CN1646999B - 反馈控制方法和反馈控制设备 - Google Patents

Abstract

干扰恢复控制的响应过程分为包含跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段。一种反馈控制设备包括：第一阶段切换单元(3)，所述第一阶段切换单元(3)变换为跟踪阶段；第二阶段切换单元(4)，所述第二阶段切换单元(4)变换为收敛阶段；第三阶段切换单元(5)，所述第三阶段切换单元(5)变换为稳定阶段；第一***纵变量确定单元(6)，所述第一***纵变量确定单元(6)输出***纵变量，这使得被控变量在跟踪阶段跟踪设定点；第二***纵变量确定单元(7)，所述第二***纵变量确定单元(7)输出***纵变量，这使得被控变量靠近收敛阶段的设定点收敛；和第三***纵变量确定单元(8)，所述第三***纵变量确定单元(8)连续输出***纵变量，使得被控变量能够在稳定阶段中的设定点上稳定。

Description

反馈控制方法和反馈控制设备

技术领域

本发明涉及一种过程控制技术，更具体的说，涉及一种反馈控制方法和反馈控制设备，它们能够通过将操纵变量提供给受控***执行干扰恢复控制以能使该被控变量在应用干扰时恢复到设定点。

背景技术

通常，PID控制作为较高的实际通用控制原理为人所知。作为与现代控制原理一样的高级控制原理，例如，人们已经知道简单的适应性控制(SAC)。根据任何一个控制原理，操纵变量MV是作为控制计算结果输出给受控***以能使被控变量PV在应用干扰时恢复到设定点SP，根据被控变量PV和设定点SP之间的偏差Er执行控制计算。

通用的PID控制是线性控制原理，是一种基于包括受控***的控制***变为线性***的假定的控制原理。但是，实际上，受控***在严格意义上讲不具有线性，PID控制能够容忍轻微的非线性。例如，在半导体制造装置中使用的RTP(快速加热过程)中通过卤素灯的加热是一种不能简单地应用PID控制的具有较强非线性的***。在此情况下，如果仅追求控制***的稳定性，甚至可使用PID控制。但是，PID控制不能立付在与RTP中一样需要快速温升和具有一点过调量的响应波形的条件下的操作。

假定控制***的非线性使用图14中所示的特性曲线K进行近似估计。在此情况下，在使被控变量PV恢复到应用温度降低干扰时的具有快速温升(快速干扰恢复)的设定点SP时，操纵变量MV(加热输出)在设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er较大时的时间点就变为100％。因此，一个平均过程增益特性曲线具有一个如图14中用“Kav1”表示的较大斜率。例如，由于温度升高和偏差Er下降，操纵变量MV就下降大约20％。在此情况下，平均过程增益特性曲线就变为另一个具有图14中用“Kav2”表示的较小斜率的特性曲线。

在PID控制器的PID参数进行调整以符合快速干扰恢复的技术规范，和PID控制器应用于与图14中所示相似的较强非线性***时，温升曲线(干扰恢复波形)就变为与图15中相似的曲线PV。也就是说，在响应的第一半周期中，与具有极大过程增益的受控***受到控制的情况下一样过调量在被控变量PV中产生，而在响应的第二半周期中，与具有极小过程增益的受控***受到控制的情况下一样控制操作的产生要使被控变量PV以极低的速度跟踪(follow-up)设定点SP。结果是，出现了与图15所示的相似的温升曲线。该控制不适用于与在半导体制造装置的情况下一样需要具有较小过调量的响应波形的受控***。此外，PID参数的调节落在线性控制原理范围外，因此很难实现。

一种高级适应性控制原理，如简单的适应性控制原理(SAC)设计成自动校正控制计算单元的内部参数以能总是获得相对于受控***的过程增益特性中变量的合适控制特性。但是，对于内部参数的合适自动校正(适应性操作)来说，在瞬态中控制计算必须执行足够的次数。在快速干扰恢复中，温升所需的时间大约为1.0至1.5秒。因此，如果控制周期是50毫秒，干扰恢复中控制计算的次数大约为20至30。

在这样的条件下由于较强的非线性特性而允许跟踪过程增益中变化的控制计算的次数最多大约为2至3，如图16B所示。控制计算的次数仅太小而不能使适应性操作适当地作用。在实际水平中，基于高级适应性控制原理的技术最多在最终能够获得控制的稳定性，但是不能使具有较强非线性特性的受控***平滑地实现快速干扰恢复。这种技术实质上指向仅确保不仅应用于快速干扰恢复的稳定性而且应用于其它操作的稳定性。而且，也不存在有关对于正确适应性操作的预先设定的许多参数的设定值的准则。

如上所述，根据传统的PID控制原理，对于具有较强非线性的受控***不能实现正确的干扰恢复控制，它难于调节PID参数。

此外，根据如简单的适应性控制(SAC)的高级适应性控制原理，在具有较强非线性特性的受控***中，在使被控变量高速恢复到设定点时，由于允许的控制计算的次数太小而不能使适应性操作正确地实行，因此就不能实现正确的干扰操作。此外，它难于调节参数。

发明内容

本发明已经用子解决上述问题，它的一个目的就是提供一种反馈控制方法和反馈控制设备，即使一种较强非线性的***是作为受控***设定的，该反馈控制方法和反馈控制设备也能够实现正确的干扰恢复控制和能够很容易地调节执行正确干扰恢复控制的参数。

根据本发明，提供一种反馈控制方法，它能够通过将操纵变量提供给受控***执行干扰恢复控制以能使该被控变量在应用干扰时恢复到设定点，该方法包括将干扰恢复控制的响应过程分为包含跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的三个阶段的步骤；第一阶段切换步骤，在作为跟踪阶段的起始时间点的干扰应用检测时间点变换为跟踪阶段；跟踪阶段***纵变量确定步骤，连续地输出操纵变量，使该被控变量在跟踪阶段跟踪到设定点；第二阶段切换步骤，在作为收敛阶段的起始时间点的干扰恢复控制经过的时间点变换为收敛阶段，在该时间点被控变量没有超过跟踪阶段中的设定点；收敛阶段***纵变量确定步骤，连续地输出操纵变量，使该被控变量在收敛阶段集中在设定点附近；第三阶段切换步骤，在作为稳定阶段起始时间点的时间点变换为稳定阶段，在该时间点达到收敛阶段中的预置状态；和稳定阶段***纵变量确定步骤，连续输出操纵变量，使该被控变量能够在稳定阶段的设定点稳定。

在根据本发明的反馈控制方法布置的一个示例中，第一阶段切换步骤包括设定一个时间点作为跟踪阶段的起始时间点的步骤，在所述时间点上根据设定点和被控变量之间的偏差确定已经应用干扰。

在根据本发明的反馈控制方法布置的一个示例中，第一阶段切换步骤包括设定一个时间点作为跟踪阶段的起始时间点的步骤，在该时间点阶段切换信号是从通知应用了干扰的外部单元输入的。

在根据本发明的反馈控制方法布置的一个示例中，第二阶段切换步骤包括根据设定点和被控变量之间的偏差和被控变量的变化率计算获得达到的剩余时间的预测值，该预测值是一个当前被控变量在跟踪阶段达到设定点所花费的时间；和设定一个时间点作为收敛阶段的起始时间点的步骤，在该时间点所计算的获得达到的剩余时间的预测值小于预置时间指数。

在根据本发明的反馈控制方法布置的一个示例中，第三阶段切换步骤包括设定一个时间点作为稳定阶段的起始时间点的步骤，在该时间点已经经过预置时间指数(preset time index)。

在根据本发明的反馈控制方法布置的一个示例中，跟踪阶段***纵变量确定步骤包括连续输出一个预置***纵变量的步骤。

在根据本发明的反馈控制方法布置的一个示例中，收敛阶段***纵变量确定步骤包括连续输出一个预置操纵变量的步骤。

此外，根据本发明提供一种反馈控制设备，用于将干扰恢复控制的响应过程分为包含跟踪(follow-up)阶段、收敛阶段和稳定阶段的三个阶段，并通过将***纵变量提供给受控***执行干扰恢复控制以能使该被控变量在应用干扰时恢复到设定点，包括：第一阶段切换单元，在作为跟踪阶段的起始时间点的干扰应用检测时间点变换为跟踪阶段；第二阶段切换单元，在作为收敛阶段的起始时间点的干扰恢复控制经过的时间点变换为收敛阶段，在该时间点被控变量没有超过跟踪阶段中的设定点；第三阶段切换单元，在作为稳定阶段起始时间点的时间点变换为稳定阶段，在该时间点达到收敛阶段中的预置状态；第一***纵变量确定单元，其连续输出操纵变量，使该被控变量在跟踪阶段跟踪到设定点；第二***纵变量确定单元，其连续地输出操纵变量，使该被控变量在收敛阶段集中在设定点附近；和第三***纵变量确定单元，其连续输出操纵变量，使该被控变量在稳定阶段的设定点稳定。

在根据本发明的反馈控制设备布置的一个示例中，第一阶段切换单元设定一个时间点作为跟踪阶段的起始时间点，在所述时间点上根据设定点和被控变量之间的偏差确定已经应用干扰。

在根据本发明的反馈控制设备布置的一个示例中，第一阶段切换单元设定一个时间点作为跟踪阶段的起始时间点的步骤，在该时间点阶段切换信号是从一个通知使用了干扰的外部单元输入的。

在根据本发明的反馈控制设备布置的一个示例中，第二阶段切换单元根据设定点和被控变量之间的偏差和被控变量的变化率计算获得达到的剩余时间的预测值，该预测值是一个当前被控变量在跟踪阶段达到设定点所需要的时间；和设定一个时间点作为收敛阶段的起始时间点，在该时间点所计算的获得达到的剩余时间的预测值小于预置时间指数。

在根据本发明的反馈控制设备布置的一个示例中，第三阶段切换单元设定一个时间点作为稳定阶段的起始时间点，在该时间点已经经过预设时间指数。

在根据本发明的反馈控制设备布置的一个示例中，第一***纵变量确定单元连续输出一个预置***纵变量。

在根据本发明的反馈控制设备布置的一个示例中，第二***纵变量确定单元连续输出一个预置***纵变量。

附图说明

图1A和1B是用于解释本发明中跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的波形图；

图2是表示根据本发明第一实施例的反馈控制设备布置的方框图；

图3是表示图2中反馈控制设备操作的流程图；

图4是用于解释从稳定阶段切换到跟踪阶段和从跟踪阶段切换到收敛阶段的波形图；

图5是用于解释从稳定阶段切换到跟踪阶段和从跟踪阶段切换到收敛阶段的波形图；

图6是用于解释从收敛阶段切换到稳定阶段的波形图；

图7是用于解释跟踪阶段中***纵变量确定步骤的视图；

图8是用于解释跟踪阶段中***纵变量确定步骤的视图；

图9A和9B是表示根据本发明第一实施例的反馈控制设备操作的波形图；

图10是用于解释一种调节本发明第一实施例中偏差指数的方法的波形图；

图11是用于解释一种调节从本发明第一实施例中的第二***纵变量确定单元的***纵变量输出值的方法的波形图；

图12A和12B是表示根据本发明第二实施例的反馈控制设备操作的时间图；

图13A和13B是表示根据本发明第三实施例的反馈控制设备操作的时间图；

图14是表示较强非线性***的过程增益特性的示例曲线图；

图15是表示使用PID控制的较强非线性***的干扰恢复响应的示例图；

图16A和16B是用于解释如简单适应性控制(SAC)的高级适应性控制原理中的问题的波形图。

具体实施方式

[第一实施例]

下面参考附图将详细地描述本发明的第一实施例。在本实施例中，伴有干扰应用的干扰恢复控制的响应过程分为三个阶段(跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段)。适当而简单的***纵变量输出顺序分配给每个阶段，一系列阶段进行组合以能强制地和直接地成形干扰恢复控制的响应波形。

图1A和1B是用于解释本实施例中跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的波形图。图1A是被控变量PV(响应图形)中变化图。图1B是显示***纵变量MV中变化的图。图1B中符号“○”表示每个控制周期dt中操纵变量MV的输出。

首先，在响应过程中，从检测干扰应用的时间点t1到被控变量PV不超过设定点SP的特定干扰恢复控制占用时间点t2的时间间隔定义为跟踪阶段。在跟踪阶段中，干扰恢复控制的响应波形没有被干扰，使被控变量PV跟踪设定点SP的***纵变量MV被连续输出。

从特定干扰恢复控制经过时间点t2至达到预指定状态时间点t3的时间间隔限定为收敛阶段。在收敛阶段中，干扰恢复控制的响应波形没有被干扰，使被控变量PV集中在设定点SP附近的***纵变量MV被连续输出。在达到预指定状态时间点t3后的时间被限定为稳定阶段。在稳定阶段中，使被控变量PV稳定在设定点SP的***纵变量MV被连续输出。

图2是表示根据本发明第一实施例的反馈控制设备布置的方框图。根据本实施的反馈控制设备包括设定值输入单元1，输入由控制设备操作员设定的设定点SP；被控变量输入单元2，输入由传感器(未示出)检测的被控变量PV；第一阶段切换单元3，在作为跟踪阶段的起始时间点t1的干扰应用检测时间点变换为跟踪阶段；第二阶段切换单元4，在作为收敛阶段的起始时间点t2的特定干扰恢复控制占用时间点变换为收敛阶段，在该时间点被控变量PV不超过跟踪阶段的设定点SP；第三阶段切换单元5，在作为稳定阶段的起始时间点t3的时间点变换为稳定阶段，在该时间点在收敛阶段中达到预设状态；第一***纵变量确定单元6，连续输出操纵变量MV，使该被控变量PV在跟踪阶段跟踪到设定点SP；第二***纵变量确定单元7，连续地输出***纵变量MV，使该被控变量PV在收敛阶段集中在设定点附近；第三***纵变量确定单元8，连续输出***纵变量MV，使该被控变量PV能够在稳定阶段的设定点SP稳定；和***纵变量输出单元9，将根据每个阶段确定的***纵变量MV输出给受控***(未示出)。

图3是表示图2中反馈控制设备操作的流程图。设定点SP由控制设备的操作员进行设定，并通过设定值输入单元1输入到第一阶段切换单元3、第二阶段切换单元4、第三阶段切换单元5、第一***纵变量确定单元6、第二***纵变量确定单元7和第三***纵变量确定单元8。

被控***的被控变量PV使用传感器(未示出)进行检测，并通过被控变量输入单元2输入到第一阶段切换单元3、第二阶段切换单元4、第三阶段切换单元5、第一***纵变量确定单元6、第二***纵变量确定单元7和第三***纵变量确定单元8。

在初始状态中，选择稳定阶段。即，在开始控制时，第一阶段切换单元3确定当前时间点是否是跟踪阶段(图3中步骤101)的起始时间点t1。如果它确定当前时间点不是起始时间点t1，该流程就继续进行到步骤107以能保持稳定阶段而不执行阶段切换。在稳定阶段中，第三***纵变量确定单元8输出预先规定的***纵变量MV，***纵变量输出单元9将从第三***纵变量确定单元8输出的该***纵变量输出给受控***(步骤107)。

如果它在步骤101中确定当前时间点是跟踪阶段的起始时间点t1，那么第一阶段切换单元3就从稳定阶段切换为跟踪阶段，并通知第二阶段切换单元4、第三阶段切换单元5和第一***纵变量确定单元6变换为跟踪阶段。在跟踪阶段中，第一***纵变量确定单元6输出预先规定的***纵变量MV，***纵变量输出单元9将从第一***纵变量确定单元6输出的该***纵变量输出给受控***(步骤102)。

在稳定阶段切换为跟踪阶段时，第二阶段切换单元4确定当前时间点是否是收敛阶段的起始时间点t2(步骤103)。如果它确定当前时间点不是起始时间点t2，该流程就返回到步骤102以能保持跟踪阶段而不执行阶段切换。

如果它在步骤103中确定当前时间点是收敛阶段的起始时间点t2，那么第二阶段切换单元4就从跟踪阶段切换为收敛阶段，并通知第一阶段切换单元3、第三阶段切换单元5和第二***纵变量确定单元7变换到收敛阶段。在收敛阶段中，第二***纵变量确定单元7输出预先规定的***纵变量MV，***纵变量输出单元9将从第二***纵变量确定单元7输出的该***纵变量输出给受控***(步骤104)。

在跟踪阶段切换为收敛阶段时，第一阶段切换单元3确定当前时间点是否是跟踪阶段的起始时间点t1(步骤105)。如果它确定当前时间点是跟踪阶段的起始时间点t1，该流程就继续进行到步骤102以能从收敛阶段切换为跟踪阶段，并通知第二阶段切换单元4、第三阶段切换单元5和第一***纵变量确定单元6变换为跟踪阶段。如果第一阶段切换单元3确定当前时间点是起始时间点t3，那么该流程就继续进行到步骤106以能保持收敛阶段而不执行阶段切换。

第三阶段切换单元5确定当前时间点是否是稳定阶段的起始时间点t3(步骤106)。如果它确定当前时间点不是起始时间点t3，该流程就返回到步骤104以保持收敛阶段而不执行阶段切换。

如果在步骤106中确定当前时间点是稳定阶段的起始时间点t3，第三阶段切换单元5就从收敛阶段切换为稳定阶段，并通知第一阶段切换单元3、第二阶段切换单元4和第三***纵变量确定单元8切换为稳定阶段。步骤107中处理过程与上述的相同。在步骤101至107中的上述处理对每个控制周期dt重复直到该控制设备通过一个操作员等的指令而停止(步骤108中的是)。

下面将更详细地描述阶段切换。图4和5是用于解释从稳定阶段切换到跟踪阶段和从跟踪阶段切换到收敛阶段的波形图。有两种确定是否从稳定阶段切换为跟踪阶段的方法。根据一种确定方法，第一阶段切换单元3确定一个时间点作为跟踪阶段起始时间点(干扰应用检测时间点)t1，在该时间点设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er在被控变量PV稳定在设定点SP附近的情况下(在稳定阶段的状态中)超过一个预置偏差指数Es，并且从稳定阶段切换为跟踪阶段(图4)。

根据另一种确定方法，第一阶段切换单元3确定一个时间点作为跟踪阶段起始时间点t1，在该时间点阶段切换信号是从一个通知应用干扰的外部设备输入，并且从稳定阶段切换为跟踪阶段。

也有两种确定是否从跟踪阶段切换为收敛阶段的方法。根据一种确定方法，第二阶段切换单元4确定一个时间点作为收敛阶段起始时间点t2(特定干扰恢复控制经过时间点)，在该时间点设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er小于一个预置偏差指数Ex，并且从跟踪阶段切换为收敛阶段(图4)。

根据另一种确定方法，第二阶段切换单元4根据基于设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er和被控变量PV的变化率ΔPV的Tr＝Er/ΔPV计算直到在被控变量PV在当前控制周期中达到设定点SP时的剩余时间的预测值Tr。然后，第二阶段切换单元4确定一个时间点作为收敛阶段起始时间点(特定干扰恢复控制经过时间点)t2，在该时间点所计算获得达到的剩余时间的预测值Tr小于预设时间指数Tx，而且第二阶段切换单元4从跟踪阶段切换为收敛阶段(图5)。

图6是用于解释从收敛阶段切换到稳定阶段的波形图。第三阶段切换单元5确定一个时间点作为稳定阶段的起始时间点(在该时间点达到预指定状态)t3，在该时间点该预设时间指数Tc从收敛阶段的起始时间点t2起开始流逝，并且从收敛阶段切换为稳定阶段。

下面将描述每个阶段中的***纵变量确定步骤。在跟踪阶段中有三种***纵变量确定步骤。根据第一顺序，第一***纵变量确定单元6连续输出预设操纵变量MV1。

根据第二顺序，第一***纵变量确定单元6对预设操纵变量MV1执行延时滤波处理，并连续输出合成值MVf。即，在第二顺序中，***纵变量MV1通过如图7中所示相似的延时滤波器进行处理，该结果的操纵变量MVf提供给受控***。

根据第三顺序，第一***纵变量确定单元6连续输出通过PID控制算法(包括P、PD和PI控制)计算的***纵变量MVc，该PID控制算法对快速控制响应非常重要。即，在第三顺序中，***纵变量MVc是通过与图8中所示相似的PID控制***从偏差Er中计算，并提供给受控***。

在收敛阶段中，第二***纵变量确定单元7连续输出预设***纵变量MV2。在稳定阶段中，第三***纵变量确定单元8连续输出通过PID控制算法(包括P、PD和PI控制)计算的***纵变量MVd，该PID控制算法对控制的稳定性非常重要。即，第三***纵变量确定单元8使用与图8中所示相似的PID控制***从偏差Er中计算***纵变量MVd，并提供给受控***。

在本实施例中，如上所述，非常重要的一个方面就是干扰恢复控制的响应过程分为三个阶段(跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段)。例如，在对较强非线性的受控***执行干扰恢复控制以能使被控变量PV在干扰应用时恢复到设定点SP，在对应于跟踪阶段的一个阶段中受控***的平均过程增益特性与对应于稳定阶段的一个阶段中的受控***的平均过程增益特性具有很大的不同。

在此情况下，如果跟踪阶段和稳定阶段使用一种根据相同特性的控制技术进行控制，那么适合于跟踪阶段的控制特性就不适合于稳定阶段，反之亦然。例如，在温控的快速干扰恢复中，由于特性突然地在跟踪阶段和稳定阶段之间切换，因此控制响应波形就会在变换时间点前和后受到干扰。即，不仅控制特性不是在跟踪阶段就是在稳定阶段变坏，而且控制响应波形的明显干扰会出现在这两个阶段之间的中间阶段。

本实施例的构造要能够使用对跟踪阶段和稳定阶段提供不同控制特性的技术执行控制。此外，提供收敛阶段通过给出不同控制特性来执行控制以能防止控制响应波形在跟踪阶段和稳定阶段之间的变换时间点前后受到干扰。

在跟踪阶段中，首先，输出旨在仅使被控变量PV跟踪设定点SP的***纵变量MV。在收敛阶段中，输出旨在仅使被控变量PV集中在设定点SP附近的***纵变量MV以能从跟踪阶段转移到稳定阶段。最后，在稳定阶段中，输出只用于在设定点SP上稳定被控变量PV的***纵变量MV。

在本实施例中，由于跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的控制特性能够进行独立地调节，参数能够根据实际目标方便地进行调节。在干扰恢复控制中，特别是，干扰恢复控制的响应波形通过调节跟踪阶段和收敛阶段之间的变换时间点和调节收敛阶段中的***纵变量MV被强制和直接成形。这就能够实现平滑的干扰恢复控制。

下面通过举出如图2所示的反馈控制设备用于快速干扰恢复控制情况下的例子描述本实施例的更具体的操作。图9A和9B显示了根据本发明的实施例的反馈控制设备的操作的波形图。图9A是表示被控变量PV变化的波形图，图9B表示***纵变量MV变化的波形图。如上所述，在图13的步骤101至108中处理过程在各控制周期dt中执行。图9B中的符号“O”指示在各控制周期dt中输出的***纵变量MV。

在本实施例中，从稳定阶段到跟踪阶段的变换时间点(干扰应用检测时间点)t1是设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er超过在被控变量PV稳定在设定点SP附近的情况下(稳定阶段的状态下)的预设偏差指数Es时的时间点。从跟踪阶段到收敛阶段的变换时间点(特定干扰恢复控制消逝时间点)是设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er小于预设偏差指数Ex的时间点。从收敛阶段到稳定阶段的变换时间点(达到预指定状态的时间点)是已经经过预设时间指数Tc的时间点。

在本实施例中，在跟踪阶段中确定操纵变量MV的步骤是连续输出预设***纵变量MV1的步骤。在收敛阶段中确定***纵变量MV的步骤是连续输出预设***纵变量MV2的步骤。在稳定阶段中确定操纵变量MV的步骤是连续输出***纵变量MVd的步骤，该***纵变量MVd是通过对控制稳定性非常重要的PID控制算法计算得出的。

在本实施例中，指示阶段的参数用F表示；F＝1，F＝2和F＝3分别表示跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段。假定当前控制周期n中的设定点用Sp(n)表示；控制周期n中的被控变量用PV(n)表示；控制周期n中的被控变量用MV(n)表示；和控制周期n中的控制偏差用Er(n)表示。

假定在图3的步骤101或105中，当前控制周期n中的偏差Er(n)大于预设偏差指数Es，在前一控制周期中的偏差Er(n-1)小于偏差指数Es。在此情况下，第一阶段切换单元3将表示阶段的参数F设定为F＝1(跟踪阶段)，将F＝1输出给第二阶段切换单元4、第三阶段切换单元5和第一***纵变量确定单元6。即，第一阶段切换单元3执行下面的处理。

如果Er(n)＞Es和Er(n-1)＜Es那么F←1  ...(1)

注意在从第二阶段切换单元4或第三阶段切换单元5中接收F＝2或F＝3的通知时，第一阶段切换单元3就将输出给第一***纵变量确定单元6的参数F的值改变为通知值，即，F＝2或F＝3。

跟踪阶段中的操纵变量MV1在第一***纵变量确定单元6中预先设定。在由第一阶段切换单元3输出的参数F的值为F＝1(图3；图9B中的步骤102)时，第一***纵变量确定单元6输出预设***纵变量MV1作为***纵变量MV(n)。即，第一***纵变量确定单元6执行下面的处理。

如果F＝1，那么MV(n)←MV1   ...(2)

如果***纵变量MV1设定为使被控变量PV恢复到具有所需跟踪特性的设定点SP，这就足够了。在本发明用于央速干扰恢复控制时，MV1＝100％是合适的。

然后第二阶段切换单元4计算当前控制周期n中设定点SP(n)和被控变量PV(n)之间的偏差Er(n)。

Er(n)＝SP(n)-PV(n)    ...(3)

此外，在第二阶段切换单元4中预先设定确定阶段切换的偏差指数Ex。假定在图3的步骤103中，参数F的值设定为F＝1，设定点SP(n)没有从设定点SP(n-1)发生变化，而且偏差Er(n)小于偏差指数Ex。在此情况下，第二阶段切换单元4确定当前时间点是跟踪阶段的起始时间点t2，将参数F的值设定为F＝2(收敛阶段)，并将F＝2输出给第一阶段切换单元3、第三阶段切换单元5和第二***纵变量确定单元7。即，第二阶段切换单元4执行下面的处理。

如果F＝1以及SP(n)＝SP(n-1)和Er(n)＜Ex，那么F←2   ...(4)

偏差指数Ex可通过反复试验进行调节以能在一个合适的时间从跟踪阶段切换为收敛阶段，即，使被控变量PV恢复到具有所需跟踪特性(响应波形)的设定点SP。当将本发明用于快速干扰恢复控制时，一个过调量趋势或温升不足趋势会出现在两个阶段中，如图10所示。偏差指数Ex可考虑第一阶段进行调节，这样在产生过调量时，偏差指数Ex设定为一个较大值，而在产生温升不足时，偏差指数Ex设定为一个较小值。由于偏差指数Ex是一个具有强制和直接成形干扰恢复控制的响应波形效果的数值，因此偏差指数Ex的合适的值能够通过反复试验很容易地获得。

在接收到第一阶段切换单元3或第三阶段切换单元5中F＝1或F＝3的通知时，第二阶段切换单元4就将输出给第二***纵变量确定单元7的参数F的值改变为所通知的值，即，F＝1或F＝3。

收敛阶段中的操纵变量MV2在第二***纵变量确定单元7中预先设定。如果从第二阶段切换单元4中输出的参数F的值为F＝2，那么第二***纵变量确定单元7就输出预设***纵变量MV2作为操纵变量MV(n)(图3；图9B中的步骤104)。即，第二阶段切换单元7执行下面的处理。

如果F＝2，那么MV(n)←MV2   ...(5)

***纵变量MV2可通过反复试验进行调节以能被控变量PV集中在在具有所需特性的设定点SP的附近。在本发明用于快速干扰恢复控制时，过调量趋势或温升不足趋势会出现在两个阶段中，如图11所示。***纵变量MV2可考虑第二阶段进行调节，这样在产生过调量时，***纵变量MV2设定为一个较小值，而在产生温升不足时，***纵变量MV2设定为一个较大值。由于***纵变量MV2是一个具有强制和直接成形干扰恢复控制的响应波形效果的数值，因此***纵变量MV2的合适的值能够通过反复试验很容易地获得。

在第三阶段切换单元5中预先设定确定阶段切换的时间指数Tc。假定在图3的步骤106中，参数F的值为F＝2，从设定在F＝2中的时间点t2开始经过的时间tn大于时间指数Tc。在此情况下，第三阶段切换单元5确定当前时间点是稳定阶段的时间点，将参数F的值设定为F＝3(稳定阶段)，并将F＝3输出给第一阶段切换单元3、第二阶段切换单元4和第三***纵变量确定单元8。即，第三阶段切换单元5执行下面的处理。

如果F＝2和tn＞Tc，那么F←3   ...(6)

时间指数Tc可通过反复试验进行调节以能被控变量PV集中在在具有所需特性的设定点SP的附近。在本发明用于快速干扰恢复控制时，对受控***将该指数设定为过程浪费时间(process wasteful time)Lp大约1至2倍的时间是合适的。注意，在接收到第一阶段切换单元3或第二阶段切换单元4中F＝1或F＝2的通知时，第三阶段切换单元5就将输出给第三***纵变量确定单元8的参数F的值改变为所通知的值，即，F＝1或F＝2。

如果从第三阶段切换单元5中输出的参数F的值为F＝3，那么第三***纵变量确定单元8就输出***纵变量MVd(n)作为***纵变量MV(n)，该***纵变量MVd(n)使用一个对控制的稳定性非常重要的PID控制算法进行计算(图3；图9B中步骤107)。即，第三阶段切换单元8执行下面的处理。

如果F＝3，那么MV(n)←MVd(n)   ...(7)

在此情况下，对控制的稳定性非常重要的PID控制算法通过一个使用Laplace运算的变换函数表达如下：

MVd(n)＝Kg3{1+(1/Ti3s)+Td3s}{SP(n)-PV(n)}...(8)

在方程式(8)中，Kg3表示比例增益，Ti3表示积分时间和Td3表示微分时间。注意对稳定性非常重要的参数Kg3、Ti3和Td3的设定方式是公知的，因此将省略对其所作的描述。

如上所述，根据本实施例，干扰恢复控制的响应过程分为三个阶段，即跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段，各阶段的变换要使干扰应用检测时间点被看成是跟踪阶段的起始时间点，在跟踪阶段中被控变量不超过设定点的一个特定干扰恢复控制经过时间点被看成是收敛阶段的时间点，在收敛阶段中达到预设状态的时间点被看成是稳定阶段的起始时间点。在跟踪阶段中，输出使被控变量在设定点附近收敛的***纵变量。在稳定阶段中，输出使被控变量在设定点稳定的***纵变量。由于跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的控制特性能够进行独立地调节，因此根据实际目标能够很容易地调节这些参数。干扰恢复控制的响应波形特别是通过调节从跟踪阶段到收敛阶段的变换时间点和调节收敛阶段中的***纵变量而强制和直接地成形。因此，即使受控***是具有较强非线性的***，也能够实现适当的干扰恢复控制。此外，在本实施例中，即使根据高级适应性控制原理如简单的适应性控制(SAC)控制计算的次数不足时，例如甚至在快速干扰恢复控制中，也能够实现合适的控制。

[第二实施例]

下面将描述本发明的第二实施例。该实施例表示本发明用于快速干扰恢复控制的另一个示例。在本实施例中，反馈控制设备的布置和处理流程与图2和3中的相同，因此将使用图2和3中的参考标号进行描述。图12A和12B是表示根据本实施例的反馈控制设备操作的波形图。图12A表示被控变量PV中变化的曲线图。图12B表示***纵变量MV中变化的曲线图。图12B中符号“O”表示在每个控制周期dt中输出的操纵变量MV。

假定从稳定阶段到跟踪阶段的变换时间点(干扰应用检测时间点)t1是设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er大于被控变量PV在设定点SP附近稳定状态下(稳定阶段的状态)的预设偏差指数Es的时间点。

还假定从跟踪阶段到收敛阶段的变换时间点(特定干扰恢复控制经过时间点)t2是一个基于设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er和被控变量PV的变化率ΔPV计算出的获得剩余时间的预测值Tr＝Er/ΔPV小于预设时间指数Tx的时间点。进一步假定从收敛阶段到稳定阶段的变换时间点(达到预指定状态的时间点)是一个已经经过预设时间指数Tc的时间点。

在本实施例中，在跟踪阶段中确定***纵变量MV的步骤是一个通过延时滤波器处理预设***纵变量MV1和连续输出一个所得到的MVf的步骤。在收敛阶段中确定操纵变量MV的步骤是一个连续输出预设***纵变量MV2的步骤。在稳定阶段中确定***纵变量MV的步骤是一个连续输出预设***纵变量MVd的步骤，该***纵变量MVd是通过对控制的稳定性非常重要的PID控制算法进行计算的。

第一步阶段切换单元3的操作与第一实施例中的操作相同。在跟踪阶段中的***纵变量MV1和初步延迟滤波时间常数Tf预先设定在第一***纵变量确定单元6中。如果从第一阶段切换单元3中输出的参数F的值为F＝1，那么第一***纵变量确定单元6就通过初步延迟滤波器处理预设值MV1，并输出作为操纵变量MV(n)的所获得的值MVf(n)(图3，图12B中的步骤102)。即，第一***纵变量确定单元6执行下面的处理。

如果F＝1，那么MV(n)←MVf(n)     ...(9)

在此情况下，初步延迟滤波处理的算术表达式通过使用Laplace运算的变换函数表示如下：

MVf(n)＝{1/(1+Tfs)}MV1     ...(10)

第一***纵变量确定单元6在根据表达式(9)的初步延迟滤波处理后计算值MVf。

操纵变量MV1被设定以具有所需跟踪特性使被控变量PV跟踪设定点SP。在本发明用于快速干扰恢复控制时，MV1＝100％是合适的。初步延迟滤波时间常数Tf可任意设定以便在应用干扰后被控变量PV恢复到设定点SP的干扰恢复速度被设定到所需的速度。在本发明用于快速干扰恢复控制时，通过增加初步延迟滤波时间常数Tf进行一种调节以降低温升速率。

然后第二阶段切换单元4根据方程式(3)计算当前控制周期n中设定点SP(n)和被控变量PV(n)之间的偏差Er(n)。在当前控制周期中被控变量PV达到设定点SP前第二阶段切换单元4还计算剩余时间的预测值Tr(n)如下：

Tr(n)＝Er(n)/ΔPV

＝Er(n)dt/{Pv(n)-PV(n-1)}      ...(11)

在方程式(11)中，dt是控制周期，PV(n-1)是前一控制周期中的被控变量。

在第二阶段切换单元4中预先设定确定阶段切换的时间常数Tx。假定在图3的步骤103中，参数F的值为F＝1，设定点SP(n)还没有从设定点SP(n-1)发生变化，获得剩余时间的预测值Tr(n)小于时间指数Tx。在此情况下，第二阶段切换单元4将参数F的值设定为F＝2(收敛阶段)，将F＝2输出给第一阶段切换单元3、第三阶段切换单元5和第二***纵变量确定单元7。即，第二阶段切换单元4执行下面的处理。

如果F＝1和SP(n)＝SP(n-1)和Tr(n)＜Tx，那么F←2   ...(12)

时间指数Tx可通过反复试验进行调节以能在一个合适的时间从跟踪阶段切换为收敛阶段，即，使被控变量PV恢复到具有所需跟踪特性的设定点SP。在本发明用于快速干扰恢复控制时，过调量趋势或温升不足趋势会出现在两个阶段中，如图10所示。时间指数Tx可考虑到第一阶段进行调节，这样在产生过调量时，时间指数Tx校正为一个较大值，而在产生温升不足时，时间指数Tx校正为一个较小值。由于时间指数Tx是一个具有强制和直接成形干扰恢复控制的响应波形效果的数值，因此时间指数Tx的正确值能够通过反复试验很容易地获得。

第二***纵变量确定单元7、第三阶段切换单元5和第三***纵变量确定单元8的操作与第一实施例中相同。

[第三实施例]

下面将描述本发明的第三实施例。该实施例表示本发明用于快速干扰恢复控制的另一个示例。在本实施例中，反馈控制设备的布置和处理流程与图2和3中的相同，因此将使用图2和3中的参考标号进行描述。图13A和13B是表示根据本实施例的反馈控制设备操作的波形图。图13A表示被控变量PV中变化的曲线图。图13B表示***纵变量MV中变化的曲线图。图13B中符号“○”表示在每个控制周期dt中输出的***纵变量MV。

在本实施例中，假定从稳定阶段到跟踪阶段的变换时间点(干扰应用检测时间点)t1是阶段切换信号从通知应用干扰的外部设备输入的时间点。在过程控制领域中，干扰的应用有时能够在被控变量PV实际发生变化前进行检测。在因此，被控变量PV中变化产生前，阶段切换信号还能够用一种前馈方式输入。

假定从跟踪阶段到收敛阶段的变换时间点(特定干扰恢复控制经过时间点)t2是一个基于设定点SP和被控变量PV之间的偏差Er和被控变量PV的变化率ΔPV计算出的获得剩余时间的预测值Tr＝Er/ΔPV小于预设时间指数Tx的时间点。进一步假定从收敛阶段到稳定阶段的变换时间点(达到预指定状态的时间点)t3是已经经过预设时间指数Tc的时间点。

在本实施例中，在跟踪阶段中确定操纵变量MV的步骤是连续输出一个通过对快速控制响应非常重要的PID控制(包括P、PD和PI控制)算法计算的***纵变量MVc。还假定在收敛阶段中确定操纵变量MV的步骤是一个连续输出预设***纵变量MV2的步骤和在稳定阶段中确定***纵变量MV的步骤是一个连续输出预设***纵变量MVd的步骤，该***纵变量MVd是通过对控制的稳定性非常重要的PID控制算法进行计算的。

当阶段切换信号Sf在图3的步骤101或105中从外部输入时，第一阶段切换单元3确定当前时间点是跟踪阶段的起始时间点t1，并将指示阶段的参数F的值设定为F＝1(跟踪阶段)，并将F＝1输出给第二阶段切换单元4、第三阶段切换单元5和第一***纵变量确定单元6。即，第一阶段切换单元3执行下面的处理。

如果输入Sf，那么F←1    …(13)

如果从第一阶段切换单元3中输的参数F的值为F＝1，那么第一***纵变量确定单元6就输出一个通过对快速控制响应非常重要的PID控制算法计算出的***纵变量MVc(n)作为***纵变量MV(n)(图3，图13B中的步骤102)。即，第一***纵变量确定单元6执行下面的处理。

如果F＝1，那么MV(n)←MVc(n)    ...(14)

在此情况下，对快速控制响应非常重要的PID控制算法通过一个使用Laplace运算的变换函数表示如下：

MVc(n)＝Kg1{1+(1/Tils)+Tdls}{SP(n)-PV(n)}    ...(15)

在方程式(15)中，Kg1是表示比例增益，Ti1表示积分时间和Td1表示微分时间。注意对快速响应非常重要的参数Kg1、Ti1和Td1的设置方式是公知的，因此将省略对其所作的描述。

第二阶段切换单元4的操作与第二实施例中的相同。第二***纵变量确定单元7、第三阶段切换单元5和第三***纵变量确定单元8的操作与第一实施例中相同。

显然，本发明并不局限于上述的每个实施例，在本发明的技术分类中如果需要，每个实施例可进行改变。例如，正如上面第一实施例所述，有两种确定是否从稳定阶段切换为跟踪阶段的方法，有两种确定是否从跟踪阶段切换为收敛阶段的方法，有一种确定是否从收敛阶段切换为稳定阶段的方法，有三个确定跟踪阶段的操纵变量的步骤，有一个确定收敛阶段的操纵变量的步骤，以及有一个确定稳定阶段的操纵变量的步骤。因此，相应确定方法和相应***纵变量确定步骤组合的最大值为2x2x1x3x1x1，即12，可使用组合中的任意一种。

根据跟踪阶段中操纵变量确定步骤的第三顺序(第三实施例)，第一***纵变量确定单元6连续输出一个通过对快速控制响应非常重要的PID控制算法计算的***纵变量MVc。但是，本发明并不局限于此。例如，通过使用另一种控制算法如IMC(内部模式控制)可执行对快速响应非常重要的控制。

同样，在稳定阶段中，第三***纵变量确定单元8连续输出一个通过对控制稳定性非常重要的PID控制算法计算的***纵变量MVd。但是，本发明并不局限于此，通过使用另一种控制算法可执行对稳定性非常重要的控制。

工业应用性

正如上面所述，根据本发明的反馈控制方法和反馈控制设备适用于过程控制，更具体的说，适用于针对作为受控***的具有较强非线性***的过程控制。

Claims (14)

1.一种反馈控制方法，所述方法能够通过将***纵变量提供给受控***执行干扰恢复控制，以在应用干扰时将被控变量恢复到设定点，其特征在于所述方法包括：

将干扰恢复控制的响应过程分为包含跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的三个阶段的步骤；

第一阶段切换步骤，在所述第一阶段切换步骤作为跟踪阶段的起始时间点的干扰应用检测时间点变换为跟踪阶段；

跟踪阶段***纵变量确定步骤，在所述跟踪阶段***纵变量确定步骤连续地输出***纵变量，使所述被控变量跟踪所述跟踪阶段中的设定点；

第二阶段切换步骤，在作为收敛阶段的起始时间点的干扰恢复控制经过时间点变换为收敛阶段，在该时间点被控变量不超过跟踪阶段中的设定点；

收敛阶段***纵变量确定步骤，在所述收敛阶段***纵变量确定步骤连续地输出***纵变量，这使得被控变量在收敛阶段靠近设定点收敛以能防止响应波形在跟踪阶段和稳定阶段之间的变换时间点前后受到干扰；

第三阶段切换步骤，在所述第三阶段切换步骤在作为稳定阶段起始时间点的时间点变换为稳定阶段，在该时间点达到收敛阶段中的预设状态；和

稳定阶段***纵变量确定步骤，在所述稳定阶段***纵变量确定步骤连续输出***纵变量，这使得被控变量能够在稳定阶段中的设定点上稳定。

2.如权利要求1所述的反馈控制方法，其特征在于，第一阶段切换步骤包括设定作为跟踪阶段的起始时间点的时间点的步骤，在所述时间点上根据设定点和被控变量之间的偏差确定已经应用干扰。

3.如权利要求1所述的反馈控制方法，其特征在于，第一阶段切换步骤包括设定作为跟踪阶段的起始时间点的时间点的步骤，在所述时间点阶段切换信号是从通知应用了干扰的外部单元输入的。

4.如权利要求1所述的反馈控制方法，其特征在于，第二阶段切换步骤包括根据设定点和被控变量之间的偏差和被控变量的变化率计算获得剩余时间的预测值的步骤，该预测值是当前被控变量在跟踪阶段达到设定点所需的时间，以及设定作为收敛阶段的起始时间点的时间点的步骤，在所述时间点所计算的获得剩余时间的预测值小于预设时间指数。

5.如权利要求1所述的反馈控制方法，其特征在于，第三阶段切换步骤包括设定作为稳定阶段的起始时间点的时间点的步骤，在所述时间点已经经过预设时间指数。

6.如权利要求1所述的反馈控制方法，其特征在于，跟踪阶段***纵变量确定步骤包括连续输出预设***纵变量的步骤。

7.如权利要求1所述的反馈控制方法，其特征在于，收敛阶段***纵变量确定步骤包括连续输出预设***纵变量的步骤。

8.一种反馈控制设备，用于将干扰恢复控制的响应过程分为包含跟踪阶段、收敛阶段和稳定阶段的三个阶段，并通过将***纵变量提供给受控***执行干扰恢复控制以能使被控变量在应用干扰时恢复到设定点，其特征在于包括：

第一阶段切换单元，所述第一阶段切换单元在作为跟踪阶段的起始时间点的干扰应用检测时间点变换为跟踪阶段；

第二阶段切换单元，所述第二阶段切换单元在作为收敛阶段的起始时间点的干扰恢复控制经过时间点变换为收敛阶段，在所述时间点被控变量没有超过跟踪阶段中的设定点；

第三阶段切换单元，所述第三阶段切换单元在作为稳定阶段起始时间点的时间点变换为稳定阶段，在所述时间点达到收敛阶段中的预设状态；

第一***纵变量确定单元，所述第一***纵变量确定单元连续输出***纵变量，这使得被控变量在跟踪阶段跟踪设定点；

第二***纵变量确定单元，所述第二***纵变量确定单元连续地输出***纵变量，这使得被控变量靠近收敛阶段中的设定点收敛以能防止响应波形在跟踪阶段和稳定阶段之间的变换时间点前后受到干扰；和

第三***纵变量确定单元，所述第三***纵变量确定单元连续输出***纵变量，使该被控变量在稳定阶段的设定点上稳定。

9.如权利要求8所述的反馈控制设备，其特征在于，所述的第一阶段切换单元设定作为跟踪阶段的起始时间点的时间点，在所述时间点上根据设定点和被控变量之间的偏差确定已经应用干扰。

10.如权利要求8所述的反馈控制设备，其特征在于，所述的第一阶段切换单元设定作为跟踪阶段的起始时间点的时间点，在所述时间点阶段切换信号是从通知应用了干扰的外部单元输入的。

11.如权利要求8所述的反馈控制设备，其特征在于：所述的第二阶段切换单元根据设定点和被控变量之间的偏差和被控变量的变化率计算获得剩余时间的预测值，该预测值是当前被控变量在跟踪阶段达到设定点所需的时间，以及设定作为收敛阶段的起始时间点的时间点，在所述时间点所计算的获得剩余时间的预测值小于预置时间指数。

12.如权利要求8所述的反馈控制设备，其特征在于，所述的第三阶段切换单元设定作为稳定阶段的起始时间点的时间点，在所述时间点已经经过预设时间指数。

13.如权利要求8所述的反馈控制设备，其特征在于，所述的第一***纵变量确定单元连续输出预置***纵变量。

14.如权利要求8所述的反馈控制设备，其特征在于，所述的第二***纵变量确定单元连续输出预置***纵变量。

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