專利名稱：二自由度型前饋調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于自動調(diào)節(jié)技術(shù)領域，特別是一種二自由度型前饋調(diào)節(jié)器。
已公開的二自由度型控制系統(tǒng)專利申請?zhí)?1109572.1，發(fā)明人日本國廣井和男，實施例的示意框圖示于

圖1，說明圖1的目標值濾波器的階躍響應特性曲線示于圖2。該系統(tǒng)是將目標變量SV引入給定目標變量濾波器SVF，并且通過其比例增益具有兩個自由度的運算，得到α值，使SV變成處理后的SV0，為區(qū)別以往二自由度技術(shù)特設開關(guān)控制器C，以獲得系統(tǒng)階躍響應的快速性。當開關(guān)控制器C使開關(guān)SW接通SV0時，輸入給偏差運算單元的目標變量為SVa＝SV0，它和來自控制對象G(S)的過程變量PV的偏差為SV0－PV＝E，再把E輸入給具有傳遞函數(shù)為 的PI型調(diào)節(jié)器Gc(S)，從而通過進行PI控制運算獲得操作變量MV，隨后的結(jié)構(gòu)是加法單元把操作變量MV與干擾量D相加，再把這一相加結(jié)果施加給控制對象G(S)，以使目標變量SV0等于過程變量PV，即SV0＝PV，這個最終目的由調(diào)節(jié)器Gc(S)完成。在上述公式中，Kp是比例增益系數(shù)，Ti是積分時間，S是拉普拉斯算子。在開關(guān)SW促成SVa＝SV0狀態(tài)下，在圖2表示階躍響應特性的圖中為曲線(C)，即SVa=SV[a+(1-a)11+TiS]]]>從“二自由度型控制系統(tǒng)”公式推導或階躍響應特性曲線(C)都能看出，SVa到達SV所需時間為tn－1，為使SVa＝SV的時間從tn＋1縮減到tn，在圖1中特設了開關(guān)控制器C，C在SV和SV0的差值絕對值小于預估的范圍δ時，即｜SV－SV0｜＜δ開關(guān)控制器C把開關(guān)SW置于SVa＝SV側(cè)，從而得到圖2中的曲線(a)，產(chǎn)生從曲線(C)過渡到曲線(a)的階躍變化，如后面的調(diào)節(jié)器Gc(S)不能承受時，需另加滯后環(huán)節(jié) ，這樣做無疑地又使達到真正的SV值的時間由tn向tn＋1方向延長。增加滯后環(huán)節(jié) 后的SVa響應曲線示于圖2中的(b)。
“二自由度型控制系統(tǒng)”對常規(guī)具有目標值濾波器的二自由度型控制系統(tǒng)的改進中，采用如圖1所示的開關(guān)控制器C，使SVa到達目標變量時間由tn＋1縮減到tn，加快系統(tǒng)響應，示于圖2。但是還存在著曲線(C)所示的0～tn段所花費的時間無法克服。系統(tǒng)響應滯后如陰影部份表示。
圖1所示傳遞函數(shù)分別為PCdD=G(S)1+Gc(S)·G(S)-----(1)]]>PVsSVa=Gc(S)·G(S)1+Gc(S)·G(S)-----(2)]]>SVa＝SV(SW接入SV)(3)SVa=SV[a+(1-a)11+TiS]]]>(SW接入SVo)(4)式中PVd和PVS分別為干擾量D和目標值SVa變化時的過程變量增量。式(4)代入式(2)得PVsSV=Gc(S)·G(S)1+Gc(S)·G(S)[a+(1-a)11+TiS]---(5)]]>從式(5)的α系數(shù)為0～1和加入滯后環(huán)節(jié)來實現(xiàn)二自由度型調(diào)節(jié)，使動態(tài)響應時間加長，跟蹤緩慢，存在超調(diào)。
本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)節(jié)器，它可以提高二自由度型調(diào)節(jié)器的過程變量對目標變量的跟蹤速度及跟蹤特性。
上述目的可通過本發(fā)明提供的一種調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。該調(diào)節(jié)器是把一個控制對象在外部干擾條件下運行時，令其輸出的過程變量調(diào)節(jié)到給定的目標變量的調(diào)節(jié)器。
這一調(diào)節(jié)器包括用于感知目標變量有無變化，以便根據(jù)給定的目標變量實現(xiàn)控制，從而跟蹤給定目標變量的目標變量變化率單元V；用于目標變量與過程變量的偏差小于預定值時，將偏差投入PID運算的控制單元C和SW；用于計算目標變量與過程變量之間偏差及比例(P)、積分(I)、微分(D)運算以消除外部干擾引起過程變量波動的主控制單元Gc(S)；用于過程變量跟蹤目標變量的超前、前饋單元 。目標變量變化率單元V，其輸入端引自目標變量SV，其輸出端送給開關(guān)控制器C，開關(guān)控制器C還接入實際的目標變量SV和過程變量PV值，取差值的絕對值，開關(guān)控制器C的輸出和控制單元中的開關(guān)SW輸入相聯(lián)，使開關(guān)SW按開關(guān)控制器的需要轉(zhuǎn)換。作為主控制單元Gc(S)的輸入引自目標變量SV和開關(guān)SW的輸出，Gc(S)的輸出端與超前、前饋單元 的輸出以及外部擾D由加法運算綜合后得出總輸出MV，MV是控制對象G(S)的輸入，對象G(S)的輸出PV引至開關(guān)SW和開關(guān)控制器C的輸入。
本發(fā)明的另一方面是提供偏差PID單元輸出量把控制對象輸出的過程變量調(diào)節(jié)成給定目標變量在外部干擾條件下的一種運行方法，該方法在給定的目標變量與過程變量間偏差小于預定值時，取偏差PID運算結(jié)果；而在給定的目標變量變化時，使過程變量按最快的方式跟蹤。
由于采用了上述技術(shù)方案、調(diào)節(jié)器不含目標變量濾波環(huán)節(jié)，使過程變量跟蹤目標變量的變化無超調(diào)，并使動態(tài)響應加快和穩(wěn)定時無偏差。
本發(fā)明有如下附圖圖1是二自由度型控制系統(tǒng)實施例的示意框圖。
圖2是說明圖1的目標值濾波器的階躍響應曲線。
圖3是本發(fā)明的實施例的功能框圖。
圖4是說明圖3的二自由度型前饋調(diào)節(jié)器的階躍響應特性曲線。
圖5是本發(fā)明采用日本山武霍尼威爾KMM型可編程調(diào)節(jié)器實施例的系統(tǒng)組態(tài)圖。
圖6是本發(fā)明在目標變量階躍變化，記錄儀走紙速度0.4sec/mm時模擬試驗結(jié)果。
圖7是本發(fā)明在目標變量階躍變化，記錄儀走紙速度12sec/mm時模擬試驗結(jié)果。
圖8是本發(fā)明實施例的程序清單。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步詳述在圖3和圖4中，與圖1和圖2相同的部份采用與圖1和圖2中相同的標號，并省略有關(guān)部份的詳細說明。下面主要說明那些與現(xiàn)有技術(shù)不同的地方。
在表述“二自由度型控制系統(tǒng)”的傳遞函數(shù)式(1)～(5)中，比較式(1)和式(2)，對于干擾量B和給定目標變量SVa，如果能得到同樣的過程變量，即PVd＝PVs＝PV。并使目標變量SVa的作用和干擾量D的影響也是一樣的，則需要式(2)分子上的Gc(S)＝1。對于按擾動量D而言，選擇的Gc(S)，當使用在跟蹤目標變量SVa的時候，因SVa的引入點在在Gc(S)的前面，致調(diào)節(jié)器Gc(S)對SVa多加一次作用，使過程變量PV受到的作用超強。
本發(fā)明主要技術(shù)措施是給定目標變量SV時，不通過調(diào)節(jié)器Gc(S)而直接改變過程變量PV。
本發(fā)明實施例的功能框3包括1)給定目標變量的變化率檢測器V；2)開關(guān)控制器C和開關(guān)SW；3)目標變量與過程變量PV間偏差E的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器GC(S)；4)過程變量跟蹤目標變量的超前、前饋單元 ；連同控制對象G(S)聯(lián)結(jié)成控制系統(tǒng)。各部份功能及功能間聯(lián)結(jié)見圖5和圖8。給定目標變量變化時，變化率檢測器V使原輸入到調(diào)器Gc(S)的過程變量PV值被開關(guān)控制器C控制的開關(guān)SW切換到目標變量SV側(cè)，偏差汁算單元正、負兩個入口同時輸入SV值，這種強制作用使輸入到PID調(diào)節(jié)器的偏差E為零，調(diào)節(jié)器輸出不變化，即增量為零；開關(guān)控制器C在目標變量與過程變量之間的偏差E達到預定值時使開關(guān)SW復位，接入PV，輸入到PID調(diào)節(jié)器的偏差等于預定的小偏差值E，致包括積分作用在內(nèi)的調(diào)節(jié)器作用可按外部擾動D選擇足夠強的參數(shù)值而不產(chǎn)生過程變量PV的超調(diào)并減少過渡過程所需時間，預定的小偏差值E由控制對象G(S)和超前、前饋單元 的比值確定，一般取目標變量SV與過程變量PV之間差值的2％～10％；目標變量與過程變量偏差的PID作用調(diào)節(jié)器Gc(S)，對外部擾動D和由目標變量變化引起的小偏差E均施以反饋作用，對于目標變量的變化則調(diào)節(jié)器Gc(S)旁路；讓過程變量PV如實跟蹤目標變量SV，而設置的超前、前饋單元 ，得 。如果設置Gm(S)＝G(S)，能得到 SV＝PV，Gm(S)使控制對象特性G(S)得到補償，加快動態(tài)響應。實際的 取值越大，過程變量PV值趨近目標變量SV值所需時間越少，如果超出允許的最大限度，運算單元的輸出將會超限，使運算停止。一般取 。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為PVD=G(S)1+Gc(S)G(S)]]>PVSV=1Gm(S)G(S)≈1]]>采用圖4階躍響應特性曲線對圖3的進一步說明是當超前、前饋單元短路，即 時，控制對象(G(S)的目標變量階躍變化曲線示于曲線③，過程變量PV到達目標變量SV穩(wěn)定的時間等于tp＋tu；輸入給控制對象G(S)的 時，MV變化曲線示于曲線①，在故到完全補償Gm(S)＝G(S)的時候，得理想的過程變量曲線PV0；超前、前饋單元 補償不足時，過程變量響應曲線PVc示于曲線②，在偏差等于或小于預定的偏差E時，調(diào)節(jié)器作用，在PVc達到穩(wěn)定的目標變量SV時所需時間為tp，和曲線③比較，縮短的時間為tu。
圖5中，對應圖3的1)目標變量變化率V，開關(guān)控制器C和開關(guān)SW，由塊號8、9、10、11、12、13六個功能塊組成，按塊號順序依次是，8目標變量變化率監(jiān)視DRM、9觸發(fā)器RS、10減法SUB、11絕對值ABS、12低值監(jiān)視LMS、13無擾開關(guān)SFT。塊號10、11、12依次串聯(lián)后的輸出接塊號9的輸入，作為觸發(fā)器的一個觸發(fā)條件，而塊號8的輸出接塊號9的另一個輸入作為另一個觸發(fā)條件，塊號9的輸出接塊號13的輸入，塊號13按塊號9輸出的兩個條件狀態(tài)切換輸出SV或PV值。塊號10和13者引入目標變量SV和過程變量PV，塊號B只接入目標變量SV，目標變量變化時塊號8輸出置ON，使塊號9的輸出置ON，使塊號13輸出SV值；塊號10、11、12串接后，當｜SV-PV｜＝E≤規(guī)定值E0時，塊號12輸出置ON，使塊號9的輸出置OFF，此時塊號13輸出PV值。2)超前、前饋單元 由塊號14、15兩個功能塊組成，分別是減法SUB和超前/滯后L/L，塊號14的端接塊號7的輸出，負端接塊號1的輸出，塊號14的輸出接塊號15的輸入，只對目標變量SV進行超前運算，輸出前饋給塊號2加法ADD，由其綜合得MV值。3)Gc(S)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器由塊號1、2、3、4、7組成，分別為1調(diào)節(jié)器PID1、2加法ADD、3手動輸出MAN、4減法SUB、7加法ADD，接成目標變量SV前饋輸出及偏差PID反饋輸出形式，塊號7的輸入接塊號1的輸出和接外部設定目標之值SV，塊號1的輸入接塊號7的輸出和塊號13的輸出和塊號4的輸出，塊號2的輸入接塊號1的輸出和塊號15的輸出，塊號3的輸入接塊2的輸出，塊號4的輸入接塊號3的輸出和塊號15的輸出。其中塊號2接入塊號15的前饋輸出mV和塊號1的反饋輸出mVc，按比例相加后為控制器總輸出MV；塊號4將總輸出MV值減前饋輸出得反饋輸出，使塊號1跟蹤反饋輸出值；塊號7輸出外部階躍變化的目標變量SV。當塊號13輸出SV值的時候，塊號1的兩個輸入口都接受SV值，其輸出因偏差為零使輸出增量為零，塊號2的輸出只跟蹤來自塊號15的前饋變量，通過塊號3與控制對象G(S)連接。控制對象G(S)由塊號5和塊號6串接組成，分別為加法ADD和超前/滯后L/L，塊號5的輸入接塊號3的輸出，塊號6的輸入接塊號5的輸出，塊號6輸出過程變量PV，PV接塊號10和13的輸入。塊號1的算法規(guī)定為前次輸出加本次增量輸出，A01接記錄儀。圖5中各可變參數(shù)值設定為P0101＝1.0％、P0102＝-1.0％、P0103＝2～10％、P0104＝0.2％、P0105＝90％～150％、P0106＝100％、P0107＝100％、P0108＝0、P0201＝0.12～0.24min、P0202＝0.12～0.24min、P0203＝0、P0502＝0FF，固定參數(shù)FIXED表示在程序單上。圖6中，設控制對象 比例系數(shù)Kp＝2.6％，積分時間T1＝3.6秒，微分時間TD＝0，記錄紙走紙方向CG向右，走紙速度CS為0.4秒/毫米，橫座標代表的時間是每向左1mm，代表時間增加0.4ses，縱座標為SV和PV變化的百分率。當目標變量SV變化10％時，過程變量PV無超調(diào)地穩(wěn)定在SV上所需時間tp為2.4秒，時間單位均為秒。
圖7中，采用工業(yè)常用記錄儀，走紙速度為12S/mm，其它條件同圖6。當目標變量SV變化53％時，過程變量無超調(diào)地穩(wěn)定在SV上所需時間tp為12秒。
圖8為本發(fā)明實施例的程序清單，實現(xiàn)圖5中15個功能塊采用功能塊語言的實際連接。每個功能塊第一列為功能運行的順序號，和圖5中的塊號相一致；第二列為功能塊輸入端標記；第三列為參數(shù)輸入端及連接地點。例，PID1表示調(diào)節(jié)器1號，功能FUNC塊順序1表示成F101，第1輸入端H1接塊號7的輸出表示為U7，第2輸入端H2接塊號13的輸出，表示為U13，可變參數(shù)P1的輸入接塊呈4的輸出，表示為U4，P2接P0502，表示數(shù)據(jù)類型為0FF。其它功能塊均同此表示。另外，U單元(塊)號，PPAR輸入可變參數(shù)為百分數(shù)型，TPAR輸入可變參數(shù)為時間型FIXED為輸入固定參數(shù)實際值。
權(quán)利要求
1.一種二自由度型前饋調(diào)節(jié)器，包括用于感知目標變量有無變化，以便根據(jù)給定的目標變量實現(xiàn)控制，從而跟蹤給定目標變量的目標變量變化率單元V；用于目標變量與過程變量的偏差小于預定值時，將偏差投入PID運算的控制單元C和SW；用于計算目標變量與過程變量之間偏差及比例(P)、積分(I)、微分(D)運算以消除外部干擾引起過程變量波動的主控制單元Gc(S)；用于過程變量跟蹤目標變量的超前、前饋單 ；其特征在于目標變量變化率單元V，其輸入端引自目標變量SV，其輸出端送給開關(guān)控制器C，開關(guān)控制器C還接入實際的目標變量SV和過程變量PV值，取差值的絕對值，開關(guān)控制器C的輸出和控制單元中的開關(guān)SW輸入相聯(lián)，使開關(guān)SW按開關(guān)控制器的需要轉(zhuǎn)換；作為主控制單元Gc(S)的輸入引自目標變量SV和開關(guān)SW的輸出，Gc(S)的輸出端與超前、前饋 的輸出以及外部擾動D由加法運算綜合后得出總輸出MV，MV是控制對象G(S)的輸入，對象G(S)的輸出PV引為開關(guān)SW和開關(guān)控制器C的輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度型前饋調(diào)節(jié)器，其特征在于提供偏差PID單元輸出量把控制對象輸出的過程變量調(diào)節(jié)成給定目標變量在外部干擾條件下的一種運行方法，該方法在給定的目標變量與過程變量間偏差小于預定值時，取偏差PID運算結(jié)果；而在給定的目標變量變化時，使過程變量按最快的方式跟蹤。
全文摘要
一種二自由度型前饋調(diào)節(jié)器，屬于自動調(diào)節(jié)技術(shù)領域。包括目標變量變化時，調(diào)節(jié)運算由反饋轉(zhuǎn)為前饋的控制單元；目標變量與過程變量的偏差小于預定值時，調(diào)節(jié)運算由前饋轉(zhuǎn)回反饋的運算單元；將目標變量處理成使過程變量動態(tài)響應加快并無超調(diào)的超前、前饋單元和目標變量與過程變量的偏差進行PID運算以抑制外部干擾引起過程變量波動的主控制單元。使過程變量跟蹤目標變量的變化無超調(diào)，并使動態(tài)響應加快和穩(wěn)定時無偏差。
文檔編號G05B11/42GK1149729SQ9511306
公開日1997年5月14日 申請日期1995年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月8日
發(fā)明者田彥祓, 鄭衛(wèi)東, 王克睿 申請人:冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設計研究院