For a measured parameters self tuning system and method based on process control, including standard parameter estimators and the parameters of the controller, and they together and will use the measured parameters as an input to receive. An internal model controller is used as a converter in the parameter conversion, and the feedforward index for gain scheduling is introduced. In addition to the traditional gain scheduling, regression analysis is used to improve the control function more precisely. A limiter is also used in conjunction with regression analysis to avoid excessive or too few correction numbers of the controller.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般涉及过程控制领域，具体涉及一个新的、有价值的装置;它可以利用参量估值、不同型式的参量转换和增益调度，产生一个过程的自调谐控制。过程的性能可以利用自调谐控制理论加以改善。这种改善对于未知的或变化的动态过程和具有非线性行为的过程是有重大价值的。自调谐控制还能改善简单的过程控制环的性能，因为这些环的周期性调谐常常是被忽略的。参见R.E.考尔曼的“自寻优控制系统的设计”，美国机械工程协会会刊1958年，第80页(AM.Soc.Mech.Engr.Trans..80，1958);K·J·阿斯特罗姆和B·威特恩马克的“自调谐调节器”，自动化1973年第9期(Automatica，9，1973)和D·W·克拉克和P·高斯洛坡的“自调谐控制器”，电气工程师协会会刊1975年，第122页(Proc.IEE，122，1975)。尽管自调谐控制具有潜在的优点，但这种理论在实践中没有什么效果，许多实际困难都和上边列出的前二篇文章中全面讨论的自调谐控制有关。问题的范围包括起动、长期运行、未知的或变化的过程的时间延迟以及高阶的快速变化的动态过程。参见B·威特恩马克和K·阿斯特罗姆的“实现自调谐控制系统的实际问题”，自动化1984年第20期(Automatica，20，1984)。此外，要求确定的现行的自调谐控制的参量数目一般要超过通常的比例积分导数(PID)控制所必需的两个或三个参量的数目。在过去的十年里，针对这些问题进行了大量的研究，然而许多方面问题仍然存在。直到现在，自调谐控制理论还是不能适于工业控制问题的一般应用。最初，自调谐控制理论集中在隐式算法上，这些算法允许控...
【技术保护点】
用于控制至少具有一个被测量参量的过程的自调谐系统，它包括：一个用于接收被测量参量和用估值算法计算被估值参量的标准参量估值器；一个被连到上述估值器的标准化ＰＩＤ参量转换器，用以将一个比例积分导数的算法作用到被估值的参量上，以产生ＰＩＤ 控制；一个被连到上述ＰＩＤ参量转换器用于对过程进行控制的ＰＩＤ控制器；一个包含一个内部模型算法的标准化ＩＭＣ参量转换器，它与估值器连接，用于将内部模型算法作用到被估值的参量上，以产生一个内部模型控制信号；与该标准化ＩＭＣ参量转换 器相连的增益调度装置，用于接收一个前馈指数和内部模型控制信号，以产生一个增益调度的控制信号；一个与上述增益调度装置相连的ＩＭＣ控制器，用以接收控制过程用的增益调度的控制信号；一个标准化用户定义的参量转换器，它与估值器相连，用于接收被 估值参量并产生一个被估值的参量控制信号，和一个用户定义的控制器，它与上述用户定义的参量转换器相连，用于接收用户定义的控制信号，对过程进行控制。
【技术特征摘要】
US 1986-10-9 USSN916775中详细地指明。为了更好地理解本发明，它使用时的优点和通过使用所达到的特殊目的，可参考附图和对本发明的较佳实施例的描述。附图中图1是一个表示本发明的自调谐控制系统的方框图。图2是表示一个现有技术装置的方框图;它用来以增益调度指数为基础修改控制器的控制信号。图3是一个表示本发明的自适应增益调度的方框图。图4是一个表示前馈指数应用于控制作用的现有技术装置的方框图。图5是一个表示用来修改前馈指数的装置的方框图，其修改采用了一个多项式方程和该多项式方程系数的回归算法。图6是一个描绘控制作用对PH值关系并说明滴定曲线的曲线图。图7是一个描绘PH值对控制PH值的过程增益的关系，按多个直线画出的图。图8表示出一个附加的对固定的增益图表的线性校正方程，并说明如何产生灵巧的增益图表。图9是表示一个简单过程的方框图，这个过程按本发明进行控制，以证实本发明的有用性。图10是一个表示时间对温度的关系曲线图，并说明了控制作用以及对固定增益调度的响应。图11是一个与图10相类似的曲线图，但表示一个线性增益图表。图12是一个与图11相类似的曲线图，但表示一个自调谐控制。图13是一个描绘加热器数目对按本发明控制的图9的系统的过程增益的关系曲线图。图14是一个与图13类似的曲线图，比较了实际的增益分布曲线和最初的及最后的增益图表。逐一地参考这些附图，图1中体现的本发明包括一个用于控制过程10的自调谐系统，它具有一个标准化的参量估值器12，估值器12接收对应于一个或多个从过程10测量到的参量的信号，并利用估值器算法将那个或那些被测量的参量转换成被估算的参量值。被估算的参量值被加到三个参量转换器之每一个中。这些转换器每个也都是标准设计的。PID或比例积分导数转换器14在线路16上产生一个PID控制信号，该信号加到一个用于对过程10进行控制的惯用的PID控制器18中。一个IMC或内部模型控制器参量转换器20也与参量估值器12相连，并在线路22上产生一个控制信号，此信号遵循着一个模拟过程10的内部模型算法。此信号在它作为最大的控制信号经过线路26加到IMC控制器28以前，在一个灵巧增益调度器24中被修正。一个用户定义的参量转换器30也与参量估值器12相连，并接收一个用户为了以要求的方式改变过程所施加的输入信号，这样就在线路32上产生一个用户定义的控制信号，此信号被加到对过程10进行控制的用户定义控制器34。图1中示出的标准设计不需要任何专用的硬件和固件。这种系统的单个标准化部件都采取标功能编码块形式，这些编码块在网络90系统中全部可以得到。在单个以微处理机为基础的控制模件中的固件程序库驻留管理程序允许存取这些功能编码。自调谐控制构成的技术要求，除了基本控制结构外，需要选择和内连一个适当的估值和转换块。在标准化参量估值器12中的估值算法利用了一套控制它的工作的法则。参量估值器连续地对它的输出进行监测。当不利的条件继续存在时，该功能编码防止使用不精确时的估值，并重置算法。估值算法的详细说明可以在上面给出的1981年福特斯克，克生包姆和依得斯蒂的文章以及依得斯蒂1984年的文章中找到。初始参量估值功能编码对带有停滞时间的离散的一阶动态模型的参量估值进行计算。这个表达所固有的是假定过程可以恰当地由这种形式模拟y(t)＝-a1·y(t-1)+b0·u(t-k)+C (1)式中y(t)＝现行的过程测量y(t-1)＝先前的过程测量u(t-k)＝在取样时间t-k处的控制输出a1，b0，c＝被估算的模型参量k＝过程停滞时间以下方程对估值算法进行定义。e(t)＝y(t)-θ＇t-1)φ(t) (2)w(t)＝φ′(t)p(t-l)φ(t) (3)θ(t)＝θ(t-l)+〔p(t-l)φ(t)e(t)〕/〔1+W(t)〕 (4)λ(t)＝n〔1+w(t)〕/〔n〔1+w(t)〕+e2(t)〕 (5)P(t)＝P(t-1)/λ(t)〔I-φ(t)φ′(t)P(t-1)/〔λ(t)+w(t)〕〕 (6)式中θ(t)＝〔a1，b0，C〕φ(t)＝〔-y(t-1)，u(t-k)，1〕n＝用于遗忘因子的时间视界λ(t)＝可变指数加权因数e(t)＝过程模型失配p(t)＝增益失量包括在参量估值功能编码中的直观推测的更详细叙述，在上边提及的1986年雷恩的论文中发表。在PID转换器14和用户定义的转换器30中参量转换都是已知的设计。内部模型控制器参量转换器20利用了一个具有一阶内部模型控制器的参量估值算法。这样的控制器在上边给出的1982年派里希的文章中叙述过。曾有三个因素认为要使用IMC转换器。第一，用在这种转换器中的算法提供了停滞时间补偿，这是在PID控制器中不易获得的一个特性。第二，这种算法使用过程增益和时间常数的估算作为它的主要调谐参量，这些参量易于提供精确的表述。第三，控制器在现今已生产的固件中可以找到。为了使用内部模型控制器算法，用户必须对被估算的过程停滞时间、时间常数和增益作出规定，并选择一个调谐时间常数。自调谐控制器对离散的模型参量进行估算，将这些参量转换成一个过程增益和时间常数的估算，并用这些值对控制器参量进行更新。用户必须对被监视的过程的停滞时间和一个调谐时间常数作出规定。这个调谐时间常数决定了所要求的过程响应的速度。参量转换功能编码将离散的参量估值转换成用于内部模型控制器的调谐参量。参量估算器对下边的过程模型进行估算。y(t)= (b0)/(1+a1z-1) u(t-k) (7)设计的内部模型控制器假设一个离散的过程模型，形式如下y(t)=KΔ tτ+Δ t1-ττ+Δτz-1u(t-k) (8)]]>式中K＝过程增益τ＝过程时间常数由此，转换算法必须将参量a1、b0和c转换成参量K和τ。现在参考图2，图中示出一个传统的增益调度程序。一个从过程测量到的过程变量40作为一个输入被加到一个控制器42，控制器42产生一个控制作用44。另外，一个指数46，通过一个增益图表算法48，作为第二个输入被前馈到控制器42，以对过程变量40的作用进行修正。这是一种使用以前过程的信息的自适应控制形式，去提高控制系统的性能。然而，增益调度程序使用一个固定的方程或增益图表，使一个被测量的指数变量和要求的调谐参量关联。增益图表将控制器调谐参量作为指数变量的函数不断更新。尽管调度程序连续地对控制器参量进行修改，以反映现时过程状态，传统的控制系统要依靠定期的人为的调谐。结果，增益调度程序提供较紧凑的控制调谐，尤其是对短时间间隔的变化或干扰的响应。增益调度在动态特性方面受突然变化影响的过程优于自调谐控制。一个很适用于增益调度的过程，呈现出作为可测变量的函数的显着的动态变化。传统的控制系统不由于应用增益调度而受益，它们需要解调，以在其整个工作条件的范围中维持适当的特性。在一定方式的工作期间，解调产生停滞的过程性能。另一方面，增益调度为在宽的工作范围内维持较紧凑的控制调谐提供了机理。控制PH值的举例说明了保证应用增益调度的方式那类问题。图6中示出一条滴定曲线，说明在控制作用和PH值之间存在的典型关系。这种方式的过程呈现出作为PH值函数的高度非线性动态特性。通常，这些过程显示出在其工作范围内过程增益多于一个数量级的变化。用于PH值过程的增益调度采用了如图7所示的一种分段线性函数，将被测量的PH值映入一个要求的控制器增益。这种映象为调整一个传统的功能反馈控制器作为PH值函数的增益提供了一种机理。于是，增益调度为PH值的非线性特性进行补偿，提高了过程性能。实际上，增益调度的效益是很难全部获得的。一般这些机理具有设计和调谐不良的缺点。此外，设备维护人员缺乏随过程状态变化去重调这些机构的知识、经验和时间。结果，从这种先进的控制技术可以获得的性能改善就被削弱了。根据本发明，图3所示的一种灵巧的增益调度程序器将过程性能水平提高到传统机构所达到的水平之上。此系统利用了如图2所示的标准的增益调度程序器一样的结构和方程式。此外，根据控制系统性能或过程条件的测量，灵巧增益调度程序器对它的增益调度方程式进行更新。传统的增益调度将一个单一变量，即指数46，映入一个或一些适当的控制器参量即输出或控制作用44。如上边指出的，一般增益图表是分段线性函数或简易的代数表达式。增益调度程序器的输出配合一个或一些控制器参量。通常，在增益调度对控制器增益调整时，其他参量的调度不是难得的和常常需要的。图3的灵巧的增益调度程序器，由于包含有一个52所示的自调谐部件，增强了传统的增益调度。在这个自调谐部件52中，来自增益图表48的固定增益图表，在加法器60中被加入到一个线性校正方程式58中。灵巧的增益图表用于对固定增益图表设计和调谐不良和过程变化进行计算。图8是一个表示传统的增益图表(虚线)与灵巧的增益图表(实线)的差别以及它们之间的校正值(点划线)的图。使用图3中58所示的校正方程式是本发明的灵巧调度与传统的增益调度的区别。此方程式表达出在作为指数变量的函数的固定增益图表中所观察到的误差。开始，校正方程式斜率和截距为零，使灵巧增益图表与固定增益图表一致。当来自估值器50的被调度的参量的校正值的估值可以得到时，灵巧增益调度程序器通过在加法器54中获得的在传统增益图表48和被估算的增益图表50之间差值对校正方程进行更新，该差值被加到一个回归功能块56中，后者在58中产生线性方程式的一部分。注意，在自调谐装置52中的所有功能块以及图1和图3中示出的其他功能块均为标准化设计，并均可由网络90系统来执行。回归功能56应用最小二乘方回归分析从联系在固定增益图表中的误差和一个指数值的数据产生校正方程，该指数值直接从指数块46提供给线性校正方程58。然后，固定增益...
【专利技术属性】
技术研发人员：约翰戴维德兰恩，索马斯J彻布，
申请(专利权)人：巴布考克和威尔科斯公司，
类型：发明
国别省市：LU[卢森堡]
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