自动调谐控制器及判定PID参数的方法技术

本发明专利技术特征为该控制器包括非线性元件，可使控制转入调谐方式的转换装置；观测在该调谐方式的过程中产生的有限循环的观测器；判定最佳ＰＩＤ参数的调节器；以及控制装置等．此可实现ＰＩＤ控制的装置，不但可进行正常控制，且据过程中产生的有限循环监测其特征，当偏差大于预定值即转入调谐方式，更换其ＰＩＤ参数以完成对过程的最佳控制，之后返回正常操作，而在调谐方式该过程的反馈控制仍予维持．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

Automatic tuning controller and method for determining PID parameter

The feature of this invention is the controller includes nonlinear elements, converting the control into the way of tuning device in the process of observation; tuning mode in finite cyclic observer; to determine the best parameters of the PID regulator; and a control device. This device can realize PID control, not only can be used for normal control, and according to the the limited circulation generated in the process of monitoring the characteristic, when the deviation is greater than the predetermined value is transferred to the tuning mode, replacing the PID parameters to complete the optimal control of the process, after the return to normal operation, and in the process of tuning feedback control way still to maintain.

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的控制器及方法，用于对根据反馈控制系统中反馈于控制目标(过程)的控制变量(pv)和设置点(sp)之间的偏差进行比例一积分一微分(以下简称PID)的运算，并可将如上得到的运算变量(m)传送至上述过程，以实现在反馈控制系统中对控制目标(过程)的最佳控制。这种PID控制器可广泛应用于工业上。但是作为最佳控制先决条件的PID各项参数的调整则一般是以手动来实现的。对于手动调整，阶跃响应方法和临界灵敏度方法已为众所周知。但是此两种方法中，要用较长时间来进行特征检测，且在检测时要停止控制，从而在这一时刻所得到的pv值不可能为最佳值。再则在操作中这种过程的特征已经变化的情况下，就很难快速地更新最佳参数。一种可自动调节PID控制器的装置已经推出。但这种装置对使用者而言太贵且太复杂。再之虽然也已经有了自适应型的PID控制器，但这种类型的控制器在结构上要比普通型的PID控制器更复杂，且一般要用到计算机才能实现。这就引起了加大运算周期(也即采样时间)或增加存贮容量用于编制程序。另外，一种早为人知的系统，其中在控制器中附加有非线性元件，而这种非线性元件的配置是插入于一单独通道，从而在得到过程特征时相对于偏差进行非连续的控制操作(例如典型的两位置控制)。如果能产生“一个有限循环”，则从此有限循环的波形中就可容易地得到其过程特征和最佳参数。但是在此种系统中，非线性元件的两位置值很大，且在对应该值的控制变量中波动的范围大到这种系统不能使用，除非一些不要求快速响应的热控系统或类似系统。另一方面，作为运算基础点，其有限循环具有该过程的平衡状态点(在sp＝pv的m)。因此如果使上述两位置的值很小，在过程中产生了扰动或sp变化很大时则有时就不能形成上述的有限循环。再之，此时的pv将留停在不希望的，与sp相比很远的点上。所以这种常规控制器作为自动调谐控制器(也即可自动决定最佳PID参数的控制器)缺乏实际用途。根据本专利技术，这种控制器包括一个非线性元件;用于将该非线性元件插入比例运算部分前级且同时将积分运算部分与非线性元件和比例运算部分并联相接的转换装置，以便将控制转换到调谐方式;用于观测在调谐方式于过程中形成的有限循环的观测器;以观测器所观测到的结果为依据，用于确定在过程控制中所用到的最佳PID参数并用于将此参数传送到运算部分的调节器;还包括控制装置用于在正常操作方式下根据预定条件的建立使上述转换装置工作以进行调谐，并可在调谐方式根据PID参数的确定而恢复上述转换装置。根据本专利技术的控制器及方法可在正常操作中完成正常PID控制，并对过程中产生的有限循环予以监测以获得过程特征，如其偏差超过某一预定值时，该控制器可自动转入调谐状态，其中PID的参数予以更换以完成对该过程的最佳控制，该最佳PID参数将根据上述监测结果予以确定，其后该控制器又恢复正常操作，而其中所用的为更换后的参数。另外在调谐方式该过程的反馈控制仍予维持。理想有限循环的生成位置可经上述配置中所观测到的有限循环生成位置而予以计算，而该过程的特征和最佳PID参数则可根据理想有限循环的生成位置来得到。图1的框图示出了本专利技术的一种实施方案;图2所示为在调谐方式下所产生的“有限循环”;图3示出了该“有限循环”的各生成点;图4的框图示出了由微型计算机构成的控制器的典型实例图5和6的流程图示出了在一个中央处理机(CPU)中处理程序的实例。其中1为过程，10为控制器，11为比例运算部分，12为积分运算部分，13为微分运算部分，14为输出部分，15为输入部分，16为观测器，17为状态转换部分，18为非线性元件，19为调节器，SW1-SW3为开关。图1的框图示出了本专利技术的一种实施例。此图中，在本实施例中的自动调谐控制器10包括三个开关SW1，SW2和SW3。这些开关相互连接，可在正常操作方式〔其中每一开关转至A(自动)侧〕和调谐方式〔其中各开关接至T(调谐)侧〕之间同时予以转换。该控制器10具有比例运算部分11，积分运算部分12，微分运算部分13，输出部分14(用于将通过这些运算部分的输出相加所得到的运算可变量m输送至过程1)，还具有输入部分15(用于将反馈自过程中的受控变量pv和设置点sp之间的偏差输入至各运算部分)。在正常操作方式，控制器10输出由等式1所表示的运算变量mm＝m1+m2+m3= K (e +1Ti∫e d t+ Tdd ed t) ……(1)]]>以消除其偏差e，这里K，Ti和Td分别分比例增益，积分时间和微分时间，且一般称作“PID参数”。在等式(1)中，右边项中的第一、第二和第三项分别代表比例运算部分11的输出m1，积分运算部分12输出m2，及微分运算部分13的输出m3。各种变形(例如消去微分项的“PI控制”或仅将比例、积分项加到受控变量pv上的“IPD控制”)，可根据其过程特征或控制目的而予再分类。这种控制操作一般被称作“PID控制”。如上所述，控制器10在正常操作方式(其中观测器16监测偏差e的移动)完成一般的PID控制。而根据用于开始进行调谐的预定条件的建立，也即如在由观测器16所监测的偏差绝对值超过预定值时，其响应特征会变得很差，或诸如此类，则状态转换控制部分17即将每一开关SW1-SW3转至其T侧，从而将控制器10转入调谐方式。换言之在需要情况下，控制器10可判定最佳PID参数，同时继续进行控制操作，然后以所得到的新的最佳PID参数返回到正常操作方式。控制器10将根据所接收的进行调谐的外部指令，或根据pv不正常状态的自检测而转入调谐方式。在调谐方式中，具有两位置非线性特征的非线性元件18插入比例运算部分11的前级，而积分运算部分12则与相串接的非线性元件18和比例运算部分11并联相接。也即使K和Ti任其所在并使Td为零，这样就省去了微分运算，而运算变量即成为由下列等式(2)和(3)所表示的各相应输出的和m1＝±K·M ……(2)这里其正负号对应e的正负号。m2= K ·1Ti∫e d t……(3)]]>此时要消除偏差e的控制器的操作仍维持不变。因此该过程的反馈控制系统依然保留。图2示出了运算变量m，偏差e，及这两个运算部分的输出m1和m2的波形状态。图2的(a)图中，标号A和B分别代表m和e，图2的(b)图中，标号A和B分别代表m1和m2。这些值的移动由观测器16予以监测。观测器16判断m2的振荡是否比m1的足够小，或e的振荡是否远小于m的。当这两个条件不满足时，通过调节器19来减小K并加大Ti。这一操作对在稳定状态中维持该过程是非常重要的，也即在K和Ti均不正常的情况，特别是在开始进行操作时不可能获悉各项参数值是否合适的情况下。当所监测的移动满足上述条件时，观测器16将维持直至偏差e的振荡成为稳定持续的振荡，然后观测该振荡的幅度X及周期Tc，并将此数据传送到调节器19。在调节器19中，经过下述运算，即可在此时很容易地计算出一般临界灵敏度Kc和振荡周期Tco。Kc＝4KM/παX ……(4)Tco′＝αTc……(5)α＝1－ (X·TC)/(4πMTi) ……(6)在上述等式中，M代表非线性元件18中的两位置值。类似这种非线性元件的使用可引起过程产生自振荡(有限循环)，作为调谐的前提要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动调谐控制器包括各运算部分，用于相对设置点和由过程反馈回来的控制变量间的偏差完成比例，积分和微分运算；还包括输出部分用于将所述运算部分的结果相加而得到的运算变量输出至该过程，其改进的特征在于包括一非线性元件；及可将所述非线性元件插入所述比例运算部分的前级，同时将积分运算部分与串连相接的近述非线性元件和所述比例运算部分并连相接的转换装置，以使控制转入调谐方式；用于观测在所述调谐方式的所述过程中产生的有限循环的观测器；根据由所述观测器所观测的结果，用于判定在过程控制中要用到的最佳ＰＩＤ参数，并将所述参数传送到所述运算部分的调节器；还包括控制装置，用于根据在正常操作方式为开始进行调谐而建立的预定条件，使所述转换装置动作，并可根据在所述调谐方式中所确定的ＰＩＤ参数使所述转换装置回复原位。

【技术特征摘要】
JP 1985-9-18 204503/85;JP 1985-9-18 204504/851.一种自动调谐控制器包括各运算部分，用于相对设置点和由过程反馈回来的控制变量间的偏差完成比例，积分和微分运算；还包括输出部分用于将所述运算部分的结果相加而得到的运算变量输出至该过程，其改进的特征在于包括一非线性元件；及可将所述非线性元件插入所述比例运算部分的前级，同时将积分运算部分与串连相接的所述非线性元件和所述比例运算部分并连相接的转换装置，以使控制转入调谐方式；用于观测在所述调谐方式的所述过程中产生的有限循环的观测器；根据由所述观测器所观测的结果，用于判定在过程控制中要用到...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木伸，
申请(专利权)人：山武霍尼韦尔公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]