專(zhuān)利名稱(chēng)：自動(dòng)設(shè)定pid常數(shù)的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)設(shè)定用于過(guò)程控制的PID(比例+積分+微分)常數(shù)的方法和儀器，更詳細(xì)地說(shuō)是涉及一種用于自校正(常數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié))PID控制的方法和儀器，這種自校正PID控制適合于根據(jù)一個(gè)過(guò)程的控制響應(yīng)特性自動(dòng)設(shè)定PID常數(shù)，這些PID常數(shù)能夠根據(jù)設(shè)定點(diǎn)的變化和所施加的擾動(dòng)來(lái)快速地調(diào)整控制響應(yīng)特性。
在PID控制系統(tǒng)中，PID常數(shù)的設(shè)定向來(lái)是根據(jù)從熟練的控制工程師的經(jīng)驗(yàn)所獲得的“經(jīng)驗(yàn)法則”來(lái)完成的。然而，在這種手動(dòng)設(shè)定中，每當(dāng)一個(gè)過(guò)程開(kāi)始起動(dòng)或有變化被引入過(guò)程特性時(shí)，就要求工程師進(jìn)行一次PID常數(shù)的校正。為了消除這種麻煩的工作，提出了一種具有自動(dòng)校正PID常數(shù)的功能的PID控制器。
起因于設(shè)定點(diǎn)變化的控制響應(yīng)特性不同于起因于施加擾動(dòng)后的控制響應(yīng)特性，而針對(duì)前一個(gè)因素的PID常數(shù)通常不同于針對(duì)后一個(gè)因素的PID常數(shù)。當(dāng)相同的PID常數(shù)用于設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)時(shí)，難于實(shí)現(xiàn)獲得對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)二者均有效的控制特性的控制，也就是說(shuō)，對(duì)于選定衰減比為10%和超調(diào)量為5%(作為例子)的上述控制是難于實(shí)現(xiàn)的。(日本)專(zhuān)利JP-A-62-241003揭示了一種早先技術(shù)的以模糊推理法為基礎(chǔ)的自校正PID控制器，它用一個(gè)唯一的知識(shí)庫(kù)和特征值來(lái)實(shí)現(xiàn)校正。不利的是，這種早先技術(shù)的控制器設(shè)定PID常數(shù)只對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)二者之一有效，從而不能獲得對(duì)這兩個(gè)因素都有效的控制響應(yīng)特性。
序列號(hào)為177，428的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)(PID控制器系統(tǒng))也涉及基于模糊推理法的PID常數(shù)的自校正，該專(zhuān)利已轉(zhuǎn)讓給(與本專(zhuān)利)相同的受讓人并于1988年4月1日申請(qǐng)。
根據(jù)專(zhuān)利號(hào)為JP-A-61-290505和JP-A-62-9404的專(zhuān)利揭示的內(nèi)容，只對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)二者之一有效的PID常數(shù)被設(shè)定，而當(dāng)一個(gè)擾動(dòng)或設(shè)定點(diǎn)的一個(gè)變化出現(xiàn)時(shí)，PID常數(shù)被一個(gè)補(bǔ)償計(jì)算裝置校正到與某一控制狀態(tài)相當(dāng)?shù)腜ID常數(shù)，該控制狀態(tài)對(duì)于抑制由于出現(xiàn)的那個(gè)因素所引起的變化是最優(yōu)化的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種PID常數(shù)自動(dòng)設(shè)定方法和能夠自動(dòng)設(shè)定PID常數(shù)的自校正控制器，這些PID常數(shù)能夠根據(jù)設(shè)定點(diǎn)的變化和施加給一過(guò)程的擾動(dòng)這兩個(gè)因素來(lái)快速地調(diào)整控制響應(yīng)特性。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，以對(duì)過(guò)程的一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與從該過(guò)程得到的一個(gè)被控值之間的誤差為基礎(chǔ)來(lái)確定代表對(duì)該過(guò)程的可控性的特征值，判定在該過(guò)程產(chǎn)生的控制響應(yīng)特征是由于設(shè)定點(diǎn)的一個(gè)變化所造成的還是由于施加于該過(guò)程的一個(gè)擾動(dòng)所造成的，再根據(jù)所確定的特征值和所判定的結(jié)果來(lái)確定PID常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一個(gè)自校正PID控制器包括根據(jù)對(duì)過(guò)程的一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與從該過(guò)程得到的一個(gè)被控值之間的誤差來(lái)提取代表可控性的特征值的裝置;用來(lái)判定來(lái)自該過(guò)程的控制響應(yīng)特性是由于設(shè)定點(diǎn)的一個(gè)變化所造成的還是由于施加的一個(gè)擾動(dòng)所造成的裝置;以及用來(lái)根據(jù)特征值導(dǎo)出PID常數(shù)的PID常數(shù)確定裝置，該確定裝置包括一個(gè)用來(lái)確定與設(shè)定點(diǎn)變化對(duì)應(yīng)的PID常數(shù)的第一確定單元，一個(gè)用來(lái)確定與所施加的擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的PID常數(shù)的第二確定單元，以及用來(lái)根據(jù)來(lái)自判定裝置的判定結(jié)果選擇第一和第二確定單元二者之一的選擇裝置。


圖1是一說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)自校正PID控制器的實(shí)施例的框圖。
圖2是一個(gè)誤差信號(hào)波形的例子的示意圖。
圖3示出了對(duì)于設(shè)定點(diǎn)變化和所施加的擾動(dòng)的PID控制律。
圖4是用于設(shè)定變化方式和施加擾動(dòng)方式下的模糊推理法的全部組成函數(shù)的例子的示意圖。
圖5是表明通過(guò)模糊推理法確定PID常數(shù)的修正系數(shù)的步驟的示意圖。
圖6和7示出了對(duì)說(shuō)明圖1實(shí)施例的工作(運(yùn)行過(guò)程)有用的一個(gè)流程圖。
圖8是來(lái)自校正PID控制器的另一個(gè)實(shí)施例的框圖。
在說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例之前，將首先說(shuō)明本發(fā)明的原理。
在專(zhuān)利JP-A-62-241003所揭示的現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)設(shè)定點(diǎn)的變化和所施加的擾動(dòng)二者是以同樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PID常數(shù)的校正的。然而有時(shí)候，如果在PID運(yùn)算中對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化起響應(yīng)的可控性是最優(yōu)化的，則對(duì)擾動(dòng)起響應(yīng)的可控性將降低，反之，如果對(duì)擾動(dòng)起響應(yīng)的可控性是最優(yōu)化的，則對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化的瞬態(tài)響應(yīng)特性將變壞。因此就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，即只可能對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)的響應(yīng)特性二者之一實(shí)現(xiàn)PID常數(shù)的設(shè)定。
本發(fā)明的特點(diǎn)是首先判定來(lái)自一個(gè)過(guò)程的控制響應(yīng)特性是由于設(shè)定點(diǎn)的變化所造成的還是由于擾動(dòng)所造成的。然后，當(dāng)判定結(jié)果指明是由于設(shè)定點(diǎn)的變化時(shí)，就設(shè)定適合于調(diào)整由于設(shè)定點(diǎn)變化所造成的變化的PID常數(shù);而當(dāng)判定結(jié)果指明是由于擾動(dòng)時(shí)，就另外設(shè)定一些PID常數(shù)，這些PID常數(shù)適合于調(diào)整由于擾動(dòng)所造成的變化。
如果控制響應(yīng)特性被認(rèn)為是由于設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)這二者之一所造成的，則可調(diào)整PID常數(shù)，以使響應(yīng)由于設(shè)定點(diǎn)變化所帶來(lái)的誤差(即設(shè)定點(diǎn)和被控值之間的偏差)的瞬態(tài)響應(yīng)波形能夠得到改善，以及使響應(yīng)不是由于設(shè)定點(diǎn)變化而是由于施加的擾動(dòng)或過(guò)程特性的變化而出現(xiàn)的一個(gè)誤差的變化的特性能夠得到改善，從而使同時(shí)設(shè)定適合于上述兩種響應(yīng)特性的PID常數(shù)成為可能。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地是通過(guò)模糊推理法來(lái)推導(dǎo)出PID常數(shù)。更詳細(xì)地說(shuō)，有一個(gè)設(shè)定點(diǎn)變化檢測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)被改變的設(shè)定點(diǎn)的變化寬度，一個(gè)判定器判定伴隨一個(gè)誤差的出現(xiàn)而產(chǎn)生的設(shè)定點(diǎn)變化寬度是否超過(guò)門(mén)限值，從而確定設(shè)定點(diǎn)變化和施加的擾動(dòng)這二者之一，一個(gè)知識(shí)處理選擇器對(duì)判定結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)，從而選擇一個(gè)相對(duì)于設(shè)定點(diǎn)變化或擾動(dòng)的知識(shí)庫(kù)，最后一個(gè)特征值選擇器選擇相對(duì)于設(shè)定點(diǎn)變化或擾動(dòng)的特征值。于是，在選出的知識(shí)庫(kù)和特征值的基礎(chǔ)上，一個(gè)模糊推理單元推導(dǎo)出新的PID常數(shù)并把它們?cè)O(shè)定于一個(gè)PID運(yùn)算器中。以這種方式能夠設(shè)定適合于設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)這二者之中任何一個(gè)因素的PID常數(shù)，當(dāng)由于設(shè)定點(diǎn)變化而產(chǎn)生一個(gè)誤差時(shí)，無(wú)需設(shè)定用于抑制擾動(dòng)的PID常數(shù)。
可能干擾此過(guò)程的擾動(dòng)起因于環(huán)境溫度的變化、預(yù)定供給此過(guò)程的流體原料從儲(chǔ)液罐的泄漏以及類(lèi)似的因素。
現(xiàn)在將參照附圖用例子說(shuō)明本發(fā)明。
參照?qǐng)D1，其中以框圖的形式說(shuō)明了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的自校正PID控制器的實(shí)例。通常用參考數(shù)字11標(biāo)示出的PID控制器帶有一個(gè)微處理器，該P(yáng)ID控制器11包含一個(gè)PID運(yùn)算器1，執(zhí)行使一個(gè)過(guò)程10的設(shè)定點(diǎn)和被控值相互一致的PID運(yùn)算，一個(gè)用于根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和被控值之間的誤差來(lái)確定特征值的特征值采集器2，一個(gè)用于檢測(cè)設(shè)定點(diǎn)的變化的設(shè)定點(diǎn)變化檢測(cè)器3，一個(gè)用于判定設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)二者之一的判定器4，一個(gè)用于根據(jù)來(lái)自判定器4的判定結(jié)果來(lái)選擇特征值的特征值選擇器5，一個(gè)用于選擇知識(shí)庫(kù)的知識(shí)處理選擇器6，一個(gè)針對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化的知識(shí)庫(kù)7(單元7)和一個(gè)針對(duì)擾動(dòng)的知識(shí)庫(kù)8(單元8)，兩個(gè)知識(shí)庫(kù)中每個(gè)都包括PID控制規(guī)則和用于模糊推理的全部組成函數(shù)，最后，還包含一個(gè)用于根據(jù)選出的知識(shí)庫(kù)來(lái)設(shè)定PID常數(shù)的模糊推理單元9。誤差由一個(gè)減法器20所產(chǎn)生，該減法器從設(shè)定點(diǎn)中減去被控值。
PID運(yùn)算器1對(duì)設(shè)定點(diǎn)r(t)與來(lái)自過(guò)程10的被控值y(t)之間的誤差e(t)進(jìn)行響應(yīng)，從而計(jì)算下面的具有比例帶PR、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD等變量的公式(1)，并產(chǎn)生一個(gè)操作值MVMV=100PR(1+1TIS+TDS1+TD10·S)e]]>……(1)公式中S是拉普拉斯算子。
特征值采集器2從誤差e(t)的信號(hào)波形中采集特征值。
圖2表示出了誤差e(t)的信號(hào)波形和特征值。峰值和峰值出現(xiàn)的時(shí)間的測(cè)量都與信號(hào)波形有關(guān)，特征值采集器2對(duì)測(cè)得的峰值和峰值出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)，從而計(jì)算出超調(diào)量OV，幅值衰減比DP、振蕩周期Dt和一個(gè)調(diào)整時(shí)間St。接著，對(duì)于振蕩周期Dt，把伴隨前一個(gè)誤差的出現(xiàn)而確定的值除以當(dāng)前確定的值而得到一個(gè)振蕩周期比DR;對(duì)于調(diào)整時(shí)間St，把先前確定的值除以當(dāng)前確定的值而得到一個(gè)調(diào)整時(shí)間比SR。通過(guò)下面的公式(2)、(3)、(4)和(5)，可分別計(jì)算出超調(diào)量OV，幅值衰減比DP，振蕩周期比DR和調(diào)整時(shí)間比SR等特征值。
OV＝PEAK2/PEAK1……(2)DP＝PEAK3/PEAK2……(3)SR＝St(N)/St(N-1)……(4)DR＝Dt(N)/Dt(N-1)……(5)其中St(N)當(dāng)前確定的調(diào)整時(shí)間Dt(N)當(dāng)前確定的振蕩周期St(N-1)先前確定的調(diào)整時(shí)間Dt(N-1)先前確定的振蕩周期本質(zhì)上，要求特征值代表控制響應(yīng)特性的品質(zhì)，因此特征值另外還可以包括e(t)的信號(hào)波形的上升時(shí)間，例如，e(t)值達(dá)到第一個(gè)峰值(Peak1)的60%所需要的時(shí)間，以及波峰數(shù)(在圖2中所示的波形的情況下是3個(gè)波峰)。當(dāng)誤差的絕對(duì)值超過(guò)已事先手動(dòng)予置的預(yù)定值±BD時(shí)，就開(kāi)始誤差信號(hào)波形的峰的檢測(cè)。如果絕對(duì)值沒(méi)有超過(guò)預(yù)定值，就不進(jìn)行峰值檢測(cè)，不計(jì)算特征值，PID常數(shù)就不被改變。
設(shè)定點(diǎn)變化檢測(cè)器3對(duì)當(dāng)前設(shè)定點(diǎn)r(t)進(jìn)行響應(yīng)，從而按照下面的公式計(jì)算設(shè)定點(diǎn)的變化寬度ΔSVΔSV＝r(t)-r(t-Δt)……(6)其中r(t)當(dāng)前檢測(cè)時(shí)刻的設(shè)定點(diǎn)r(t-Δt)先前檢測(cè)時(shí)刻(領(lǐng)先于當(dāng)前檢測(cè)時(shí)刻一個(gè)采樣周期Δt秒)的設(shè)定點(diǎn)判定器4首先檢測(cè)誤差信號(hào)e(t)幅值的變化，當(dāng)幅值變化的絕對(duì)值超過(guò)預(yù)定值±BD時(shí)，它就判定是否在設(shè)定點(diǎn)的變化寬度ΔSV內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)變化。在ΔSV內(nèi)有變化的情況下，判定器4就產(chǎn)生一個(gè)用于把工況方式換接到設(shè)定點(diǎn)變化方式的信號(hào)，而在ΔSV內(nèi)沒(méi)有變化的情況下，判定器則產(chǎn)生一個(gè)用于把工況方式換接到施加擾動(dòng)方式的信號(hào)。
判定器4與一個(gè)自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MSW相連，開(kāi)關(guān)MSW可在控制器的外部設(shè)置。借助于如開(kāi)關(guān)MSW被斷開(kāi)(或，例如邏輯電平“0”)，自動(dòng)方式被建立，在自動(dòng)方式中，設(shè)定點(diǎn)變化被檢測(cè)到，從而自動(dòng)地選擇對(duì)應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)變化的特征值和知識(shí)庫(kù)或?qū)?yīng)于施加的擾動(dòng)的特征值和知識(shí)庫(kù)。如果開(kāi)關(guān)MSW被接通，手動(dòng)方式被建立，在手動(dòng)方式中，可以從外部設(shè)置設(shè)定點(diǎn)變化方式和施加的擾動(dòng)方式二者之中的任一種方式。這種手動(dòng)方式用于下述二種情況之一當(dāng)總是遵從由于設(shè)定點(diǎn)變化而引起的瞬態(tài)(響應(yīng))特性的PID常數(shù)足夠時(shí)或當(dāng)總是遵從擾動(dòng)影響極小化的PID常數(shù)足夠時(shí)。由于這種手動(dòng)方式是犧牲了一種響應(yīng)特性才使另一種響應(yīng)特性最優(yōu)化，所以，只有當(dāng)被犧牲的響應(yīng)特性對(duì)控制目標(biāo)不會(huì)產(chǎn)生有害的影響時(shí)才能用這種手動(dòng)方式。用所設(shè)置的自動(dòng)方式，下述事情也是可能的在維持對(duì)擾動(dòng)的抑制作用與由于設(shè)定點(diǎn)變化的瞬態(tài)響應(yīng)特性之間的交替使用的情況下，如此調(diào)節(jié)PID常數(shù)以使其滿(mǎn)足對(duì)兩種因素的每一種因素的響應(yīng)的可控性。
特征值選擇器5對(duì)方式轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，從而在設(shè)定點(diǎn)變化方式期間選擇超調(diào)量、幅值衰減比和調(diào)整時(shí)間比，并提供這些特征值，以及在施加擾動(dòng)方式期間選擇超調(diào)量、幅值衰減比和振蕩周期比，并提供這些特征值。另一種方案是，特征值選擇器可合并到一個(gè)能夠確定(采集)和選擇特征值的特征值采集器2之中。
知識(shí)處理選擇器6也響應(yīng)于方式轉(zhuǎn)換信號(hào)，從而選擇針對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化或施加擾動(dòng)的知識(shí)庫(kù)。圖3舉例說(shuō)明了儲(chǔ)存在設(shè)定點(diǎn)變化知識(shí)庫(kù)7中的針對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化的PID控制律和儲(chǔ)存在擾動(dòng)知識(shí)庫(kù)8中的針對(duì)施加的擾動(dòng)的PID控制律。圖4舉例說(shuō)明了儲(chǔ)存在設(shè)定點(diǎn)變化知識(shí)庫(kù)7中的針對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化的模糊推理法所用的組成函數(shù)和儲(chǔ)存在擾動(dòng)知識(shí)庫(kù)8中的針對(duì)施加的擾動(dòng)的模糊推理組成函數(shù)。
參照?qǐng)D4，當(dāng)設(shè)定點(diǎn)變化時(shí)，左邊的針對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化方式的組成函數(shù)被選擇并被送到模糊推理單元9。當(dāng)設(shè)定點(diǎn)沒(méi)有變化時(shí)，右邊的針對(duì)于施加擾動(dòng)方式的組成函數(shù)被選擇。這樣，用于估計(jì)特征值的子函數(shù)對(duì)于不同的方式分別被設(shè)定，目的是各不相同地依據(jù)由于設(shè)定點(diǎn)變化而出現(xiàn)的誤差或由于所加擾動(dòng)而出現(xiàn)的誤差，甚至對(duì)相同的誤差波形都能進(jìn)行不同的估計(jì)。在圖4的每個(gè)圖形表示中，橫坐標(biāo)代表特征值，向右是增加的，而縱坐標(biāo)代表歸一化的百分態(tài)，以范圍從0到1內(nèi)的數(shù)值來(lái)指示特征值與各個(gè)組成函數(shù)相關(guān)聯(lián)的程度。各個(gè)組成函數(shù)是依照控制律取名為NE，ZO，PB和PM的，示于圖3中。在橫坐標(biāo)上測(cè)得的特征值OV，DP，SR或DR，可以確定相應(yīng)的組成函數(shù)的百分度。由于相應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)變化方式的組成函數(shù)形狀與相應(yīng)于所加擾動(dòng)方式的組成函數(shù)形狀是相似的，因此準(zhǔn)備了公用的組成函數(shù)，只要改變常數(shù)就適用于兩種方式的每一種。這些常數(shù)已儲(chǔ)存在知識(shí)庫(kù)中，當(dāng)設(shè)定點(diǎn)變化方式被選擇時(shí)，與圖4中左邊的組成函數(shù)相應(yīng)的那些常數(shù)在知識(shí)庫(kù)被取出之前就被送到模糊推理單元9。
現(xiàn)在回到圖3，其中所示的控制律以條件語(yǔ)句的形式被記錄下來(lái)，如“IFOV＝PB，DP＝PB，SR＝PBTHEN CPR＝UP，CTI＝UP，CTD＝DW”其含義是如果超調(diào)量較大，則幅值衰減比也大，調(diào)整時(shí)間比也大，比例帶PR必需加大，積分時(shí)間TI必需增加而微分時(shí)間TD必需減小。圖3中，字符變量PB(正的大的)代表“大的”，NB(負(fù)的大的)代表“小的”，ZO代表“合適”，UP代表“增加”，DW代表“減小”和NC代表“不變化”。比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間的修正系數(shù)分別表示為CPR、CTI和CTD。指令UP，DW和NC由熟練的控制工程師或通過(guò)仿真來(lái)確定。不同的熟練的控制工程師有時(shí)候可能確定出的PID控制律和組成函數(shù)也不同。
在已確定的特性參數(shù)和知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，模糊推理單元9調(diào)整PID常數(shù)。用于模糊推理的算法在“用于簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制的模糊算法的應(yīng)用”(byE.H.Mamdani，PROC.IEEE，VOI.121，NO.12，December1974)一文中已描述，在此包括在參考文獻(xiàn)中。模糊推理程序表示于圖5中。在元素OV、DP和SP或DR的一個(gè)模糊集中，根據(jù)已知數(shù)的特征值來(lái)確定各個(gè)元素的百分度，并把各個(gè)百分度的最小值確定其g＊。接著，在元素CPR、CTI和CTD的一個(gè)模糊集中，把g＊與分別相應(yīng)于元素CPR、CTI和CTD的組成函數(shù)進(jìn)行比較，陰影線所標(biāo)出的元素CPR＊、CTI＊和CTD＊的一個(gè)模糊集被選出，該模糊集中的每一個(gè)元素的百分度都小于g＊。哪個(gè)模糊集被選擇取決于每個(gè)PID控制律。從各個(gè)PID控制律推斷出的元素CPR＊、CTI＊和CTD＊分別相加在一起，從而得到元素CPR、CTI和CTD的一個(gè)并集。然后，計(jì)算出每個(gè)元素CPR、CTI或CTD的重心來(lái)并用作PID常數(shù)的修正系數(shù)KPR、KTI或KTD。用如此確定的修正系數(shù)乘以當(dāng)前的PID常數(shù)就得到新的PID常數(shù)，如下面的公式(7)、(8)和(9)所表示出PR(N)＝KPR×PR(N-1)……(7)TI(N)＝KTI×TI(N-1) ……(8)TD(N)＝KTD×TD(N-1)其中PR(N)、TI(N)和TD(N)是新設(shè)定的PID常數(shù)，而PR(N-1)、TI(N-1)和TD(N-1)是當(dāng)前的PID常數(shù)。另一方面，上述的推理法也可用一個(gè)混合式集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。用下述方法，即增加方式轉(zhuǎn)換信號(hào)類(lèi)型的數(shù)目和相應(yīng)地增加知識(shí)庫(kù)的數(shù)目，例如，增加階梯式或斜坡式設(shè)定點(diǎn)變化類(lèi)型的數(shù)目，就能夠保證PID常數(shù)的更精細(xì)的設(shè)定。
圖6和7表示出在一次采樣期間用圖1的自校正PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程的流程圖?，F(xiàn)在將參照此流程圖來(lái)說(shuō)明自調(diào)整運(yùn)行過(guò)程(工況)。
當(dāng)自調(diào)整開(kāi)始，控制器11通過(guò)一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣一個(gè)設(shè)定點(diǎn)r(i)和一個(gè)控制值y(i)(步驟或工序B1)。自調(diào)整的起動(dòng)可由接通一個(gè)為控制器設(shè)置的自調(diào)整起動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)完成。當(dāng)起動(dòng)開(kāi)關(guān)被接通，采樣時(shí)間i被設(shè)定為零(工序B2)，在i＝0被設(shè)定的時(shí)刻，i-1時(shí)刻即(-1)時(shí)刻的設(shè)定點(diǎn)r(i-1)被變成r(i)(工序B3)，從而使與自校正有關(guān)的變量(內(nèi)部標(biāo)志)初始化(工序B4)。這些變量中，變量SW和MSW與判定器4相關(guān)。變量MSW是特別與自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相關(guān)的，用來(lái)判定工況方式是自動(dòng)地還是手動(dòng)地接到設(shè)定點(diǎn)變化方式和施加的擾動(dòng)方式二者之一的方式。對(duì)于MSW＝0，自動(dòng)接通被選擇，而對(duì)于MSW＝1，則手動(dòng)接通被選擇。變量SW用來(lái)確定是設(shè)定點(diǎn)變化方式還是施加的擾動(dòng)方式，在自動(dòng)轉(zhuǎn)換接通的情況下，自動(dòng)地設(shè)定SW為“0”或“1”。對(duì)于SW＝0，施加擾動(dòng)的方式被選擇，而對(duì)于SW＝1，則設(shè)定點(diǎn)變化方式被選擇。在手動(dòng)轉(zhuǎn)換接通的情況下，SW的設(shè)定必須與MSW設(shè)定為“1”同時(shí)完成。變量Wr代表波形觀測(cè)起始狀態(tài)。波形觀測(cè)不在Wr＝0時(shí)執(zhí)行，而是當(dāng)Wr＝1被設(shè)定的時(shí)刻起動(dòng)。在i＝1之后，將不進(jìn)行參數(shù)的初始化。
從設(shè)定點(diǎn)r(i)和控制值y(i)可確定誤差e(i)＝r(i)-y(i)并把它送到判定器4和特征值采集器2。判定器4在每一個(gè)周期都判定誤差e(i)是否超過(guò)一個(gè)在控制器外部設(shè)定的預(yù)定值ec(工序B5)。如果e(i)超過(guò)ec，則波形觀測(cè)狀態(tài)的變量Wr設(shè)定為“1”(工序B6)。波形觀測(cè)完成之后，Wr復(fù)位為“0”，這將在后面說(shuō)明。判定器4判定Wr是否是“1”或“0”(工序7)，若Wr＝1，則判定器4接著判定與自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有關(guān)的變量MSW是否是“0”(工序8)。如果MSW＝0保持表示自動(dòng)方式，則在工序B9中完成如下的判定，以便使變量SW的自動(dòng)設(shè)定能夠?qū)崿F(xiàn)。更詳細(xì)地說(shuō)，在工序9中，當(dāng)前采樣值r(i)與先前采樣值r(i-1)之間的差值被計(jì)算出來(lái)并判定這個(gè)差值的絕對(duì)值是否超過(guò)一個(gè)預(yù)定值rc，以便檢測(cè)設(shè)定點(diǎn)的變化。若該絕對(duì)值超過(guò)rc，則程序繼續(xù)進(jìn)行到工序B11，在工序B11中SW＝1(設(shè)定點(diǎn)變化方式)被設(shè)定，而如果該絕對(duì)值并不超過(guò)rc，則程序轉(zhuǎn)到工序B12，在工序B12中SW＝0(擾動(dòng)方式)保持不變。應(yīng)當(dāng)注意到，SW的設(shè)定是由判定器4來(lái)進(jìn)行的。
在Wr＝1被設(shè)定的時(shí)刻，特征值采集器2和特征值選擇器5被起動(dòng)運(yùn)行，以便誤差e(i)可以在工序B13、B14、B15和B16中被處理。特別是在工序B14中，特征值選擇器5選擇能夠根據(jù)SW的值來(lái)確定的特征值。
在工序B17中，判定器4也可實(shí)用于判定是否誤差e(i)被設(shè)定。用下述事實(shí)，即誤差e(i)在一預(yù)定時(shí)間保持在一預(yù)定的范圍內(nèi)，就可判定誤差e(i)被設(shè)定。如果e(i)的設(shè)定被確定了，則在工序B18和隨后的幾個(gè)工序中進(jìn)行模糊推理處理。如果e(i)的設(shè)定未被確定，則波形觀測(cè)繼續(xù)進(jìn)行。
在判定誤差設(shè)定的工序結(jié)束后，知識(shí)處理選擇器6根據(jù)SW值而傳送知識(shí)庫(kù)和組成函數(shù)的常數(shù)至模糊推理單元9。更詳細(xì)地說(shuō)，若在工序B18中判定SW＝0，則對(duì)應(yīng)于擾動(dòng)的(組成函數(shù)的)常數(shù)被取出并供給單元9(工序B19)，而若在工序B18中判定出SW＝1，則對(duì)應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)變化的常數(shù)被取出并供給單元9(工序B20)。模糊推理單元9查尋知識(shí)庫(kù)以通過(guò)模糊推理估計(jì)特征值并確定PID常數(shù)的修正系數(shù)KPR、KTI和KTD(工序B21)。接著，模糊推理單元9用所確定的修正系數(shù)乘以當(dāng)前的PID常數(shù)(工序B22)而得到新的PID常數(shù)并把新的PID常數(shù)設(shè)定到PID運(yùn)算器1中(工序B23)。在調(diào)整了PID常數(shù)之后，波形觀測(cè)狀態(tài)的變量Wr被置“0”，變量SW也被置“0”，當(dāng)前設(shè)定點(diǎn)r(i)被置于r(i-1)中(工序B24)，這就完成了波形觀測(cè)和PID常數(shù)推導(dǎo)。在工序B24中參數(shù)的再設(shè)定和修改是利用模糊推理單元9來(lái)完成的。
在另一方案中，上面所說(shuō)明的實(shí)用的PID控制器可用一個(gè)微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
參照?qǐng)D8，其中說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的自校正PID控制器的另一個(gè)實(shí)例。
在圖1的實(shí)施例中，特征值采集器2采集超調(diào)量OV、幅值衰減比DP、振蕩周期比DR和調(diào)整時(shí)間比SR作為特征值。對(duì)方式轉(zhuǎn)換信號(hào)選擇進(jìn)行響應(yīng)的特征值選擇器5在設(shè)定點(diǎn)變化方式期間輸出超調(diào)量OV、幅值衰減比DP和調(diào)整時(shí)間比SR作為特征值;而在施加擾動(dòng)方式期間它輸出超調(diào)量OV、幅值衰減比DP和振蕩周期比DR作為特征值。然而，在圖8的第二個(gè)實(shí)例中，用波峰數(shù)來(lái)代替調(diào)整時(shí)間比SR和振蕩周期比DR。由于在這第二個(gè)實(shí)施例中是用與設(shè)定點(diǎn)變化方式和施加擾動(dòng)方式無(wú)關(guān)的相同的特征值來(lái)設(shè)定PID常數(shù)，在圖1實(shí)施例中要求的特征值選擇器5可以被省掉。因此，按照?qǐng)D8的實(shí)施例，特征值采集器2采集超調(diào)量OV、幅值衰減比DP和波峰數(shù)作為特征值，這些特征值被直接地傳送給模糊推理單元9。
除上述不同點(diǎn)之外，第2個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)是與圖1的實(shí)施例是相同的，在此將不再進(jìn)行說(shuō)明。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，設(shè)置判定器4的目的是用來(lái)判定設(shè)定點(diǎn)變化方式或施加的擾動(dòng)方式中的哪一種方式的，在判定結(jié)果的基礎(chǔ)上PID常數(shù)對(duì)于設(shè)定點(diǎn)變化和擾動(dòng)的抑制二者之中的任一因素都能夠被設(shè)定到合適的值。
有利的是，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)一種自校正控制器，這種控制器能夠這樣地控制過(guò)程，以使在設(shè)定點(diǎn)變化和施加擾動(dòng)或過(guò)程特性變化期間能夠從過(guò)程獲得恰當(dāng)?shù)目刂祈憫?yīng)特性。
權(quán)利要求
1.一種用于過(guò)程控制的自動(dòng)設(shè)定PID常數(shù)的方法包括下列步驟根據(jù)對(duì)一個(gè)過(guò)程(10)的一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與來(lái)自該過(guò)程的一個(gè)被控值之間的誤差采集(2、5)代表對(duì)該過(guò)程可控制的特征值；判定(3、4)在該過(guò)程產(chǎn)生的控制響應(yīng)特性是由于設(shè)定點(diǎn)變化還是由于一個(gè)施加給該過(guò)程的擾動(dòng)所造成的；以及根據(jù)上述特征值和判定結(jié)果確定(6、7、8、9)PID常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)定方法，其中上述PID常數(shù)確定步驟包括從知識(shí)庫(kù)裝置(7、8)中取得PID控制律和用于模糊推理的組成函數(shù);并根據(jù)所取得的PID控制律和模糊推理子函數(shù)來(lái)確定PID常數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)定方法，其中上述的知識(shí)庫(kù)裝置包括一個(gè)用來(lái)儲(chǔ)存PID控制律和適應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)變化的模糊推理組成函數(shù)的第一知識(shí)庫(kù)(7)和一個(gè)用來(lái)儲(chǔ)存PID控制律和適應(yīng)于施加擾動(dòng)的模糊推理組成的函數(shù)的第二知識(shí)庫(kù)(8)，上述的PID常數(shù)確定步驟包括根據(jù)上述的判定步驟中判定的結(jié)果來(lái)選擇該第一和第二知識(shí)庫(kù)二者之一這一步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)定方法，其中所述特征值采集步驟包括采集一組適合于控制一個(gè)由于設(shè)定點(diǎn)變化所造成的響應(yīng)特性的特征值和采集另一組適合于控制一個(gè)由于擾動(dòng)所造成的響應(yīng)特性的特征值，該P(yáng)ID常數(shù)確定步驟包括根據(jù)在所判定步驟中的判定結(jié)果來(lái)選擇該兩組特征值之一的步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)定方法，其中所述判定步驟包括判定該誤差是否超過(guò)一個(gè)預(yù)定值，當(dāng)該誤差被判定是超過(guò)時(shí)，檢測(cè)對(duì)該過(guò)程的該設(shè)定點(diǎn)是否被改變，以及在判定和檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上來(lái)確定該誤差的產(chǎn)生是由于設(shè)定點(diǎn)變化還是由于擾動(dòng)所造成的。
6.一種用于過(guò)程控制的自校正PID控制器，它包括用于根據(jù)對(duì)一過(guò)程(10)的一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與來(lái)自該過(guò)程的一個(gè)被控值之間的誤差來(lái)采集代表對(duì)該過(guò)程的可控性的特征值的裝置(2、5);用于判定在該過(guò)程產(chǎn)生的控制響應(yīng)特性是由設(shè)定點(diǎn)變化還是由施加擾動(dòng)所造成的裝置(3、4);以及用于根據(jù)上述特征值和判定結(jié)果來(lái)確定PID常數(shù)的裝置(6-9)。
7.如權(quán)利要求6所述的自校正PID控制器，其中該P(yáng)ID常數(shù)確定裝置包括用于儲(chǔ)存PID控制律和模糊推理組成函數(shù)的信息的裝置(7、8)以及用于根據(jù)所述信息確定PID常數(shù)的裝置(9)。
8.如權(quán)利要求7所述的自校正PID控制器，其中該知識(shí)庫(kù)裝置包括一個(gè)用于儲(chǔ)存PID控制律和當(dāng)出現(xiàn)設(shè)定點(diǎn)變化時(shí)所用的模糊推理組成函數(shù)的信息的第一知識(shí)庫(kù)(7)，以及包括一個(gè)用于儲(chǔ)存PID控制律和另一些當(dāng)施加擾動(dòng)時(shí)用的模糊推理組成函數(shù)的信息的第二知識(shí)庫(kù)(8)。
9.如權(quán)利要求8所述的自校正PID控制器，其中所述PID常數(shù)確定裝置包括對(duì)該判定裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)的裝置(6)，從而選擇該第一和第二知識(shí)庫(kù)二者之一。
10.如權(quán)利要求6所述的自校正PID控制器，其中所述判定裝置包括裝置(MSW)，后者實(shí)用于手動(dòng)地使過(guò)程控制有可能設(shè)定為設(shè)定點(diǎn)變化方式或施加擾動(dòng)方式。
11.如權(quán)利要求6所述的自校正PID控制器，其中所述特征值采集裝置包括用來(lái)采集適合于控制一個(gè)由于設(shè)定點(diǎn)變化所造成的響應(yīng)特性的特征值和采集適合于控制一個(gè)由于擾動(dòng)所造成的響應(yīng)特性的特征值的裝置(2)，還包括對(duì)該判定裝置進(jìn)行響應(yīng)從而選擇該兩組特征值之一的裝置(5)。
12.如權(quán)利要求6所述的自校正PID控制器，其中該特征值采集裝置包括用來(lái)采集對(duì)由于設(shè)定點(diǎn)變化和施加的擾動(dòng)二者所造成的控制響應(yīng)特性有效的特征值的裝置(2′)。
13.如權(quán)利要求6所述的自校正PID控制器，其中所述判定裝置包括用來(lái)檢測(cè)對(duì)所述過(guò)程的所述設(shè)定點(diǎn)是否被改變的裝置(3)，以及用來(lái)判定所述誤差是否超過(guò)一個(gè)預(yù)定值的裝置(4)，利用裝置(4)，當(dāng)檢測(cè)出該誤差超過(guò)該預(yù)定值和設(shè)定點(diǎn)變化時(shí)，則該誤差的產(chǎn)生就被判定是由于設(shè)定點(diǎn)變化所造成的，而當(dāng)該誤差超過(guò)該預(yù)定值但沒(méi)有檢測(cè)出設(shè)定點(diǎn)變化時(shí)，則該誤差的產(chǎn)生就被判定為是由于施加的擾動(dòng)所造成的。
14.一種用于過(guò)程控制的自校正PID控制器，它包括裝置(2、5)用來(lái)根據(jù)對(duì)一個(gè)過(guò)程(10)的一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與來(lái)自該過(guò)程的一個(gè)被控值之間的誤差來(lái)采集代表對(duì)該過(guò)程的可控性的特征值;裝置(3、4)用來(lái)判定在該過(guò)程產(chǎn)生的控制響應(yīng)特性是由于設(shè)定點(diǎn)變化或由于所施加的擾動(dòng)所造成的;裝置(6-9)用來(lái)根據(jù)該特征值和判定的結(jié)果來(lái)程定PID常數(shù);及裝置(1)用來(lái)根據(jù)該P(yáng)ID常數(shù)來(lái)計(jì)算出一個(gè)對(duì)該過(guò)程的被操作值。
15.一種自校正PID控制器，它實(shí)用于根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的PID常數(shù)從過(guò)程(10)的控制響應(yīng)特性確定代表對(duì)該過(guò)程的可控性的特征值，以及實(shí)用于從所確定的特征值自動(dòng)導(dǎo)出和設(shè)定新的PID常數(shù)，該控制器包括裝置(2、5)用來(lái)根據(jù)從該過(guò)程的一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與來(lái)自該過(guò)程的一個(gè)被控值之間的誤差來(lái)采集代表(對(duì)該過(guò)程的)可控性的特征值;裝置(3、4)用來(lái)判定來(lái)自該過(guò)程的控制響應(yīng)特性是由于一個(gè)設(shè)定點(diǎn)變化還是由于一個(gè)施加的擾動(dòng)所造成的;以及PID常數(shù)確定裝茫 、7、8、9)，它們用來(lái)根據(jù)所述特征值來(lái)導(dǎo)出PID常數(shù)，該確定裝置包括一個(gè)用來(lái)確定相應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)變化的PID常數(shù)的第一確定單元(7、9)，一個(gè)用來(lái)確定相應(yīng)于施加的擾動(dòng)的PID常數(shù)的第二確定單元(8、9)，以及用來(lái)根據(jù)來(lái)自該判定裝置的判定結(jié)果來(lái)選擇第一和第二確定單元二者之一的裝置(6)。
16.如權(quán)利要求15所述的自校正PID控制器，其中所述采集裝置包括裝置(2)，后者用于從該誤差的一個(gè)波形中采集一個(gè)超調(diào)量、一個(gè)幅值衰減比和一個(gè)振蕩周期比或一個(gè)調(diào)整時(shí)間比，所述PID常數(shù)確定裝置包括裝置(9)，后者用來(lái)通過(guò)模糊推理從該特征值導(dǎo)出該P(yáng)ID常數(shù)。
17.如權(quán)利要求15所述的自校正PID控制器，其中該采集裝置包括裝置(2)，后者用來(lái)從該誤差的一個(gè)波形中采集一個(gè)超調(diào)量、一個(gè)幅值衰減比和一個(gè)上升時(shí)間。
全文摘要
PID控制方法和PID控制器，用來(lái)從一個(gè)過(guò)程的控制響應(yīng)特性確定代表可控性的特征值，并自動(dòng)地從所確定的特征值導(dǎo)出和設(shè)定PID常數(shù)。一個(gè)設(shè)定點(diǎn)與一個(gè)被控值之間的誤差被判定是由設(shè)定點(diǎn)變化還是由擾動(dòng)所造成的，并根據(jù)判定的結(jié)果來(lái)設(shè)定PID常數(shù)。
文檔編號(hào)G05B13/00GK1036845SQ89102070
公開(kāi)日1989年11月1日 申請(qǐng)日期1989年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月7日
發(fā)明者高橋進(jìn), 立花幸治, 斎忠良 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所