用以在自調節控制器中獲得過程特性的方法及裝置的製作方法

2023-05-21 06:25:21 2

專利名稱：用以在自調節控制器中獲得過程特性的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一類稱為自調節或自動調節的控制器，尤其涉及一種在此類控制器中用以獲得過程特性的方法和裝置。
生產過程典型地是過阻尼的，並且是具有兩或三個極點的較高階的。此外，典型的生產過程具有比之其它極點更為主要的一個極點。正因為如此，許多年來，已經採用各種方法，用具有單純延時的一種一階(單極點)系統，來近似一種高階生產過程。
通常，用於環階躍響應來獲得過程特性。開環階躍指的是過程控制器(與過程反應無關)在恆定信號電平中輸出一個突然變化至過程中。將階躍輸入至過程等同於將整個頻譜施加於過程;因此，對階躍的過程響應取決於其動態性能。開環階躍響應是分析該過程的一種好方法。
多年來，人們已經知道生產過程的總停滯時間和時間常數與所用控制器的最佳比例積分微分(PID)值密切有關。這種關係已由J.G.Ziegler和N.B.Nichols於1942年在TransactionASME，64卷第759-765頁上發表的「自動控制器的最佳調整」一文中作了披露。Ziegler和Nichols在此文中提到的是停滯時間而不是總停滯時間，我們不清楚他們所說的停滯時間是否與總停滯時間相同;總停滯時間是「視在延遲」和「傳送延遲」的總和。視在延遲和傳送延遲將在後文結合對圖7的描述而加以定義。在此所作的討論假定Ziegler-Nichols所說的停滯時間與總停滯時間是相同的。
Ziegler和Nichols建議應當在開環階躍響應曲線上斜率為最大處畫出切線(Ziegler-Nichols方法)。多年來，實現Ziegler-Nichols方法的唯一途徑就是在紙上標出響應曲線，並在曲線上畫出切線。切線與時間座標軸相交的點定義為過程的總停滯時間的結束。由此，從相對起始點到時間座標軸上該斜率截點之間的時間即等於總停滯時間。
由路易斯安那州立大學的J·A·Miller，A·M·Lopez，C.L.Smith和P.W.Murrill在「控制工程」1967年12月第72-75頁上發表的「各種控制器調整技術的比較」一文中描述了第二種方法(簡稱為「Miller等人的方法」)，這方法在發表時被認為是對Ziegler-Nichols方法作了改進。Miller等人的方法採用與Ziegler-Nichols方法相同的方式確定總停滯時間。然而，Miller等人的方法把階躍響應達到其終值63.2%的時間與總停滯時間之差，定義為時間常數。這種方法看起來似乎容易實現，但後面將表明，要在自動調整控制器中實現該方法是不切實際的。
Miller等人認為在Ziegler-Nichols方法中，起始幅度值與最大斜率在垂直軸上的截點之差應被視為總停滯時間與時間常數之比。因此，在Ziegler-Nichols方法中，時間常數等於總停滯時間除以總停滯時間與時間常數之比。看待這問題的另一種方法是，在Ziegler-Nichols方法中，時間常數反比於響應的最大斜率。
以微處理機為基礎的控制器的出現，允許過程近似自動化。自動化的過程近似方法可用來獲得PID控制器的最佳比例、積分和微分常數。對於本領域眾所周知的PID控制器已作了大量廣泛的研究把最佳PID常數與一階系統的總停滯時間和時間常數聯繫起來。這就是把生產過程與一階系統精確地相匹配的動力。根據研究所依據的不同判斷標準，對最佳PID的關係是非常不同的。因此，本發明並不關注那一組判斷標準最好，它致力於用帶有延遲的一階近似，來最佳地擬合實際生產中多階過程的開環階躍響應。目的是，為了應用最佳PID判斷標準，首先必須有過程的最佳一階近似。這種能自動分析過程和計算其最佳PID值的控制器通常被稱為自調整或自動調整控制器。
除此之外，還有一些比之上述Ziegler-Nichols和Miller等人的方法更為新穎的其它過程近似法。其中一種方法已由Kraus的第4，602，326號美國專利作了披露，其中，控制器輸出一個階躍信號到過程，它將過程控制變量的幅度從穩態值N提高到比N高10%的新水平。在Kraus所述方法的一個實施例中，採用了一個起始點(Kraus的圖9中以Tf表示)，它在輸出階躍之前15秒。控制器記錄過程控制變量在其穩態值N上增加1%、2%、3%和4%幅度時的時間。比外，控制器通過在Kraus的專利中稱為弦向法的一種技術，找到上拐點。測量從拐點到每一個百分數增幅發生點的斜率。該方法選擇具有最大斜率的一個百分點，並從拐點到該百分點確定一條線。該線與X軸(表示時間)的交點被認為是過程的總停滯時間。在這方面，由Kraus所指出的方法與前述Ziegler-Nichols方法是相同的。
由Sakai等人的第4，881，160號美國專利所描述的另一種方法，據說是在Kraus所述弦向法基礎上的一種改進。在Sakai等人所述的方法中，用六個點確定斜率，以找到五個梯度(見Sakai等人的專利文件中的

圖19)。其中應用了一個校正因子，似乎假定僅有一階響應。這是Sakai等人所述方法的缺陷之一。眾所周知，生產過程階躍響應更為典型的是二階或高階響應。Sakai等人的校正因子和添加的點可視為是在Kraus所述弦向法基礎上的一種改進;然而，與本發明比較，Kraus和Sakai等人的方法仍然是較差的。
一種用於自調整控制器，以獲得具有一個時間常數的一階近似的特性的方法，該近似是對於由控制器所控制的現場過程系統而作的。該現場過程系統具有一過程變量。該方法包括但並不局限於以下的步驟。
一個階躍輸入被施加於現場過程系統，該過程變量對於階躍輸入的響應的斜率由以下方法決定1.測量過程變量的響應的第一組和第二組取樣值的移動平均值。第二組遲於第一組。第一組具有第一預定數目的取樣值，第二組具有第二預定數目的取樣值。
2.計算第一和第二組移動平均值之差;以及3.將該差值除以一預定除數，以找到斜率。
確定最大斜率，並在第一和第二預定數目的取樣值所對應的各點範圍內，定義與最大斜率相應的預定點。在預定點測量最大斜率的出現時間和對應於它的過程變量幅度。現場過程系統的總停滯時間由在預定點測量的最大斜率出現時間和過程變量幅值而近似得到。然後，根據過程變量對階躍輸入的響應確定一階時間常數。
圖1是一個過程控制環的方框圖，它包括採用本發明的一個自調整控制器。
圖2是圖1所示自調整控制器的簡化方框圖。
圖3表示相對於階躍輸入的過程響應的取樣數據與時間的關係，以及用延遲濾波器抑制噪聲時對數據的影響。
圖4表示相對於階躍輸入的過程響應的非單調取樣數據與時間的關係。
圖5A和5B分別表示相對於階躍輸入的過程實際響應，以及該響應的一部分細節。
圖6是表示根據本發明確定的圖5A所示響應的最大斜率。
圖7顯示了控制輸出階躍，圖5A的實際響應，傳送延遲、視在延遲和總停滯時間的近似，和相應的一階響應，以及對兩種響應交會點的期望值。
圖8是表示時間常數比為10比1的所選過程的實際響應，與採用Ziegler-Nichols方法確定的過程響應和採用本發明確定的過程響應的關係。
圖9是表示時間常數比為40比1的另一種所選過程的實際響應，與採用Ziegler-Nichols方法確定的過程響應和採用本發明確定的過程響應的關係。
圖9b是表示時間常數比為4比1的所選過程的實際響應，與採用Ziegler-Nichols方法確定的過程響應和採用本發明確定的過程響應的關係。
圖10是本發明用於自調整控制器的電腦程式流程圖。
圖11表示在本發明中可用來計算時間常數的另一種技術所使用的專用寄存器組。
圖12表示噪聲分析和設置圖10所示流程圖中步驟104和106所用觸發值。
圖13是表示在兩個所選時間間隔內，對過程變量的取樣值。
圖14是表示圖13所示取樣的結果。
圖15是表示在許多選定的取樣時間間隔內對過程變量取樣的結果。
圖16是可用於本發明中計算時間常數的另一個電腦程式流程圖。
圖1所描繪的是一個生產過程控制環8的方框圖，它包括自調整控制器10以及具有實際過程輸出15a的過程15，過程輸出15a通過傳感器16表徵為過程變量，例如(但不局限於)壓力、溫度、高度或濃度。傳感器16耦合於系統中以接收實際過程輸出15a，在控制器10的輸入端12產生過程變量(PV)。PV表示實際過程輸出15a的值。
控制器10包括PID單元9，在該PID單元9中包含PID算法。實際過程輸出15a的期望值在控制器的輸入端7作為設定值(SP)呈現。控制器10響應於輸入端12上的PV和輸入端7上的SP，在其輸出端11上產生控制輸出(CO)。CO由PID算法計算。控制輸出經由調節器傳遞到過程15。實際上，控制器10把它控制的實際過程15，看作為由調節器14、過程15和傳感器16組合而成的現場過程系統。
現在參見圖2，圖2表示自調整控制器10的簡化方框圖。控制器10包括微處理機19，微處理機19可以通過數-模轉換器(DAC)17，改變輸出端11上的控制輸出，並通過模-數轉換器(ADC)21監視輸入端12上的PV(模擬信號)。與微處理機19相聯的是隨機存取存儲器(RAM)18和可擦可編程序只讀存儲器(EPROM)20。用以管理微處理機19的內部程序存貯在EPROM20內。ADC21將輸入端12上的模擬PV轉換為數位訊號，PV表示實際過程輸出15a的值。微處理機19可以用RAM18存貯諸如表示實際過程輸出值的數位訊號一類的數據。EPROM20內執行的程序告訴微處理機19如何操縱RAM18內的數據，或應當如何改變控制器10輸出端11上的控制輸出。DAC17將由微處理機產生的數字控制信號轉換為輸出端11上的模擬控制輸出。
控制器10在某些離散的通常稱為控制周期的時間間隔上，作用於現場處理系統13。ADC21的取樣時間通常與控制周期相同。
當未採用本發明的自調整控制器10試圖分析現均處理系統13的開環階躍響應時，會產生問題。如前所述，生產過程典型地是過阻尼的並且是多階的，即具有多於一個的極點。此外，典型的生產過程通常具有一對主要極點(其中一個比另一個更為重要)，它們對過程的響應起主要作用。如後面更為詳細地描述的，在控制器10中採用本發明，可以比在其中採用任何現有技術方法更為實際地、存貯效率更高地、以及更精確地得到多階開環階躍響應的近似總停滯時間和時間常數特性。
與上述現有技術方法相同，需要確定開環階躍響應的最大斜率。然而，如前所述，現有技術方法要在開環階躍響應曲線斜率最大處畫出切線。而本發明確定最大斜率的方法將描述如下。
在生產過程中，通常總存在一定數量的噪聲。用以確定諸如信號斜率等數值的方法必須具有一些噪聲抑制性能。如圖3中所示，為了抑制噪聲，利用延遲濾波器對信號的作用並不理想，因為這種濾波器將使響應數據35的真實斜率趨向36畸變延遲濾波器對取樣響應數據的影響。如圖3中37所示。因此，要求採用實際測量讀數而不是延遲值的濾波方法。
包括濾波器而忽略不是單調的數據點的方法也是不合要求的，因為非常慢的響應過程可以呈現為全部噪聲。圖4顯示其中取樣響應數據40為非單調的過程的響應。然而，如圖中41所示，本發明保持斜率趨向的完整性。值得注意的是，由Kraus和Sakai等人所述的用以測量斜率的現有技術方法，在其斜率確定方法中並無抗噪聲能力。加寬測量的間隔可以稍微減小噪聲對斜率計算的影響;然而，測量間隔越寬，實際響應斜率的精度越低。
現在將描述本發明確定最大斜率的方法。圖5A表示過程對階躍輸入的實際響應45。在此響應中用圓圈46指示的部分在圖5B中作了詳細顯示。本發明通過存貯最後八個測量結果50-57來計算響應的斜率。測量結果50-57在每個ADC21取樣周期內取得，該取樣周期可以與控制器10的控制周期相同，也可以不相同。求出最後四個測量結果54-57的平均值和最早四個測量結果50-53的平均值。首先從最後四個測量結果平均值中減去最早四個測量結果平均值，然後，將相減結果除以四倍取樣時間就得到斜率47。
如以後將更為詳細描述的那樣，本發明將斜率47與過程階躍輸入響應迄今最大的斜率進行比較。先前計算的最大斜率連同最大斜率的產生時間和該時刻的實際PV值，一起存貯在控制器10的RAM18內。如果斜率47大於先前計算的最大斜率，本發明就將斜率47、其發生時間以及該時刻的實際PV值存貯在RAM18內，以取代原先存貯在RAM內的相應數值。
在下一個控制周期，本發明通過以下步驟重複斜率計算1.存貯下一組八個測量結果51-57和59(注意測量結果50，即先前控制周期的最早測量結果未採用);
2.求出最近四個測量結果55、56、57和59的平均值;
3.求出最早四個測量結果51、52、53和54的平均值;
4.從最近四個測量結果平均值中減去最早四個測量結果平均值;
5.將相減結果除以4倍取樣時間;
6.將最新計算的斜率與迄今算得並存貯在RAM18內的最大斜率進行比較;以及7.如果最新計算的斜率大於先前計算的最大值，則在RAM18內用最新計算的斜率、其產生時間以及在該斜率的實際過程輸出值取代先前存貯在RAM內的相應數值。
應當注意，儘管圖5B未表示59以後的任何測量結果，但本發明對於每個相繼的控制周期，仍將繼續完成上述所指出的步驟，直至確定對階躍的響應已經達到穩態條件。在每個控制周期，本發明都要進行檢驗，以觀察對過程階躍輸入的響應是否已達到穩態條件。達到穩態條件時，本發明將不再計算斜率。進一步可見，當響應已經達到穩態條件時，本發明將已經把最大斜率，其產生的時間和該時刻的實際PV值存貯在RAM18內。
作為上述斜率測定方法的變換方法還包括1.改變需存貯的測量結果的數目，或2.求出數目與早先測量結果數目不同的最新測量結果的平均值;或
3.在改變或不改變取樣時間的條件下放大或縮小除數。根據特殊的應用可能採用其它斜率測量方法更好。存貯2n點(其中n為整數)可允許利用指數移位進行快速除法。這有助於節省某些浮點處理時間。測量結果存貯得越多，可使噪聲過濾得越好;然而，卻增加了處理時間並耗費更多的存儲空間。此外，抗噪聲性能與真實地計算斜率之間應當相互折衷。曲線上兩點之間的距離越小，對間隔內這些點的斜率的近似越好。另一方面，求平均的點越多，對噪聲的過濾越好，但會使斜率的完整性受損。總之，採用任何一種接近這些極端的方法都將不能在實際中很好地應用。此外，在本發明中，在斜率測量中單純求移動平均或進行延遲過濾，或僅僅計算兩個測量點之間的斜率將無法在實際場合，例如含固有噪聲的生產過程中很好地運用。
本發明在測量斜率時提供抗幹擾性。它不會使被測數值的趨向發生畸變。由於生產過程典型地具有至少為秒級的主時間常數，當以適當的速率，即每秒至少4次的速率對輸入取樣時，僅用八個測量結果的誤差實際上可忽略不計。在過程響應緩慢，即具有較大時間常數的應用中，採用本發明方法得到的斜率仍然是完全有效的，因為它能不斷使噪聲通過平均消除(見圖4)。
根據本發明，微處理機19(見圖2)在每個控制周期計算過程對階躍輸入的響應的斜率。由微處理機計算的最大斜率存貯在RAM18內。在每個周期內，微處理機將存貯在RAM18內的最大斜率與最新計算的斜率進行比較。如果最新計算的斜率大於或等於先前存貯的最大斜率，則微處理機將用最新計算的斜率替代先前存貯在RAM18內的最大斜率。所替換的內容包括所存貯的新的最大斜率47(見圖5B)的數值、由點58給定的測量值49和給定的時間48。在圖5B所示例子中，認為給定時間48基本上位於點53至54所對應時間的中間位置上。然而，給定的時間48可以是在由點50-57所確定的時間範圍內的任一時間;給定的測量值49可以是在由點50-57所確定的測量值範圍內的任一數值。
為了更多地抑制噪聲，可以將全部八個點50至57求平均。另一方面，可將平衡數目的點(即在給定時間48兩側的點的數目相同)進行平均以得到更精確的幅值49。緊接下來的下一個控制周期將利用點51-57和59來確定下一個斜率值。該步驟重複用於每一個控制周期，直至本發明確定響應已達到穩態條件。注意，本發明可在每個周期非常方便地計算斜率47，由此允許分析大量的響應點，從而產生更精確的結果。
實際上，如果不是更多的話，所有生產過程都具有至少兩個極點。一個典型生產過程的較好近似是一種具有兩個極點的過阻尼系統，這系統因而具有兩個時間常數，其中一個時間常數與另一個時間常數相差10倍。單只這一點就保證了最大斜率不會象單純一階響應那樣位於上升的起點，因此，本發明將比現有技術Ziegler-Nichols方法優越。如前所述，根據Miller等人的說法，Ziegler-Nichols方法假設時間常數與最大斜率成反比。本發明不作這種假設。
現在參見圖6，圖6表示當上述方法應用於圖5A中所示的實際響應45時，所確定的最大斜率。本方法假定二階過程中，一個時間常數是另一個時間常數的10倍時，確定了兩個時間常數的相加等效值。二階系統對階躍輸入的響應(二階響應)達到其最大斜率的精確點，將是其時間常數等於該二階過程兩個時間常數的和的一階系統對階躍輸入的響應(一階響應)上的等價點。得到上述結果後，本發明推理最快響應(最大斜率)64必定在點61處，在此處，兩個時間常數相加地起作用，因為不可能響應得比這兩者作為串連的一階響應更快。
本發明提供了有關過程的附加信息，即最大斜率發生在時間常數為相加的位置，這就使過程得到更精確的近似。以下是二階階躍響應的時域解Cs(t)=K ［1+τ1e-t/τ1-τ2e-t/τ2τ2-τ1］ ［1］]]>其中，τ1和τ2為二階過程的時間常數，t為時間。儘管10比1的時間常數比對於許多生產過程來說是適當的，但本發明允許根據所應用的過程類型或其它標準，靈活地選擇時間常數比。在一個特定的溫度應用中，過程的時間常數比可選為20∶1，而在一個特定的流量應用中，其過程時間常數比可選擇為5∶1。在等式[1]中採用ι2等於10乘ι1的關係，可得到下列方程式Cs(t)=K ［1+e-t/τ1-10e-t/10τ19］ ［2］]]>為了確定過程是否處於穩態條件，本發明對過程變量的幅值進行取樣。在控制輸出階躍加到過程之前，過程必須處於穩態條件。控制輸出階躍的幅度應當選擇高到足以能獲得過程的特性，但不可高到使現場過程系統的非線性影響到結果。恰當的階躍幅度應為控制器過程變量0%至100%間距的20%。如以上結合圖5B所述的，本發明將連續計算斜率，直至確定對控制輸出階躍的響應已達到了穩態條件。圖6在222表示恰在控制輸出階躍加到現有過程系統13之前過程變量的幅值PVs。圖6還在224位置上表示出當相對於控制輸出階躍的響應達到穩態條件時，過程變量的值PVf。以下將描述本發明用以確定過程是否處於穩態條件的技術。此技術包括以下步驟1.在10秒的時期間隔內，求得過程變量PV值的平均值。求平均值以外的另一種操作是用一個10秒的時間常數使PV值延遲10秒鐘。圖13表示在兩個10秒時期間隔450、451中一批用於PV的數據點。
2.存貯最後10秒時間間隔內的最後PV平均值或經延遲的PV值。圖14表示在10秒時間間隔450、451結束時所產生的如圖13所示數據點的平均值452和453。
3.如圖15所示，監視平均值或延遲值在方向454上從增加的455到減少的456或從減少的458到增加的459的變化。
4.計算增加/減少狀態從原有狀態變化之前所經歷的10秒間隔的數目。
5.確定這時間間隔數和最大偏差是否符合規定為穩態的要求。
通常認為在穩態條件下，最大偏差必須小於1%除以增加/減少狀態發生變化所經歷的間隔數。為了反映16比特尾數浮點四捨五入限制，最大偏差的最小量應當設定在0.00153%。這樣可對時間周期高達1.8小時的系統得到可重複的穩態條件。當然，採用更為精確的浮點或更長的時間間隔將允許測量更長的過程時間周期。而較短的時間周期將在達到穩態時能較快地回報;然而，對於大多數生產過程來講，10秒的時間間隔似乎是一個合理的時間周期。時間周期不僅可以改變以適應某種應用，而且最大偏差也可以設得較大或較小，以適合於特殊的應用。
圖15表示一例應用於特定應用的一組時間平均數據點。表明從增加狀態到減少狀態的第一次變化的時間間隔為點455到456。而從減少狀態變到增加狀態為點458到459。注意在本例中為了改變增加/減少狀態，從點456到459經歷了6個時間間隔。在增加/減少到減少/增加狀態周期期間，存貯了從取樣到取樣的最大偏差。此狀態周期內的最大偏差在間隔457期間。在該增加/減少至減少/增加時間周期一結束，即記錄它所經歷的時間間隔數。在本例中，偏差457必須小於0.167%(1%/6個間隔)才認為處於穩態。
用以確定穩態的另一種方法，利用以階躍響應的最大斜率為基礎的信息。為了實際上的目的，我們可以假設對應於階躍輸入的逐漸調整的響應在性能上接近於衰減正弦波。根據這一近似，我們可以認定最大斜率與振蕩周期有關。直至過程階躍響應的第一個峰值之前，(A)SIN(ωt)的半個周期可以大致近似於最大斜率與振蕩周期的關係。(A)SIN(ωt)的斜率是它的導數(Aω)cos(ωt)。其中(A)為最大幅度，ω為角頻率，t為時間。最大斜率為cos(ωt)等於1的時候，故最大斜率為(Aω)。將最大斜率用與周期T有關的量來表示，可得出最大斜率等於(2πA)/T。階躍響應的PV峰-峰值近似為(2)(A)。因此，利用這種關係式，我們可以獲得下列等式作為固有周期T的近似公式T≈ (π(峰-峰PV))/(最大斜率) [2a]利用這一與過程有關的信息，可把固有時間周期的近似值與環路響應相聯繫。例如，我們可以在大致為兩個固有周期長的時間周期內，分析峰-峰值PV。這樣將有助於保證有足夠的時間來捕獲至少一個完整周期的最大PV偏移。可用最大峰-峰值PV偏移來表示穩態。例如，2%是PV可以在給定穩態校驗周期內變化的最大值。為了適應未知的調節過程，另一種辦法就是產生一種逐漸調整的可接受偏差。例如，在第一個穩態校驗周期內，最大偏差必須小於1%;在第二個穩態校驗周期內，最大偏差必須小於2%，再下一次為3%，依此類推。顯然，隨著時間的推移，PV振蕩最後將遇到最大偏差;然而，設定一個上限是恰當的，例如，如果在10個穩態校驗時間周期內未能符合穩態要求，就認為環路是振蕩太劇烈或不穩定。如前所述，最大偏差和穩態時間校驗周期可以改變以適合某種應用。
響應起始檢測器是本發明的另一部分。該響應起始檢測器確定傳送延遲(將在以下結合圖7進行定義)結束的時刻。在許多生產過程中都存在著傳送延遲。這種延遲可以起因於傳感器在過程中所設置的位置。由於通常都期望用控制器的輸出來影響過程輸入，因而傳送延遲在許多生產過程中都是很普遍的;然而，傳感器測量通常希望在過程的輸出點進行。因此，可能存在由控制器作用於過程的時間到過程輸出傳感器發現這種變化的時間這種物理上的傳送延遲。
響應起始檢測器通常接著穩態條件檢測器之後以保證過程不移動。只要證明已處於穩態，就監視PV和平均斜率求得在20秒的時間周期內(見圖12)的PV高466、PV低467和最大噪聲斜率(斜率最大)465。平均PV(PV平均)可以定義為該時間周期內的平均值，或定義為(PV高+PV低)/2。對於控制輸出的增加引起PV增加的使用情況，PV觸發點470就是PV至少為(PV高+(PV高-PV低))的點，此外，在此點470的平均斜率必須至少為原有斜率最大465的兩倍。這兩個條件有助於防止對響應檢測的錯誤觸發。注意，這種方法有助於顧及到固有的高頻過程噪聲以及固有的電信號噪聲。採用在點470處的平均斜率471，可以反過來計算和存貯響應檢測時間。注意，通過在(PV低-(PV高-PV低)設定觸發點，以及在另一PV方向以同樣的方式作用，同類型的響應起始檢測器可以使用於逐漸減小的PV。
作為一個例子，PV高為26.0%，PV低為24.0%，使PV平均等於25.0%，在此期間，最大噪聲斜率為每分鐘2%。對於上升響應，觸發PV點為25.0%t(26.0%-24.0%)，結果等於27.0%。所需最小斜率為每分鐘2乘以2%，即每分鐘4%。本例結果觸發點470為27.0%在27.0%觸發點時其平均斜率471為每分鐘10%，超過了所要求的每分鐘4%。這樣就超過了最小斜率和電平觸發標準;因此，兩個響應檢測觸發要求都已滿足。現在，反過來的計算表明響應檢測時間是470處的觸發時間減去(27%-25%)/(每分鐘10%)，因此，響應檢測時間早於470處的觸發時間0.2分鐘。
現在參見圖7，它表示控制輸出(CO)中的階躍，實際二階響應66，對一階響應67的近似，以及對於兩個響應66和67的交會點68所要求的電平。現在將參照圖7來定義術語「視在延遲」和「響應檢測時間」。在此之前，必須首先定義「傳送延遲」，因為，如前所述，由圖7中也可見，總停滯時間200為傳送延遲202和視在延遲204的總和。
術語「傳送延遲」指的是物質或能量從一個物理位置到另一個物理位置的傳送。例如，在一個為了控制酸性過程中的pH值而要混合池中液體的過程中，用以控制鹼性液體流速的閥門設置在池的頂部，而用以測量pH值的傳感器則設置在池的輸出口。如果過程控制器10響應傳感器輸出信號而調節閥門，來增加或減少鹼性液體的流量，顯然，使混合物中pH值改變而增加或減少的鹼性液體流量要花費一定的時間才能移動至傳感器。這一時間即為傳送延遲。該傳感器首次檢測pH變化的時刻即稱為響應檢測時間。
視在延遲204是從連接於過程的傳感器第一次檢測控制輸出對過程所產生影響的時間(即響應檢測時間)，到本發明算得的最大斜率與時間軸的交點的時間的延遲。從圖7可見，視在延遲204在傳送延遲202的結束處開始。
可以使等式[2]等於交會點68的所需值。合適的交會點68是歸一化的階躍的中間點，即0.5處，因為總是希望選擇這樣一個交會點，使它低到足以能保證對起始響應更為接近的近似。然而，交會點太低，將在整個擬合過程中產生明顯的誤差。為此，為了獲得PID控制器的合適的過調量和響應時間，不宜採用大於歸一化階躍響應四分之三或小於該響應三分之一的交會點。應注意，當τ2＝10τ1時，τ1加τ2等於11τ1。解等式[2]後得到，當實際二階響應66達到一半幅度時，該時刻為0.72585(τ1+τ2) [3]本領域的熟練人員可以從數學上很容易地確定，一階響應的時間常數是該一階響應達到階躍響應一半幅度那一點所需時間的1.4427倍。因此，一階響應時間常數的近似值簡單地估算為1.4427(0.72585(τ1+τ2)-視在延遲) [4]此等式[4]是尋找最佳時間常數近似值的一種省時和經濟的實現方法。
現在將根據最大斜率確定等價的(τ1+τ2)時間常數。一階系統的時域階躍響應簡單地為1-e-t/τ[5]其導數為1/(τ) e-t/τ[6]請回憶一個函數的導數給出一個斜率的函數。由此，給出了斜率64(見圖6)以及點61處相應的幅度63就可求得時間常數。注意，由響應曲線頂部起算的幅度65等於e(-t/T)，其中t為時間62。本發明指出，(τ1+τ2)時間常數可以根據時間62、最大斜率64以及最大斜率點61的幅度63而求得。此外，過程增益如果不等於1的話，也必須考慮到，因為不等於1的增益會影響斜率與時間常數的關係。因此，τ1+τ2等於由階躍頂部起算的歸一化幅度分數65乘以過程增益並除以最大斜率64。
Ziegler-Nichols方法與本發明方法之間的區別在於，Ziegler-Nichols方法假設所決定的實際最大斜率是與近似的一階響應的起始斜率相同的。這隻有在生產過程單純地為一階時才是對的，實際上不可能是這種情況。然而，即使是這樣一種情況，本發明仍可精確地測定斜率。
以下將結合圖9A更詳細地說明，甚至當主導時間常數(主導極點)比最接近的時間常數(極點)大40倍時(這幾乎與一階過程相同)，採用Ziegler-Nichols方法的結果仍然劣於本發明(本發明仍假定時間常數比為10比1)。
測量裝置具有某些與其相關的時間常數。因此，即使過程15是一個真的一階系統，傳感器16也會把現場過程系統13轉變為一個二階系統。
以下將以一個特定的生產過程為例，表明本發明與現有技術方法比較的優越性。該過程反映了一個二階系統，其中一個極點10倍於另一個極點。其主導極點具有30秒的時間常數，另一個極點具有3秒的時間常數。該過程的S域表達式將是GP(S)＝ 1/((30S+1)(3S+1)) [7]將方程[7]乘以因子1/S，即可得到過程在S域的開環階躍響應。S域開環變換的單位階躍響應為C(S)＝ 1/(S(30S+1)(3S+1)) [8]利用反拉普拉斯變換，可以從方程式[8]中得到過程在時域的開環階躍響應。該時域開環階躍響應為Cs(t)=［1+e-t/3-10e-t/309］ ［9］]]>其中，t是從零起始以秒為單位的時間。該響應的斜率可由響應的導數確定。該響應的斜率由下列公式給出dCs(t)dt= ［e-t/30-e-t/327］ ［10 ］]]>為了對本發明提供一種簡易和清楚的描述，僅列出了其解法和結果;因為，對於本領域任何熟練人員而言，這些數學方程式、求導和解法都是顯而易見的。
階躍值規一化為1，因此，在整個描述中，任何幅度都以這個等於1的規一化為基準。同樣，過程增量也假定為1。
實際二階響應的精確值如下1.最大斜率等於0.02581;
2.最大斜率時間在7.675秒;
3.在7.675秒時的響應幅值為0.1483。
為了證明本發明比Ziegler-Nichols方法優越，我們允許Ziegler-Nichols方法利用時間常數為3和30秒的二階生產過程階躍響應的精確數據點和精確的斜率。我們將採用Ziegler-Nichols方法所得到的結果與採用本發明所得到的結果進行比較。
Ziegler-Nichols方法估計過程的總停滯時間為1.929秒，時間常數為38.75秒。圖8中相對實際響應70畫出了Ziegler-Nichols方法的近似響應72。
如前所述，Miller等人的方法不可能用一個實際的以微處理機為基礎的控制器容易地實現。這是因為，控制器在達到最高階躍值之前不可能告知63.2%階躍在何處。這一最高階躍值將取決於固有過程增益。例如，根據該過程增益，過程輸入的百分之十變化可引起過程輸出中百分之五或百分之十五的變化。顯然，把每個周期時間裡的數值都存貯起來是不切實際的，尤其是對較慢的響應過程。這將需要大量的存貯器。例如，一個時間常數為2小時的過程和一個取樣時間為100毫秒的控制器，測量結果用四個字節表示時，將需要一千萬以上比特的存貯空間來存貯一個階躍響應。
對於本領域的熟練人員來講，一種變通的方法就是增大取樣時間，例如從100毫秒增加到1秒。本領域的熟練人員知道，這一增加將減少對存貯器的需求，但如果過程的時間常數在幾秒數量級，這種方法將不可能提供任何有用的數據。再者，即使取樣時間的增加能提供有用的數據，本領域的熟練人員知道，斜率近似的精度將由於取樣時間的增加而大大降低。
為本領域熟練人員所通曉的另一種變通方法就是兩次重複測定階躍響應。第一次階躍響應可用作過程增益的標準，以預測在對第二次階躍的響應中，63.2%點所在的時間。當然，這是假定，過程的階躍響應是可精確地重複的。兩次重複測定階躍響應意味著幾乎要等待兩倍長的時間才能完成近似。這種等待可能是非常令人討厭的，特別是當主導時間常數為小時的數量級時。另一方面，本發明在第一次就能精確地預測實際響應，可以克服這種限制。
對於Kraus和Sakai等人所述的方法，本發明也是有優越性的。Kraus用以確定最大斜率的方法僅採用五個響應點。如同Sakai等人所述(11欄，30-35行)，Kraus方法不能精確地測定最大梯度線(斜率)。本發明是對Kraus方法的一種重大改進。
Sakai等人所述的方法也是以響應曲線上少量的點為基礎來測得最大斜率的。此外，其中所用的校正因子似乎假定生產過程階躍響應是一階的，但眾所周知，生產過程實際上是以至少二階響應為特徵的。本發明經證明是更為精確的，首先，由於它利用了更多的點，其次，本發明考慮到生產過程的階躍響應將至少呈二階。
本發明確定總停滯時間為1.923秒，二階時間常數總和為33.00秒。本發明算得合適的時間常數近似為31.87秒。在圖8中，對照實際響應70繪出了採用本發明計算的響應71。
由圖8可見，Ziegler-Nichols方法用太大的時間常數72來估算響應70。然而，在圖8中可看出，本發明計算得到的響應70，在與實際響應匹配方面，具有明顯的優越性。本發明利用一階近似產生了一種最佳匹配。
圖9A中，用75表示一個時間常數比為40比1的生產過程的實際響應。用Ziegler-Nichols方法確定的過程響應如77所示。甚至當本發明繼續假定時間常數比為10比1時，本發明仍能得出如圖9A中響應76所示的恰當的估算。因而比Ziegler-Nichols方法優越。
在圖9B中，用80表示時間常數比為4比1的生產過程響應。用Ziegler-Nichols方法確定的過程響應如82所示。甚至當本發明繼續假定時間常數比為10比1時，本發明仍能得到如圖9B中響應81所示的恰當估算，因而比Ziegler-Nichols方法優越。
本發明的主要優點在於，它為自調節控制器的典型生產過程開環階躍響應提供了一種非常優良的擬合。本發明得出一種改進的方法，利用自調節控制器用一個具有延遲的一階模型，來近似生產控制過程應用中的高階系統。這一優點轉化為能夠更為精確地找到過程自調節控制器的最佳PID值，而不管採用那一種最佳判據。如此，這種改進的過程近似方式意味著更小的耗費、改善的效率、成本的節省、優良的產品或因具有更好的控制而帶來的許多其它優點。此外，這類用於自調節控制器的方法允許本發明用廉價的微處理機、較小的存貯空間，並用較低的微處理機負荷時間來實現。
本發明還可應用於各種不同的生產控制過程應用。注意，現場過程系統13的總停滯時間和時間常數可根據應用而有很大的變化，但本發明仍然可有效地應用。再有，如上所述，所存貯的測量值的數目、平均比率、平均指定幅度、所計算的斜率的指定時間、實際二階響應與一階響應交會點的所需值、二階響應(大致上以應用為基礎)的特有的生產過程時間常數比都可以修改;然而，本發明的基本內容仍保持不變。
現在參見圖10，圖10是表示存貯於EPROM20(見圖2)內的程序的流程圖，在本發明的實際應用中，它由控制器10的微處理機19執行。由流程圖100表示的程序的第一步驟102，是由控制器10確定過程變量(見圖1)是否已經達到了一個穩態值。如否，程序將繼續執行步驟102，直至過程變量達到穩態條件時為止。本發明確定過程變量是否已達到其穩態值，即是否已進入穩態條件的技術，已在前面結合圖13、14和15作了描述。
一旦程序確定過程變量已經達到其穩態值，程序即進入步驟104，其中，由控制器在一個預定時間周期內測量噪聲。在該時間周期內測量噪聲之後，程序在步驟104中計算平均噪聲及其最大斜率。在步驟104中，程序用以測量噪聲的時間長度是任選的，在採用流程圖100所示程序的一個實施例中，預定的時間周期設定為32秒。
在執行步驟104後，程序進入步驟106，在106中，它首先設定好電平和斜率觸發值，然後產生一個控制輸出階躍。電平觸發信號是過程變量必須響應於控制輸出中的階躍而超越的一個預定電平。斜率觸發信號是過程變量響應斜率必須響應於控制輸出中的階躍而超越的一個預定斜率值。在步驟108中，程序確定過程變量是否兩個觸發要求都已經達到。一旦步驟108確定過程變量已經達到觸發要求，程序進入步驟110，其中，對響應檢測時間進行計算。
在計算響應檢測時間後，程序進入環路150，環路150包括步驟112、114、116和118。在步驟112中，程序如上面結合圖5B所述利用連續8個點計算過程變量響應的斜率。在計算斜率之後，程序在步驟114中確定在步驟112中算得的相對於由步驟106所提供的控制輸出階躍的響應的斜率是否大於迄今已經算得的最大斜率。如上所述，先前計算的最大斜率、指定的最大斜率出現時間以及在該斜率處指定的過程變量值都存貯在控制器10的RAM18內(見圖2)。如果在步驟112中計算的斜率大於先前存貯的最大斜率，則程序在步驟116中用新的最大斜率，指定的該斜率出現時間以及在該新的最大斜率處指定的過程變量值取代存貯在RAM18內的先前計算的最大斜率，其指定的出現時間以及在該斜率處指定的過程變量值。
如果在步驟112中計算的斜率不大於先前計算的最大斜率，則程序利用以上結合圖13至15所述的技術，在步驟118中確定相對於控制輸出階躍的過程變量響應是否已經達到了穩態條件。如果仍未達到穩態，程序返回步驟112計算斜率，然後進入114將所計算的斜率與先前存貯在RAM18內的最大斜率進行比較。顯然，當程序結束執行環路150中的步驟時，過程變量對控制輸出階躍響應的最大斜率連同指定的該斜率出現時間，以及過程變量在最大斜率處的指定值都已確定並存貯在RAM18中。
當步驟118確定過程變量已經達到穩態條件時，程序進入步驟120，在此計算時間常數和總停滯時間近似值。總停滯時間200在步驟120中由最大斜率與時軸的交點算得(見圖7)。
如前所述，本發明包括以實際的、存貯器效率高的方式解決多階響應一階近似問題的另一種方法。和前面一樣利用最大斜率確定總停滯時間200(見圖7)，並存貯起始電平PVs222、終止電平PVf224、最大斜率值64、PV幅度63以及最大斜率點時間62(如圖6所示)。如圖11所示，在RAM18內的一個寄存器組300內，保留著一組專用存儲單元301-310，用以存儲ADC21輸出的PV測量值。這些專用存儲單元僅在響應斜率不再增大後，才開始在每個取樣周期存入。例如，如果從控制輸出階躍加入時起，響應斜率在37.75秒內繼續增加，37.75秒結束前，這些專用寄存器將不會開始把PV測量值存入其中。如果在38.00秒時，斜率呈現從先前斜率下降的跡象，就在第一個存儲單元301內存入PV測量值。如果斜率繼續下降，存儲單元302至310將開始在每個取樣周期相續地存入。然而，如果前面連續下降的響應斜率又開始增加，則在斜率停止增加後，就如前面所說那樣從單元301開始將已存貯的寄存器301至310衝掉重寫。此外，當可用的最後一個寄存器310存滿時，就在測量下一個PV值311之前，檢驗響應是否已達到穩態條件。如果響應數據未說明已達穩態條件，就把每隔一個的測量值(302、304、306、308、310)棄去，而保留的測量值(301、303、305、307、309)，則按它們的時間順序，分別移到圖11所示的寄存器組320的存儲單元321、322、323、324、325中。應當理解寄存器組300和320實際上為相同的寄存器。對它們採用不同標號的理由是為了說明每個寄存器組內寄存器內容是怎樣變化的。換句話說，只要專用寄存器301至310存滿了，且過程響應未處於穩態條件，半數的寄存器將空出用於新的測量值，而此時的取樣速率僅為原有速率的一半，取樣時間則為原有時間的兩倍。參見圖11，並觀察當從寄存器組300的記錄內容狀態改變為寄存器組320的記錄內容狀態時，每個存儲單元的記錄內容。寄存器組300與320之間的箭頭說明記錄內容是如何轉移的。
在寄存器301至310存滿之後，相連的PV測量值用311和312表示。注意，單元301至312為取樣周期為T的PV測量值，存貯在單元312至330內的PV測量值表示其取樣周期為2T。單元312至326之間的虛線表示，一旦寄存器組300內的內容修改為寄存器組320內的內容;由於取樣周期為2T，311的PV測量值被跳過，而PV測量值312存貯在單元326內。
注意，存儲單元306與326實際上是相同的單元，然而，306是取樣周期加倍之前的單元狀態，326是取樣周期加倍後的單元狀態。這種情況適用於所有的寄存器單元;因此，寄存器單元301至310與寄存器單元321至330，分別是完全相同的物理存儲單元，從寄存器組300到320的變換，清楚地表示當取樣周期加倍時，寄存器內容的變化。這一過程連續重複，直至建立穩態條件。因此，如果在寄存器單元330存滿後，穩態條件仍未滿足，則周期將再次加倍為4T，單元321、323、325、327和329的內容將分別取代單元321、322、323、324與325的內容，等等。穩態校驗僅在寄存器從頭至尾，即單元301至310或321至330已經全部存滿後才進行。寄存的取樣周期(如T、2T、4T、8T或16T等等)被存儲起來，以便給所記錄的各個測量值指定一個時間坐標。
穩態檢測可以根據寄存器內的數值情況或如前所述的方法進行。不論是根據先前所描述的方法而確定的，或是根據目前寄存器的內容所確定的最大斜率，都可以用來近似可用來表示穩態的「精確的」考核關係，這些考核關係(以下將作更詳細的描述)有助於防止發生錯誤的穩態檢測。寄存器數值也是對於用以前的斜率方法計算的最大斜率是否正確的檢驗。
與這些寄存器有關的第一個穩態條件合格要求是，寄存器數值之間的差必須依次等於或小於最大差值。例如，如圖11所示，單元322與323內容之間的差就是寄存器組320中鄰接單元內容之間最大的差。單元324和323內容的差一直到單元330和329內容的差依次繼續減小，如在差值欄335中可見的那樣。第二個合格要求是最大的差值必須在前半個寄存器組內(即在寄存器321至325內)。第三個合格要求是最後兩個單元330與329內容之間的差值必須小於最大偏差的5%;第四個合格要求是最大偏差必須小於整個階躍幅度(圖6中為PVf224到PVs222)的25%。第五個穩態合格要求是寄存器內容321至330所代表的時間必須至少為一個固有時間周期，該固有周期是根據響應的最大斜率或寄存器的最大偏差確定的。第六個穩態合格要求(是一種較好的斜率測量值雙重檢驗)是比較所存貯的最大斜率與由寄存器數值得到的最大偏差斜率，並觀察它們是否在相差一個2的因子範圍內是符合的。這將進一步證明，寄存器數據以及最大斜率計算多少是相符的。以上已經闡述，最大斜率是如何與實際時間周期有關的。由寄存器表中最大偏差所確定的最大斜率，將簡單地等於最大偏差除以寄存器組的取樣周期。必須滿足上述所有合格要求，才能認為PV值處於穩態條件。
顯然，可對上述各穩態合格要求進行調整或修改來作為一種替代的方法。這種調整或修改的一個例子就是指出，只要其餘的合格要求都滿足，在穩態條件中就不必考慮第一個穩態合格要求。另一個例子是，只要其餘的合格要求都滿足，在穩態條件中就不必考慮第五和第六個穩態合格要求。毫無疑問，可以用許多種合格要求的變換來確證穩態條件。
找出最接近於起始PVs222與終止PVf224之間距離的63.05%的寄存器值。數值63.05%是根據經驗選擇的所要求的交會點位置，這是根據在一定的相對時間內一階響應與一個時間常數比為10∶1的響應的最佳擬合而得到的。
只要我們確定了最接近於63.05%的階躍響應寄存器值，我們即可確定該寄存器實際的對整個階躍響應的分數。我們可以稱之為交會分數。由此可得到交合分數與時間調整因子之間的關係。
這一關係的目標是找到對過程響應的一個較好的一階近似。我們知道，可設定交會分數等於一階方程[5]。由此，可得到交會分數與時間調整因子之間的關係為時間調整因子＝[ 1/(-1n(1-交合分數)) ] [11]這一複雜函數可以簡化為由下表給出的線性分段插值。
交會分數時間調整因子0.352.30200.451.65790.551.24460.650.94820.750.71900.850.5257注意，該表僅覆蓋交會分數為0.35至0.85的範圍，因為測量實際上是一定在該範圍內的。如果交會分數未落在該範圍內，將不會建議使用這樣一組暫存數據，程序將重新執行。
例如，如果PVs為0，PVf為10000，在這一情況下，最接近於63.05%(本例中為6305)的寄存器值為寄存器323內的5817。該ADC測量值正好轉變為58.17%點，或換句話說為0.5817交會分數。從等式[11]中給出的關係，我們得到時間調整因子為1.1474。因此，將寄存器323內該PV測量發生時間與總停滯時間之差乘以1.1474時間調整因子。例如，如果第一個專用寄存器321在時間38.0秒開始存入，且目前的取樣周期為2.0秒，所選擇的寄存器323位於起始寄存器321兩個寄存器後面，這樣，寄存器323的發生時間是在38.0+(2＊2.0)＝42.0秒。現在，如果總停滯時間經計算為8.0秒，我們可以得到一階時間常數近似為τa＝(42.0-8.0)＊1.1474＝39.0秒。這樣就產生了近似的時間常數τa，將其與總停滯時間結合使用，即可表示對過程的一階近似特性。
現在可以參見圖16，其中，流程圖175表示可以貯存於EPROM20內的程序，適用於上述另一種方法。由於本領域的熟練人員能夠將其中所示的步驟160至172與前述另一種方法所述步驟聯繫起來，故沒有必要再描述圖16所示的流程圖。
本發明可應用於許多不同的生產控制過程應用。穩態檢測器可以有不同的時間間隔和最大偏差設定值，以適應各種應用或實施要求。響應檢測器上的觸發點可以提高或降低。
顯然，本發明通過分析過程變量對施加到控制器控制輸出端的階躍的開環響應，使自調節控制器能獲得由該控制器控制的現場處理系統的特徵。該方法用帶有單純時間延遲的一階系統響應來近似高階現場過程系統的實際響應。該方法確定了一階近似的總停滯時間和時間常數。控制器的最佳PID值可以用眾所周知的技術根據所要求的判據和一階參數確定。
進一步還應注意，本發明披露了兩個實施例。在一個實施例中，假定來自實際響應的數據是根據時間常數比為10比1的二階響應所獲得的數據。然後，用該數據來確定一階近似的時間常數。在另一個實施例中，是利用落在一個預定範圍內的實際響應數據與一階近似之間的交會點，來確定一階時間常數的。
進一步還應注意，在這兩個實施例中，該方法確定了對應於階躍的過程變量響應的最大斜率，並將該斜率連同其指定的產生時間以及指定的過程變量存貯起來。在該兩個實施例中，都用存貯的信息來近似總停滯時間，並在第一個實施例中，用來找到用以找出一階時間常數的假設的二階時間常數。第一個實施例包括用以確定響應檢測時間的一種技術，以根據響應檢測時間和總停滯時間，計算出總停滯時間中的視在延遲部分。在第一個實施例中，為了找到時間常數，必須計算視在延遲。在第二種實施例中，則利用確定交會點的PV測量寄存器操作技術來找到時間常數。
在過程變量達到初始穩態條件之前，階躍不加到控制輸出端上，當過程變量響應達到最終穩態條件時才停止計算斜率。該方法包括了可供選擇的另一用以確定穩態條件的技術。
顯然，對上述較佳實施例的描述僅用以說明而並非用以限制本發明。本領域的熟練人員在不脫離由所附權利要求書所確定的本發明的精神或範圍的情況下，還可對本主題內容的各種實施方式作出某些增加，減少或其它各種變換。
權利要求
1.一種用以在自調節控制器中獲得現場過程系統的一階近似特性的方法，所述現場過程系統由所述控制器控制，其特徵在於，所述一階近似具有一個時間常數和總停滯時間，所述現場過程系統具有過程變量，所述方法包括以下步驟(1)將一個預定階躍輸入加到所述現場過程系統；(2)確定所述過程變量對所述階躍輸入的響應的斜率，它包括下列步驟a.對所述過程變量響應進行第一組和第二組取樣測量，所述第二組取樣遲於所述第一組取樣，所述第一組取樣具有第一個預定的取樣數，所述第二組取樣具有第二個預定的取樣數；b.計算所述第一和第二組取樣的移動平均值，以及所述第一和第二組取樣的移動平均值之間的差；以及c.將所述的差除以一預定除數，以求得所述斜率；(3)確定當所述斜率為最大時的時間；在所述第一和第二預定數目的取樣所定義的各點範圍內定義一個與所述最大斜率相應的預定點；並測量所述預定點的出現時間以及與所述預定點相應的所述過程變量階躍輸入響應的幅度；(4)根據所述最大斜率、所述出現時間以及所述相應的過程變量階躍輸入響應幅度，計算所述一階近似總停滯時間；以及(5)根據所述過程變量階躍輸入響應，確定所述一階近似時間常數。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一組取樣的所述第一個預定數等於所述第二組取樣的所述第二個預定數。
3.一種用以在自調節控制器中獲得現場過程系統的一階近似特性的裝置，所述現場過程系統由所述控制器控制，其特徵在於，所述一階近似具有一個時間常數和總停滯時間，所述現場過程系統具有過程變量，所述裝置包括(1)用以將一個預定階躍輸入加到所述現場過程系統的裝置;(2)用以確定所述過程變量對所述階躍輸入的響應的斜率的裝置，所述斜率確定裝置包括a.用以測量所述過程變量響應的第一和第二組取樣的裝置，所述第二組取樣遲於所述第一組取樣，所述第一組取樣具有第一個預定的取樣數，所述第二組取樣具有第二個預定的取樣數;b.用以計算所述第一和第二組取樣的移動平均值，以及所述第一和第二組取樣的所述移動平均值之間的差的裝置;以及c.用以將所述的差除以一預定除數，以求得所述斜率的裝置;(3)用以確定所述斜率何時為最大，並在所述第一和第二預定數目的取樣所定義的各點範圍內定義一個與所述最大斜率相應的預定點，以及測量所述預定點的出現時間和與所述預定點相應的所述過程變量階躍輸入響應的幅度的裝置;(4)用以根據所述最大斜率、所述出現時間以及所述相應的過程變量階躍輸入響應幅度，計算所述一階近似總停滯時間的裝置;以及(5)用以根據所述過程變量階躍輸入響應，確定所述一階近似時間常數的裝置。
4.一種用以在自調節控制器中獲得現場過程系統的一階近似特性的方法，所述現場過程系統由所述控制器控制，其特徵在於，所述一階近似具有一個時間常數和總停滯時間，所述現場過程系統具有過程變量，所述方法包括以下步驟(1)確定所述過程變量是否處於初始穩態條件，以及所述過程變量在所述初始穩態條件下的幅度;(2)當所述過程變量處於所述初始狀態條件時，在對應於加到所述現場過程系統的一個預定的階躍輸入的所述過程變量響應中確定一個預定的幅度值;確定所述過程變量階躍輸入響應斜率的一個預定值，並將所述階躍輸入加到所述現場過程系統;(3)確定所述過程變量的階躍輸入響應幅度和斜率不小於所述預定幅度值和所述預定斜率值的時間，並根據不小於幅度和不小於斜率的所述過程變量的階躍輸入響應，以及所述不小於幅度的出現時間，計算所述過程變量階躍輸入響應的響應檢測時間;(4)確定所述過程變量對應於所述階躍輸入響應的斜率，它包括以下步驟a.對所述過程變量響應進行第一和第二組取樣測量，所述第二組取樣遲於所述第一組取樣，所述第一組取樣具有第一預定的取樣數，所述第二組取樣具有第二預定的取樣數;b.計算所述第一和第二組取樣的移動平均值，以及所述第一和第二組取樣的所述移動平均值之間的差;以及c.將所述的差除以一預定除數，以求得所述斜率;(5)確定當所述斜率為最大時的時間;在所述第一和第二預定數目的取樣所定義的各點範圍內定義一個與所述最大斜率相應的預定點;並測量所述預定點的出現時間以及與此相應的所述過程變量階躍輸入響應的幅度;(6)確定所述過程變量階躍輸入響應處於穩態條件的時間，確定所述過程變量階躍輸入響應處於穩態條件時所述過程變量的幅度;(7)當所述過程變量階躍輸入響應處於所述穩態條件時，根據所述最大斜率，所述最大斜率的出現時間以及所述相應的過程變量幅度，計算所述一階近似總停滯時間;(8)根據所述總停滯時間和所述響應檢測時間，確定所述過程變量階躍輸入響應的視在延遲;以及(9)根據所述最大斜率、所述最大斜率出現時間、所述相應的過程變量幅度、所述過程變量初始穩態條件幅度、所述過程變量處於所述穩態條件時所述過程變量的幅度和所述視在延遲，確定所述一階近似時間常數。
全文摘要
通過分析過程變量對加到控制器的控制輸出端的一個階躍的開環響應，獲得由一個自調節控制器所控制的現場過程系統的特性。用一個具有單純時間延遲的一階系統響應來近似一個高階現場過程系統實際響應。確定一階近似的總停滯時間和時間常數，將過程變量對階躍的響應的最大斜率連同其指定的出現時間，以及指定的過程變量存貯起來。用所述存貯的信息來近似總停滯時間。
文檔編號G05B11/42GK1081519SQ93106169
公開日1994年2月2日 申請日期1993年5月20日 優先權日1992年5月20日
發明者理察J·莫爾納 申請人:國際自動化控制信貸股份有限公司