則永久的周期性擾動(dòng)可能將控制輸入放大值朝向0減小。本發(fā)明還涉及一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中存儲(chǔ)有用以使處理單元執(zhí)行如上所述的方法的指令。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種諸如閥門的致動(dòng)器，其被適配為用作控制系統(tǒng)中受控制器控制的系統(tǒng)的一部分，其中所述控制器將控制輸入遞送到所述控制單元，所述單元包括-用于檢測來自所述控制器的所述控制輸入的振蕩水平的裝置，-用于基于檢測到的所述振蕩水平采用倍增因子放大所述控制輸入的裝置。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種控制系統(tǒng)，其包括依照權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的控制單元。附圖簡述在下面將參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中

圖1示出依照本發(fā)明的控制方法中所包含的步驟和控制回路，圖2示出測量的衰減比和倍增因子之間的相關(guān)性的示例，圖3示出依照本發(fā)明的控制方法中所包括的其他步驟的實(shí)施例和控制回路，圖如示出在三個(gè)工作點(diǎn)間被插值的作為閥門的控制單元的放大，圖4b示出增益減少和閥門輸入之間的關(guān)系，圖5示出在已經(jīng)檢測到振蕩后在上面示出的三個(gè)工作點(diǎn)處的放大的變化，圖6示出檢測控制輸入中的振蕩的方法。
具體實(shí)施例方式在圖1中示出了閉環(huán)控制系統(tǒng)100。該系統(tǒng)包括PID控制器101，其接收控制誤差 e作為輸入，其中控制誤差已通過從參考值r中減去過程輸出而計(jì)算得到?；诳刂普`差， PID控制器計(jì)算控制器輸出，所述控制器示出被給予系統(tǒng)103作為控制輸入。該控制輸入被給予控制單元(CU) 105，例如閥門的致動(dòng)器，等等，從控制單元(CU) 105能夠影響該系統(tǒng)。 控制單元響應(yīng)于該控制輸入并影響過程Gp (s)。如果控制單元是閥門的致動(dòng)器，則其通過改變閥門的開啟或關(guān)閉程度而進(jìn)行響應(yīng)。依照本發(fā)明，代替使用控制器101的輸出作為到控制單元105的控制輸入，控制輸入如在流程圖109中所示的那樣被處理。此處，控制輸入在111(F_CI)中被低通濾波，隨后在113(0SC)中檢測控制輸入中是否存在振蕩。如果出現(xiàn)振蕩，則在115中，利用典型地小于1的倍增因子對控制輸入進(jìn)行放大(A_CI)以衰減到控制單元的控制輸入。如果沒有檢測到振蕩，則在117(E)中結(jié)束算法。每當(dāng)執(zhí)行用于控制所述過程的總體控制程序時(shí)執(zhí)行所描述的算法例如一次，從而作為確定到控制單元的控制輸入的完整部分，當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí)檢測到振蕩。
關(guān)于檢測振蕩的出現(xiàn)，還確定振蕩的程度并使用振蕩的程度以確定倍增因子的值。振蕩的衰減比按照如下來計(jì)算衰減比(DR)=(峰值1-峰值2) / (峰值3-峰值4)，其中峰值1是最后的峰值，而峰值4是第一個(gè)檢測到的峰值。衰減比的高值意味著該系統(tǒng)非常振蕩并且接近于不穩(wěn)定。大于1的值指示不穩(wěn)定的系統(tǒng)。在圖2中，示出了經(jīng)計(jì)算的衰減比DR和倍增因子MF之間的相關(guān)性的示例。對于衰減比的最優(yōu)值，選擇201從0. 15到0. 25的范圍，并且如果所測得的衰減比DR處于該范圍內(nèi)，則倍增因子為1并且控制輸入將不會(huì)被改變。如果確定了較小的衰減比，則控制輸入的衰減太高，因此倍增因子大于1以增大到控制單元的控制輸入。當(dāng)衰減比變得小于0. 15時(shí)，倍增因子線性地增大。而且，如果確定了較高的衰減比，則控制輸入的衰減太低，因此倍增因子小于1以減小到控制單元的控制輸入。當(dāng)衰減比變得大于0. 25時(shí)，倍增因子線性地減小。應(yīng)注意到，區(qū)間0. 15-0. 25僅僅是其中測試已顯示出成功結(jié)果(良好的追蹤和擾動(dòng)抑制特性)的示例，但是取決于控制系統(tǒng)和控制單元的特性可以選擇具有其他大小和位置的其他區(qū)間。而且，倍增因子并不需要在該區(qū)間周圍線性地減小或增大-主要的重點(diǎn)在于振蕩通過小于1的倍增因子而被衰減，而過多的衰減則通過大于1的倍增因子被放大。在圖3中，示出類似于圖1中的控制回路的控制回路301并且其中在控制方法中包括其他的步驟。振蕩檢測在304中被執(zhí)行，并且包括在303 (F_CI)中對控制輸入進(jìn)行低通濾波以移除高頻噪聲。進(jìn)一步地在305(0SC)中檢測在控制輸入中是否存在振蕩。如果存在振蕩，則在307中如上所述的那樣計(jì)算衰減比(C_DR)。在309中，基于所計(jì)算的衰減比，確定相應(yīng)的倍增因子(D_MF)，并且利用該倍增因子放大控制輸入。最后，在311中，計(jì)算并使用對用于整個(gè)工作范圍的控制輸入的放大(A_ EW)。如果沒有檢測到振蕩，則在313(E)中結(jié)束算法。每當(dāng)執(zhí)行用于控制過程的總體控制程序時(shí)執(zhí)行所描述的算法例如一次，從而作為確定到控制單元的控制輸入的完整部分，當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí)檢測到振蕩。在圖如中給出了圖3中步驟311的示例，其中控制單元是閥門。該閥門的工作范圍采用三個(gè)點(diǎn)401、403、405來表示-這些點(diǎn)表示閥門處于0 %、50 %、100 %的打開程度時(shí)的對閥門的放大。放大決不會(huì)高于或低于預(yù)設(shè)值(參數(shù)“最大增益(gainjnax)”(例如，值 1)和參數(shù)“最小增益(gainjnin)”(例如，值0.2))。而且，通過對表示工作范圍的這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行插值來確定范圍0% -50%內(nèi)的和50% -100%內(nèi)的放大值。增益的減小能夠例如通過使用如下函數(shù)在所選擇的點(diǎn)(例如0%、50%和100% ) 處進(jìn)行計(jì)算 g = l-(l-k). / (1+10* (v-c). * (v-c))，其中g(shù)是閥門輸入信號(ν)的不同值處的增益減小，c是發(fā)生振蕩處的特定閥門輸入信號，而k是針對點(diǎn)c處的振蕩的增益減小。在圖4b中，在一個(gè)示例中示出了 ν和g之間的關(guān)系，在該示例中已檢測到接近 40%的振蕩。在此ν是在0到1的范圍內(nèi)的閥門輸入，以及g是具有中央減少量k = 0. 5的、對于在c = 0. 4處檢測到的振蕩的增益減小。依照本發(fā)明的控制的示例為如果計(jì)算顯示需要因子為0. 5的放大的減小，則在所有三個(gè)點(diǎn)處減小放大，但對于所有點(diǎn)并不是減小相同的程度。在最靠近振蕩發(fā)生點(diǎn)的點(diǎn)處放大被減小得最多，而在最遠(yuǎn)離振蕩點(diǎn)的點(diǎn)處放大被減小得最少。在一個(gè)實(shí)施例中，用于計(jì)算用于每個(gè)點(diǎn)的減小的算法可以是與用于模糊控制系統(tǒng)中的算法類似的算法。在圖5中，示出了其中在閥門打開程度為40%附近檢測到振蕩之后三個(gè)工作點(diǎn)處的放大的變化。通過適當(dāng)?shù)馗淖儽硎竟ぷ鞣秶?個(gè)點(diǎn)來減小放大。靠近振蕩出現(xiàn)的范圍 (50%)的點(diǎn)被最大地改變，而被最小地改變的點(diǎn)是最遠(yuǎn)距離的點(diǎn)(100%)。該改變之后的工作范圍隨后用點(diǎn)501、503、505來表示。這些點(diǎn)表示在閥門打開程度為0^^50%和100% 處的閥門的放大。同樣，通過對表示工作范圍的這三點(diǎn)進(jìn)行插值來確定0%到50%范圍內(nèi)和50%到100%范圍內(nèi)的放大值。在圖6中進(jìn)一步描述了如圖3中的304所示的振蕩檢測器。起初，在601中開始該算法。在603中，輸入信號被過濾(F_CI)，并且在604中確定例程是否要搜索負(fù)的或正的峰值(S_P_P)，這取決于先前檢測的是哪種峰值，并且如果其是第一次迭代，則該算法開始搜索正的峰值。在替代實(shí)施例中，該例程還可以通過搜索負(fù)的峰值而開始。在605中，如果正的峰值被確認(rèn)(P_P ？)(如果信號小于最大檢測值減去滯后，則正的峰值被確認(rèn))，則在607中通過向計(jì)數(shù)器增加新的正的峰值(A_N_P_P)而對該峰值進(jìn)行計(jì)數(shù)。在609中，如果負(fù)的峰值被確認(rèn)(N_P ？)(如果信號大于最小檢測值加上滯后，則負(fù)的峰值被確認(rèn))，則在611中通過向計(jì)數(shù)器中增加新的負(fù)的峰值(A_N_N_P)而對該負(fù)的峰值進(jìn)行計(jì)數(shù)。在613中，如果已檢測到多于2個(gè)的峰值(P > 2)，則在615中，忽略第一個(gè)峰值并開始對其他峰值的檢測(振蕩檢測)，刪除第一個(gè)峰值是為了避免由于改變設(shè)置點(diǎn)而引起的振蕩，如果其不被刪除則隨后計(jì)算出的衰減比可能是不準(zhǔn)確的。在617中，如果檢測到足夠數(shù)量的峰值(例如，4 (P > 4))，則在619中例如如前所述的那樣計(jì)算衰減比(C_DR)。如果在621中確定已經(jīng)檢測到振蕩，則在627中設(shè)置計(jì)算新的衰減比的標(biāo)志(SF_N_DR_C)，并且在629中初始化所有參數(shù)并開始新的搜索(Init_S)。如果在621中仍沒有檢測到振蕩，則在623中確定衰減比是否非常高(1或更大) (D >= 1)，衰減比非常高意味著存在嚴(yán)重的振蕩并且這可能是由于在搜索峰值時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定的回路或擾動(dòng)，并且如果是這種情況，則在625中確定檢測到振蕩并且丟棄一峰值 (0SC_D_DP)，這是為了確保衰減比確實(shí)大于1，從而搜索再一個(gè)峰值。在631中算法結(jié)束(E)。
權(quán)利要求
1.一種對受控制器控制的系統(tǒng)執(zhí)行控制的方法，其中所述控制器遞送控制輸入給所述系統(tǒng)中的例如閥門的至少一個(gè)控制單元，所述方法包括步驟-檢測到所述控制單元的所述控制輸入中的振蕩水平；-基于檢測到的所述振蕩水平采用倍增因子放大所述控制輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過計(jì)算衰減比來檢測所述振蕩水平，其中所述衰減比被用于確定所述倍增因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中選擇一定范圍的衰減比作為導(dǎo)致倍增因子為1的最佳衰減比。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中低于所述最佳衰減比的衰減比導(dǎo)致大于1的倍增因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中高于所述最佳衰減比的衰減比導(dǎo)致小于1的倍增因子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括步驟確定對用于所述控制單元的整個(gè)工作范圍的控制輸入的放大。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中確定整個(gè)工作范圍的放大的所述方法包括步驟-為表示所述整個(gè)工作范圍的至少三個(gè)預(yù)定義工作點(diǎn)確定放大值；-對所述放大值進(jìn)行插值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中對所述控制輸入的放大必須位于最大和最小預(yù)設(shè)放大之間。
9.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，在所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中存儲(chǔ)有用以使處理單元執(zhí)行如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法的指令。
10.一種控制單元，所述控制單元例如諸如閥門的致動(dòng)器，其被適配為用作控制系統(tǒng)中受控制器控制的系統(tǒng)的一部分，其中所述控制器遞送控制輸入到所述控制單元，所述單元包括-用于檢測所述來自所述控制器的所述控制輸入中的振蕩水平的裝置，-用于基于檢測到的所述振蕩水平采用倍增因子放大所述控制輸入的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制單元，其中該單元還包括用于確定對用于所述控制單元的整個(gè)工作范圍的控制輸入的放大的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制單元，其中用于確定整個(gè)工作范圍的放大的所述裝置包括-為表示所述整個(gè)工作范圍的至少三個(gè)預(yù)定義工作點(diǎn)確定放大值，-對所述放大值進(jìn)行插值。
13.—種控制系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的控制單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對受控制器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制的方法，其中所述控制器遞送控制輸入給所述系統(tǒng)中的至少一個(gè)控制單元，例如閥門，所述方法包括步驟-檢測到所述控制單元的所述控制輸入中的振蕩水平，-基于檢測到的所述振蕩水平采用倍增因子放大所述控制輸入。從而，在檢測到振蕩時(shí)控制單元的特性發(fā)生變化。從而，振蕩被最小化，并且例如降低了控制單元的磨損并獲得了改進(jìn)的控制。
文檔編號G05B5/00GK102257444SQ200980145934
公開日2011年11月23日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月17日
發(fā)明者D·夫蘭西克, J·佩特羅維克 申請人:丹福斯有限公司