程序控制系統的製作方法
2023-10-11 14:24:04
專利名稱：程序控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及程序控制系統，特別是涉及採用了對死時間補償作了改進的史密斯方法的，一種程序控制系統。
在程序控制的歷史中，具有比例積分(PI)或比例微分(PID)調節功能的控制單元，被廣泛用於所有的工業領域，而且對於設備操作也是不可缺少的。
當一個程序系統，採用死時間L和一級滯後T(一個時間常數)來近似時，在僅有一級滯後的情況下，這個程序系統可以簡單地由比例積分微分(PID)控制方法來控制。但是若包括了死時間L時，而死時間L變大，換句話說當L/T變大，僅用比例積分微分控制就變得越來越困難了。
所以，作為一種用於提高包含死時間程序系統的控制能力的方法，史密斯提出了所謂「史密斯方法」或「死時間史密斯補償方法」現在此種方法被廣泛採用。其設計是增加一個死時間補償器，該補償器使用了一個程序系統模型，來進行比例積分微分控制，並將死時間移出控制循環方式，來單獨控制近似的一級滯後程序系統。
圖1(a)所示為使用了這樣的死時間史密斯補償方法的，控制單元的功能框圖。在此單元中，死時間補償器5與是新加進控制系統的6偏差計算器1得到目標值SVn，與控制變量PVn之間的偏差En。比例積分微分(PID)調節裝置3，在此偏差En的基礎上，執行比例積分(PI)或比例積分微分(PID)的控制操作，並且把所得到的控制信號MVn加到程序系統2上。
在死時間補償器5中，一級滯後模型裝置6，按照一級滯後傳輸函數、輸出比例積分微分(PID)調節裝置3的控制變量MVn。程序系統模型裝置(也稱程序系統模型)7，按照一級滯後和死時間的傳輸函數、輸出比例積分微分(PID)調節裝置3的相同控制信號MVn。減法器8從一級滯後模型裝置6的輸出之中，減去程序系統模型7的輸出。
其結構是減法器8的輸出端與減法器4相連，同時減法器4又置於偏差計算器1的輸出端，在此，死時間補償器5的輸出，被從偏差En中減去。
在圖1(a)中Gp、e-Lp·S程序系統的傳輸函數Gp-Kp/(1+Tp·S)消去死時間的程序系統的傳輸函數Lp程序系統死時間Kp程序系統增益Tp程序系統時間常數S拉普拉斯算子此外，Gm·t-1ma程序系統模型的傳輸函數Gm-Km/(1+Tm·S)消去死時間的程序系統模型的傳輸函數Lm程序系統模型死時間Km程序系統模型增益Tm程序系統模型時間常數如果將圖1(a)經等效變換重新排列，它就變成如圖1(b)中所示此處，擾動D是很小的，可以忽略。同時，如果假定程序系統特徵與程序系統模型7的特性一致的條件成立，也就是說存在關係式擾動＝很小，Tp＝Tm，Lp＝Lm(1)我們有Gp＝Gm，當SVn→PVn的傳輸常數在此種情況下找到時，它變成PVn/SVn＝｛(Gc·Gm)/(1+Gc·Gm)｝e-1p·S(2)它可變換成圖1(c)中的結構型式。所以，這意味著，在這個控制單元中，具有消去死時間的一級滯後模擬器6，可以由PID調節裝置3反饋控制。換句話說，由於死時間可以從控制循環中移去，所以，這個單元可以很容易地由PID調節裝置3所控制。而且，予期具有較好的控制能力。死時間單元9、被置於控制循環之外。
然而，從上面的解釋可以明顯的看出，採用上述類型的死時間史密斯補償方法，除非方程(1)的條件成立，否則控制單元是不能如圖1(c)所示那樣構成的。
可是，在實際的設備控制中，使方程(1)的條件成立常常是困難的。例如，在死時間的進程中，方程(1)的條件，可能由於程序系統特徵的改變和環境的變化(諸如環境溫度、催化劑溫度、原料狀態或負載大小等)而改變。結果，方程(1)中的條件變化越大，控制能力就變得越差。因此，就存在著不可能實現死時間史密斯補償方法功能的問題，結果造成對設備控制能力的巨大影響。
本發明的一個目的是用死時間補償控制單元，控制一個程序控制系統。另一個目的是，在程序系統增益特性變化的條件下，用改進的死時間補償控制單元，使有可能控制一個程序控制系統。
按照本發明，上述目的是通過提供一個控制系統而實現的。所控制的程序系統具有程序系統增益和死時間，其傳輸函數包括一個相應於程序系統增益的增益項，和一個相應於死時間的死時間項。在外加擾動條件下，所說控制過程是基於一個受控變量和目標值之間偏差，根據至少執行比例積分控制操作的控制器，所控制變量的輸出，將程序系統的受控變量輸出，調整到目標值而實現的。這個系統包括死時間補償器，它與控制器相連。控制器包括一個系統模型單元，該單元具有與程序系統的傳輸函數近似的系統傳輸，還包括一個模型單元，該單元具有將死時間項從系統傳輸函數中消去的模型傳輸函數。所說死時間補償器用於輸出一個補償信號以補償死時間。這個系統還包括與死時間補償器相連的增益調節器，可根據程序系統增益的變化、將系統模型單元的增益，調整到程序系統增益上。
另一方面，根據本發明上述目的是通過一種控制方法而實現的。該方法在外加擾動的條件下，基於控制變量和目標值之間的偏差。根據至少執行比例積分控制操作的控制器、所控制變量的輸出，將程序系統的受控變量輸出調整到目標值，從而控制一個程序系統，該系統具有程序系統增益和死時間，其傳輸函數包括相應於程序系統增益的增益項，和相應於死時間的死時間項。該方法包括下述步驟通過使用死時間補償器來補償死時間，該死時間補償器與控制器相連，包括一個系統模型單元和一個模型單元，系統模型單元具有與程序系統的傳輸函數近似的系統傳輸函數;模型單元具有將死時間項，從系統傳輸函數中消去後得到的模型傳輸函數，按照程序系統的增益變化將系統模型單元的增益，調整到程序系統增益上。
圖1(a)到1(c)所示為能補償死時間的普通程序控制系統的框圖。
圖2為本發明採用了史密斯方法，進行死時間補償的程序系統的框圖。
圖3為本發明採用了史密斯方法，進行死時間補償的另一個程序控制系統的框圖。
圖4所示為圖3中程序控制系統的運算圖。
以下參照圖2描述本發明的一個實施例。在圖2中凡是與圖1中符號相同的那些函數或部分，將不再詳細介紹。
在圖2中，模型增益校正器10，是為死時間補償器5提供的，它對應於程序系統增益的變化，自動校正死時間補償器5的增益。
在模型增益校正器10中，除法器11接收程序系統2的受控變量PVn和作為死時間補償器5一部分的程序系統模型7的輸出信號PVmn，並計算出它們的比值Kn＝PVn/PVmn。時間平均值運算器12，通過計算除法器11的輸出Kn的時間平均值，計算出比值Kn』(下文中、平均值均採用加「』」號來表示)。乘法器13用此平均比值Kn』乘以死時間補償器5的輸出，自動校正死時間補償器的輸出。
所以，在模型增益校正器10中，從程序系統2輸出的受控變量PVn，和從作為死時間補償器的一部分的程序系統模型7中輸出的信號PVmn，被送入除法器11中。經過運算PVn/PVmn，求得比值Kn』後，將其傳送到前面的時間平均值運算器12。在時間平均值運算器中，平均值Kn』是從除法器11輸出的初始比值Kn』對時間進行平均而求得、並被送入乘法器13。在這裡、與平均比值Kn』相乘，使得死時間補償器5的輸出信號自動改變。
接下來，講述對於程序系統增益的改變，程序系統模型增益的校正。如果程序系統2的特性與程序系統模型7的特性是一致的話，受控變量PVn和程控系統模型7的輸出信號PVmn、應該是一致的。即，如果比值Kn＝PVn/PVmn、那麼Kn＝1。但是，實際上，Kn＝1是由於程序系統2特性的變化。所以，在此單元中，測得程序系統增益的變化-比值Kn，並且根據這個比值Kn，校正程序系統模型增益的變化。
此處，受控變量PVn和程序系統模型7的輸出信號PVmn，對於控制信號MVn可比表示為PVn＝MVn·｛Kp/(1+Tp·S)｝·e-Lp·S(3)PVmn＝MVn·｛Km/(1+Tm·S)｝·e-Lp·S(4)而除法器11的輸出，即比值Kn為Kn＝PVn/PVmn(5)於是如將方程(3)、(4)代入方程(5)中，我們得到Kn＝(Kp/Km)·｛(1+Tm·S)｝/｛(1+Tp·S)｝·e-(Lp-Ln)·S(6)設Tm＝TpLm＝Lp關係式(6)就可以變為Kn＝Kp/Km(7)此外，為了消除比值Kn的瞬時波動的影響，比值Kn被送入時間平均值運算器12中。如果對於一個指定的時間、取時間平均值，其輸出取作Kn』，Kn』＝(Kp』/Km』)(8)所以，如果這個平均值Kn』送入乘法器13，並與死時間補償器5的輸出相乘，則乘法器13的輸出Mon為Mon＝Kn』×死時間補償器5的輸出＝(Kp』/Km』)× (Km)/(1+Tm·S) ×(1-e-LM·S)×MVn上式中，由於Km』＝Km，因此可得到下式＝Kp』× 1/(1+Tm·S) ×(1-e-LM·S)×MVn (9)換句話說，從關係式(9)可明顯看出，通過死時間補償器5的輸出端、附加模型增益校正器10，使得死時間補償器5的程序系統模型7的增益，總是可以自動校正到程序系統2的增益，Kp。
所以，在採用了上述類型的實施內容時，通過依據程序系統增益的變化，自動校正程序系統模型7的增益，總是有可能使得程序系統與程序系統模型的特性一致。因此，通過充分應用死時間史密斯補償方法，控制能力增強了，即使對於特性變化和程序系統的環境變化也是如此。此外，用程序系統模型7的輸出，去除程序系統2的受控變量，也可得到校正的增益比。故而，程序系統模型7的增益、可以用非常簡單的結構校正。
進一步，程序系統模型增益可以準確地被校正，而不受該比值的瞬時波動的影響。即將該比值用時間平均值運算器12，對於一個指定時間求其平均值。該比值是用程序系統2的受控變量，除以程序系統模型7的輸出信號而得到的。
特別是、在一個實際的工廠裡，程序系統的特性變化大而且頻繁。但是，程序系統模型7的增益，能夠根據程序系統增益的變化而自動得到校正。因此，即使在一個帶有死時間的控制系統中，也能極大地提高控制能力。
此外，在上面的實施例中，除法器11所得的比值Kn，在時間平均值運算器12中，得出在一個指定時間裡的時間平均值。但是，即使省去時間平均值運算器12，也能得到近似的效果。除此之外，本發明在不偏離其要旨的前提下，還可以進行不同的改進。
本發明的另一個實施例，將結合圖3在以下部分中予以描述。另外，凡圖3中與圖1(a)到(c)中符號相同的那些函數或部分，將不再詳細介紹。
圖3中，模型增益校正器10對應於程序系統2的增益變化，自動校正死時間補償器5的增益，在死時間補償器5中，採用了史密斯方法。
模型增益校正器10包括除法器11，它接收來自程序系統2的受控變量PVn，和構成死時間補償器5的一部分的程序系統模型7的輸出信號PVmn，並計算出它們的比值Kn＝PVn/PVmn，算出的增益比值信號Kn存貯在存貯器12中。乘法器13對應於程序系統2的增益變化校正程序系統模型的增益。這裡從存貯器中讀出的增益比信號與死時間補償器5的輸出信號相乘。該設計是把增益作了修正之後的信號，加到減法器4上。
此外，模型增益校正器10，包括信號識別器14，它識別從死時間補償器5輸出的幾乎為零的信號，並輸出一個零值識別信號。所得到的零識別信號被導入時間限制器15中。時間限制器15具有定時功能。當零識別信號(死時間補償器5輸出「零」)被持續，超過一個特定時間Tn時，它就施加一個校正命令信號到存貯器12中，以校正增益比信號Kn。在其它時間裡，它具有緊跟在前的增益比信號Kn的同時，停止記憶修正並校正程序系統模型7的增益的功能。
接下來，將採用圖3所示的結構，並對實驗和研究的結果加以解釋。現在，如果完全響應程序系統2所需時間，取作TR，那麼完全響應所需時間TR、可以表示為TR＝近似死時間Lp+(3-5)·Tp此處，如果程序系統的特性和程序系統模型特性是一致的，那麼當上式中完全響應所需時間TR在受控變量PVn變化之後超出時，受控變量PVn和程序系統模型7的輸出PVmn也將是一致的，如圖4所示。所以這時增益比Kn應為Kn＝PVn/PVmn＝1但是，實際上有時Kn＝1是不真實的。這是因為程序系統特性的增益變化、是由於程序系統2特性的變化和環境的狀態，諸如周圍溫度、催化劑密度、材料條件和負載的大小。所以，程序系統特性的增益與程序系統模型是不一致的。因此，如果程序系統模型的增益、通過計算增益比Kn，使得與程序特性的增益一致，那麼史密斯方法的條件將被滿足。
所以，完全響應所需時間TR的定時，是必要的。但是，因為死時間補償器5已消除了死時間，從中已消除了死時間的完全響應所需時間TR的剩餘時間Ts，也就是說Ts＝(3-5)·Tm作為近似的完全響應所需時間，被定時。如果，在這個時間Ts消逝後所得到的增益比Kn被採用，它就成為近似反映程序系統的增益變化的值。此外，如果使用這個增益比Kn進行程序系統模型增益補償，那麼史密斯方法的條件可以被滿足。
對於程序系統增益的變化，程序系統模型增益的校正，將在下面用一些關係式予以解釋。
首先，受控變量PVn對於PID調節裝置3，所加的控制信號MVn，和程序系統模型7的輸出PVmn可以表示為PVn＝MVn·Qp·e-Lp·S＝MVn·｛Kp/(1+Tp·S)｝·e-Lp·S(10)PVmn＝MVn·Gm·e-Lp·N＝MVn·｛Km/(1+Tm·S)｝·e-Lp·S(11)同時，除法器11輸出的增益比信號Kn為Kn＝PVn/PVmn(12)如果關係式(10)和(11)被代入關係式(12)中，則得出下面(13)式Kn＝(Kp/Km)·｛(1+Tm·S)/(1+Tp·S)｝·e-Lp-Lm·S(13)當死時間補償器5的輸出變為零，一個零信號被信號識別器所識別，並且一個校正命令信號從時間限制器15中輸出時，由於在控制信號MVn變化之後，超出完全響應所需時間TR，所以在關係式(13)中(1+Tm·S)/(1+Tp·S)＝1·e-Lp-Lm·S＝1所以，最後(13)式變為Kn＝(Kp/Km)(14)於是，用此式得到的增益比值信號，被導入增益校正13中，並與死時間補償器5的輸出信號Xn相乘。用此種方法，就從增益校正13中得到一個輸出Yn，如下式
Yn＝Kn/Xn(15)＝(Kp/Km)·｛Km/(1+Tm·S)｝·(1-e-LM·S)·MVn＝(Kp/(1+Tm·S)｝·(1-e-LM·S)·MVn(16)因此，從16式明顯看出，如果模型增益校正10的增益比值信號Kn，與死時間補償器5的輸出Xn相乘，死時間補償器5的程序系統模型增益Km，總是被程序系統增益Kp自動校正。
所以，一般來說，當史密斯死時間補償方法，用於包含死時間的程序系統時，總是擾動微小，也就是程序系統特性與程序系統模型一致的情況。但是在大多數情況下，由於程序系統2的特性變化和環境狀態，程序系統特性增益發生變化。所以，程序系統的增益和程序系統模型不一致，從而對控制能力有較大影響。
於是，該單元從受控變量和程序系統模型的輸出中，求得增益比值信號，同時在一個與控制信號變化之後的，完全響應時間等效的時間裡，存貯增益比值。其設計是使程序系統模型增益，可用此存貯的增益比值信號校正。所以，死時間補償器5的程序系統模型增益，在程序系統增益變化的基礎上被校正。故而，史密斯死時間補償方法的功能，可以充分顯示，而具有有效的控制能力的死時間補償控制單元可以實現。
特別是，在一個實際的工廠裡，程序系統的增益變化，大而頻繁。但是，對於一個實際工廠的採用能力，由於程序系統模型增益的自動修正而明顯的提高。如果使用散布於工廠周圍各個地方的控制單元，將對整個工廠控制能力的提高，作出很大貢獻。此外，可以實現工廠操作的全面適應性和超自動化，從而產生高質量產品。
順便說說，本發明不局限於上述實施例，換句話說，在上述實施例中，其結構是將除法器11的輸出傳送到乘法器13、按現實情況來說，就是它被存貯到存貯器12之後。但是，它可以具有一種結構、具有一個平滑裝置，以消除諸如比值運算器11或存貯器12輸出端比值Kn的瞬時波動。並且，校正可通過使用死時間補償器5的輸出「0」，由消除定時器15來執行，或利用如T＝(3-5)·Tm來進行，該值是由定時裝置15設置的定時值。在後一種情況，由於時間常數Tm形成的部分，可以簡單的被忽略、並可作為一種近似用於增益變化。
除此之外，在不脫離原宗旨的前提下，本發明還可以有各種改進。
當使用如上述的本發明時，提供一個能完全展示，死時間史密斯補償方法的功能的，死時間補償控制單元是可能的。促使，由於程序系統特性的變化和它的環境改變，使程序系統的增益產生變化時，甚至是一個帶有死時間的控制系統，也有可能以有效的能力進行控制。
權利要求
1.一種系統用於控制具有程序系統增益和死時間的程序系統，程序系統的傳輸函數包括一個相應於程序系統增益的增益項單元和一個相應於死時間的死時間單元，所說控制、是在一個外加擾動條件下、根據控制器的控制變量輸出，將程序系統輸出的受控變量調整到一個目標值，所說控制器至少在受控變量和目標值之間的偏差基礎上，進行比例積分控制操作，該系統包括與控制器相連的死時間補償裝置，包括有一個系統模型單元、具有系統傳輸函數近似於程序系統的傳輸函數、和一個模型單元，與系統模型單元並聯，具有由系統傳輸函數消除死時間項單元而得到的模型傳輸函數，所說補償裝置用於輸出一個補償信號以補償死時間，與死時間補償裝置相連的增益調節裝置，用於根據程序系統增益的變化、將系統模型單元的增益、調整到程序系統的增益上。
2.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於增益調節裝置包括增益比值探測裝置，以系統模型單元的第一輸出信號，除以受控變量，來探測程序系統增益與系統模型單元增益的增益比值，還包括一個乘法器、用於將從死時間補償裝置輸出的補償信號與探測的增益比值相乘，補償信號是從模型單元的第二輸出信號，減去系統模型單元的第一輸出信號而得到的。
3.按照權利要求2所述的系統，其特徵在於增益比值探測裝置包括除法器、用系統模型單元的第一輸出信號除以受控變量，來探測初始增益比值、還包括一個時間平均值運算器、用以計算初始增益比值的時間平均值，以測得增益比值。
4.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於增益調節裝置包括除法器，用系統模型單元第一輸出信號除以受控變量，以測得增益比值、包括存貯器、用於存貯增益比值。還包括校正裝置，用於在死時間補償器輸出的補償信號為零，超過一個予定時間時，校正增益比值。
5.按照權利要求4所述系統、其特徵在於校正裝置包括信號識別裝置、用於在死時間補償器輸出的補償信號為零時，產生一個識別信號，還包括一個時間限定裝置、用於在識別信號連續產生超過一個予定時間時，校正存貯在存貯裝置中的增益比值。
6.一種控制具有程序系統增益和死時間的程序系統的方法，所說程序系統的傳輸函數，包括一個相應於程序系統增益的增益項，和一個相應於死時間的死時間項，控制過程是在一個外加擾動條件下、根據控制器控制變量的輸出，將程序系統的受控變量輸出調節到一個目標值，將控制器至少在受控變量和目標值之間的偏差基礎上、進行比例積分控制操作、它包括下述步驟採用死時間補償裝置補償死時間、該補償器與控制器相連，包括一個系統模型單元、其系統傳輸函數近似於程序系統的傳輸函數，還包括一個模型單元、它與系統模型單元並聯，其模型傳輸函數是從系統傳輸函數中，消除死時間項而得，以及，根據程序系統增益的變化、將系統模型單元的增益調節到程序系統的增益。
7.按照權利要求6所述的方法，其特徵在於調節步驟包括測量程序系統的增益、與系統模型單元增益的增益比的步驟，它是用系統模型單元的第一輸出信號，除以受控變量，還包括用測得的增益比，乘以死時間補償裝置的補償信號輸出的步驟、補償信號是從模型單元的第二輸出信號中，減去系統模型單元的第一輸出信號而得到的。
8.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於測量增益比的步驟，包括用系統模型單元的第一輸出信號，除以受控變量，來測得初始增益比的步驟，以及計算初始增益比的時間平均值、以測得增益比的步驟。
9.按照權利要求6所述的方法，其特徵在於調節步驟包括，用系統模型單元除以受控變量，以測得增益比的步驟、存貯該增益比的步驟，和當死時間補償裝置的補償信號輸出為零，超過一個予定時間時，校正該增益比的步驟。
10.按照權利要求9所述的方法，其特徵在於校正步驟包括當死時間補償裝置的補償信號，輸出為零時，產生一個識別信號的步驟，以及當該識別信號持續產生超過一個予定時間時，校正存貯在存貯器內的增益比的步驟。
全文摘要
一種系統用於控制具有程序系統增益和死時間的程序系統，該程序系統的傳輸函數包括一個相應於程序系統增益的增益項，和一個相應於死時間的死時間項，該控制過程是在一個外加擾動的條件下，根據控制器控制變量的輸出，將程序系統的控制變量輸出，調節到一個目標值，所說控制器至少在控制變量與目標值的偏差基礎上，進行比例積分控制操作。這個系統包括死時間補償裝置，一個系統模型單元，一個模型單元和增益調節裝置。
文檔編號G05B13/04GK1069134SQ92105829
公開日1993年2月17日 申請日期1992年6月11日 優先權日1991年6月11日
發明者廣井和男 申請人:株式會社東芝