CN1026444C - 比例积分微分控制器*** - Google Patents

Abstract

一种PID控制器***包括用PID控制作为一个被控对象设置的过程的PID控制器，和响应于PID控制器的操作变量和过程的控制变量以得到必须的性能指标，并根据性能指标，为把实际控制变量调整到控制指令值准备最佳控制参数的自动调整器，该最佳控制参数从自动调整器反馈到PID控制器。

Description

本发明涉及反馈控制中的比例积分微分控制器，尤其涉及其中PID控制参数的调整能自动执行的比例积分微分控制器***。

本发明还涉及能自动整定PID控制参数的***，该***能够用在纯延迟时间对时间常数的比例较大的过程，这些过程例如可以是：锅炉中的燃烧控制和温度控制，化学和一般工业中的PH中和以及流速控制。

过去，比例积分微分（PID）控制器中的PID控制参数的调整是由操作者手动执行的，操作过程中，操作者观察各种控制变量的各种变化。这样引起了一个问题：即调整工作变得很费时，并且调整结果会受到操作者个人情况的不同的影响。

另一方面，根据控制理论提出了各种***，其中包括给被控制对象加上一设定测试信号以设定可控对象的动态特性，并且根据设定结果控制参数被调整到最佳值。然而，在这些提议中，可以预料到因为用了设定测试信号，控制变量发生波动，从而使质量下降或者特别是在高度非线性的设备中将会发生不利的异常状态。此外，除非可控对象的动态特性每变动一次，设定检测也随之改变，控制参数的最佳值就不能达到，这样会导致麻烦的处理过程。

正如1986年11月份的“专家自校正控制器”《测量技术》第66～72中所描述的，揭示了一种试探方法（专家方法）。其中控制参数的调整是考虑了各种控制变量的响应的形状而执行的。根据该方法，实际响应形状与多个事先准备好的基本响应形状相比较，从而从多个调整规则中选出一个最佳规则以根据实际响应形状或其过渡过程 趋向，得到一个相匹配的基本响应形状，这样PID控制参数可被修正。这种方法中的不利地方是，可以预料到调整规则的数目增加了，导致了存贮容量的增大。

例如，如1986年11月的“基于专家方法的PID自校正”《测量技术》第52页到第59页中描述的就是与该种方法相关的。

在包括可控对象（例如过程）和一个用于控制对象的PID控制器的装置起动时，当施加于过程的输入信号的控制变量阶跃变化时，通常过程变量的时间响应是以纯延迟时间特性和一阶滞后特性建立的，并且PID控制参数根据这些特性中的过程增益K，纯延迟时间L和时间常数T而调整到最佳值。这种基于阶跃响应的PID控制参数的最佳调整的方法包括：齐格勒-尼库尔斯（Ziegler-Nichols）（ZN）方法和齐恩-霍恩-来思维克（CHR）（Chein-Hrones-Reswick）方法。这些方法简化了计算但是有以下缺点。例如：当PID控制参数按照ZN方法调整时，对于具有纯延迟时间和二阶滞后特性的可控对象来说，当指令值作单位阶跃变化时控制响应的变化如图1A的L/T＝0.14和图1B的L/T＝1.0所示。再说，当PID控制参数按照CHR方法调整时，当指令值作单位阶跃变化时控制响应的变化如图3A的L/T＝0.14和图3B的L/T＝1以及图3C的L/T＝5所示。这样，在ZN方法中，控制响应在L/T＝1处就偏离稳定限值，在CHR方法中，控制响应在L/T＝5处发生脉动。由此可以看出，对于L/T有较大值时，上述二种方法的任何一种都不能实现最佳控制。

在另一方面，如PID控制参数的调整的通用方法，在例如“基于可控对象的部分知识的控制***的设计方法”仪器和控制工程师学会的会刊，1979年8月第5卷第4册，549页/555页所描述的部分模型匹配法。

下面将简要说明部分模型匹配法的要点。实现部分模型匹配法 的装置以框图形式如图2所示。参见该图2，标号1表示一个PID控制器，标号2表示对应于一个被控对象的一个过程，7表示把过程的传递函数G_p（s）置值的过程设定器，11表示为确定PID控制器的传递函数G_p（s）中的控制参数最佳值的控制参数确定器。

根据部分模型匹配法，PID控制器1的控制参数这样确定，使包括指令值SV和控制变量PV的闭环传递函数W（S）与表示控制变量PV理想响应的参考模型的传递函数G_m（s，σ）相一致，其中s是拉普拉斯算子，而σ是时间比例系数。由过程设定器7得到的过程1的传递函数G_p（s）由下式表示：

$\mathrm{G\; p\; (S\; )\; =}\frac{1}{g_0{\mathrm{+\; g}}_{\mathrm{1\; s}}{\mathrm{+\; g}}_{\mathrm{2\; s}}{}^2{\mathrm{+\; g}}_{\mathrm{3\; s}}{}^3\mathrm{+\; \dots }}\mathrm{..}$

PID控制器1的传递函数G_c（s）具有以下形式：

Gc（S）＝Kp（1+ (l)/(Ti·s) +T_D·s） …（2.1）

＝ (Kp)/(Ti·s) （1+Ti·s+Ti·T_D·S²）…（2.2）

其中K_p，T_i和T_D是控制参数，它们分别被称作比例增益，积分时间和微分时间。

因此，闭环传递函数W（s）可由下式表示：

W（s）＝ (Gc（s）·Gp（s）)/(1+Gc（s）·Gp（s）) …（3）

参考模型的传递函数Gm（s，σ）可由下式给出：

Gm（s·σ）＝ 1/(1+σ·s+α₂(σ·s)²+α₃(σ·s)³+α₄(σ·s)⁴)

                                                                                          …（4）

式中α₂，α₃，α₄……是与响应波形相关的常数。

通过把等式（3）与（4）对应起来，PID控制器的传递函数G_c（s）简化成：

Gc(s) = (Gm(s·σ))/(Gp(s){1-Gm(s·σ)})

= (g₀+g_1s+g_2s ²+g_3s ³+…)/(σ·s{1+α₂σ·s+α₃(σ·s)²+α₄(σs)³+…)

                                                                                        …（5）

用等式（5）中的分母除以分子，得出

Gc(s)= (g₀)/(σ·s) 〔(1+ (g₁)/(g₀) -α₂σ)s

+{ (g₂)/(g₀) -α₂(g₁)/(g₀) σ+(α₂ ²-α₃)σ²}s²

+{ (g₃)/(g0) -α₂(g₂)/(g₀) σ+(α₂ ²-α₃) (g₁)/(g₀) σ²

+(2_α2α3-α₂ ³-α₄)σ³)s³}+… 〕（6）

考虑到等式（1）等于等式（22），可得出下列等式：

(Kp)/(Ti) = (g₀)/(σ) …（7）

Ti= (g₁)/(g₀) -α²·σ …（8）

Ti·T_D= (g₂)/(g₀) -α2 (g₁)/(g₀) σ+(α₂ ²-α₃)σ²…（9）

0= (g₃)/(g₀) -α2 (g₂)/(g₀) σ+(α₂ ²-α₃) (g₁)/(g0) σ²

+(2_α2α3-α₂ ³-α₄)σ³…（10）

从等式（10），确定出σ的正最小实根，它被代入等式（8）中以确定Ti，这样的确定出的正最小实根和Ti被代到等式（7）和（9）中以确定K_p到T_D。根据该方法，闭环传递函数W（s）和等式（4）的参考模型Gm（s，σ）的相一致一直进行直到等式（4）中的S的四次幂。

由于如等式（10）所示的三次代数方程解决了确定σ的问题，该方法需要复杂的计算，这些计算对于微机运算是不合适的。

本发明力图解决上述已有技术中的问题，并且提供一个PID控制器***，其中由操作者完成的调整工作能被大量地减少以防止调整结果被各个操作者的个性所影响，控制参数的最佳调整不必采用将会干扰可控对象的设定信号，并且可控对象的动态特性的变化能被迅速检测而不必依靠任何手动操作，而总能保持最佳的控制特性。

本发明的另一个目的是提供一种PID控制***，该***即使对于具有大的纯延迟时间与时间常数之比的过程也能获得极好的控制特性，并且能根据相当简单的运算确定PID控制参数的最佳值以保 证PID控制器***即使通过小容量的计算单元例如微机也能进行运算。

根据本发明，上述第一个目的可由一个PID控制器***完成，该***包括：观察当指令值或设定点变化或外部干扰施加于***时出现的控制变量响应形状以确定必须的性能指标的控制变量响应形状识别装置，通过模糊推理定性地估算性能指标以推算或估计PID控制参数的修正值的控制参数修正装置，以及当性能指标超出其容许范围时使控制参数修正装置运行的可控性决定装置。

至于实现第二个目的，根据惯用的部分模型匹配法的观察是难以求解三次代数方程以获得确定时间比例系数所必须的根，现已发现按纯延迟时间和一阶滞后特性所设定的可控对象可由一多阶滞后特性来近似，对于指令值通过把控制变量的闭环传递函数与参考模型的传递函数对应起来，所确定的时间比例系数就能被纯延迟时间的一个线性方程所近似。

通过借助近似的结果，PID控制参数的最佳值可用对应于过程的增益，纯延迟时间和时间常数组成的函数来表示，并且利用特定关系来确定。

图1A和1B表示了当具有纯延迟时间和二阶滞后特性的可控对象在惯用的PID控制器中通过指令值的阶跃变化来加以控制所得到的控制响应的已有技术的例子的图形，其中PID控制参数用惯用的ZN方法来确定，图1A为L/T＝0.14，而图1B为L/T＝1的;

图2是根据部分模型匹配法来实现控制已有技术装置的方框图;

图3A、3B、3C是表明当具有纯延迟时间和二阶滞后特性的可控对象在惯用的PID控制器中通过指令值的阶跃变化来加以控制时得到的控制响应的已有技术例子的图形，其中PID控制参数是以 惯用的CHR方法确定的，图3A说明L/T＝0.14，图3B说明L/T＝1，图3C为L/T＝5;

图4是根据本发明的第一实施例说明PID控制器***的方框图;

图5A和5B是分别说明估算超调量的隶属函数和估算阻尼比的隶属函数的示意图，这些隶属函数用在图4所示的实施例中;

图6是说明调整规则的例子;

图7是用于控制参数修正系数的隶属函数的示意图;

图8是用于说明确定控制参数修正系数方法的示意图;

图9是说明自动调整功能步骤的流程图;

图10是说明根据本发明的自动调整结果的示意图;

图11是说明根据本发明的第二实施例的PID控制器***的方框图;

图12A和12B是分别说明当指令值阶跃变化时所得到的控制变量响应形状和当加上外部阶跃干扰时所得到的控制变量响应形状的示意图;

图13A、13B和13C是分别说明估算超调量的隶属函数，估算阻尼比的隶属函数和估算周期的隶属函数的示意图;

图14是表示用于相应类型的隶属函数的调整规则的一个例子的示意图;

图15是表示控制参数修正系数的隶属函数的示意图;

图16是用于说明确定控制参数修正系数的方式的图解表示法;

图17是另一个自动调节功能的步骤的流程图;

图18A是说明在初始控制响应形状中出现的较大超调量和振荡时自动调整响应的示意图;

图18B是说明在初始控制响应形状中出现的过阻尼时的自动调整响应的示意图;

图19是说明根据本发明的另一实施例的PID控制器***的方框示意图;

图20是说明当应用部分模型匹配法对于具有纯延迟时间和一阶滞后特性的可控对象确定PID控制参数时怎样把L/T和σ/T与各种参考模型相联系的示意图;

图21A、21B和21C是分别说明当纯延迟时间和二阶滞后特性在L/T＝0.4，L/T＝1和L/T＝5条件下受指令值的阶跃变化的控制所得到的控制响应的示意图。

下面将参照附图，通过例子对本发明进行说明。

如图4方框图所示，根据本发明的第一实施例的PID控制器***包括PID控制器1，被控对象2以及自动调整器3。

该PID控制器1执行由比较指令值SV和控制变量PV所得到的控制差量e的PID计算，并产生加到被控对象2上的作为操纵变量MV的PID运算结果。自动调整器3包括控制变量响应形状识别器4，控制判定器5和控制参数修正器6，该控制参数修正器6包括控制参数修正系数推断器6a，调整规则器6b和控制参数调整值计算器6c。

下面详细说明上述各个部件。控制可变响应形状识别器4观察或检查指令值SV或设定点和控制变量PV，并在控制变量PV调整至指令值SV后当控制差量e超过一个预定值时开始观察控制变量响应。在开始观察的同时，当控制变量PV调整到指令值SV时识别器4恢复（retrieve）PV的极值并停止观察，接着识别器4根据得到的多个极值和指令值SV的变化宽度计算超调量和阻尼比。

当没有控制变量PV的极值时，设定负伪值。如果所得的超调量和阻尼比分别在其容许范围内控制判定器5确定控制参数为最佳值，并结束调整。如果超调量和阻尼比中的任一个不在其容许范围内，判定器5触发控制参数修正器6。

下面根据模糊推理论方法来说明控制参数修正系数推断器6a，为了定性地估算超调量和阻尼比幅度，确定了如图5A和5B的隶属函数。在图5A和5B中，E（i）（i＝1～5）和D（i）（其中i＝1～3）是规定隶属函数形状的常数，PB、ZE和NB是根据定性估算幅度观点的指定到隶属函数的名称。这些名字具有以下意义：

PB：正向大

ZE：零

NB：负向大

在这些附图中，纵座标表示代表定量等级的隶属度G，图6中的标记是用隶属函数表示由多个准备好的控制变量响应形状的PID控制***的调整规则器6b的调整规则的例子。

例如，参见规则1，该规则的意思是“如果E是PB而且D是PB，则CKP是NB，CTD是PB而CTD是PB”“如果语句”被称为条件语句而“则语句”被称为结论句，其中E是超调量的修正系数，D是阻尼比的修正系数，CKP是比例增益的修正系数，CTI是积分时间的修正系数，并且CTD是微分时间的修正系数。图7是说明用于把定性确定的控制参数修正系数转变成定量值的隶属函数示意图。在图7中，C（i）（其中i＝125）是规定隶属函数形状的常数，PB、ZE和NB是根据定性表示控制参数修正系数幅度的观点指配给隶属函数的名称，它们对应于图5A和5B中的名称，并且纵座标表示隶属度。

例如，下面，参考规则1和2的应用情况，说明确定控制参数修正系数的方法。特别注意图8，它说明了根据模糊推理方法确定比例增益的修正系数CKP的方法。利用如图5A和5B所示的各隶属函数来确定来自控制变量响应形状识别器4的超调量E_o和阻尼比D_o的定性的程度。在规则1中，E_o是G_ep，D_o是G_dp，在规则2中E是G_ep而D_o是D_dz，一个交集（最小值）计算在各个规则内进行以决 定每条规则的适应性，对规则1是G_ep而对规则2是G_de。接着，包含在每条规则的结论语句中的隶属函数被每条规则的适应性所加权，被加权的隶属函数进行和集（最大值）计算，和集计算的结果的重心值被确定作为比例增益修正系数的输出值CKP。积分时间修正系数CTI和微分时间修正系数CTD的输出值可按相似的方法确定。

控制参数调整值计算器6c把得到的PID控制参数修正系数和PID控制参数的现行值相乘以确定现行调整值。

图9说明了在自动调整器3中的处理步骤的流程图。在步骤10中，在一个预定周期，SV和PV被输入，并且每次SV和PV被输入时，自动调节器3的处理状态的一个状态标记在第11步中确定。“0”的状态标记表示了监视或监督控制响应的状态，“1”的状态标记表示了观察或估算控制响应的状态，“2”的状态标记表示了计算控制参数的状态。对于“0”的状态标记，在第12步中将判定控制差值是否超过一个预定值，如果控制差值超过预定值，则在第13步中状态标记被置“1”，并且步骤进入到控制响应观察状态。如果控制差值没有超过预定值，则将保持控制响应的监督状态。如果在第11步中状态标记被判定为“1”，PV的极值在第14步中被恢复（retrieve）。该过程对于每个PV输入值所进行，并且直到在第15步中判定PV已被调整到SV为止（观察结束）。在观察结束后，性能指标（超调量和阻尼比）在第16步中通过用14步中恢复的极值的结果来判定，在第17步中状态标记被置“2”并且步骤进入到控制参数计算状态。上述处理流程的说明对应了控制响应形状识别器4的运行过程。

如果在第11步中状态标记是“2”，则在第18步中通过根据在16步中判定的性能指标是否在容许范围之内的结论来判定观察到的控制响应是否最佳。这一处理对应于控制判定器5的工作情况。只有在控制响应不是最佳的情况下，则控制参数的修正系数将在第19 步中被确定，以及控制参数的调整值将在第20步中被确定，这样得到的控制参数调整值被用于PID控制器1中的控制计算。步骤16对应于控制参数修正系数推断器6a和调整规则器6b的工作情况，步骤20对应于控制参数调整值计算器6c的工作情况，当在第18步中控制响应被判定为最佳，并且处理在第20步中结束时，则状态标记在第21步被复位到“0”，并且步骤回到控制响应监督状态。

本实施例的PID控制器***是对具有二阶滞后特性和纯延迟时间特性的可控对象而运行的，产生的结果如图10所示。特别地，当指令值SV变化时所得到的控制变量的时间响应如图10所示。当SV开始阶跃变化时，PV的起始控制响应跟随着SV的改变，其超调量E为50%，而阻尼比D是0.6，此后对应于SV的二次阶跃改变的二次试验的观察结果所得到的性能指标（超调量和阻尼比）能落在性能指标的预定容许范围以内，表明得到最佳调整，因此，调整在第三次试验结束。

如上所述，控制参数的自动调整可以通过较小数目的调整规则而达到。

尽管为了说明的目的，所有隶属函数是以三角形型式，但它们并不局限于此，它们可以用矩形曲线或者指数曲线来实现而不影响本发明的实质。此外，如果需要可设定隶属函数的数目。

参见附图11至图18A和18B，下面将说明根据本发明的第二个实施例的PID控制器***。本实施例与结合图4到10所作的第一个实施例的不同之处在于除了超调量和阻尼比外，周期比是被用作为一个控制参数。由于如图11的方框构成形式实质上等同于图4所示的第一实施例，仅除了前者是把周期比作为一个附加的观察参数来修正的，图4所示的参考标号加上一点来表示对应于图4的框图或元件的图11的框图或元件。下面将说明观察和控制的实际执行情况。

控制变量响应形状识别器4′总是检查指令值SV和控制变量PV，并在控制变量PV已经调整到指令值SV后当控制差值e超过一个预定值时开始观察控制变量响应。同时在观察开始时，识别器4′恢复控制变量PV的极值，并当控制变量调整到指令值SV时结束观察。接着，识别器4′根据所得的多个极值和极值发生的时间计算超调量、阻尼比和周期比。这些控制参数的确定方法将结合附图12A和12B作说明。图12A特别地说明了当指令值SV在to时刻从Y₀阶跃变化到Y₁时所得到的控制变量PV的时间响应的例子，表明了在时刻t₁.t₂和t₃时出现的极值X₁，X₂和X₃，并且在时刻t₄时调整结束。超调量E，阻尼比D和周期T如下给出：

E＝（X₁-Y₁）/（Y₁-Y₀）

D＝（X₃-X₂）/（X₁-X₂）

T＝t₃-t₁

因此，已知周期T₁的先前值，周期比R可如下表示：

R＝T₁/T

图12B特别说明了当外部干扰加到指令值保持在Yo上的可控对象的输入端时所得到的控制变量PV的时间响应的例子，表明了在t₁，t₂，t₃和t₄时刻的极值X₁，X₂，X₃和X₄，以及在t₅时刻调整结束。超调量E，阻尼比D和周期T可由下式给出：

E＝（Y₀-Y₂）/（X₁-X₀）

D＝（X₃-X₄）/（X₃-X₂）

T＝t₄-t₂

如果在指令值改变时在控制变量响应形状中没有极值出现或者，当外部干扰加上时没有第二次出现极值，则超调量被置以负值，并且周期被置位到零。如果在控制变量响应形状中仅有一个极值出现以响应指令值变化，或者在控制变量响应形状中只出现二个极值以响应外部干扰;则参照于调整时间的时间差值被用作为周 期。

控制判定器5′在判别所得到的超调量和阻尼比分别在其容许的范围以内时，控制参数为最佳值并结束调整。如果超调量和阻尼比中的任一个不在其容许范围以内，则判定器5′触发控制参数修正器6′。

下面将根据模糊推理方法说明控制参数修正系数推断器6a′。为了定性地估算超调量和阻尼比的幅度以及周期比，规定了如图13A，13B，13C所示的隶属函数。在图13A到13C中，E（i）（其中i＝1～5），D（i）（其中i＝1～3）和R（i）（其中i＝1～3）是规定隶属函数形状的常数，而PB，PM，ZE和NB是根据定性估算幅度的观点而指定给隶属函数的名称。在第一个实施例的情况下，这些名称是有以下意义：

PB：正向大

PM：正向中等

ZE：零

NB：负向大

在这些图中，纵座标表示隶属度G，它代表了定性的量度。

图14中的标号是为PID控制参数所用的调整规则器66′的调整规则的一个例子，PID控制参数为采用隶属函数准备好的各种控制变量响应形状所规定的。

例如，参见规则2，该规则的意思是：“如果E是PB，D是PM并且R是PR，则CKP是NR，CTI是NB以及CTD是ZE”“如果语句”被称为条件语句，而“则语句”被称为结论语句，其中E是超调量的修正系数，D是阻尼比的修正系数，R是周期比的修正系数，CKP是比例增益的修正系数，CTI是积分时间的修正系数，而CTD是微分时间的修正系数。图15示出了用于把定性确定的控制参数修正系数传递成定量值的隶属函数。在图15中，C（i）（其中i＝ 1～5）是用来规定隶属函数的形状的常数，PB，ZE和NB是根据定性表示控制参数修正系数幅度的观点来表示指定（分配）给隶属函数的名称，它们对应于图13A，13B和13C中所用的名称，纵座标表示隶属度。

例如，考虑利用规则2和3的情况，下面将说明确定控制参数修正系数的方法。特别参见附图16，它说明了根据模糊推理方法的确定比例增益的修正系数CKP的方法。来自控制变量形状识别器4′和超调量E_o，阻尼比D_o和周期比R_o的定性量度分别被图13A，13B和13C所示的隶属函数所确定。在规则2中，E_o是G_ep，D_o是G_dm，R_o是G_rp，而在规则3中，E_o是G_ep，D_o是G_dm，R_o是G_rz。一个交集（最小值）计算在各自的规则内进行，以确定每个规则的适应性，每个规则对于规则2来说是G_rp，而对于规则3则是G_rz接着，包含在每条规则的结论语句中的隶属函数被每条规则的适应性所加权，被加权后的隶属函数进行一个和集（最大值）运算，和集计算结果的重心值被确定为比例增益修正系数K_po的输出值。积分时间修正系数T₁和微分时间修正系数CTD的输出值可按相似方法确定。

控制参数调整值计算器6c′把得到的PID控制参数修正系数和PID控制系数的现行值相乘以确定现在调整值。

图17是在自动调整器3′中的处理步骤的流程图。

图17示出了在自动调整器3′中的处理步骤的流程示意图。在第10′步中，在一个预定周期SV和PV被输入，并且在SV和PV每次被输入的时刻，表明自动调整器3′的过程状态的状态标记在第11′步中决定。状态标记“0”表示了监视或监督控制响应的状态，“1”的状态标记表示观察或估算控制响应的状态，“2”的状态标记表示计算控制参数的状态。对于状态标记为“0”的情况，在第12′步中将判断控制差值是否超过一个预定值。如果控制差值超过预定值，状态标记在第13′步中被置“1”，程序进入到控制响应观察状态。如 果控制差值没有超过预定值，控制响应监督状态将被保持。如果在第11′步中状态标记被判断为“1”，则在第14′步中PV的极值被恢复。这样的处理对于每次PV输入值都进行，直到在第15′步中被判定为PV已调整到SV为止（观察结束）。在观察结束的情况下，性能指标（超调量和阻尼比）在第16′步中将利用在第14′步已恢复的极值的结果来确定，在第17′中，状态标记被置“2”，处理程序进入到控制参数计算状态。以上说明处理程序对应于控制响应形状识别器4′的工作过程。

如果在第11′步中状态标记被判别为“2”，则在第18′中通过利用在第16′中所判断的性能指标是否在其容许的范围以内的结果来决定观察到的控制响应是否为最佳值。该处理过程对应于控制判定器5′的工作过程。只有在控制响应不是最佳的情况下，控制参数的修正系数在第19′中被确定，并且在第20′步中控制参数的调整值将被确定。这样得到的控制参数调整值将被用于PID控制器1中的控制计算。第16′步对应于控制参数修正系数推断器6a′和调整规则器6b′的工作过程，第20′步对应于控制参数调整值计算器6c′的操作。当在第18′步中控制响应被判定为最佳，并在第20′步中的处理结束时，状态标记在21′步中被复位到“0”，而处理步骤回到控制响应的监督状态。

本实施例的PID控制器***对于具有二阶滞后和纯延迟时间特性的可控对象进行控制，所产生的结果如图18A和18B所示。特别地，当指令值SV改变时获得的控制变量PV的时间响应如图18A所示，它表示了初始控制响应的超调量E是50%而阻尼比为0.6的一个例子，图18B表明了初始控制响应在过阻尼情况下的一个例子。可以理解到，在这些例子的任何一个中，最佳的调整可以通过二次试验达到。

如上所述，根据本发明的第二个实施例，不仅可用小数目的调 整规则能达到控制参数的自动调整，而且可以根据周期比通过估算控制变量达到快速响应调节。控制变量响应形状识别器还可采用第四性能指标，一个对应于上述控制变量的上升时间的控制变量，第一次极值出现时间的先前值和现行值之间的比例，或者控制变量的调整时间的先前值和现行值之间的比例，控制参数修正器6′可用三角形式的隶属函数，但是隶属函数的形式并不局限于此，它可以是矩形曲线或指数曲线而不影响本发明的实质。此外，可根据需要来设定隶属函数的数目。

参见附图19和其图形，下面将说明根据本发明的另一实施例的PID控制器***。正如图19所示的，本实施例的PID控制器***包括一个PID控制器1，一个作为一个被控对象的过程2，一个自动调整器“3″”，它包括过程设定器7，比例增益计算器8、积分时间计算器9以及微分时间计算器10。

图19所示的实施例特别适合于在设备起始阶段把PID控制器1的控制参数整定在最佳值上。过程设定器7按纯延迟时间/一阶滞后特性来设定过程2的动态特性，并根据纯延迟时间和一阶滞后特性确定过程的增益K，纯延迟时间L和时间常数T。比例增益计算器8确定比例增益K_p，把它作为从过程设定器7处理获得的增益K、纯延迟时间L和时间常数T的一个函数，积分时间计算器9确定积分时间T_I，并把它作为来自过程设定器7的纯延迟时间L和时间常数T的一个函数，微分时间计算器10确定微分时间T_D，并把它作为来自过程设定器7的纯延迟时间L和时间常数的一个函数。

计算器8，9，10使本发明的实施例具有特色并根据下述理论进行计算。

由过程设定器7设定的纯延迟时间/一阶滞后特性G_p（S）如下所示

Gp(s)= (K·e^{- LS})/(1+T·s) …（11）

等式（11）的纯延迟时间转换函数可由麦克劳林展开式进行展开并简化成：

$\mathrm{Gp(\; s\; )=}\frac{1}{\frac{1}{K}+\frac{\mathrm{L\; +\; T}}{K}\mathrm{s\; +}\frac{L^2\mathrm{/\; 2+L\; T}}{K}{s}^2+\frac{L^3{\mathrm{/\; 6+\; L}}^2\mathrm{T\; /\; 2}}{K}{s}^3\mathrm{+\dots }}$

通过对等式（12）的过程动态特性应用部分模型匹配法，可从等式（7）到（10）得到以下结果：

(Kp)/(Ti) = (g₀)/(σ) …（13）

Ti=L+T-α_2σ…（14）

Ti·T_D= (L²)/2 +LT-α₂(L+T)σ+(α₂ ²-α₃)σ²

                                                                              …（15）

0= (L₃)/6 + (L₂)/2 T-α₂( (L²)/2 +LT)σ

+(α₂ ²-α₃)(L+T)σ²

+(2_α2α3-α₂ ³-α₄)σ³…（16）

除非在等式（16）中存在σ的一个正实根，否则部分模型匹配法不能对等式（4）所表示的指令控制响应作处理。

接着，时间比L/T对时间常数和时间比例系数比σ/T对时间 系数之间的关系被利用各种参考模型作为参数进行检查以获得如图20所示的结果。检查中所用的参考模型的传递函数如下所示：

（1）Kitamori模型

Gm（s·σ）＝ 1/(1+σs+0.5(σs)²+0.15(σs)³+0.03(σs)⁴)

                                                                                          …（17）

（2）Butter    wooth模型

Gm（s·σ）＝ 1/(1+σs+0.503(σs)²+0.1479(σs)³+0.02188(σs)⁴)

                                                                                          …（18）

（3）Biromial模型

Gm（s·σ）＝ 1/(1+σs+0.375(σs)²+0.0625(σs)³+0.003906(σs)⁴)

                                                                                          …（19）

（4）ITAE最小模型

Gm（s·σ）＝ 1/(1+σs+0.4664(σs)²+0.1067(σs)³+0.01882(σs)⁴)

                                                                                          …（20）

变量σ对应于控制响应的上升时间，它将随L增加而增加。这 样，通过研究图20，可以理解到Kitamori模型被用作参考模型，可在L/T从0到10的宽范围内得到σ/T的合理的值。该σ/T可由下式近似：

(σ)/(T) ＝1.37· (L)/(T) …（21）

从等式（21）可以看出，时间比例系数简化为：

σ＝1.37·L    …（22）

接着，把等式（22）代替到等式（13）到（15）中，比例增益K_p，积分时间T_i和微分时间T_D可确定为如下形式：

Kp＝ (0.215L+T)/(1.37K·L) …（23）

Ti＝0.315L+T    …（24）

T_D= (0.315L·T+0.003L²)/(0.315L+T) …（25）

因此，比例增益计算器8根据K，L和T计算等式（23）以确定比例增益K_p的最佳值，积分时间计算器9计算等式（24）以确定积分时间T_i的最佳值，微分时间计算器10计算等式（25）以确定微分时间T_D的最佳值，以此确保PID控制器1的比例增益K_p，积分时间T_I和微分时间T_D分别被设定和修正。

在等式（25）中，因为L比T小，故L²项可以忽略，微分时间 T_D可根据下式计算：

T_D＝ (0.315L·T)/(0.315L+T) …（26）

根据图19所示的实施例，具有如图1A，1B，3A，3B，3C所示的纯延迟时间和二阶滞后特性的过程的控制响应通过改变单位阶跃的指令值而被检查，以得到如图21A所示的L/T＝0.4，图21B所示的L/T＝1以及图21C所示的L/T＝5的结果，证明了即使L/T较大时，也可以获得很好的控制特性。

尽管上述实施例的说明是以硬件来进行的，目的是使说明清楚，但是明显地理解到它们是在计算机的帮助下，用相似的方法用软件来实现的。

Claims (9)

1、一种PID控制器***，包括：

一个接收设定点和被控过程控制变量之间的差量并把一个操作变量提供给该过程的PID控制器，所述过程受所述操作变量的作用以产生所述控制变量；和

自动调整装置，其特征在于，该调整装置包括：

用于接收设定点和所述过程的控制变量，并根据在设定点改变或施加扰动时得到的控制变量的响应形状确定多个性能指标的控制变量响应形状识别装置；

一个控制参数修正装置，它具有多个利用多个性能指标的估算装置，该估算装置说明多个性能指标的幅值，通过使用多个定性估算的值确定控制参数修正系数的幅值并通过使用多个表示所述性能指标和由多个定性估算的值所确定的参数修正系数间相互关系的调整规则，经模糊推理而推算控制参数修正系数；

所述自动调整装置根据与所述PID控制器的操纵有关的一个变量和来自所述过程的控制变量获得性能指标，并根据所述性能指标为把所述控制变量调整到所述设定点准备最佳控制参数，所述最佳控制参数从所述自动调整装置反馈到所述PID控制器。

2、如权利要求1所述的PID控制器***，其特征在于：所述多个性能指标是超调量和阻尼比。

3、如权利要求1所述的PID控制器***，其特征在于：所述多个性能指标是超调量，阻尼比和表示周期的先前值和现行值间的比率的周期比。

4、如权利要求1所述的PID控制器***，其特征在于：所述多个性能指标是超调量，阻尼比和表示上升时间的先前值和现行值间比率的上升时间比。

5、如权利要求1所述的PID控制器***，其特征在于：所述多个性能指标是超调量、阻尼比以及表示调整时间的先前值和现行值间比率的调整时间比。

6、一种PID控制器***，包括：

一个接收设定点和被控过程的控制变量之间的差量并把一个操作变量提供给该过程的PID控制器，所述过程受所述操作变量的作用以产生所述控制变量，其特征在于该控制器还包括：

包括过程估算装置的自动调整装置，该过程估算装置用于控制所述过程和用于产生在该过程中使用的增益，纯延迟时间和时间常数特性;

响应于所述过程估算装置产生的增益、纯延迟时间和时间常数特性，以设定比例增益的比例增益计算装置;

响应于所述过程估算装置产生的纯延迟时间和时间常数特性，以设定积分时间的积分时间计算装置;和

响应于所述过程估算装置产生的纯延迟时间和时间常数特性，以设定微分时间的微分时间计算装置。

7、如权利要求6所述的PID控制器***，其特征在于：所述积分时间计算装置把纯延迟时间特性和时间常数特性相加确定积分时间;所述比例增益计算装置是把以累加得到的积分时间除以所述增益和纯延迟时间特性的乘积项来确定比例增益;并且所述微分时间计算装置是把所述增益和纯延迟时间特性的乘积项除以由累加得到的积分时间来确定微分时间。

8、如权利要求6所述的PID控制器***，其特征在于所述比例增益计算装置的输出K_p，所述积分时间计算装置的输出Ti和所述微分时间计算装置的输出T_D分别由下式决定：

Kp＝ (0.315L+T)/(1.37K·L)

Ti＝0.315L+T

T_D＝ (0.315L·T+0.003L²)/(0.315L+T)

其中K是增益特性，L是纯延迟时间特性，T是时间常数特性。

9、如权利要求6所述的PID控制器***，其特征在于，所述自动调整装置根据与所述PID控制器的操纵有关的一个变量和来自所述过程的控制变量获得性能指标，并根据所述性能指标为把所述控制变量调整到所述设定点准备最佳控制参数，所述最佳控制参数从所述自动调整装置反馈到所述PID控制器。

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