專利名稱：用于過程檢測系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于各種過程檢測系統(tǒng)中的控制裝置，特別是，涉及這樣一種控制裝置，當操作變量偏離上限、下限值和變化率限制值之一時，它控制速度型I控制輸出而又不略去速度型PD控制輸出或速度型P控制輸出，這樣，操作變量能夠與實際過程中的各種限制條件相適應(yīng)。
PID(P比例，I積分，D微分)控制裝置廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的檢測系統(tǒng)中，對工廠過程控制的檢測系統(tǒng)來說是必不可少的，用于PID控制裝置的PID計算方法分為模擬和數(shù)字的計算方法兩種，目前的PID控制裝置很多使用數(shù)字計算方法。
PID計算方法中一種PID算法的基本公式是MV＝KP｛e+(1/TI)∫edt+TD(de/dt)+MVo｝(1)這里，MV是操作變量，e是偏差，Kp是比例增益系數(shù)，TI是積分時間，TD是微分時間，MVO是操作變量的初始值。
采用基本公式(1)的數(shù)字計算方法有預定的采樣周期τ，在每一采樣周期τ中進行采樣以得到執(zhí)行計算所必需的數(shù)據(jù)，所以，如果當前的采樣時刻用nτ表示(n為整數(shù))，則前一次采樣時刻為(n-1)τ，在當前采樣時刻從控制系統(tǒng)得到的偏差可由en表示，而在前一次采樣時刻的偏差可由en-1表示數(shù)字計算方法也有兩種，一種是位置計算方法，另一種是速度型計算方法。在位置計算方法中，每一采樣周期中直接計算出總的操作變量MVn，在速度型計算方法中，在每一采樣周期中，計算出即時操作變量的變化△MVn，該變化△MVn加到前面的操作變量MVn-1上，由此得到當前的操作變量。
所以，當用PID算法的基本公式(1)來進行位置計算方法時，操作變量MVn表示為MVn=Kp{en+(τ/T1)Σi=1nei+(TD/τ)(en-en-1)}....(2)]]>在速度型計算方法中，操作變量MVn表示為△MVn＝Kp｛(en-en-1)+(Cτ/TI)en+(TD/τ)(en-2en-1+en-2)｝(3a)MVn＝MVn-1+△MVn(3b)下面對這兩個公式，即公式(2)和包括式(3a)和(3b)的公式(3)加以比較。
由公式(3)給出的速度型PID算法具有下列特點(a)積分項中沒有3∑，計算得以簡化;
(b)在手動和自動方式之間進行切換時，把在當前的手動操作中得到的操作變量代替等式(3b)中的MVn-1，隨后，選擇自動控制方式，將從下次采樣時刻得到的變化量△MVn加到變量MVn-1上，這樣，控制可繼續(xù)進行，從而，手動-自動開關(guān)可容易地實現(xiàn)平穩(wěn)的切換;
(c)可以容易地完成積分飽和的重新調(diào)節(jié)，以及(d)由于只需得到操作變量的變化，增益系數(shù)容易修正，易于進行處理其它變量的復雜計算。
所以，速度型PID計算方法常用于采用計算機的DDC(直接數(shù)字控制)中。
計算方法在這類控制裝置中，不論應(yīng)用哪一種模擬計算方法、位置數(shù)字計算方法或速度型數(shù)字計算方法，當操作變量變得太大或太小時，工廠都處于危險狀態(tài)，因此操作變量具有上限和下限值。由于使下游過程、受控系統(tǒng)的運行終端或蒸汽、燃料、水、空氣等控制量發(fā)生突變是不利的，所以，在操作變量加到控制信號中時對操作變量的變化率給出一定限制。為了控制系統(tǒng)的安全，必須按照各種限制條件和受控系統(tǒng)的特性，以及用戶對控制的要求，用上限/下限制裝置和變化率限制裝置來規(guī)定操作變量的適當幅度和變化率，以此來對其加以限制。


圖1是一種傳統(tǒng)的速度型PID控制裝置的方框圖。在該裝置中，一偏差計算裝置1從當前目標值SVn中減去受控系統(tǒng)2的當前過程變量PVn，所得到的偏差en送到速度型PID控制裝置3，該速度型PID控制裝置3執(zhí)行由等式(3a)給定的控制計算，輸出速度型PID控制輸出△MVn，該速度型PID控制輸出△MVn送到變化率限制裝置4，被限制在一預定的變化率范圍內(nèi)，由此產(chǎn)生輸出△MVn′，該輸出△MVn′隨后送至具有上限和下限的速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5，被限制在預定的上限和下限值的范圍內(nèi)，該速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5執(zhí)行等式(3b)的計算，即MVn＝MVn-1+△MVn′所得到的操作變量MVn加到受控系統(tǒng)2，這樣，受控系統(tǒng)被控制為偏差en＝0，即SVn＝PVn。
如上所述，當PID控制裝置用于一個實際的過程控制系統(tǒng)時，操作變量由于目標值SVn的突變或過程變量PVn由于干擾等產(chǎn)生的突變而被顯著改變，結(jié)果，受控系統(tǒng)被給予突變或過度的操作量，使運行終端和管道系統(tǒng)受到損害和使用壽命下降，而且，該受控系統(tǒng)2的上游過程和下游過程也受到不利影響。為了避免上述情形發(fā)生，該PID控制裝置包括變化率限制裝置4和速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5，以便對操作變量給出變化率限制及上限和下限，該PID控制裝置用這些裝置控制操作變量，這樣，受控系統(tǒng)2能夠與各種限制條件相適應(yīng)。
圖1所示的控制裝置對操作變量給出變化率限制及上限和下限限制，但是，這種限制方法沒有保持“PID控制的精髓或?qū)嵸|(zhì)”，結(jié)果，當限制操作變量時，出現(xiàn)下列工業(yè)上不利的副作用。
(1)當偏差en階梯地變化或脈動變化且PID控制輸出△MVn達到超出上限值的最高點時，操作變量由速度型PID控制裝置3的P或D操作而從其上限超過點返回，結(jié)果，導致控制錯誤或安全性下降。這是工業(yè)應(yīng)用上的一個嚴重缺點。
下面詳細敘述這一缺點的原因。圖1中，例如，當偏差en階梯地變化時，P+D操作主要在變化開始時起作用，當在這情形下全無限制時，操作變量MVn表現(xiàn)出圖2中的曲線(a)，但是，實際上，操作變量MVn由上限值H限制，其Y段轉(zhuǎn)換成一個速度型信號，D操作的下降部分直接從操作變量MVn減去，結(jié)果，操作變量MVn表現(xiàn)得如圖2中曲線(b)所示，盡管如圖2中曲線(c)所示是較好的，操作變量MVn實際上是從超過上限點大幅度地返回的。即，PD控制在反方向上作用，結(jié)果，發(fā)生控制錯誤。在操作變量下降到形成安全問題的區(qū)域后，操作變量才在I操作下慢慢返回到正常狀態(tài)。
(2)即使操作變量超過上限或下限值，并且偏差en較大，當目標值SVn、過程變量PVn等略微起伏時，則操作變量在限制值附近變化。下面解釋這一變化的原因。假定操作變量由速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5限制，但是偏差en在例如圖3中的負區(qū)域中略微起伏，此時，當變化率限制裝置4的輸出△MVn′變化到落入該限制范圍內(nèi)時，速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5就改變輸出MVn，以接收輸出△MVn′。
(3)當偏差en階梯地變化或脈動變化，并且操作變量超出變化率限制值時，速度型P和D操作信號被略去，如上所述，操作變量由D操作返回，并由I操作而靠近目標值SVn。這樣，控制響應(yīng)時間就顯著地延長，造成工業(yè)應(yīng)用上嚴重的缺陷。
下面解釋該缺陷的原因。變化率限制裝置4由限制速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5的單位修正量，并略去P+D操作中的第一次變化，因為變化率限制裝置4減去變化率限制范圍內(nèi)的D操作所產(chǎn)生的下降，所以操作變量MV暫時下降，隨后僅由I操作而增大并飽和，如圖4中曲線(d)的MV。同時控制響應(yīng)PV暫時作出相反的響應(yīng)，隨后僅由I操作慢慢增大并飽和，如圖4中曲線(e)的PV，從而造成很長的控制響應(yīng)時間。
在傳統(tǒng)的控制裝置中，當操作變量的變化超過變化率限制值或上限或下降限制值，并返回到限制范圍中去時，會進行不適當?shù)男盘柼幚?，在實際應(yīng)用中造成嚴重的缺陷。
這類PID控制裝置廣泛用于各個領(lǐng)域的控制，如工廠檢測設(shè)備，并成為這種控制的基礎(chǔ)，而在將來要實現(xiàn)高級的工廠運行，如具有適應(yīng)性的、最優(yōu)化的或超自動化的工廠運行，操作變量的變化率限制及上限和下限限制則是必不可少的，因此對這些限制功能提出了更高的要求。
本發(fā)明的目的是提供一種控制裝置，它能夠在PI或PID控制輸出超出預定的上限或下限值或預定的變化率限制值時，執(zhí)行保持PID控制的本質(zhì)(精髓)的信號處理，能夠確保優(yōu)良的可控制性和快速的響應(yīng)時間，以及，能夠保證穩(wěn)定性和安全性。
為了達到上述目的，本發(fā)明的控制裝置包括偏差裝置，用于計算從受控系統(tǒng)得到的過程變量與目標之間的偏差，并輸出該偏差;
第一控制裝置，用于接收該偏差，執(zhí)行速度型I控制計算，并輸出第一計算輸出，該第一控制裝置包括用來輸出該第一計算輸出的輸出裝置，以及，用來有選擇地停止輸出該第一計算輸出的停止裝置;
第二控制裝置，用于接收該偏差，執(zhí)行速度型P或PD控制計算，并輸出第二計算輸出;
求和裝置，用于接收第一和第二計算輸出，對第一和第二計算輸出求和，并輸出一個速度型操作變量;
位置信號轉(zhuǎn)換裝置，用于把該速度型操作變量轉(zhuǎn)換成位置操作變量，并輸出該位置操作變量;
限制裝置，用于接收位置操作變量，限制該位置操作變量的大小，使其落入預定的上限和下限值之間的范圍內(nèi)，把該位置操作變量的變化率限制在一個預定的變化速率限制值內(nèi)，并輸出受限制的操作變量，該受限制的操作變量被送到受控系統(tǒng);以及，限制-偏差判別裝置，用于接收位置操作變量和受限制的操作變量，并判別該位置操作變量是否偏離上限、下限值和變化率限制值中至少一個，當該限制-偏差判別裝置在確定操作變量有偏離后，對停止裝置提供一用來停止對求和裝置提供第一計算輸出的信號;并停止求和裝置的求和操作，由此，把速度型操作變量置于保持狀態(tài)。
在最佳實施例中，限制-偏差判別裝置包括偏差判別裝置，用來判別操作變量是否超過上限、下限值和變化率限制值中至少一個，并且，當操作變量超過限制值之一時，輸出一個偏差信號;
符號鑒別裝置，用來接收偏差信號和第一計算輸出，鑒別偏差信號和第一計算輸出是否有著相同的符號，并輸出相同或不同符號鑒別信號之一;以及，求和操作判別裝置，用來接收偏差信號和相同或不同的符號鑒別信號，并響應(yīng)于偏差信號和不同符號鑒別信號對停止裝置提供一個第一信號，以使求和裝置繼續(xù)求和操作，以及，響應(yīng)于偏差信號和相同的符號鑒別信號，對停止裝置提供一個第二信號，以使求和裝置停止求和操作，把速度型操作變量置于保持狀態(tài)。
按照本發(fā)明，為了使目標值與來自受控系統(tǒng)的過程變量之間的偏差為零，用PI或PID控制裝置執(zhí)行控制計算以獲得速度型PI或PID控制輸出，該速度型控制輸出被轉(zhuǎn)換成一個位置信號，由此得到位置操作變量。然后，位置操作變量加到受控系統(tǒng)以對其進行控制。在此情形下，位置操作變量的大小和變化率分別由上限/下限限制裝置和變化率限制裝置限制，以落入預定范圍，這樣，使受限制的操作變量加到受控系統(tǒng)。
在該信號處理系統(tǒng)中，限制-偏差判別裝置判別位置操作變量的變化是否超出由上限/下限限制裝置確定的上限和下限值以及由變化率限制裝置確定的變化率限制值，當操作變量超出這些限制值之一時，停止求和操作，求和控制部件被置于保持狀態(tài)。
需要注意的是，限制-偏差判別裝置判別位置操作變量的變化是否超出由上限/下限限制裝置確定的上限和下限值以及由變化率限制裝置確定的變化率限制值之一，而且，也判別該超出限制的信號的符號是否與速度型I控制輸出相同。如果確定操作變量超出上限/下限限制裝置的上限、下限值和變化率限制裝置的變化率限制值之一，并且其符號與速度型I控制輸出不同，則繼續(xù)求和操作，如果判別出該符號與速度型I控制輸出相同，則停止求和操作，并把求和控制部件置于保持狀態(tài)。
按照本發(fā)明，即使對操作變量任意給定上限、下限值或變化率限制值，也不會略去速度型P或D控制輸出，所以，能夠消除已有技術(shù)中的缺陷，實現(xiàn)具有高度可控制性的穩(wěn)定和安全的控制，結(jié)果，可加強工廠檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
此外，如果適當?shù)剡x擇正常的求和進行模式和停止模式之一，則能夠迅速判別操作變量的變化狀態(tài)，并使目標值的變化穩(wěn)定。
在工廠運行控制的未來發(fā)展中，如適應(yīng)性的、最優(yōu)化的、或超自動化的工廠運行控制中有效地使用上限、下限值或變化率限制是十分重要的，由于本發(fā)明的裝置能有效地使用這些限制，并消除已有技術(shù)中的問題，所以，能夠?qū)I(yè)領(lǐng)域作出貢獻。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將在下面的敘述中闡述，其中一部分將從該敘述而變得顯而易見，或由本發(fā)明的實踐得知，本發(fā)明的優(yōu)點和目的可用在權(quán)利要求書中特別指出的手段和手段的結(jié)合來實現(xiàn)和獲得。
作為說明書的一部分的附圖表示本發(fā)明的最佳實施例，它們與上面給出的概述和下面給出的最佳實施例的詳細敘述一起用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1 是一種已有的控制裝置的方框圖，圖2 是用來比較當目標值改變時傳統(tǒng)的控制裝置和本發(fā)明控制裝置的操作變量的特性的圖，圖3 是表示操作變量在限制值附近變化的情形的圖，圖4 是用來比較當目標值階梯地變化時傳統(tǒng)的控制裝置和本發(fā)明控制裝置中操作變量和過程變量的響應(yīng)時間的圖，圖5 是表示按照本發(fā)明的第一個實施例的控制裝置的方框圖，圖6 是按照本發(fā)明的第二個實施例的控制裝置的方框圖，圖7 是按照本發(fā)明的第三個實施例的控制裝置的方框圖，圖8 是按照本發(fā)明的第四個實施例的控制裝置的方框圖，圖9 是按照本發(fā)明的第五個實施例的控制裝置中的限制-偏差判別裝置和偏差判別裝置的方框圖。
在敘述本發(fā)明的實施例之前，先回顧一下PID控制，速度型PID算法對過程測量系統(tǒng)來說是必不可少的，但是，為了適合未來的復雜和高級的測量系統(tǒng)，消除這種速度型PID算法的缺陷是十分重要的。
下面分析所謂“PID控制的實質(zhì)”即分析哪一種處理過程對PID控制計算是有效的。PID方法的特點根據(jù)PID的基本公式(1)來進行分析歸納于下表
由表中可見，從“保持PID控制的實質(zhì)”的觀點來說，當操作變量的變化超過上限或下限值，或變化率限制值時，可以略去速度型I控制輸出，但是，無論如何都不可以略去速度型P或D控制輸出。即，當速度型P或D控制輸出被略去時，“PID控制的實質(zhì)”就被丟失，從而就會成問題。
在這方面，在傳統(tǒng)的裝置中，當操作變量的變化超出變化率限制值時，變化率限制裝置4就略去大部分變型P+D控制輸出，而且，具有上限和下限的速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置5又略去了大部分速度型P+D控制輸出，所以，在傳統(tǒng)的裝置中，“PID控制的實質(zhì)”不再能保持，這就引起種種缺陷。
本發(fā)明的控制裝置基本上采用速度型PID算法，通過安排它能夠?qū)ι鲜霰砀袼镜男盘柼幚肀３窒拗疲⒃诓僮髯兞砍鲱A定的上限或下限變化率限制值時能夠保持“PID控制的實質(zhì)”。
下面參照圖5敘述按照本發(fā)明的控制裝置的第一個實施例。通常PI控制裝置不包括D操作，但是，本實施例以PID控制裝置為例。圖5中，偏差計算裝置11從當前目標值SVn減去受控系統(tǒng)12的當前過程變量PVn，由此得到偏差en。計算裝置10包括用來根據(jù)該偏差en由速度型I操作得到一I控制輸出△In的一個速度型I控制裝置13，以及用來有選擇地停止該速度型I控制裝置13的輸出的一個開關(guān)裝置23，當接收到偏差en時，速度型PD控制裝置14由速度型P和D操作而得到P+D控制輸出△Pn+△Dn，從這些控制裝置13和14出來的輸出由一個加法(積分)裝置15相加(積分)，所得到的速度型PID和控制信號△MVn輸入到一個速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置16，該信號轉(zhuǎn)換裝置16把速度型PID“和”控制信號轉(zhuǎn)換成PID控制信號(也稱為操作變量)MVn，該位置PID控制信號MVn經(jīng)上限/下限制裝置17和變化率限制裝置18轉(zhuǎn)換成受限制的操作變量MVn′，前一裝置用來用預定的上限和下限值限制位置PID控制信號，后一裝置用來由預定的變化率限制該位置PID控制信號，該受限制的操作變量MVn′控制受控系統(tǒng)12。
一個限制-偏差判別裝置20接收位置PID控制信號MVn和受限制的操作變量MVn′，并判別位置PID控制信號MVn是否偏離上限/下限制裝置17的上限/或下限值或變化率限制裝置18和變化率限制值，該限制-偏差判別裝置20包括一個減法裝置21和一個零鑒別裝置22，減法裝置21從位置PID控制信號MVn中減去受限制的操作變量MVn′，零鑒別裝置22鑒別減法裝置21的輸出是一個幾乎為零的信號還是一個不為零的信號。更具體地說，該零鑒別裝置22鑒別操作變量MVn是否超出限制器17和18的上限或下限或變化率限制值。零鑒別裝置22的輸出信號輸入到置于速度型I控制裝置13和加法裝置15之間的開關(guān)裝置23，如果零鑒別裝置22的輸出信號幾乎為零，則開關(guān)裝置23閉合，加法裝置15執(zhí)行正常積分操作，如果零鑒別裝置22的輸出信號不為零，則開關(guān)裝置23被禁止，加法裝置15停止積分操作。
下面敘述上述裝置的工作。偏差計算裝置11從當著目標值SVn減去當前過程變量PVn，得到這兩個值的偏差enen＝SVn-PVn該偏差en輸入到速度型I和PD控制裝置13和14。
速度型I控制裝置13計算下式，輸出一個速度型I控制輸出△In△In＝Kp·(TI/τ)·en(4)該速度型I控制輸出△In經(jīng)被允許的開關(guān)裝置23輸入到加法裝置15。
速度型PD控制裝置14進行速度型P和D控制計算，即△Pn＝Kp(en-en-1) (5)△Dn＝Kp·(TI/τ)(en-2en-1+en-2) (6)并且，綜合△Pn和△Dn以得到輸出△Pn+△Dn，該輸出△Pn+△Dn送到加法裝置15，加法裝置15把△In和△Pn+△Dn相加以得到速度型PID控制計算信號，該信號由下式表示△MVn＝△Pn+△Dn+△In′ (7)該裝置信號△MVn送到速度-位置信號轉(zhuǎn)換裝置16，并且，當執(zhí)行下列運算而被轉(zhuǎn)換成位置PID控制信號MVnMVn＝MVn-1+△MVn (8)位置PID控制信號MVn經(jīng)用來把信號限制在預定的上限和下限的上限/下限限制裝置17和用來把信號限制在預定的變化率的變化率限制裝置18而加到受控系統(tǒng)12，由此控制受控系統(tǒng)12，使偏差e＝0，即SVn＝PVn。所以，在這一裝置中，因為速度型P和D控制信號未被略去，所以，即使控制信號△MVn在轉(zhuǎn)換成位置信號后超出限制值“PID控制的實質(zhì)”也能夠保持。
限制-偏差判別裝置20從上限/下限限制裝置17取得前一個輸入信號值MVn-1，以及變化率限制裝置18的前一個輸出信號值MVn-1′，減法裝置21執(zhí)行下列運算，輸出減法輸出
減法輸出
送到其后的零鑒別裝置22，零識別裝置22鑒別來自減法裝置21的信號是否為零。
零信號鑒別裝置22鑒別出位置PID控制信號即操作變量MVn即不超出上限和下限值也不超出變化率限制值，允許開關(guān)裝置23閉合，執(zhí)行所謂的正常積分操作;所以，受限制的執(zhí)行速度型I控制信號△In′為△In′＝△In＝Kp·(τ/TI)·en(B)若△MVn-1≠0，零信號鑒別裝置22鑒別出操作變量MVn超出上限、下限值和變化率限制值之一，禁止開關(guān)裝置23，停止積分操作，所以，受限制的執(zhí)行速度型I控制信號△In′為△In′＝0這樣，僅執(zhí)行積分操作。
下面參照圖6敘述按照本發(fā)明的第二個實施例的控制裝置，圖6中與圖5相同的標號表示與圖5中同樣的部分，并略去對相同部分的詳細敘述。該實施例改進了限制-偏差判別裝置20，該實施例的限制-偏差判別裝置20有著在使速度型I控制輸出△In落入限制范圍的條件被滿足時使超出上限和下限值以及變化率限制值之一的速度型I控制輸出△In迅速落入限制范圍內(nèi)的功能，該實施例的限制-偏差判別裝置20還具有下列功能，即，當受限制的值△MV和速度型I控制信號△In＝Kp·(τ/T1)·en的正負符號相同時，執(zhí)行正常的積分操作，以防止速度型I控制輸出△In持續(xù)超出限制值即上限或下限值之一，如果正負不相同，則停止積分操作。
下面詳細敘述該實施例。限制-偏差判別裝置20包括-偏差判別裝置30、符號鑒別裝置24和積分操作判別裝置25。偏差判別裝置30包括一減法裝置21，和零鑒別裝置22，用來判別位置PID控制輸出MVn是否超出上限和下限值以及變化率限制值之一。符號鑒別裝置24鑒別速度型I控制裝置13的速度型I控制輸出△In與減法裝置21的輸出
是否有著同樣的符號。如果零鑒別裝置22的輸出超出任一限制值，并且符號鑒別裝置24鑒別出△In與
有著不同的符號，則積分操作判別裝置25確定速度型I控制輸出△In是處于消除限制的方向，由此允許開關(guān)裝置23接通，如果△In和
有著同樣的符號，則積分操作判別裝置25禁止開關(guān)裝置23。當然，若位置PID控制輸出MVn不超出任一上限、下限值和變化率限制值，則積分操作判別裝置25允許開關(guān)裝置23接通。
下面敘述圖6中裝置的工作情形。
(a)如果位置PID控制輸出，即操作變量MVn，不超出上限、下限值和變化率限制值中任何一個時，它能夠直接通過上限/下限限制裝置17和變率率限制裝置18，所以，減法裝置21的輸出為
此時，積分操作判別裝置25確定可進行正常積分操作，并輸出允許(啟動)控制信號以允許開關(guān)裝置23接通，結(jié)果，△In′＝△In＝Kp·(τ/TI)×en這樣，就進行積分操作(b)如果操作變量MVn超出上限、下限值和變化率限制值之一，則減法裝置21的輸出為
這樣，零鑒別裝置22輸出一個表明為不零的信號，即，一個指出操作變量MVn超出上限、下限值和變化率限制值之一的信號送到積分操作判別裝置25。符號鑒別裝置24比較位置PID控制輸出△In和減法輸出
的符號，若這些輸出的符號不同，則裝置24對積分操作判別裝置25輸出一個表明該情形的信號，結(jié)果，積分操作判別裝置25確定進行正常積分操作，因為盡管位置PID控制輸出MVn超出上限、下限和變化率限制值之一，但它是處于消除限制的方向。類似地，輸出一個允許控制信號以允許開關(guān)裝置23接通。所以，在此情形下，執(zhí)行由下式給出的正常積分操作△In′＝△In＝Kp·(τ/TI)×en(c)如果操作變量MVn超出上限、下限和變化率限制值之一，并且符號鑒別裝置24確定這兩個輸出符號相同，則積分操作判別裝置25決定停止積分操作，并禁止開關(guān)裝置23，結(jié)果，△In′＝0這樣，停止積分操作。
按照本發(fā)明的設(shè)計，如果操作變量偏離預定的上限、下限值和變化率限制之一，僅在需要時才略去速度型I控制輸出，而不略去速度型P或D控制輸出。所以，“PID控制的實質(zhì)”能夠可靠保持，可防止如傳統(tǒng)的裝置中那種操作變量的回沖現(xiàn)象，結(jié)果，可確保高度的可控性，并極大地改善安全性和穩(wěn)定性。
這樣，當偏差en階梯地變化時，操作變量表現(xiàn)出如圖2中曲線(c)那樣，可得到所希望的MV。
如果目標值SVn階梯地變化，則得到圖4中的響應(yīng)。具體地說，因為未略去速度型P和D控制信號，MV和PV如圖4中曲線(f)和(g)那樣變化，與傳統(tǒng)的裝置相比，可顯著縮短響應(yīng)時間。
在圖6所示的第二個實施例中，當操作變量偏離上限或下限或變化率限制值時，如果操作變量處于消除方向，則執(zhí)行積分操作，所以操作變量能夠迅速設(shè)定到目標值。
下面參考圖7敘述本發(fā)明第三個實施例的控制裝置。在第一個實施例中，以PID控制計算為例，本發(fā)明可以類似地用于PI控制計算，這時，可以用一個速度型P控制裝置32來代替圖5中的速度型PD控制裝置14。
下面參考圖8敘述本發(fā)明第四個實施例的控制裝置。在第二個實施例中，以PID控制計算為例，本發(fā)明可以類似地用于PI控制計算，這時，可以用一個速度型P控制裝置32來代替圖6中的速度型PD控制裝置14。
下面參考圖9敘述本發(fā)明的第五個實施例。該實施例中，由一個或門34來檢測操作變量是否超出上限或下限值或變化率限制值。比較器36比較上限/下限裝置17的輸入信號和上限值H，即90%，比較輸出送入或門34，比較器38比較上限/下限限制裝置17的輸入信號和下限值L，即10%，比較輸出送入或門34。變化率限制裝置18的輸入和輸出都送到減法器40，以得到差值信號，該差值信號送到一絕對值電路42以得到該差值信號的絕對值信號。該絕對值信號送到比較器44的第一端，變化率限制裝置18的限制值，即5%，送到比較器44的第二端。比較器44的輸出輸入到或門34，該或門34能夠提供與圖5中第一個實施例的限制-偏差判別裝置20的輸出等同的輸出，或是與圖6中第二個實施例的偏差判別裝置30的輸出等同的輸出。響應(yīng)于或門34的輸出，可以控制開關(guān)裝置23。
上述每一實施例中，都由禁止開關(guān)裝置23停止△In＝Kp·(τ/TI)·en不作為積分項。但是，開關(guān)裝置23可以作如下修改。即，積分時間TI可設(shè)定為一很大的值以等效地得到△In＝0，由此停止積分操作。開關(guān)裝置23也可以這樣變化，那積分項計算中所用的Kp、τ和en都被強迫置零。
在實施例中，用完整的微分操作被作為微分操作的盒子，不過也可以采用不完整的微分操作。
上述每一實施例中，一位置操作變量經(jīng)上限/下限限制裝置17輸入到變化率限制裝置18，但是，位置操作變量可以經(jīng)變化率限制裝置18輸入到上限/下限限制裝置17。
對熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，容易增加其它優(yōu)點和作出種種修改，所以，本發(fā)明并不限于上述特定的細節(jié)和上面所畫出和描述的代表性器件，這種種增加或修改仍落在由權(quán)利要求書及其等同物所闡述的總的發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于過程檢測系統(tǒng)的控制裝置，包括偏差裝置，用于計算受控系統(tǒng)的過程變量與目標值之間的偏差，并輸出該偏差；第一控制裝置，用于接收該偏差，執(zhí)行速度型Ⅰ控制計算，輸出一個第一計算輸出，所述第一控制裝置包括用來輸出該第一計算輸出的輸出裝置，以及，用來有選擇地停止輸出該第一計算輸出的停止裝置；第二控制裝置，用于接收該偏差，執(zhí)行速度型P或PD控制計算，并輸出一個第二計算輸出；加法(求和)裝置，用于接收第一和第二計算輸出，把第一和第二計算輸出相加，并輸出一個速度型操作變量；位置信號轉(zhuǎn)換裝置，用于把速度型操作變量轉(zhuǎn)換成位置操作變量，并輸出該位置操作變量；限制裝置，用于接收位置操作變量，限制位置操作變量的大小，使其落入預定的上限和下限值之間的范圍內(nèi)，把位置操作變量的變化率限制在預定的變化率限制值內(nèi)，并輸出一個受限制操作變量，該受限制的操作變量被送到所述的受控系統(tǒng)；以及，限制-偏差判別裝置，用于接收位置操作變量和受限制的操作變量，并判別位置操作變量是否偏離上限、下限值和變化率限制值中至少一個限制值，當所述限制-偏差判別裝置確定操作變量偏離時，所述限制-偏差判別裝置對所述停止裝置提供一個信號，用以停止向所述加法(求和)裝置提供第一計算輸出，并停止所述加法(求和)裝置的加法操作，由此把速度型操作變量置于保持狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的限制-偏差判別裝置包括減法裝置，用于接收位置操作變量和受限制的操作變量，并輸出位置操作變量與受限制的操作變量之間的差值信號;以及，零鑒別裝置，用于鑒別該差值信號是否為零，當差值信號不為零時，所述零鑒別裝置產(chǎn)生偏差信號。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，所述限制-偏差判別裝置包括第一比較裝置，用于接收位置操作變量和上限值，比較位置操作變量與上限值，并輸出一個第一比較信號;第二比較裝置，用于接收位置操作變量和下限值，比較位置操作變量與下限值，并輸出一個第二比較信號;減法裝置，用于接收位置操作變量和受限制的操作變量，并輸出位置操作變量與受限制的操作變量之間的差值信號;絕對值裝置，用于接收該差值信號，并把該差值信號轉(zhuǎn)換成一個絕對值;第三比較裝置，用于接收該絕對值和變化率限制值，比較該絕對值與變化率限制值，并輸出一個第三比較信號;或裝置，用于接收第一、第二和第三比較信號，并輸出第一、第二和第三比較信號的邏輯和;以及，當該邏輯和表明位置操作變量偏離上限、下限值和變化率限制值中至少一個時，所述限制-偏差判別裝置對所述停止裝置提供一個用來停止向所述加法裝置提供第一計算輸出的信號，以停止所述加法(求和)裝置的加法操作，由此把速度型操作變量置于保持狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，所述限制-偏差判別裝置包括偏差判別裝置，用于判別操作變量是否超出上限、下限值和變化率限制值中的至少一個值，并且，當操作變量超出限制值之一時，輸出一個偏差信號;符號鑒別裝置，用于接收偏差信號和第一計算輸出，鑒別偏差信號與第一計算輸出的符號是否相同，并輸出相同和不同符號鑒別信號之一;以及，積分操作判別裝置，用于接收偏差信號和相同或不同符號鑒別信號，響應(yīng)于偏差信號和不同符號鑒別信號對所述停止裝置提供使所述加法裝置繼續(xù)加法操作的第一信號，響應(yīng)于偏差信號和相同符號鑒別信號對所述停止裝置提供使所述加法裝置停止加法操作的第二信號，并把速度型操作變量置于保持狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，所述偏差判別裝置包括減法裝置，用于接收位置操作變量和受限制的操作變量，并輸出位置操作變量與受限制的操作變量之間的差值信號;以及，零鑒別裝置，用于鑒別該差值信號是否為零，所述零鑒別裝置當差值信號不為零時，產(chǎn)生偏差信號。
6.如權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，所述偏差判別裝置包括第一比較裝置，用于接收位置操作變量和上限值，比較位置操作變量與上限值，并輸出一個第一比較信號;第二比較裝置，用于接收位置操作變量和下限值，比較位置操作變量與下限值，并輸出一個第二比較信號;減法裝置，用于接收位置操作變量和受限制的操作變量，并輸出位置操作變量與受限制的操作變量之間的差值信號;絕對值裝置，用于接收該差值信號，并把差值信號轉(zhuǎn)換成一個絕對值;第三比較裝置，用于接收該絕對值和變化率限制值，比較該絕對值與變化率限制值，并輸出一個第三比較信號;或裝置，用于接收第一、第二和第三比較信號，并輸出第一、第二和第三比較信號的邏輯和;以及當該邏輯和表明位置操作變量偏差上限、下限值和變化率限制值中至少一個時，所述偏離判別裝置產(chǎn)生偏離信號。
7.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，所述限制裝置包括上限/下限限制裝置，用于把位置操作變量的大小限制在預定的上限和下限值的范圍內(nèi);以及，變化率限制裝置，用于把位置操作變量的變化率限制在預定的變化率限制值內(nèi)。
全文摘要
一種用于各種過程檢測系統(tǒng)中的控制裝置，當操作變量偏離上限、下限值和變化本限制值之一時，它控制速度型I控制輸出而又不略去速度型PD控制輸出或速度型P控制輸出，這樣，操作變量能夠與實際過程中的各種限制條件相適應(yīng)。
文檔編號G05B11/42GK1048609SQ9010450
公開日1991年1月16日 申請日期1990年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月7日
發(fā)明者広井和男 申請人:東芝株式會社