控制器和自适应修改参数的方法技术

提供一种具有ＩＭＣ结构的控制器，它在内部模型设定值不正确时能通过自动校正内部模型增益进行准确的控制。本发明专利技术的控制器是具有ＩＭＣ结构的控制器，它主要从控制指令计算输出到被控系统过程的操作变量，通过使用代表被控系统过程的内部模型计算与作为控制结果的被控系统过程的控制变量相对应的参考控制变量，并且反馈控制变量和参考控制变量之间的差，从而自适应地稳定了控制。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

Controller and method for adaptively modifying parameters

A controller with an IMC structure that can accurately control internal model gain when the internal model setting value is incorrect is provided. The controller of the invention is a controller with IMC structure, it mainly from the control command output to the calculation of operating variables controlled system process, calculating the reference control variables as control variables and controlled system process control results corresponding to the inside of the model used to represent process controlled system, and feedback between the control variables and control variables of reference poor, thus adaptive stable control.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及代表具有IMC(内部模型控制)结构的控制算法的控制器，具体而论，涉及在内部模型设定值不准确时通过自动校正内部模型的增益能够进行准确控制的控制器。使用具有IMC结构的控制算法的控制器早已公知，这种控制器通过引入内部模型进行控制，内部模型即被控系统的过程的数学表达式。借助于这种IMC控制器，即使被控系统的过程具有大的空闲时间，也能对这种过程进行控制。具体而论，如果该控制器例如是一台室内空调器，则被控系统的过程对应于室内环境，而空闲时间则对应于在空调器启动的时刻和室内温度开始变化的时刻之间的时间间隔。附图说明图1表示使用常规的IMC控制器的一个控制系统。标号33代表第一减法处理部分，用于从一个指令(设定的室内温度)减去一个反馈量(下面将要描述)；标号32代表一个滤波器部分，用于防止第一减法处理部分33的输出变化的突然传输；标号34代表一个操作部分，用于根据滤波器部分32的输出计算该控制器输出的操作变量(从室内空调器送出的冷、热空气的温度)；标号36代表一个内部模型，它是被控系统的过程的一个近似的数学模型，该数学模型输出一个与控制变量(室内温度)对应的参考控制变量作为一个控制结果；标号38代表第二减法处理部分，用于从一个控制变量减去内部模型36输出的参考控制变量；并且，标号40代表一个被控系统的过程。标号F、Gc、Gm、和Gp分别代表滤波器部分32、操作部分34、内部模型36、以及被控系统的过程40的传递函数；r代表一个指令，u代表一个操作变量；d代表一个扰动，该扰动例如是相对于室外环境对室内环境的扰动；y代表一个控制变量；Ym代表一个参考控制变量；并且e代表一个反馈量。下面介绍这种IMC控制器的运行过程。首先，第一减法处理部分33从指令r中减去反馈量e。所得结果输出到滤波器部32。然后操作部分根据滤波器部分32的输出计算出操作变量u。操作变量u输出到被控系统的过程40和内部模型36。第二减法处理部分38从被控系统的过程40的控制变量y减去内部模型36输出的参考控制变量ym，内部模型36的运行方式同被控系统的过程40的运行方式近似相同。所得结果(即反馈量e)反馈到第一减法处理部分33。按这种方式就形成了一个反馈控制系统。理想的情况是，这个IMC控制器的内部模型36的数学表达式和被控系统的过程40完全相同。理想的情况还有，操作部分34具有内部模型36的传递函数的逆反特性(1/Gm)。但根本不可能得到和内部模型36的空闲时间有关的系数的倒数。出于这个原因，一般要略去和空闲时间有关的这个系数。因此，借助于这种安排按下述方程从指令r和扰动d就可获得控制变量yy＝F×Gp×Gc×r/{1＋F×Gc×(Gp－Gm)}＋(1－F×Gm×Gc)×d/{1＋F×Gc×(Gp－Gm)} ……(1)假定内部模型36的传递函数Gm等于被控系统的过程40的传递函数Gp，并且操作部分34的传递函数Gc等于内部模型36的传递函数的倒数(1/Gm＝1/Gp)。在这种理想的情况下，方程(1)可改写成Y＝F×r＋(1－F)×d……(2)还假定指令r无突然变化。在这样一种理想的条件下，可省略滤波器部分32，可有F＝1。因此，控制变量Y变成等于指令r(Y＝r)，从而在无任何扰动d的条件下实现了控制。下面考虑扰动d。即使被控系统的过程40和内部模型36都有一个长的空闲时间，它们相对于操作变量u而言都有相同的特性。因此，从第二减法处理部分38输出的反馈量e只是扰动d。因此，扰动d显然可以得到控制。这样一种IMC控制器一般是根据和可靠的稳定性和可靠的性能有关的设计条件进行设计的，可靠的稳定性和可靠的性能是在被控系统的过程40和内部模型36之间的模型识别误差变得相当大时得到的稳定性和性能。当通过这种模型识别技术确定内部模型36时，内部模型36相对于被控系统的过程40的某种模型识别误差是不可能避免的。但如果对这种模型识别误差的估算发生了错误，则不可能进行预期的控制。针对这种情况的补救措施只有由控制方面的专业人员采取。按上述方式设计一个常规的IMC控制器。在具有与被控系统的过程有极大不同的内部模型的控制器内，当发生指令变化、扰动、被控系统的过程的特性变化、或类似变化时，并且该变化使控制转到一个过渡状态，则要产生控制变量的波动变化。因此不可能抑制这种控制的不稳定性。在这种情况下，非控制专业人员的操作员就必须放弃使用这种IMC控制器。下面参照图2来说明这个问题。假定使用一个常规的IMC控制器(内部模型控制器)对一台工业电炉进行温度控制。在图2所示的情况下，控制变量Y是炉温，操作变量u是加热器的输出。用该控制器针对指令来调节炉温。该指令(即期望值r)输入到该控制器内。一般来说要将控制器中的指令r、控制变量Y、和操作变量u表示成在0％至100％范围内规格化了的一些数值。将响应加热器的输出(操作变量)产生的控制器中的指定数值的变化转换成炉温(控制变量)。可将这种传递特性定义为传递函数Gp。这种传递函数的最简单的表达式是一级延迟加上空闲时间，并由下式给出Gp＝Kexp(-Ls)/(1＋Ts)其中K是过程的增益，L是空闲时间，T是过程的时间常数。这个方程给出了下列特性。当响应于加热器的输出产生的控制器的指定值的变化是1％时，炉温变化为K％。在响应控制器的输出产生的控制器的指定值变化了例如1％的时刻和炉温基本上开始变化的时刻之间的时间间隔是该过程的空闲时间L。在炉温开始变化的时刻(从响应加热器的输出产生的控制器的指定值变化了例如1％开始经历了过程空闲时间L以后)和炉温变化了0.63K％之间的时间间隔是过程的时间常数T。在电炉中，由于加热器输出本身的变化需要很多时间，所以过程的空闲时间在传递函数特性方面接近过程的时间常数。一般来说，这样一个数值当作过程空闲时间是大的。因此，难以将使用最为广泛的PID控制应用到具有这种特性的被控系统上。但IMC对于这种被控系统是一个有效的措施。控制的目的在于保持炉温恒定。一般来说都是通过电炉的设计人员/制造人员或者现场操作人员调节IMC控制器的内部模型参数的。电炉的设计人员/制造人员通常缺乏控制方面的知识。即使这些设计人员/制造人员具有控制方面的知识，因为他/她在电炉运行期间是不进行调节的，他/她也不可能准确地调节这些参数的。另一方面，现场操作人员通常是用和控制方面的知识无关的试凑方法进行调节的。因此实现准确的调节要花费许多时间和劳动。出于这些原因，常规的IMC控制器经常是在没准确调节的条件下使用的。此外，在电炉运行期间通过电炉输送的产品的数目是要经常发生不规则的变化的。另外，通过电炉输送的产品类型也不限于一种。如果该炉是用于精密机器部件的电炉，通过电炉输送的产品类型可能每隔几个小时就要改变一次。这种类型的变化变成了被控系统的过程特性变化的一个因素。电炉本身受到厂房室内温度或其它加热元件的影响，这些都是特性变化的因素。在这种情况下，即使IMC控制器的内部模型参数在安装电炉过程中调节得很准确，也不可能维持准确的控制。假定通过电炉传输的产品的类型是变化的。在这种情况下，在炉内要维持的温度(指令)也要改变。在指令改变时，控制就从一个稳定状态转向一个瞬时过渡状态。这时，由于以上所述的不准确的调节或被控系统的过程特性的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有ＩＭＣ结构的控制器，ＩＭＣ结构计算从控制指令输出到被控系统的过程的操作变量，通过使用代表被控系统的过程的内部模型（６）计算与被控系统的过程的作为控制结果的控制变量（ｙ）相对应的参考控制变量（ｙｍ），并且反馈控制变量和参考控制变量之间的差，从而自适应地稳定了控制，其特征在于包括： 一个ＩＭＣ部分，按照ＩＭＣ控制算法计算并输出一个操作变量；以及 一个自适应调节部分，自适应调节作为ＩＭＣ控制算法的一个组成部件的内部模型（６）的模型增益，使得在所说ＩＭＣ部分中使用的变量即控制变量和参考控制变量的变化速率在过渡状态的控制响应周期期间变为相同的值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：田中雅人，三渊祐之，
申请(专利权)人：株式会社山武，
类型：发明
国别省市：JP[日本]