專利名稱：反饋控制方法和反饋控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過程控制技術(shù)，更具體的說，涉及一種反饋控制方法和反饋控制設(shè)備，它們能夠通過將操縱變量提供給受控系統(tǒng)執(zhí)行干擾恢復(fù)控制以能使該被控變量在應(yīng)用干擾時(shí)恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)。
背景技術(shù)：
通常，PID控制作為較高的實(shí)際通用控制原理為人所知。作為與現(xiàn)代控制原理一樣的高級(jí)控制原理，例如，人們已經(jīng)知道簡單的適應(yīng)性控制(SAC)。根據(jù)任何一個(gè)控制原理，操縱變量MV是作為控制計(jì)算結(jié)果輸出給受控系統(tǒng)以能使被控變量PV在應(yīng)用干擾時(shí)恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)SP，根據(jù)被控變量PV和設(shè)定點(diǎn)SP之間的偏差Er執(zhí)行控制計(jì)算。
通用的PID控制是線性控制原理，是一種基于包括受控系統(tǒng)的控制系統(tǒng)變?yōu)榫€性系統(tǒng)的假定的控制原理。但是，實(shí)際上，受控系統(tǒng)在嚴(yán)格意義上講不具有線性，PID控制能夠容忍輕微的非線性。例如，在半導(dǎo)體制造裝置中使用的RTP(快速加熱過程)中通過鹵素?zé)舻募訜崾且环N不能簡單地應(yīng)用PID控制的具有較強(qiáng)非線性的系統(tǒng)。在此情況下，如果僅追求控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可使用PID控制。但是，PID控制不能應(yīng)付在與RTP中一樣需要快速溫升和具有一點(diǎn)過調(diào)量的響應(yīng)波形的條件下的操作。
假定控制系統(tǒng)的非線性使用圖14中所示的特性曲線K進(jìn)行近似估計(jì)。在此情況下，在使被控變量PV恢復(fù)到應(yīng)用溫度降低干擾時(shí)的具有快速溫升(快速干擾恢復(fù))的設(shè)定點(diǎn)SP時(shí)，操縱變量MV(加熱輸出)在設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er較大時(shí)的時(shí)間點(diǎn)就變?yōu)?00％。因此，一個(gè)平均過程增益特性曲線具有一個(gè)如圖14中用“Kav1”表示的較大斜率。例如，由于溫度升高和偏差Er下降，操縱變量MV就下降大約20％。在此情況下，平均過程增益特性曲線就變?yōu)榱硪粋€(gè)具有圖14中用“Kav2”表示的較小斜率的特性曲線。
在PID控制器的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以符合快速干擾恢復(fù)的技術(shù)規(guī)范，和PID控制器應(yīng)用于與圖14中所示相似的較強(qiáng)非線性系統(tǒng)時(shí)，溫升曲線(干擾恢復(fù)波形)就變?yōu)榕c圖15中相似的曲線PV。也就是說，在響應(yīng)的第一半周期中，與具有極大過程增益的受控系統(tǒng)受到控制的情況下一樣過調(diào)量在被控變量PV中產(chǎn)生，而在響應(yīng)的第二半周期中，與具有極小過程增益的受控系統(tǒng)受到控制的情況下一樣控制操作的產(chǎn)生要使被控變量PV以極低的速度跟蹤(follow-up)設(shè)定點(diǎn)SP。結(jié)果是，出現(xiàn)了與圖15所示的相似的溫升曲線。該控制不適用于與在半導(dǎo)體制造裝置的情況下一樣需要具有較小過調(diào)量的響應(yīng)波形的受控系統(tǒng)。此外，PID參數(shù)的調(diào)節(jié)落在線性控制原理范圍外，因此很難實(shí)現(xiàn)。
一種高級(jí)適應(yīng)性控制原理，如簡單的適應(yīng)性控制原理(SAC)設(shè)計(jì)成自動(dòng)校正控制計(jì)算單元的內(nèi)部參數(shù)以能總是獲得相對(duì)于受控系統(tǒng)的過程增益特性中變量的合適控制特性。但是，對(duì)于內(nèi)部參數(shù)的合適自動(dòng)校正(適應(yīng)性操作)來說，在瞬態(tài)中控制計(jì)算必須執(zhí)行足夠的次數(shù)。在快速干擾恢復(fù)中，溫升所需的時(shí)間大約為1.0至1.5秒。因此，如果控制周期是50毫秒，干擾恢復(fù)中控制計(jì)算的次數(shù)大約為20至30。
在這樣的條件下由于較強(qiáng)的非線性特性而允許跟蹤過程增益中變化的控制計(jì)算的次數(shù)最多大約為2至3，如圖16B所示?？刂朴?jì)算的次數(shù)僅太小而不能使適應(yīng)性操作適當(dāng)?shù)刈饔?。在?shí)際水平中，基于高級(jí)適應(yīng)性控制原理的技術(shù)最多在最終能夠獲得控制的穩(wěn)定性，但是不能使具有較強(qiáng)非線性特性的受控系統(tǒng)平滑地實(shí)現(xiàn)快速干擾恢復(fù)。這種技術(shù)實(shí)質(zhì)上指向僅確保不僅應(yīng)用于快速干擾恢復(fù)的穩(wěn)定性而且應(yīng)用于其它操作的穩(wěn)定性。而且，也不存在有關(guān)對(duì)于正確適應(yīng)性操作的預(yù)先設(shè)定的許多參數(shù)的設(shè)定值的準(zhǔn)則。
如上所述，根據(jù)傳統(tǒng)的PID控制原理，對(duì)于具有較強(qiáng)非線性的受控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)正確的干擾恢復(fù)控制，它難于調(diào)節(jié)PID參數(shù)。
此外，根據(jù)如簡單的適應(yīng)性控制(SAC)的高級(jí)適應(yīng)性控制原理，在具有較強(qiáng)非線性特性的受控系統(tǒng)中，在使被控變量高速恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，由于允許的控制計(jì)算的次數(shù)太小而不能使適應(yīng)性操作正確地實(shí)行，因此就不能實(shí)現(xiàn)正確的干擾操作。此外，它難于調(diào)節(jié)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)用于解決上述問題，它的一個(gè)目的就是提供一種反饋控制方法和反饋控制設(shè)備，即使一種較強(qiáng)非線性的系統(tǒng)是作為受控系統(tǒng)設(shè)定的，該反饋控制方法和反饋控制設(shè)備也能夠?qū)崿F(xiàn)正確的干擾恢復(fù)控制和能夠很容易地調(diào)節(jié)執(zhí)行正確干擾恢復(fù)控制的參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種反饋控制方法，它能夠通過將操縱變量提供給受控系統(tǒng)執(zhí)行干擾恢復(fù)控制以能使該被控變量在應(yīng)用干擾時(shí)恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)，該方法包括將干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為包含跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的三個(gè)階段的步驟；第一階段切換步驟，在作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)變換為跟蹤階段；跟蹤階段被操縱變量確定步驟，連續(xù)地輸出操縱變量，使該被控變量在跟蹤階段跟蹤到設(shè)定點(diǎn)；第二階段切換步驟，在作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾恢復(fù)控制經(jīng)過的時(shí)間點(diǎn)變換為收斂階段，在該時(shí)間點(diǎn)被控變量沒有超過跟蹤階段中的設(shè)定點(diǎn)；收斂階段被操縱變量確定步驟，連續(xù)地輸出操縱變量，使該被控變量在收斂階段集中在設(shè)定點(diǎn)附近；第三階段切換步驟，在作為穩(wěn)定階段起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)變換為穩(wěn)定階段，在該時(shí)間點(diǎn)達(dá)到收斂階段中的預(yù)置狀態(tài)；和穩(wěn)定階段被操縱變量確定步驟，連續(xù)輸出操縱變量，使該被控變量能夠在穩(wěn)定階段的設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法布置的一個(gè)示例中，第一階段切換步驟包括設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的步驟，時(shí)間點(diǎn)是根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和已經(jīng)應(yīng)用干擾的被控變量之間的偏差確定的。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法布置的一個(gè)示例中，第一階段切換步驟包括設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的步驟，在該時(shí)間點(diǎn)階段切換信號(hào)是從通知應(yīng)用了干擾的外部單元輸入的。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法布置的一個(gè)示例中，第二階段切換步驟包括根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和被控變量之間的偏差和被控變量的變化率計(jì)算獲得達(dá)到的剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值，該預(yù)測(cè)值是一個(gè)當(dāng)前被控變量在跟蹤階段達(dá)到設(shè)定點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間；和設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的步驟，在該時(shí)間點(diǎn)所計(jì)算的獲得達(dá)到的剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值小于預(yù)置時(shí)間指數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法布置的一個(gè)示例中，第三階段切換步驟包括設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)的步驟，在該時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置時(shí)間指數(shù)(prest time index)。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法布置的一個(gè)示例中，跟蹤階段被操縱變量確定步驟包括連續(xù)輸出一個(gè)預(yù)置被操縱變量的步驟。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法布置的一個(gè)示例中，收斂階段被操縱變量確定步驟包括連續(xù)輸出一個(gè)預(yù)置操縱變量的步驟。
此外，根據(jù)本發(fā)明提供一種反饋控制設(shè)備，用于將干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為包含跟蹤(follow-up)階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的三個(gè)階段，并通過將被操縱變量提供給受控系統(tǒng)執(zhí)行干擾恢復(fù)控制以能使該被控變量在應(yīng)用干擾時(shí)恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)，包括第一階段切換單元，在作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)變換為跟蹤階段；第二階段切換單元，在作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾恢復(fù)控制經(jīng)過的時(shí)間點(diǎn)變換為收斂階段，在該時(shí)間點(diǎn)被控變量沒有超過跟蹤階段中的設(shè)定點(diǎn)；第三階段切換單元，在作為穩(wěn)定階段起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)變換為穩(wěn)定階段，在該時(shí)間點(diǎn)達(dá)到收斂階段中的預(yù)置狀態(tài)；第一被操縱變量確定單元，其連續(xù)輸出操縱變量，使該被控變量在跟蹤階段跟蹤到設(shè)定點(diǎn)；第二被操縱變量確定單元，其連續(xù)地輸出操縱變量，使該被控變量在收斂階段集中在設(shè)定點(diǎn)附近；和第三被操縱變量確定單元，其連續(xù)輸出操縱變量，使該被控變量在穩(wěn)定階段的設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制設(shè)備布置的一個(gè)示例中，第一階段切換單元設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間點(diǎn)是根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和已經(jīng)應(yīng)用干擾的被控變量之間的偏差確定。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制設(shè)備布置的一個(gè)示例中，第一階段切換單元設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的步驟，在該時(shí)間點(diǎn)階段切換信號(hào)是從一個(gè)通知使用了干擾的外部單元輸入的。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制設(shè)備布置的一個(gè)示例中，第二階段切換單元根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和被控變量之間的偏差和被控變量的變化率計(jì)算獲得達(dá)到的剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值，該預(yù)測(cè)值是一個(gè)當(dāng)前被控變量在跟蹤階段達(dá)到設(shè)定點(diǎn)所需要的時(shí)間；和設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)，在該時(shí)間點(diǎn)所計(jì)算的獲得達(dá)到的剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值小于預(yù)置時(shí)間指數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制設(shè)備布置的一個(gè)示例中，第三階段切換單元設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)，在該時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制設(shè)備布置的一個(gè)示例中，被操縱變量確定單元連續(xù)輸出一個(gè)預(yù)置被操縱變量。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋控制設(shè)備布置的一個(gè)示例中，第二被操縱變量確定單元連續(xù)輸出一個(gè)預(yù)置被操縱變量。


圖1A和1B是用于解釋本發(fā)明中跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的波形圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反饋控制設(shè)備布置的方框圖；圖3是表示圖2中反饋控制設(shè)備操作的流程圖；圖4是用于解釋從穩(wěn)定階段切換到跟蹤階段和從跟蹤階段切換到收斂階段的波形圖；圖5是用于解釋從穩(wěn)定階段切換到跟蹤階段和從跟蹤階段切換到收斂階段的波形圖；圖6是用于解釋從收斂階段切換到穩(wěn)定階段的波形圖；圖7是用于解釋跟蹤階段中被操縱變量確定步驟的視圖；圖8是用于解釋跟蹤階段中被操縱變量確定步驟的視圖；圖9A和9B是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反饋控制設(shè)備操作的波形圖；圖10是用于解釋一種調(diào)節(jié)本發(fā)明第一實(shí)施例中偏差指數(shù)的方法的波形圖；圖11是用于解釋一種調(diào)節(jié)從本發(fā)明第一實(shí)施例中的第二被操縱變量確定單元的被操縱變量輸出值的方法的波形圖；圖12A和12B是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的反饋控制設(shè)備操作的時(shí)間圖；圖13A和13B是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的反饋控制設(shè)備操作的時(shí)間圖；圖14是表示較強(qiáng)非線性系統(tǒng)的過程增益特性的示例曲線圖；圖15是表示使用PID控制的較強(qiáng)非線性系統(tǒng)的干擾恢復(fù)響應(yīng)的示例圖；圖16A和16B是用于解釋如簡單適應(yīng)性控制(SAC)的高級(jí)適應(yīng)性控制原理中的問題的波形圖。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖將詳細(xì)地描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，伴有干擾應(yīng)用的干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為三個(gè)階段(跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段)。適當(dāng)而簡單的被操縱變量輸出順序分配給每個(gè)階段，一系列階段進(jìn)行組合以能強(qiáng)制地和直接地成形干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形。
圖1A和1B是用于解釋本實(shí)施例中跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的波形圖。圖1A是被控變量PV(響應(yīng)圖形)中變化圖。圖1B是顯示被操縱變量MV中變化的圖。圖1B中符號(hào)“○”表示每個(gè)控制周期dt中操縱變量MV的輸出。
首先，在響應(yīng)過程中，從檢測(cè)干擾應(yīng)用的時(shí)間點(diǎn)t1到被控變量PV不超過設(shè)定點(diǎn)SP的特定干擾恢復(fù)控制占用時(shí)間點(diǎn)t2的時(shí)間間隔定義為跟蹤階段。在跟蹤階段中，干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形沒有被干擾，使被控變量PV跟蹤設(shè)定點(diǎn)SP的被操縱變量MV被連續(xù)輸出。
從特定干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn)t2至達(dá)到預(yù)指定狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)t3的時(shí)間間隔限定為收斂階段。在收斂階段中，干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形沒有被干擾，使被控變量PV集中在設(shè)定點(diǎn)SP附近的被操縱變量MV被連續(xù)輸出。在達(dá)到預(yù)指定狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)t3后的時(shí)間被限定為穩(wěn)定階段。在穩(wěn)定階段中，使被控變量PV穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)SP的被操縱變量MV被連續(xù)輸出。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反饋控制設(shè)備布置的方框圖。根據(jù)本實(shí)施的反饋控制設(shè)備包括設(shè)定值輸入單元1，輸入由控制設(shè)備操作員設(shè)定的設(shè)定點(diǎn)SP；被控變量輸入單元2，輸入由傳感器(未示出)檢測(cè)的被控變量PV；第一階段切換單元3，在作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)t1的干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)變換為跟蹤階段；第二階段切換單元4，在作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)t2的特定干擾恢復(fù)控制占用時(shí)間點(diǎn)變換為收斂階段，在該時(shí)間點(diǎn)被控變量PV不超過跟蹤階段的設(shè)定點(diǎn)SP；第三階段切換單元5，在作為穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)t3的時(shí)間點(diǎn)變換為穩(wěn)定階段，在該時(shí)間點(diǎn)在收斂階段中達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)；第一被操縱變量確定單元6，連續(xù)輸出操縱變量MV，使該被控變量PV在跟蹤階段跟蹤到設(shè)定點(diǎn)SP；第二被操縱變量確定單元7，連續(xù)地輸出被操縱變量MV，使該被控變量PV在收斂階段集中在設(shè)定點(diǎn)附近；第三被操縱變量確定單元8，連續(xù)輸出被操縱變量MV，使該被控變量PV能夠在穩(wěn)定階段的設(shè)定點(diǎn)SP穩(wěn)定；和被操縱變量輸出單元9，將根據(jù)每個(gè)階段確定的被操縱變量MV輸出給受控系統(tǒng)(未示出)。
圖3是表示圖2中反饋控制設(shè)備操作的流程圖。設(shè)定點(diǎn)SP由控制設(shè)備的操作員進(jìn)行設(shè)定，并通過設(shè)定值輸入單元1輸入到第一階段切換單元3、第二階段切換單元4、第三階段切換單元5、第一被操縱變量確定單元6、第二被操縱變量確定單元7和第三被操縱變量確定單元8。
被控系統(tǒng)的被控變量PV使用傳感器(未示出)進(jìn)行檢測(cè)，并通過被控變量輸入單元2輸入到第一階段切換單元3、第二階段切換單元4、第三階段切換單元5、第一被操縱變量確定單元6、第二被操縱變量確定單元7和第三被操縱變量確定單元8。
在初始狀態(tài)中，選擇穩(wěn)定階段。即，在開始控制時(shí)，第一階段切換單元3確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是否是跟蹤階段(圖3中步驟101)的起始時(shí)間點(diǎn)t1。如果它確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)不是起始時(shí)間點(diǎn)t1，該流程就繼續(xù)進(jìn)行到步驟107以能保持穩(wěn)定階段而不執(zhí)行階段切換。在穩(wěn)定階段中，第三被操縱變量確定單元8輸出預(yù)先規(guī)定的被操縱變量MV，被操縱變量輸出單元9將從第三被操縱變量確定單元8輸出的該被操縱變量輸出給受控系統(tǒng)(步驟107)。
如果它在步驟101中確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)t1，那么第一階段切換單元3就從穩(wěn)定階段切換為跟蹤階段，并通知第二階段切換單元4、第三階段切換單元5和第一被操縱變量確定單元6變換為跟蹤階段。在跟蹤階段中，第一被操縱變量確定單元6輸出預(yù)先規(guī)定的被操縱變量MV，被操縱變量輸出單元9將從第一被操縱變量確定單元6輸出的該被操縱變量輸出給受控系統(tǒng)(步驟102)。
在穩(wěn)定階段切換為跟蹤階段時(shí)，第二階段切換單元4確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是否是收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)t2(步驟103)。如果它確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)不是起始時(shí)間點(diǎn)t2，該流程就返回到步驟102以能保持跟蹤階段而不執(zhí)行階段切換。
如果它在步驟103中確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)t2，那么第二階段切換單元4就從跟蹤階段切換為收斂階段，并通知第一階段切換單元3、第三階段切換單元5和第二被操縱變量確定單元7變換到收斂階段。在收斂階段中，第二被操縱變量確定單元7輸出預(yù)先規(guī)定的被操縱變量MV，被操縱變量輸出單元9將從第二被操縱變量確定單元7輸出的該被操縱變量輸出給受控系統(tǒng)(步驟104)。
在跟蹤階段切換為收斂階段時(shí)，第一階段切換單元3確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是否是跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)t1(步驟105)。如果它確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)t1，該流程就繼續(xù)進(jìn)行到步驟102以能從收斂階段切換為跟蹤階段，并通知第二階段切換單元4、第三階段切換單元5和第一被操縱變量確定單元6變換為跟蹤階段。如果第一階段切換單元3確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是起始時(shí)間點(diǎn)t3，那么該流程就繼續(xù)進(jìn)行到步驟106以能保持收斂階段而不執(zhí)行階段切換。
第三階段切換單元5確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是否是穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)t3(步驟106)。如果它確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)不是起始時(shí)間點(diǎn)t3，該流程就返回到步驟104以保持收斂階段而不執(zhí)行階段切換。
如果在步驟106中確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)t3，第三階段切換單元5就從收斂階段切換為穩(wěn)定階段，并通知第一階段切換單元3、第二階段切換單元4和第三被操縱變量確定單元8切換為穩(wěn)定階段。步驟107中處理過程與上述的相同。在步驟101至107中的上述處理對(duì)每個(gè)控制周期dt重復(fù)直到該控制設(shè)備通過一個(gè)操作員等的指令而停止(步驟108中的是)。
下面將更詳細(xì)地描述階段切換。圖4和5是用于解釋從穩(wěn)定階段切換到跟蹤階段和從跟蹤階段切換到收斂階段的波形圖。有兩種確定是否從穩(wěn)定階段切換為跟蹤階段的方法。根據(jù)一種確定方法，第一階段切換單元3確定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為跟蹤階段起始時(shí)間點(diǎn)(干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn))t1，在該時(shí)間點(diǎn)設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er在被控變量PV穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)SP附近的情況下(在穩(wěn)定階段的狀態(tài)中)超過一個(gè)預(yù)置偏差指數(shù)Es，并且從穩(wěn)定階段切換為跟蹤階段(圖4)。
根據(jù)另一種確定方法，第一階段切換單元3確定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為跟蹤階段起始時(shí)間點(diǎn)t1，在該時(shí)間點(diǎn)階段切換信號(hào)是從一個(gè)通知應(yīng)用干擾的外部設(shè)備輸入，并且從穩(wěn)定階段切換為跟蹤階段。
也有兩種確定是否從跟蹤階段切換為收斂階段的方法。根據(jù)一種確定方法，第二階段切換單元4確定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為收斂階段起始時(shí)間點(diǎn)t2(特定干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn))，在該時(shí)間點(diǎn)設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er小于一個(gè)預(yù)置偏差指數(shù)Ex，并且從跟蹤階段切換為收斂階段(圖4)。
根據(jù)另一種確定方法，第二階段切換單元4根據(jù)基于設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er和被控變量PV的變化率ΔPV的Tr＝Er/ΔPV計(jì)算直到在被控變量PV在當(dāng)前控制周期中達(dá)到設(shè)定點(diǎn)SP時(shí)的剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值Tr。然后，第二階段切換單元4確定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為收斂階段起始時(shí)間點(diǎn)(特定干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn))t2，在該時(shí)間點(diǎn)所計(jì)算獲得達(dá)到的剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值Tr小于預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tx，而且第二階段切換單元4從跟蹤階段切換為收斂階段(圖5)。
圖6是用于解釋從收斂階段切換到穩(wěn)定階段的波形圖。第三階段切換單元5確定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)(在該時(shí)間點(diǎn)達(dá)到預(yù)指定狀態(tài))t3，在該時(shí)間點(diǎn)該預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tc從收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)t2起開始流逝，并且從收斂階段切換為穩(wěn)定階段。
下面將描述每個(gè)階段中的被操縱變量確定步驟。在跟蹤階段中有三種被操縱變量確定步驟。根據(jù)第一順序，第一被操縱變量確定單元6連續(xù)輸出預(yù)設(shè)操縱變量MV1。
根據(jù)第二順序，第一被操縱變量確定單元6對(duì)預(yù)設(shè)操縱變量MV1執(zhí)行延時(shí)濾波處理，并連續(xù)輸出合成值MVf。即，在第二順序中，被操縱變量MV1通過如圖7中所示相似的延時(shí)濾波器進(jìn)行處理，該結(jié)果的操縱變量MVf提供給受控系統(tǒng)。
根據(jù)第三順序，第一被操縱變量確定單元6連續(xù)輸出通過PID控制算法(包括P、PD和PI控制)計(jì)算的被操縱變量MVc，該P(yáng)ID控制算法對(duì)快速控制響應(yīng)非常重要。即，在第三順序中，被操縱變量MVc是通過與圖8中所示相似的PID控制系統(tǒng)從偏差Er中計(jì)算，并提供給受控系統(tǒng)。
在收斂階段中，第二被操縱變量確定單元7連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV2。在穩(wěn)定階段中，第三被操縱變量確定單元8連續(xù)輸出通過PID控制算法(包括P、PD和PI控制)計(jì)算的被操縱變量MVd，該P(yáng)ID控制算法對(duì)控制的穩(wěn)定性非常重要。即，第三被操縱變量確定單元8使用與圖8中所示相似的PID控制系統(tǒng)從偏差Er中計(jì)算被操縱變量MVd，并提供給受控系統(tǒng)。
在本實(shí)施例中，如上所述，非常重要的一個(gè)方面就是干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為三個(gè)階段(跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段)。例如，在對(duì)較強(qiáng)非線性的受控系統(tǒng)執(zhí)行干擾恢復(fù)控制以能使被控變量PV在干擾應(yīng)用時(shí)恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)SP，在對(duì)應(yīng)于跟蹤階段的一個(gè)階段中受控系統(tǒng)的平均過程增益特性與對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定階段的一個(gè)階段中的受控系統(tǒng)的平均過程增益特性具有很大的不同。
在此情況下，如果跟蹤階段和穩(wěn)定階段使用一種根據(jù)相同特性的控制技術(shù)進(jìn)行控制，那么適合于跟蹤階段的控制特性就不適合于穩(wěn)定階段，反之亦然。例如，在溫控的快速干擾恢復(fù)中，由于特性突然地在跟蹤階段和穩(wěn)定階段之間切換，因此控制響應(yīng)波形就會(huì)在變換時(shí)間點(diǎn)前和后受到干擾。即，不僅控制特性不是在跟蹤階段就是在穩(wěn)定階段變壞，而且控制響應(yīng)波形的明顯干擾會(huì)出現(xiàn)在這兩個(gè)階段之間的中間階段。
本實(shí)施例的構(gòu)造要能夠使用對(duì)跟蹤階段和穩(wěn)定階段提供不同控制特性的技術(shù)執(zhí)行控制。此外，提供收斂階段通過給出不同控制特性來執(zhí)行控制以能防止控制響應(yīng)波形在跟蹤階段和穩(wěn)定階段之間的變換時(shí)間點(diǎn)前后受到干擾。
在跟蹤階段中，首先，輸出旨在僅使被控變量PV跟蹤設(shè)定點(diǎn)SP的被操縱變量MV。在收斂階段中，輸出旨在僅使被控變量PV集中在設(shè)定點(diǎn)SP附近的被操縱變量MV以能從跟蹤階段轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定階段。最后，在穩(wěn)定階段中，輸出只用于在設(shè)定點(diǎn)SP上穩(wěn)定被控變量PV的被操縱變量MV。
在本實(shí)施例中，由于跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的控制特性能夠進(jìn)行獨(dú)立地調(diào)節(jié)，參數(shù)能夠根據(jù)實(shí)際目標(biāo)方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在干擾恢復(fù)控制中，特別是，干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形通過調(diào)節(jié)跟蹤階段和收斂階段之間的變換時(shí)間點(diǎn)和調(diào)節(jié)收斂階段中的被操縱變量MV被強(qiáng)制和直接成形。這就能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的干擾恢復(fù)控制。
下面通過舉出如圖2所示的反饋控制設(shè)備用于快速干擾恢復(fù)控制情況下的例子描述本實(shí)施例的更具體的操作。圖9A和9B顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的反饋控制設(shè)備的操作的波形圖。圖9A是表示被控變量PV變化的波形圖，圖9B表示被操縱變量MV變化的波形圖。如上所述，在圖13的步驟101至108中處理過程在各控制周期dt中執(zhí)行。圖9B中的符號(hào)“○”指示在各控制周期dt中輸出的被操縱變量MV。
在本實(shí)施例中，從穩(wěn)定階段到跟蹤階段的變換時(shí)間點(diǎn)(干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn))t1是設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er超過在被控變量PV穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)SP附近的情況下(穩(wěn)定階段的狀態(tài)下)的預(yù)設(shè)偏差指數(shù)Es時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。從跟蹤階段到收斂階段的變換時(shí)間點(diǎn)(特定干擾恢復(fù)控制消逝時(shí)間點(diǎn))是設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er小于預(yù)設(shè)偏差指數(shù)Ex的時(shí)間點(diǎn)。從收斂階段到穩(wěn)定階段的變換時(shí)間點(diǎn)(達(dá)到預(yù)指定狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn))是已經(jīng)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tc的時(shí)間點(diǎn)。
在本實(shí)施例中，在跟蹤階段中確定操縱變量MV的步驟是連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV1的步驟。在收斂階段中確定被操縱變量MV的步驟是連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV2的步驟。在穩(wěn)定階段中確定操縱變量MV的步驟是連續(xù)輸出被操縱變量MVd的步驟，該被操縱變量MVd是通過對(duì)控制穩(wěn)定性非常重要的PID控制算法計(jì)算得出的。
在本實(shí)施例中，指示階段的參數(shù)用F表示；F＝1，F(xiàn)＝2和F＝3分別表示跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段。假定當(dāng)前控制周期n中的設(shè)定點(diǎn)用Sp(n)表示；控制周期n中的被控變量用PV(n)表示；控制周期n中的被控變量用MV(n)表示；和控制周期n中的控制偏差用Er(n)表示。
假定在圖3的步驟101或105中，當(dāng)前控制周期n中的偏差Er(n)大于預(yù)設(shè)偏差指數(shù)Es，在前一控制周期中的偏差Er(n-1)小于偏差指數(shù)Es。在此情況下，第一階段切換單元3將表示階段的參數(shù)F設(shè)定為F＝1(跟蹤階段)，將F＝1輸出給第二階段切換單元4、第三階段切換單元5和第一被操縱變量確定單元6。即，第一階段切換單元3執(zhí)行下面的處理。
如果Er(n)＞Es和Er(n-1)＜Es那么F←1 ...(1)注意在從第二階段切換單元4或第三階段切換單元5中接收F＝2或F＝3的通知時(shí)，第一階段切換單元3就將輸出給第一被操縱變量確定單元6的參數(shù)F的值改變?yōu)橥ㄖ?，即，F(xiàn)＝2或F＝3。
跟蹤階段中的操縱變量MV1在第一被操縱變量確定單元6中預(yù)先設(shè)定。在由第一階段切換單元3輸出的參數(shù)F的值為F＝1(圖3；圖9B中的步驟102)時(shí)，第一被操縱變量確定單元6輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV1作為被操縱變量MV(n)。即，第一被操縱變量確定單元6執(zhí)行下面的處理。
如果F＝1，那么MV(n)←MV1...(2)如果被操縱變量MV1設(shè)定為使被控變量PV恢復(fù)到具有所需跟蹤特性的設(shè)定點(diǎn)SP，這就足夠了。在本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，MV1＝100％是合適的。
然后第二階段切換單元4計(jì)算當(dāng)前控制周期n中設(shè)定點(diǎn)SP(n)和被控變量PV(n)之間的偏差Er(n)。
Er(n)＝SP(n)-PV(n)...(3)此外，在第二階段切換單元4中預(yù)先設(shè)定確定階段切換的偏差指數(shù)Ex。假定在圖3的步驟103中，參數(shù)F的值設(shè)定為F＝1，設(shè)定點(diǎn)SP(n)沒有從設(shè)定點(diǎn)SP(n-1)發(fā)生變化，而且偏差Er(n)小于偏差指數(shù)Ex。在此情況下，第二階段切換單元4確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)t2，將參數(shù)F的值設(shè)定為F＝2(收斂階段)，并將F＝2輸出給第一階段切換單元3、第三階段切換單元5和第二被操縱變量確定單元7。即，第二階段切換單元4執(zhí)行下面的處理。
如果F＝1以及SP(n)＝SP(n-1)和Er(n)＜Ex，那么F←2 ...(4)偏差指數(shù)Ex可通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以能在一個(gè)合適的時(shí)間從跟蹤階段切換為收斂階段，即，使被控變量PV恢復(fù)到具有所需跟蹤特性(響應(yīng)波形)的設(shè)定點(diǎn)SP。當(dāng)將本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，一個(gè)過調(diào)量趨勢(shì)或溫升不足趨勢(shì)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)階段中，如圖10所示。偏差指數(shù)Ex可考慮第一階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣在產(chǎn)生過調(diào)量時(shí)，偏差指數(shù)Ex設(shè)定為一個(gè)較大值，而在產(chǎn)生溫升不足時(shí)，偏差指數(shù)Ex設(shè)定為一個(gè)較小值。由于偏差指數(shù)Ex是一個(gè)具有強(qiáng)制和直接成形干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形效果的數(shù)值，因此偏差指數(shù)Ex的合適的值能夠通過反復(fù)試驗(yàn)很容易地獲得。
在接收到第一階段切換單元3或第三階段切換單元5中F＝1或F＝3的通知時(shí)，第二階段切換單元4就將輸出給第二被操縱變量確定單元7的參數(shù)F的值改變?yōu)樗ㄖ闹?，即，F(xiàn)＝1或F＝3。
收斂階段中的操縱變量MV2在第二被操縱變量確定單元7中預(yù)先設(shè)定。如果從第二階段切換單元4中輸出的參數(shù)F的值為F＝2，那么第二被操縱變量確定單元7就輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV2作為操縱變量MV(n)(圖3；圖9B中的步驟104)。即，第二階段切換單元7執(zhí)行下面的處理。
如果F＝2，那么MV(n)←MV2...(5)被操縱變量MV2可通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以能被控變量PV集中在在具有所需特性的設(shè)定點(diǎn)SP的附近。在本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，過調(diào)量趨勢(shì)或溫升不足趨勢(shì)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)階段中，如圖11所示。被操縱變量MV2可考慮第二階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣在產(chǎn)生過調(diào)量時(shí)，被操縱變量MV2設(shè)定為一個(gè)較小值，而在產(chǎn)生溫升不足時(shí)，被操縱變量MV2設(shè)定為一個(gè)較大值。由于被操縱變量MV2是一個(gè)具有強(qiáng)制和直接成形干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形效果的數(shù)值，因此被操縱變量MV2的合適的值能夠通過反復(fù)試驗(yàn)很容易地獲得。
在第三階段切換單元5中預(yù)先設(shè)定確定階段切換的時(shí)間指數(shù)Tc。假定在圖3的步驟106中，參數(shù)F的值為F＝2，從設(shè)定在F＝2中的時(shí)間點(diǎn)t2開始經(jīng)過的時(shí)間tn大于時(shí)間指數(shù)Tc。在此情況下，第三階段切換單元5確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是穩(wěn)定階段的時(shí)間點(diǎn)，將參數(shù)F的值設(shè)定為F＝3(穩(wěn)定階段)，并將F＝3輸出給第一階段切換單元3、第二階段切換單元4和第三被操縱變量確定單元8。即，第三階段切換單元5執(zhí)行下面的處理。
如果F＝2和tn＞Tc，那么F←3 ...(6)時(shí)間指數(shù)Tc可通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以能被控變量PV集中在在具有所需特性的設(shè)定點(diǎn)SP的附近。在本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，對(duì)受控系統(tǒng)將該指數(shù)設(shè)定為過程浪費(fèi)時(shí)間(process wasteful time)Lp大約1至2倍的時(shí)間是合適的。注意，在接收到第一階段切換單元3或第二階段切換單元4中F＝1或F＝2的通知時(shí)，第三階段切換單元5就將輸出給第三被操縱變量確定單元8的參數(shù)F的值改變?yōu)樗ㄖ闹担?，F(xiàn)＝1或F＝2。
如果從第三階段切換單元5中輸出的參數(shù)F的值為F＝3，那么第三被操縱變量確定單元8就輸出被操縱變量MVd(n)作為被操縱變量MV(n)，該被操縱變量MVd(n)使用一個(gè)對(duì)控制的穩(wěn)定性非常重要的PID控制算法進(jìn)行計(jì)算(圖3；圖9B中步驟107)。即，第三階段切換單元8執(zhí)行下面的處理。
如果F＝3，那么MV(n)←MVd(n)...(7)在此情況下，對(duì)控制的穩(wěn)定性非常重要的PID控制算法通過一個(gè)使用Laplace運(yùn)算的變換函數(shù)表達(dá)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表示積分時(shí)間和Td3表示微分時(shí)間。注意對(duì)穩(wěn)定性非常重要的參數(shù)Kg3、Ti3和Td3的設(shè)定方式是公知的，因此將省略對(duì)其所作的描述。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為三個(gè)階段，即跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段，各階段的變換要使干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)被看成是跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)，在跟蹤階段中被控變量不超過設(shè)定點(diǎn)的一個(gè)特定干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn)被看成是收斂階段的時(shí)間點(diǎn)，在收斂階段中達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)被看成是穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)。在跟蹤階段中，輸出使被控變量在設(shè)定點(diǎn)附近收斂的被操縱變量。在穩(wěn)定階段中，輸出使被控變量在設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定的被操縱變量。由于跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的控制特性能夠進(jìn)行獨(dú)立地調(diào)節(jié)，因此根據(jù)實(shí)際目標(biāo)能夠很容易地調(diào)節(jié)這些參數(shù)。干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形特別是通過調(diào)節(jié)從跟蹤階段到收斂階段的變換時(shí)間點(diǎn)和調(diào)節(jié)收斂階段中的被操縱變量而強(qiáng)制和直接地成形。因此，即使受控系統(tǒng)是具有較強(qiáng)非線性的系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)適當(dāng)?shù)母蓴_恢復(fù)控制。此外，在本實(shí)施例中，即使根據(jù)高級(jí)適應(yīng)性控制原理如簡單的適應(yīng)性控制(SAC)控制計(jì)算的次數(shù)不足時(shí)，例如甚至在快速干擾恢復(fù)控制中，也能夠?qū)崿F(xiàn)合適的控制。
下面將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。該實(shí)施例表示本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制的另一個(gè)示例。在本實(shí)施例中，反饋控制設(shè)備的布置和處理流程與圖2和3中的相同，因此將使用圖2和3中的參考標(biāo)號(hào)進(jìn)行描述。圖12A和12B是表示根據(jù)本實(shí)施例的反饋控制設(shè)備操作的波形圖。圖12A表示被控變量PV中變化的曲線圖。圖12B表示被操縱變量MV中變化的曲線圖。圖12B中符號(hào)“○”表示在每個(gè)控制周期dt中輸出的操縱變量MV。
假定從穩(wěn)定階段到跟蹤階段的變換時(shí)間點(diǎn)(干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn))t1是設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er大于被控變量PV在設(shè)定點(diǎn)SP附近穩(wěn)定狀態(tài)下(穩(wěn)定階段的狀態(tài))的預(yù)設(shè)偏差指數(shù)Es的時(shí)間點(diǎn)。
還假定從跟蹤階段到收斂階段的變換時(shí)間點(diǎn)(特定干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn))t2是一個(gè)基于設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er和被控變量PV的變化率ΔPV計(jì)算出的獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值Tr＝Er/ΔPV小于預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tx的時(shí)間點(diǎn)。進(jìn)一步假定從收斂階段到穩(wěn)定階段的變換時(shí)間點(diǎn)(達(dá)到預(yù)指定狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn))是一個(gè)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tc的時(shí)間點(diǎn)。
在本實(shí)施例中，在跟蹤階段中確定被操縱變量MV的步驟是一個(gè)通過延時(shí)濾波器處理預(yù)設(shè)被操縱變量MV1和連續(xù)輸出一個(gè)所得到的MVf的步驟。在收斂階段中確定操縱變量MV的步驟是一個(gè)連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV2的步驟。在穩(wěn)定階段中確定被操縱變量MV的步驟是一個(gè)連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MVd的步驟，該被操縱變量MVd是通過對(duì)控制的穩(wěn)定性非常重要的PID控制算法進(jìn)行計(jì)算的。
第一步階段切換單元3的操作與第一實(shí)施例中的操作相同。在跟蹤階段中的被操縱變量MV1和初步延遲濾波時(shí)間常數(shù)Tf預(yù)先設(shè)定在第一被操縱變量確定單元6中。如果從第一階段切換單元3中輸出的參數(shù)F的值為F＝1，那么第一被操縱變量確定單元6就通過初步延遲濾波器處理預(yù)設(shè)值MV1，并輸出作為操縱變量MV(n)的所獲得的值MVf(n)(圖3，圖12B中的步驟102)。即，第一被操縱變量確定單元6執(zhí)行下面的處理。
如果F＝1，那么MV(n)←MVf(n)...(9)在此情況下，初步延遲濾波處理的算術(shù)表達(dá)式通過使用Laplace運(yùn)算的變換函數(shù)表示如下MVf(n)＝{1/(1+Tfs)}MV1 ...(10)第一被操縱變量確定單元6在根據(jù)表達(dá)式(9)的初步延遲濾波處理后計(jì)算值MVf。
操縱變量MV1被設(shè)定以具有所需跟蹤特性使被控變量PV跟蹤設(shè)定點(diǎn)SP。在本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，MV1＝100％是合適的。初步延遲濾波時(shí)間常數(shù)Tf可任意設(shè)定以便在應(yīng)用干擾后被控變量PV恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)SP的干擾恢復(fù)速度被設(shè)定到所需的速度。在本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，通過增加初步延遲濾波時(shí)間常數(shù)Tf進(jìn)行一種調(diào)節(jié)以降低溫升速率。
然后第二階段切換單元4根據(jù)方程式(3)計(jì)算當(dāng)前控制周期n中設(shè)定點(diǎn)SP(n)和被控變量PV(n)之間的偏差Er(n)。在當(dāng)前控制周期中被控變量PV達(dá)到設(shè)定點(diǎn)SP前第二階段切換單元4還計(jì)算剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)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變量。
在第二階段切換單元4中預(yù)先設(shè)定確定階段切換的時(shí)間常數(shù)Tx。假定在圖3的步驟103中，參數(shù)F的值為F＝1，設(shè)定點(diǎn)SP(n)還沒有從設(shè)定點(diǎn)SP(n-1)發(fā)生變化，獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值Tr(n)小于時(shí)間指數(shù)Tx。在此情況下，第二階段切換單元4將參數(shù)F的值設(shè)定為F＝2(收斂階段)，將F＝2輸出給第一階段切換單元3、第三階段切換單元5和第二被操縱變量確定單元7。即，第二階段切換單元4執(zhí)行下面的處理。
如果F＝1和SP(n)＝SP(n-1)和Tr(n)＜Tx，那么F←2 ...(12)時(shí)間指數(shù)Tx可通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以能在一個(gè)合適的時(shí)間從跟蹤階段切換為收斂階段，即，使被控變量PV恢復(fù)到具有所需跟蹤特性的設(shè)定點(diǎn)SP。在本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制時(shí)，過調(diào)量趨勢(shì)或溫升不足趨勢(shì)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)階段中，如圖10所示。時(shí)間指數(shù)Tx可考慮到第一階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣在產(chǎn)生過調(diào)量時(shí)，時(shí)間指數(shù)Tx校正為一個(gè)較大值，而在產(chǎn)生溫升不足時(shí)，時(shí)間指數(shù)Tx校正為一個(gè)較小值。由于時(shí)間指數(shù)Tx是一個(gè)具有強(qiáng)制和直接成形干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)波形效果的數(shù)值，因此時(shí)間指數(shù)Tx的正確值能夠通過反復(fù)試驗(yàn)很容易地獲得。
第二被操縱變量確定單元7、第三階段切換單元5和第三被操縱變量確定單元8的操作與第一實(shí)施例中相同。
下面將描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。該實(shí)施例表示本發(fā)明用于快速干擾恢復(fù)控制的另一個(gè)示例。在本實(shí)施例中，反饋控制設(shè)備的布置和處理流程與圖2和3中的相同，因此將使用圖2和3中的參考標(biāo)號(hào)進(jìn)行描述。圖13A和13B是表示根據(jù)本實(shí)施例的反饋控制設(shè)備操作的波形圖。圖13A表示被控變量PV中變化的曲線圖。圖13B表示被操縱變量MV中變化的曲線圖。圖13B中符號(hào)“○”表示在每個(gè)控制周期dt中輸出的被操縱變量MV。
在本實(shí)施例中，假定從穩(wěn)定階段到跟蹤階段的變換時(shí)間點(diǎn)(干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn))t1是階段切換信號(hào)從通知應(yīng)用干擾的外部設(shè)備輸入的時(shí)間點(diǎn)。在過程控制領(lǐng)域中，干擾的應(yīng)用有時(shí)能夠在被控變量PV實(shí)際發(fā)生變化前進(jìn)行檢測(cè)。在因此，被控變量PV中變化產(chǎn)生前，階段切換信號(hào)還能夠用一種前饋方式輸入。
假定從跟蹤階段到收斂階段的變換時(shí)間點(diǎn)(特定干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn))t2是一個(gè)基于設(shè)定點(diǎn)SP和被控變量PV之間的偏差Er和被控變量PV的變化率ΔPV計(jì)算出的獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值Tr＝Er/ΔPV小于預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tx的時(shí)間點(diǎn)。進(jìn)一步假定從收斂階段到穩(wěn)定階段的變換時(shí)間點(diǎn)(達(dá)到預(yù)指定狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn))t3是已經(jīng)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)Tc的時(shí)間點(diǎn)。
在本實(shí)施例中，在跟蹤階段中確定操縱變量MV的步驟是連續(xù)輸出一個(gè)通過對(duì)快速控制響應(yīng)非常重要的PID控制(包括P、PD和PI控制)算法計(jì)算的被操縱變量MVc。還假定在收斂階段中確定操縱變量MV的步驟是一個(gè)連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MV2的步驟和在穩(wěn)定階段中確定被操縱變量MV的步驟是一個(gè)連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量MVd的步驟，該被操縱變量MVd是通過對(duì)控制的穩(wěn)定性非常重要的PID控制算法進(jìn)行計(jì)算的。
當(dāng)階段切換信號(hào)Sf在圖3的步驟101或105中從外部輸入時(shí)，第一階段切換單元3確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)t1，并將指示階段的參數(shù)F的值設(shè)定為F＝1(跟蹤階段)，并將F＝1輸出給第二階段切換單元4、第三階段切換單元5和第一被操縱變量確定單元6。即，第一階段切換單元3執(zhí)行下面的處理。
如果輸入Sf，那么F←1...(13)如果從第一階段切換單元3中輸?shù)膮?shù)F的值為F＝1，那么第一被操縱變量確定單元6就輸出一個(gè)通過對(duì)快速控制響應(yīng)非常重要的PID控制算法計(jì)算出的被操縱變量MVc(n)作為被操縱變量MV(n)(圖3，圖13B中的步驟102)。即，第一被操縱變量確定單元6執(zhí)行下面的處理。
如果F＝1，那么MV(n)←MVc(n)...(14)在此情況下，對(duì)快速控制響應(yīng)非常重要的PID控制算法通過一個(gè)使用Laplace運(yùn)算的變換函數(shù)表示如下MVc(n)＝Kg1{1+1/Ti1s)+Td1s}{SP(n)-PV(n)}...(15)在方程式(15)中，Kg1是表示比例增益，Ti1表示積分時(shí)間和Td1表示微分時(shí)間。注意對(duì)快速響應(yīng)非常重要的參數(shù)Kg1、Ti1和Td1的設(shè)置方式是公知的，因此將省略對(duì)其所作的描述。
第二階段切換單元4的操作與第二實(shí)施例中的相同。第二被操縱變量確定單元7、第三階段切換單元5和第三被操縱變量確定單元8的操作與第一實(shí)施例中相同。
顯然，本發(fā)明并不局限于上述的每個(gè)實(shí)施例，在本發(fā)明的技術(shù)分類中如果需要，每個(gè)實(shí)施例可進(jìn)行改變。例如，正如上面第一實(shí)施例所述，有兩種確定是否從穩(wěn)定階段切換為跟蹤階段的方法，有兩種確定是否從跟蹤階段切換為收斂階段的方法，有一種確定是否從收斂階段切換為穩(wěn)定階段的方法，有三個(gè)確定跟蹤階段的操縱變量的步驟，有一個(gè)確定收斂階段的操縱變量的步驟，以及有一個(gè)確定穩(wěn)定階段的操縱變量的步驟。因此，相應(yīng)確定方法和相應(yīng)被操縱變量確定步驟組合的最大值為2×2×1×3×1×1，即12，可使用組合中的任意一種。
根據(jù)跟蹤階段中操縱變量確定步驟的第三順序(第三實(shí)施例)，第一被操縱變量確定單元6連續(xù)輸出一個(gè)通過對(duì)快速控制響應(yīng)非常重要的PID控制算法計(jì)算的被操縱變量MVc。但是，本發(fā)明并不局限于此。例如，通過使用另一種控制算法如IMC(內(nèi)部模式控制)可執(zhí)行對(duì)快速響應(yīng)非常重要的控制。
同樣，在穩(wěn)定階段中，第三被操縱變量確定單元8連續(xù)輸出一個(gè)通過對(duì)控制穩(wěn)定性非常重要的PID控制算法計(jì)算的被操縱變量MVd。但是，本發(fā)明并不局限于此，通過使用另一種控制算法可執(zhí)行對(duì)穩(wěn)定性非常重要的控制。
工業(yè)應(yīng)用性正如上面所述，根據(jù)本發(fā)明的反饋控制方法和反饋控制設(shè)備適用于過程控制，更具體的說，適用于針對(duì)作為受控系統(tǒng)的具有較強(qiáng)非線性系統(tǒng)的過程控制。
權(quán)利要求
1.一種反饋控制方法，它能夠通過將被操縱變量提供給受控系統(tǒng)執(zhí)行干擾恢復(fù)控制以在應(yīng)用干擾時(shí)將被控變量恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)，其特征在于所述方法包括將干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為包含跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的三個(gè)階段的步驟；第一階段切換步驟，在所述第一階段切換步驟作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)變換為跟蹤階段；跟蹤階段被操縱變量確定步驟，在所述跟蹤階段被操縱變量確定步驟連續(xù)地輸出被操縱變量，使所述被控變量跟蹤跟蹤階段中的設(shè)定點(diǎn)；第二階段切換步驟，在作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾恢復(fù)控制經(jīng)過(elapsed)時(shí)間點(diǎn)變換為收斂階段，在該時(shí)間點(diǎn)被控變量不超過跟蹤階段中的設(shè)定點(diǎn)；收斂階段被操縱變量確定步驟，在所述收斂階段被操縱變量確定步驟連續(xù)地輸出被操縱變量，這使得被控變量在收斂階段靠近設(shè)定點(diǎn)收斂；第三階段切換步驟，在所述第三階段切換步驟在作為穩(wěn)定階段起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)變換為穩(wěn)定階段，在該時(shí)間點(diǎn)達(dá)到收斂階段中的預(yù)設(shè)狀態(tài)；和穩(wěn)定階段被操縱變量確定步驟，在所述穩(wěn)定階段被操縱變量確定步驟連續(xù)輸出被操縱變量，這使得被控變量能夠在穩(wěn)定階段中的設(shè)定點(diǎn)上穩(wěn)定。
2.如權(quán)利要求1所述的反饋控制方法，其特征在于，第一階段切換步驟包括設(shè)定作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)的步驟，在所述時(shí)間點(diǎn)上根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和已經(jīng)應(yīng)用干擾的被控變量之間的偏差確定的。
3.如權(quán)利要求1所述的反饋控制方法，其特征在于，第一階段切換步驟包括設(shè)定作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)的步驟，在所述時(shí)間點(diǎn)階段切換信號(hào)是從通知應(yīng)用了干擾的外部單元輸入的。
4.如權(quán)利要求1所述的反饋控制方法，其特征在于，第二階段切換步驟包括根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和被控變量之間的偏差和被控變量的變化率計(jì)算獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值的步驟，該預(yù)測(cè)值是當(dāng)前被控變量在跟蹤階段達(dá)到設(shè)定點(diǎn)所需的時(shí)間，以及設(shè)定作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)的步驟，在所述時(shí)間點(diǎn)所計(jì)算的獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值小于預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的反饋控制方法，其特征在于，第三變換階段步驟包括設(shè)定作為穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)的步驟，在所述時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的反饋控制方法，其特征在于，跟蹤階段被操縱變量確定步驟包括連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的反饋控制方法，其特征在于，收斂階段被操縱變量確定步驟包括連續(xù)輸出預(yù)設(shè)被操縱變量的步驟。
8.一種反饋控制設(shè)備，用于將干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為包含跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段的三個(gè)階段，并通過將被操縱變量提供給受控系統(tǒng)執(zhí)行干擾恢復(fù)控制以能使被控變量在應(yīng)用干擾時(shí)恢復(fù)到設(shè)定點(diǎn)，其特征在于包括第一階段切換單元，所述第一階段切換單元在作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)變換為跟蹤階段；第二階段切換單元，所述第二階段切換單元在作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的干擾恢復(fù)控制經(jīng)過時(shí)間點(diǎn)變換為收斂階段，在所述時(shí)間點(diǎn)被控變量沒有超過跟蹤階段中的設(shè)定點(diǎn)；第三階段切換單元，所述第三階段切換單元在作為穩(wěn)定階段起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)變換為穩(wěn)定階段，在所述時(shí)間點(diǎn)達(dá)到收斂階段中的預(yù)設(shè)狀態(tài)；第一被操縱變量確定單元，所述第一被操縱變量確定單元連續(xù)輸出被操縱變量，這使得被控變量在跟蹤階段跟蹤設(shè)定點(diǎn)；第二被操縱變量確定單元，所述第二被操縱變量確定單元連續(xù)地輸出被操縱變量，這使得被控變量靠近收斂階段中的設(shè)定點(diǎn)收斂；和第三被操縱變量確定單元，所述第三被操縱變量確定單元連續(xù)輸出被操縱變量，使該被控變量在穩(wěn)定階段的設(shè)定點(diǎn)上穩(wěn)定。
9.如權(quán)利要求8所述的反饋控制設(shè)備，其特征在于，所述的第一階段切換單元設(shè)定作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，在所述時(shí)間點(diǎn)上根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和已經(jīng)應(yīng)用干擾的被控變量之間的偏差確定的。
10.如權(quán)利要求8所述的反饋控制設(shè)備，其特征在于，所述的第一階段切換單元設(shè)定作為跟蹤階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，在所述時(shí)間點(diǎn)階段切換信號(hào)是從通知應(yīng)用了干擾的外部單元輸入的。
11.如權(quán)利要求8所述的反饋控制設(shè)備，其特征在于所述的第二階段切換單元根據(jù)設(shè)定點(diǎn)和被控變量之間的偏差和被控變量的變化率計(jì)算獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值，該預(yù)測(cè)值是當(dāng)前被控變量在跟蹤階段達(dá)到設(shè)定點(diǎn)所需的時(shí)間，以及設(shè)定作為收斂階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，在所述時(shí)間點(diǎn)所計(jì)算的獲得剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)值小于預(yù)置時(shí)間指數(shù)。
12.如權(quán)利要求8所述的反饋控制設(shè)備，其特征在于，所述的第三變換階段單元設(shè)定作為穩(wěn)定階段的起始時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，在所述時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間指數(shù)。
13.如權(quán)利要求8所述的反饋控制設(shè)備，其特征在于，所述的被操縱變量確定單元連續(xù)輸出預(yù)置被操縱變量。
14.如權(quán)利要求8所述的反饋控制設(shè)備，其特征在于，所述的第二被操縱變量確定單元連續(xù)輸出預(yù)置被操縱變量。
全文摘要
干擾恢復(fù)控制的響應(yīng)過程分為包含跟蹤階段、收斂階段和穩(wěn)定階段。一種反饋控制設(shè)備包括第一階段切換單元(3)，所述第一階段切換單元(3)變換為跟蹤階段；第二階段切換單元(4)，所述第二階段切換單元(4)變換為收斂階段；第三階段切換單元(5)，所述第三階段切換單元(5)變換為穩(wěn)定階段；第一被操縱變量確定單元(6)，所述第一被操縱變量確定單元(6)輸出被操縱變量，這使得被控變量在跟蹤階段跟蹤設(shè)定點(diǎn)；第二被操縱變量確定單元(7)，所述第二被操縱變量確定單元(7)輸出被操縱變量，這使得被控變量靠近收斂階段的設(shè)定點(diǎn)收斂；和第三被操縱變量確定單元(8)，所述第三被操縱變量確定單元(8)連續(xù)輸出被操縱變量，使得被控變量能夠在穩(wěn)定階段中的設(shè)定點(diǎn)上穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G05B7/00GK1646999SQ0380789
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月5日
發(fā)明者田中雅人 申請(qǐng)人:株式會(huì)社山武