專利名稱：控制系統(tǒng)響應(yīng)中超調(diào)的預(yù)測方法
背景技術(shù)：
1．發(fā)明范圍本發(fā)明涉及工業(yè)過程的控制系統(tǒng)，特別涉及抑制超調(diào)，即阻止越過或超過某一控制器的設(shè)置點的方法。
背景技術(shù)：
所謂模糊邏輯的應(yīng)用曾在1996年6月出版的期刊《塑料技術(shù)》中被這樣描述“模糊邏輯使控制能像你那樣地思考”。
模糊邏輯已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。它已被用于代替常規(guī)的控制，因為它能克服那些在典型的解決問題的方法中所固有的某些問題。它特別涉及通過改進(jìn)響應(yīng)時間而改進(jìn)設(shè)置點或控制過程限制的超調(diào)或調(diào)整不足。過程控制裝置廣泛使用模糊邏輯，因為它在溫度或壓力控制中用于對付那些干擾一般工程控制結(jié)構(gòu)正常穩(wěn)定的事件和特性問題。當(dāng)由于某種外部的緣由而在過程中產(chǎn)生變化時，采取某種形式的更正動作是必需的。如果為了控制過調(diào)或調(diào)整不足的特性而使運(yùn)行限制設(shè)置得過松，則系統(tǒng)必將反應(yīng)變慢。另一方面，如果采用了過緊的標(biāo)準(zhǔn)，則系統(tǒng)會反應(yīng)太快，以致于造成相當(dāng)大的超調(diào)。這樣，模糊邏輯解決這些情況時采用所謂“人類語言”，如“過熱”，“過冷”，“太快”，“太慢”，等。簡言之，模糊邏輯以典型語言詞匯來定義過程限制，而不是用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語言。有效過程值相互比較，對每一值指定不同程度的重要性，通過這些比較來作出決定。例如，若速度超過了需要值，則可希望設(shè)定速率為“慢”。
具有一個內(nèi)在抑制超調(diào)特性的單回路控制系統(tǒng)，已由若干制造商公開。其中之一見于題名為“一種具有超調(diào)抑制算法的比例積分導(dǎo)數(shù)控制器”的論文。作者為Yasuda，Mano，Mori，Azegami和Crotty，發(fā)表于ISA90國際會議和展覽論文集，PP1849-1857。該文涉及了一種運(yùn)用模糊邏輯控制技術(shù)去控制過程超調(diào)的方法。
超調(diào)抑制作為一組以知識為根據(jù)的模糊規(guī)則被放在一個比例積分導(dǎo)數(shù)控制器中，其作用為修改控制器內(nèi)在的設(shè)置點使控制變量停留在一個必需的或建議的響應(yīng)曲線上而不會在出現(xiàn)過程變化時發(fā)生超調(diào)。這一設(shè)計要求由控制器的自動調(diào)諧器預(yù)先設(shè)定一個參數(shù)-“有效過程終止時間”。這種設(shè)計對于具有比較慢的動態(tài)響應(yīng)的系統(tǒng)是有作用的。據(jù)報導(dǎo)，若回路有一個很快的超調(diào)，抑制不起作用，甚至?xí)够芈凡环€(wěn)定。
一種由Omron生產(chǎn)的模糊溫度控制器在其作為模糊溫度控制器的型號為E5AF的產(chǎn)品中被公開。這種四分之一DIN的控制器結(jié)合有模糊及比例積分導(dǎo)數(shù)控制對過程干擾作出快速響應(yīng)。在這個公開的系統(tǒng)中，帶有前饋線路的先進(jìn)的PID控制在啟動和備用狀態(tài)操作期間提供最佳響應(yīng)。包含的模糊的PID控制共同作用以最小的超調(diào)快速地糾正過程的干擾。該裝置能使模糊參數(shù)產(chǎn)生變化以調(diào)整加于過程上的模糊控制作用。要求的設(shè)置值的精度為±0.3％。Omron的設(shè)計指明，系統(tǒng)要求使用者預(yù)先設(shè)置三個參數(shù)模糊強(qiáng)度，模糊比例1及模糊比例2。如果這三個參數(shù)設(shè)定不正確，或者當(dāng)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)太慢時，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。
因此，本發(fā)明的目的在于給出一種方法用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)中預(yù)測超調(diào)以便使控制系統(tǒng)能夠采取必要的矯正作用去減少或消除這種超調(diào)。
發(fā)明的概述在許多典型的工業(yè)控制系統(tǒng)中，高度重視的是當(dāng)設(shè)置點的變動或從系統(tǒng)中某一干擾恢復(fù)時的反應(yīng)不使其過程參數(shù)超調(diào)或穿過以及超過控制器的設(shè)置點。本發(fā)明闡明一種預(yù)測這種超調(diào)的方法從而使控制系統(tǒng)能夠采取正確行動去減少或消除超調(diào)。該預(yù)測是通觀察過程變量的波形來實現(xiàn)的。
這一觀察過程變量的方法適用于具有大范圍動態(tài)參數(shù)的系統(tǒng)，該法不必設(shè)定配置參數(shù)，也不需要預(yù)先學(xué)習(xí)系統(tǒng)的動特性。在此公開的關(guān)于超調(diào)抑制的本發(fā)明不要求設(shè)置參數(shù)，并且在系統(tǒng)動特性的非常大的范圍上是穩(wěn)定的。這是因為該方法僅基于觀察過程變量波形的形狀而不管時間或振型比例。
在一個對設(shè)定點的值沒有抑制的系統(tǒng)中，超調(diào)將引起增加或升過設(shè)定點，在穩(wěn)定出現(xiàn)后一段時間后才會回到設(shè)定點。
當(dāng)超調(diào)抑制應(yīng)用于這樣的系統(tǒng)，設(shè)定點一開始便受抑制。在過程值(PV)升向被抑制的設(shè)定點的過程中，預(yù)測將表明會有超調(diào)。因此設(shè)定點于是被保持在抑制水平，直到過程變量開始平衡為止。在這一時間，抑制減小使過程變量沒有超調(diào)地“軟著陸”在完全設(shè)置點水平。在一個不存在超調(diào)的系統(tǒng)中，顯然不使用抑制，不會有變動產(chǎn)生。然而，有了超調(diào)抑制時，設(shè)置點可能一開始被抑制。然而，一但基于波型的預(yù)測表明將不會有超調(diào)時，抑制減小，引導(dǎo)過程變量到完全設(shè)定點水平而不會有調(diào)整時間損失。
此外闡明的超調(diào)抑制的運(yùn)行要求在過程變量波形上升過程中有能力預(yù)測到將會有超調(diào)。此處公開的用于執(zhí)行預(yù)測的方法在過程動態(tài)條件的一個大的范圍內(nèi)能夠這樣做而不需要預(yù)先知道過程的動特性。這一方法運(yùn)用的觀察為當(dāng)沒有超調(diào)時，過程變量以近似指數(shù)形式趨向設(shè)置點；而當(dāng)將有超調(diào)時，更近似于線性型式。觀察是通過對大范圍的系統(tǒng)響應(yīng)的經(jīng)驗的試驗數(shù)據(jù)的研究得出的。因此，若當(dāng)偏差下降而趨向零，它隨時間以指數(shù)規(guī)律衰減，將沒有超調(diào)。另一方面，若有超調(diào)，則偏差波形近似線性。
偏差曲線的類型，無論是指數(shù)的，線性的等等，是以偏差衰減某一固定比例所測得的所需時間間隔來評定的。每兩個相繼時間值比值被用來作為波形曲率或指數(shù)指標(biāo)的衡量。偏差曲率被用來預(yù)測是否有超調(diào)。偏差曲率在或接近0.8這一數(shù)字時表明將有超調(diào)。其值為或接近1.0時則表明無超調(diào)。偏差曲率信號是獨立于偏差的幅值和時間比例的。
附圖的簡單說明本發(fā)表將參考以下相關(guān)的圖形詳細(xì)說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的方法的包括模糊邏輯的控制系統(tǒng)的框圖。
圖2為詳細(xì)說明利用本發(fā)明的偏差曲率測量的示圖。
圖3為運(yùn)用本發(fā)明方法的模糊邏輯模塊的框圖。
圖4是簡化狀態(tài)框圖，說明偏差曲率的計算。
優(yōu)選方案的詳細(xì)敘述參閱圖1，該圖所示為應(yīng)用按照本發(fā)明所述的模糊邏輯的過程控制系統(tǒng)。可以發(fā)現(xiàn)，模糊邏輯可以通過開關(guān)12A根據(jù)需要被連通或斷開。該所示系統(tǒng)為一種UDC系統(tǒng)，即通用分布控制類型。圖中的是建立設(shè)置點的設(shè)裝置11，用于被控制的過程15。在設(shè)置點和過程之同有直接線路(route)作為設(shè)置點和比例積分導(dǎo)數(shù)單元之間的連接，該單元的輸出接到被控制的過程。在設(shè)置點建立裝置12和PID裝置14之間是一個開關(guān)點12，此處通過一個開關(guān)12A使模糊邏輯模塊13可以被插入電路以保證經(jīng)過模糊邏輯從設(shè)置點裝置11到PID裝置14的連接。被處理值的反饋經(jīng)引線16連到模糊邏輯13和PID裝置14。模糊邏輯模塊13用來在一定范圍內(nèi)降低超調(diào)而不需要設(shè)置參數(shù)或重新調(diào)諧或?qū)W習(xí)。所需的配置僅僅是選擇“on”或“off”以接上或解除模糊超調(diào)抑制。任何具有超調(diào)的穩(wěn)定回路都可用本方法降低超調(diào)或消除超調(diào)。任何無超調(diào)的回路仍將沒有超調(diào)并在任何情況下不會使超調(diào)明顯增加。對于大多數(shù)有超調(diào)或無超調(diào)的回路，穩(wěn)定時間中值變化可望為負(fù)。
為滿足以上目的，需盡早檢測會不會有超調(diào)，以便采取必要的行動以阻止這一超調(diào)，并且不必為此而預(yù)先知道動特性。為此，本設(shè)計應(yīng)用的以下觀察無超調(diào)時，過程值以近似指數(shù)型式趨向設(shè)置點；有超調(diào)時，則以更近似性型式趨向設(shè)置點。這一觀察是研究了大范圍的系統(tǒng)響應(yīng)的經(jīng)驗試驗數(shù)據(jù)得出的，其中包括具有多個滯后和死點的響應(yīng)。
已經(jīng)確定，若偏差降向零并且隨時間是指數(shù)型式衰減的，則將沒有超調(diào)(超調(diào)量=設(shè)定點-過程值)。若有超調(diào)，則偏差波形更接近線性。在其他極端情況，若響應(yīng)是惰性的，響應(yīng)遠(yuǎn)大于指數(shù)曲線型響應(yīng)。問題的解決部份地取決于上述曲線的曲率的測量。曲線偏差的類型如是屬于指數(shù)型、線型等的那一種，則由測量偏差衰減一個確定的比例所需的時間間隔來評定。即，將每一對相繼時間值之比用作波形的曲率或指數(shù)性的衡量。
參閱圖2可以看出，測量在某一時刻進(jìn)行，接著在該時刻加1處、該時刻加2處、該時刻加3處，等等處。要確定的是當(dāng)偏差到達(dá)衰減減去一個閾值水平時所需的時間以及衰減減去閾恒定地出現(xiàn)為0.8的位置。兩相繼時間間隔之比(見圖2)稱為偏差曲率。若曲率是指數(shù)型的，則偏差曲率為1。相似地，若曲線是線性的，則偏差曲率為·8。根據(jù)上述情況，可以預(yù)測超調(diào)。
當(dāng)設(shè)置點發(fā)生變化，操作開關(guān)12A使其接上模糊邏輯13，從而進(jìn)入模糊超調(diào)抑制，被抑制的設(shè)置點(SSP)僅向新的設(shè)置點方向移動80％。于是過程值將被控到被抑制的設(shè)置點。當(dāng)過程值接近被抑制的設(shè)置點時，模糊必須能夠預(yù)測是否會有超調(diào)。若不會有超調(diào)，抑制降為零，否則，模糊邏輯保持抑制長久一些以便消除或至少減低超調(diào)。這一預(yù)測根據(jù)偏差曲率確定。已經(jīng)確定，當(dāng)過程值接近被抑制設(shè)置點時，在分辨過程有無超調(diào)上，偏差曲率值有一個清楚的分界。
當(dāng)以某一設(shè)置點等級作用時，抑制起始設(shè)定為20％的等級大小，從而使被抑制的設(shè)置點向新設(shè)置點水平移動80％的距離。等到過程值已經(jīng)向被抑制的設(shè)置點的方向移動大約四分之三時，模糊邏輯已經(jīng)確定不會有超調(diào)而開始減少抑制。當(dāng)模糊邏輯減小抑制到零，過程值以典型的沒有穩(wěn)定時間變化的方式趨近設(shè)置點。
為了獲悉存在超調(diào)，抑制設(shè)置點開始時設(shè)定為設(shè)置點的80％，當(dāng)過程值上升時，模糊邏輯確定將存在超調(diào)并保持抑制在相同水平。這樣，當(dāng)過程水平開始變平，模糊邏輯減小抑制使過程值“軟著陸”在設(shè)置點水平。
在圖3中示出的模糊機(jī)邏輯模塊的詳細(xì)操作和線路不作為本發(fā)明的一部份，而是僅僅要求那些模塊能夠如在此指定和討論的那樣運(yùn)行。特殊設(shè)計細(xì)節(jié)包括模糊設(shè)置的規(guī)則的定義將應(yīng)用一個系統(tǒng)的模擬閉環(huán)結(jié)合工作環(huán)境在下文闡明。
如圖3所示有一個后處理模塊35，該后處理模塊接受來自模糊機(jī)的一個抑制值增量，相應(yīng)地增加或減少抑制值。如果抑制增量是正的，抑制被增加。
若抑制增量為負(fù)，則抑制減少并趨向于0。零比值用預(yù)處理設(shè)定的tscale的值來定比例，使得當(dāng)抑制增量減小時，抑制以近似等于過程常數(shù)值衰減。
仍參考圖3，此處所示為一個模糊邏輯模塊框圖。由本方法控制的超調(diào)抑制應(yīng)能在一個回路中在過程滯后為從10秒到8小時的范圍內(nèi)以終止時間最高為15分的情況下工作。它也應(yīng)能在設(shè)置點等級或干擾-包括偏差-其幅值從1％到整個范圍內(nèi)工作。
本方法的模糊邏輯應(yīng)能在這一范圍值內(nèi)減小超調(diào)而不像現(xiàn)有技術(shù)那樣要有參數(shù)的預(yù)先設(shè)定也不要求有預(yù)調(diào)或?qū)W習(xí)。唯一要求的配置是選擇“接通”或“斷開”模糊超調(diào)抑制，如圖1所示。在有引起超調(diào)的上述范圍內(nèi)的參數(shù)的任何穩(wěn)定回路均可應(yīng)用本方法使其超調(diào)減小或消除。任何無超調(diào)的回路將仍然無超調(diào)而決不會造成明顯的超調(diào)增加。
圖3的模糊機(jī)運(yùn)行實施的規(guī)則如表A所示。此處所示信息為偏差曲率，其中的偏差曲率是增加、快速衰減、指數(shù)衰減，或慢衰減，或以四個水平從大于5倍的抑制比值到0或負(fù)抑制比進(jìn)行抑制。
圖3所示的預(yù)處理模塊接收設(shè)置點值和過程值的當(dāng)前值作為輸入然后提供相對偏差以及偏差曲率的修正值給模糊機(jī)；模糊機(jī)包括輸入模糊裝置32，規(guī)則模塊33，以及輸出模糊裝置34。預(yù)處理模塊將偏差(設(shè)置點減去過程值)除以抑制的當(dāng)前值，但保證避免當(dāng)抑制為0時除以零的錯誤。然后，它將處理結(jié)果限制在0和6之間并調(diào)節(jié)輸出為模糊機(jī)所要求的水平。計算偏差曲率的方法已在前面簡述過。這一計算在偏差下降時進(jìn)行；但當(dāng)偏差在其他任意狀態(tài)時，如增加，平坦或為0等，其動作也必須被確定。
在圖4所示的簡化狀態(tài)圖中，Elatch值(衰減值減去門限值)在偏差增加時向上嚙合，然后，當(dāng)其減小時，它被作為偏差的閉鎖值如圖4所示去計算偏差曲率。注意tscale被設(shè)置成正比于在轉(zhuǎn)變過程測得的衰減比值，并被用于決定抑制的衰減的比值。對于不同狀態(tài)及事件及其引起的作用以及從而導(dǎo)致的結(jié)果狀態(tài)的詳情見表B所示。
在此僅顯示了僅僅采用本發(fā)明的一個方法；同時，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然有許多改進(jìn)在沒有離開本發(fā)明的實質(zhì)的情況下做出。與之本發(fā)明的范圍由其后的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1．在過程控制系統(tǒng)中，一種抑制過程變量超過過程值設(shè)置點的方法，包括以下步驟用觀察與所述過程變量有關(guān)的波形來預(yù)測所述超調(diào)；與所述過程變量有關(guān)的所述波形的所述觀察與時間比例無關(guān)，或者與幅值比例無關(guān)；使得所述系統(tǒng)采取矯正動作以減小或消除所述超調(diào)；運(yùn)用帶有比例積分導(dǎo)數(shù)控制的模糊邏輯模塊去采取所述過程變量的所述矯正動作。
2．如權(quán)利要求1的方法中，其中所述設(shè)置點是起始被抑制的。
3．如權(quán)利要求1的方法中，其中測量超調(diào)將出現(xiàn)在過程變量波形上升期間。
4．如權(quán)利要求3的方法中，其中沒有超調(diào)，則過程變量以指數(shù)形式趨向設(shè)置點。
5．如權(quán)利要求3的方法，其中過程變量的超調(diào)以線性形式趨向設(shè)置點。
6．如權(quán)利要求1的方法，其中所述波形的確定由測量當(dāng)偏差衰減一固定比值所需的時間間隔來得到。
7．如權(quán)利要求6的方法，其中每一對相繼時間值之比是所述波形的指數(shù)率。
8．如權(quán)利要求7的方法，其中所述偏差曲率是關(guān)于是否會產(chǎn)生超調(diào)的一種衡量。
9．如權(quán)利要求1的方法，其中過程變量被用所述模糊邏輯控制在所述的被抑制的設(shè)置點。
10．如權(quán)利要求9的方法，其中當(dāng)不存在超調(diào)時，所述模糊邏輯將使所述被抑制設(shè)置點減小到0。
11．如權(quán)利要求9的方法，其中若出現(xiàn)超調(diào)，所述模糊邏輯保持抑制在小于所述過程變量的水平，直到過程變量平整為止，此后所述模糊邏輯減小抑制以導(dǎo)致過程變量到達(dá)過程水平的設(shè)置點。
全文摘要
一種過程控制系統(tǒng),包括一種方法,它根據(jù)有關(guān)過程變量波形的觀察來預(yù)測超調(diào)并抑制超過過程值設(shè)置點的過程變量的超調(diào);不涉及時間定標(biāo)或幅值大小;運(yùn)用具有比例積分導(dǎo)數(shù)控制的模糊邏輯模塊來實現(xiàn)過程變量矯正作用從而減小或消除所述超調(diào)。
文檔編號G05B5/01GK1285058SQ98813769
公開日2001年2月21日 申請日期1998年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月22日
發(fā)明者F·林奇 申請人:霍尼韋爾有限公司