專利名稱：自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制器領(lǐng)域，更具體地涉及級(jí)聯(lián)控制器。
級(jí)聯(lián)控制的目的是通過連續(xù)的受控介質(zhì)設(shè)定點(diǎn)調(diào)整來提供一過程的先進(jìn)控制。如已有技術(shù)

圖1中所示的，“古典”級(jí)聯(lián)控制通常定義為一種控制方法，其中一個(gè)控制模塊10的輸出饋送到另一控制模塊30的設(shè)定點(diǎn)輸入端，在其通路上要經(jīng)過某些定標(biāo)模塊20。這些功能典型地利用直接數(shù)字控制(DDC)控制器來實(shí)現(xiàn)。在DDC控制器中，控制模塊通常是PID算子或函數(shù)，定標(biāo)模塊典型地是比例算子。
定標(biāo)模塊的目的是將來自第一PID算子的輸出(典型地為0～100％的范圍)變換成對(duì)受控介質(zhì)(即空氣溫度、空氣壓力、水溫度，等等)適合的有用的設(shè)定點(diǎn)。通常采用直接線性關(guān)系，例如由標(biāo)準(zhǔn)比例算子所提供的。
古典級(jí)聯(lián)控制的問題在于系統(tǒng)安裝者或最終用戶很少知道為獲得一過程的最佳控制應(yīng)輸入的最小和最大設(shè)定點(diǎn)極限參數(shù)(到定標(biāo)模塊20的輸入21和22)的值。實(shí)際上安裝者或最終用戶總是選用導(dǎo)致系統(tǒng)劣質(zhì)操作的值。還有，當(dāng)系統(tǒng)(過程)改變時(shí)(由于不同的負(fù)載水平、季節(jié)性負(fù)載等)，極限參數(shù)的最佳值也可能改變。
因此，本發(fā)明的目的是提供級(jí)聯(lián)控制的安裝者或最終用戶這樣的系統(tǒng)，它需要輸入的參數(shù)更少，由此安裝時(shí)間減少，性能更優(yōu)。
發(fā)明概述本發(fā)明是用于自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制的裝置和方法。自適應(yīng)處理模塊在系統(tǒng)工作期間智能化地設(shè)定參數(shù)以便獲得可能的最好的控制性能，同時(shí)提供對(duì)用戶來說更易于使用的系統(tǒng)。
該方法包括以下步驟確定測(cè)得的變量與MINLIMIT是否具有第一預(yù)定關(guān)系，若有，則減小MINLIMIT的值；確定測(cè)得的變量是否不能達(dá)到MINLIMIT及控制器輸出滿，若是，增大MINLIMIT值；確定測(cè)得的變量是否不能達(dá)到MAXLIMIT及控制器輸出關(guān)，若是，減小MAXLIMIT值；及確定測(cè)得的變量與MAXLIMIT是否具有第二預(yù)定關(guān)系，若是，增大MAXLIMIT值。
實(shí)施這樣的控制導(dǎo)致其需要安裝者或操作者構(gòu)造的參數(shù)較少的控制系統(tǒng)。另外，不需要操作者介入的參數(shù)是那些很難設(shè)定為正確值的參數(shù)，并且那些正確值隨季節(jié)或其他負(fù)載差異(影響過程的動(dòng)態(tài)性能)變化。因此，此新算法節(jié)省安裝和起動(dòng)時(shí)間并且對(duì)用戶來說易于使用。
附圖的簡(jiǎn)要說明圖1是已有技術(shù)級(jí)聯(lián)控制的方框圖。
圖2是利用本發(fā)明的級(jí)聯(lián)控制的方框圖。
圖3是本發(fā)明方法的流程圖。
圖4是具有包括本發(fā)明的裝置和方法的HVAC系統(tǒng)的放框圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明現(xiàn)在參照?qǐng)D2，它示出了自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)包括第一控制模塊10’、定標(biāo)模塊20’、自適應(yīng)處理模塊40和第二控制模塊30’。第一控制模塊10’在端子11’和12’接收用戶輸入的設(shè)定點(diǎn)和實(shí)際檢測(cè)讀數(shù)作為輸入。第一控制模塊可以是PID控制器，它基于控制器的編程產(chǎn)生第一輸出信號(hào)。第一輸出信號(hào)從端子13’送到定標(biāo)模塊20’。注意，對(duì)于本發(fā)明，第一和第二控制模塊的編程細(xì)節(jié)是不重要的，只要控制模塊產(chǎn)生的信號(hào)表示的是到該模塊的輸入信號(hào)的差。
定標(biāo)模塊20’于是將第一輸出乘以定標(biāo)因子，該定標(biāo)因子是作為MAXLIMIT和MINLIMIT的函數(shù)確定的。這便產(chǎn)生第二輸出信號(hào)。在優(yōu)選實(shí)施例中，定標(biāo)因子是MAXLIMIT和MINLIMIT的線性函數(shù)。MAXLIMIT和MINLIMIT是自適應(yīng)處理模塊設(shè)定的。
自適應(yīng)控制模塊連接到定標(biāo)模塊并在端子24接收受控介質(zhì)檢測(cè)讀數(shù)。通過下面結(jié)合圖3說明的過程，自適應(yīng)控制模塊產(chǎn)生更新的MAXLLIMIT和MINLIMIT值，它們?cè)诙俗?1’和22’被提供給定標(biāo)模塊。定標(biāo)模塊基于新的MAXLIMIT和MINLIMIT更改用于產(chǎn)生第二輸出的曲線。
第二控制模塊30’分別在其端子23’和31’接收第二輸出信號(hào)受控介質(zhì)傳感器讀數(shù)。第二控制模塊產(chǎn)生表示至該模塊的輸入的差的第三輸出信號(hào)。此第三輸出信號(hào)送到控制設(shè)備。
自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制算法運(yùn)行以提供定標(biāo)模塊更新的MAXLIMIT和MINLIMIT值。在圖2中，注意用戶輸入的最小和最大設(shè)定點(diǎn)極限參數(shù)(示于圖1)不再需要。
自適應(yīng)算法的核心概念是監(jiān)測(cè)受控變量隨時(shí)間和負(fù)載條件的變化情況，并觀察其第一、第二極限值。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一和第二極限值是可獲得的最大和最小值。然后利用此信息來設(shè)定受控變量設(shè)定點(diǎn)的最大和最小極限(MAXLIMIT和MINLIMIT)。在古典的級(jí)聯(lián)控制中(圖1)，極限值經(jīng)常不能正確地設(shè)定(人工操作)，由于設(shè)定點(diǎn)不能為一合適值，控制器不能獲得最優(yōu)性能。此自適應(yīng)算法可計(jì)算這些極限參數(shù)的正確值，因此使控制器工作在峰值效率上。
算法基本上檢查四種情況查看最小或最大設(shè)定點(diǎn)極限需要調(diào)整與否。這四種情況以及算法的修正過程在表1說明。
算法利用一間隔計(jì)時(shí)器來在每個(gè)“間隔時(shí)間”周期檢查出四種可能的情況。用于HVAC釋放空氣溫度控制應(yīng)用的間隔時(shí)間的典型值為7～10分鐘
表1算法的內(nèi)部運(yùn)行以檢查這四種情況的方式在圖3所示的流程圖中說明。最小和最大設(shè)定點(diǎn)極限升高或降低的量(如表1中提到的)由“ADJUST”變量值確定。下面還要討論。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，算法可以對(duì)MINLIMIT和MAXLIMIT加以限制使得具有不超出的絕對(duì)低和絕對(duì)高的極限。例如在冷卻系統(tǒng)中，為了安全和/或舒適，釋放的溫度必須防止變得太低、引起冷風(fēng)或可能凍壞線圈。另外還具有一接近極限以防止MINLIMIT和MAXLIMIT互相太接近。現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其示出了自適應(yīng)控制方法的一優(yōu)選實(shí)施例。注意，下面描述的過程是用于所謂的“直接動(dòng)作”控制系統(tǒng)，諸如釋放空氣冷卻控制。僅有很小調(diào)整的該過程也可用于相反動(dòng)作控制系統(tǒng)。
在方塊100開始之后，在方塊105此方法確定該自適應(yīng)控制方法是否被使能。若為否，方法走到方塊125，在此利用MAXLIMIT和MINLIMIT的缺省值并在方塊120進(jìn)入等待模式。經(jīng)過一用戶確定的等待周期，方法在方塊100重新開始。在一優(yōu)選實(shí)施例中，這一周期為10秒。但是這一周期與具體應(yīng)用有關(guān)。
若自適應(yīng)控制方法被使能，則在方塊110增量自適應(yīng)間隔計(jì)時(shí)器。接下來方法在方塊115確定當(dāng)前的自適應(yīng)控制間隔是否已經(jīng)過了。若為否，方法在方塊120進(jìn)入等待模式。若為是，方法走到方塊128，在此間隔計(jì)時(shí)器復(fù)位到0。于是方法走到方塊130的調(diào)整值部分。利用此方法調(diào)整MAXLIMIT和MINLIMIT用于改變負(fù)載條件。
在方塊135，受控變量的測(cè)量值VAR與MINLIMIT和OFFSET之間的差作比較。OFFSET表示其值是在設(shè)計(jì)時(shí)選定的死帶(deadband)范圍。OFFSET被包含目的在于包括交換滯后。若VAR大于差值，方法走到方塊145。若VAR小于差值，則MINLIMIT置為MINLIMIT減去ADJUST。如何計(jì)算ADJUST將在下面說明。一旦計(jì)算出新的MINLIMIT方法就走到185。
在方塊145，VAR與MINLIMIT和OFFSET之和比較確定系統(tǒng)是否在滿輸出運(yùn)行。若VAR小于該和或者系統(tǒng)未在滿輸出運(yùn)行，方法走到方塊160。若VAR大于該和并且系統(tǒng)在滿輸出運(yùn)行，則方法走到方塊150計(jì)算新的MINLIMIT(等于MINLIMIT加上ADJUST)。在方塊155，方法確保MINLIMIT保持低于VAR值。若MINLIMIT將超出VAR值，它就被置于等于VAR值。這就保證增加ADJUST值不引起新的MINLIMIT高于系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)(VAR)。方法然后走到方塊185。
在方塊160，方法比較VAR與MAXLIMIT和OFFSET之間的差并確定系統(tǒng)是否關(guān)閉。若VAR大于差值或系統(tǒng)不關(guān)閉，方法走到方塊175。若VAR小于差值且系統(tǒng)關(guān)閉，則方法在方塊165計(jì)算新的MAXLIMIT值(等于MAXLIMIT減去ADJUST)。在方塊170，方法確保VAR保持高于VAR值并然后走到塊185。若MAXLIMIT將變得低于VAR值，則它被置于等于VAR值。這就保證減去ADJUST值不引起新的MAXLIMIT低于系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)(VAR)。
在方塊175，方法比較VAR與MAXLIMIT和OFFSET之和。若VAR小于該和，方法走到塊120。若VAR大于該和，方法在方塊180計(jì)算新的MAXLIMIT(等于MAXLIMIT加上ADJUST)。然后方法走到方塊185。
在方塊185，方法比較計(jì)算出的新MAXLIMIT和/或MINLIMIT與絕對(duì)的高和低極限。該絕對(duì)的高和低極限是用戶選擇的值，并對(duì)于特定的應(yīng)用有缺省值。他們可基于舒適、設(shè)備安全或其它準(zhǔn)則確定。缺省值使得在大多數(shù)情況下，在不作用戶修正時(shí)，控制器便可工作。典型值對(duì)于釋放空氣溫度控制器，絕對(duì)低極限可為45°F，絕對(duì)高極限可為110°F。該方法還相對(duì)于接近設(shè)定檢查新的MAXLIMIT和/或MINLIMIT。接近極限確保MINLIMIT與MAXLIMIT不相互太接近而引起的控制不穩(wěn)。接近極限值的選擇是與具體應(yīng)用有關(guān)的。例如，在為了空間舒適作冷卻的釋放空氣溫度控制中，受控設(shè)備范圍(控制輸出信號(hào)的0％～100％)將典型地引起釋放空氣溫度大約20°F的變化。此范圍的大小隨空氣流動(dòng)、室外空氣溫度和濕度等變化。接近極限將被選得小于希望的最小溫度范圍的大約40％。但是，若接近極限太小，設(shè)定點(diǎn)值的計(jì)算將沒有足夠的分辨率來維持穩(wěn)定的控制。因此要保持該值大于希望的最小溫度范圍的大致25％。接近極限典型地被知曉具體應(yīng)用的控制設(shè)計(jì)者硬編碼到產(chǎn)品中。但是，對(duì)于通用控制器，該接近極限可為用戶可設(shè)的值。例如，若釋放空氣溫度的希望的最小范圍為50°F～70°F(20°F的范圍)，那么該接近極限為大約5°F～8°F(20°F的25％～40％)。
接下來，方法走到方塊190，在此設(shè)定RAMP RATE。利用RAMP RATE來隨時(shí)間調(diào)整新的MAXLIMIT或MINLIMIT到其新值。例如，若舊的最小設(shè)定點(diǎn)極限是52°F，且方法計(jì)算新的需要極限值為50°F，那么設(shè)定點(diǎn)將在自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間上“跳下”到50。計(jì)算的時(shí)間由“自適應(yīng)間隔計(jì)時(shí)器”控制(圖3中的方塊110和115)。對(duì)于釋放空氣溫度控制應(yīng)用，間隔時(shí)間硬編碼為大約8秒。因此RAMPRATE是2/8或0.25°F/min。方法于是回到方塊120。
在圖3中，標(biāo)記為“計(jì)算ADJUST值”的方塊計(jì)算每間隔設(shè)定點(diǎn)將被改變的量(或上或下)。有多種方法執(zhí)行“計(jì)算ADJUST值”方塊。這里采用的方法利用測(cè)得的受控變量(圖3中VAR)同其設(shè)定點(diǎn)間的當(dāng)前差值。此差值作為比例誤差值。
利用作為設(shè)定點(diǎn)極限將被調(diào)整的量的比例誤差，提供了對(duì)負(fù)載條件變化的快速而穩(wěn)定的響應(yīng)。若系統(tǒng)當(dāng)前遠(yuǎn)離設(shè)定點(diǎn)，則設(shè)定點(diǎn)極限調(diào)整量大(以提供快速響應(yīng))。相反當(dāng)運(yùn)行在設(shè)定點(diǎn)附近時(shí)調(diào)整微小(以提供穩(wěn)定性)。
ADJUST可如下計(jì)算。取決于需要調(diào)整時(shí)受控變量的測(cè)量值所處的位置有幾種不同的方法計(jì)算ADJUST值。有兩種操作方案，如下面描述的每個(gè)情況第一，設(shè)定點(diǎn)當(dāng)前位于最小或最大設(shè)定點(diǎn)極限。此時(shí)，ADJUST值是主變量的比例誤差的數(shù)倍(即對(duì)于釋放空氣控制應(yīng)用來說，是區(qū)域空氣溫度傳感器與其設(shè)定點(diǎn)之間的差)。第二，設(shè)定點(diǎn)當(dāng)前位于最小或最大設(shè)定點(diǎn)極限之間。此時(shí)，ADJUST值是次變量的比例誤差的數(shù)倍(即對(duì)于釋放空氣控制應(yīng)用來說，是釋放空氣溫度傳感器與其設(shè)定點(diǎn)之間的差)。
對(duì)于釋放空氣溫度控制應(yīng)用來說，情況1中使用的“倍數(shù)”值對(duì)于冷卻操作是3.0，對(duì)于加熱操作是2.0。情況2中使用的“倍數(shù)”值對(duì)于加熱和冷熱均為1.0。
下表概括了釋放控制應(yīng)用中采用的ADJUST值計(jì)算方法:
定義DAT＝釋放空氣溫度，ZAT＝區(qū)域空氣溫度prop_err＝比例誤差，它是測(cè)量變值與設(shè)定點(diǎn)之差，主變量＝被控制系統(tǒng)保持在設(shè)定點(diǎn)的變量，盡管控制器僅對(duì)此變量作非直接控制(即空間或“區(qū)域”溫度)，次變量＝系統(tǒng)直接控制的變量并影響主變量(即釋放空氣溫度)。
下表顯示了用于普通控制的同樣的信息
對(duì)于釋放空氣控制實(shí)例X＝3.0(冷卻)X＝2.0(加熱)Y＝1.0(總是)如何執(zhí)行“計(jì)算ADJUST值”方塊的另一種選擇是利用某常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)確定或由用戶設(shè)定。也存在其他的選擇。
為了進(jìn)一步加快對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)，算法也可利用一與比例誤差調(diào)整量相乘的定標(biāo)值(如2.0或3.0〕。當(dāng)加寬允許的設(shè)定點(diǎn)范圍(即降低MINLIMIT或升高M(jìn)AXLIMIT)時(shí)，ADJUST值可以比如加倍然后提供到當(dāng)前設(shè)定點(diǎn)極限。這使受控系統(tǒng)快速返回設(shè)定點(diǎn)。
使用此算法的控制器可被構(gòu)造用于控制大量的工業(yè)設(shè)備和過程。該算法通過在HAVC設(shè)備控制器中實(shí)施已經(jīng)被證實(shí)，并對(duì)它作出很多模擬研究。如上所述，釋放空氣控制應(yīng)用只是這里所描述的自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制的一個(gè)可能的用處。這樣的一個(gè)系統(tǒng)示于圖4。
在圖4中，控制器405是用于確?？臻g400內(nèi)需要的溫度的主控制器?？刂破?05連接到風(fēng)扇410、交換單元415、閥416、釋放空氣溫度單元420、和空間溫度傳感器425。外界空氣440和返回空氣435被混合并被風(fēng)扇410驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生釋放空氣430。工作中，溫度傳感器425測(cè)量空間400內(nèi)的溫度。此溫度被送到控制器405?？刂破?05包括一處理器、存儲(chǔ)器和一通信接口(如本領(lǐng)域所熟知的)?？刂破?05接收該溫度信息并利用用戶輸入的設(shè)定點(diǎn)和作為實(shí)際檢測(cè)的讀數(shù)的該溫度信息執(zhí)行控制模塊10’。然后控制器執(zhí)行定標(biāo)模塊20’和第二控制模塊30’以產(chǎn)生第三輸出信號(hào)。自適應(yīng)處理模塊40由控制器以如上所述的預(yù)定間隔被執(zhí)行。自適應(yīng)處理模塊和第二控制模塊兩者均從釋放空氣溫度單元420接收被控介質(zhì)傳感器讀數(shù)。
第三輸出信號(hào)被送到閥416以控制處理流體(未示出)經(jīng)交換單元415的流動(dòng)。交換單元415可以是一擴(kuò)展線圈或一熱交換器。該閥可響應(yīng)第三輸出信號(hào)工作在多個(gè)位置。通過控制經(jīng)交換單元的流動(dòng)，經(jīng)過交換單元的空氣的溫度發(fā)生變化。
以上是對(duì)一有用的、新穎的、非顯而易見的自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制的說明。通過執(zhí)行該自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制，受控系統(tǒng)在變化負(fù)載條件時(shí)可更好地被控制，而且需要用戶輸入的參數(shù)減少。發(fā)明人提供的此說明書僅是一個(gè)例子，而非本發(fā)明的限定，在下面的權(quán)利要求書中對(duì)本發(fā)明予以限定。
權(quán)利要求
1.在一個(gè)過程控制器中，第一控制器的輸出信號(hào)用作第二控制器的一個(gè)輸入信號(hào)，第二控制器的輸入具有最大極限(MAXLIMIT)和最小極限(MINLIMIT)，一種用于級(jí)聯(lián)控制的改進(jìn)的方法，它包括以下步驟確定測(cè)量變量與MINLIMIT是否具有第一預(yù)定關(guān)系，若是，降低MINLIMIT值；確定測(cè)量變量是否達(dá)不到MINLIMIT并且控制器輸出滿，若是，升高M(jìn)INLIMIT；確定測(cè)量變量是否達(dá)不到MAXLIMIT并且控制器輸出關(guān)，若是，降低MAXLIMIT值；及確定測(cè)量變量與MAXLIMIT是否具有第二預(yù)定關(guān)系，若是，升高M(jìn)AXLIMIT值。
2.用于級(jí)聯(lián)的控制系統(tǒng)的自適應(yīng)處理模塊，該級(jí)聯(lián)的控制系統(tǒng)控制一測(cè)量變量，該自適應(yīng)處理模塊連接到一受控介質(zhì)傳感器并連接在第一、第二控制器中間，它包括處理器；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)處理器的指令，該存儲(chǔ)器使處理器從受控介質(zhì)傳感器接收受控介質(zhì)傳感器信號(hào)和從第一控制器接收第一輸出信號(hào)并產(chǎn)生第二輸出信號(hào)，該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令使得處理器確定測(cè)量變量與MINLIMIT是否具有第一預(yù)定關(guān)系，若是，降低MINLIMIT值；確定測(cè)量變量是否達(dá)不到MINLIMIT并且控制器輸出滿，若是，升高M(jìn)INLIMIT；確定測(cè)量變量是否達(dá)不到MAXLIMIT并且控制器輸出關(guān)，若是，降低MAXLIMIT值；及確定測(cè)量變量與MAXLIMIT是否具有第二預(yù)定關(guān)系，若是，升高M(jìn)AXLIMIT值。
3.一種用于控制一測(cè)量變量的自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制器，該自適應(yīng)級(jí)聯(lián)控制器接收一測(cè)量變量溫度信號(hào)，該控制器包括定標(biāo)模塊，產(chǎn)生作為控制輸入信號(hào)和MAXLIMIT及MINLIMIT值函數(shù)的輸出信號(hào)；自適應(yīng)模塊，連接到定標(biāo)模塊，自適應(yīng)處理模塊用于確定測(cè)量變量與MINLIMIT是否具有第一預(yù)定關(guān)系，若是，降低MINLIMIT值；確定測(cè)量變量是否達(dá)不到MINLIMIT并且控制器輸出滿，若是，升高M(jìn)INLIMIT；確定測(cè)量變量是否達(dá)不到MAXLIMIT并且控制器輸出關(guān)，若是，降低MAXLIMIT值；及確定測(cè)量變量與MAXLIMIT是否具有第二預(yù)定關(guān)系，若是，升高M(jìn)AXLIMIT值。
全文摘要
一種用于控制器的執(zhí)行實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)控制的新方法。該算法利用一新的自適應(yīng)技術(shù)來在各種負(fù)載條件下智能化地調(diào)整最小和最大允許的受控變量設(shè)定點(diǎn)極限。
文檔編號(hào)G05B11/32GK1265748SQ98807788
公開日2000年9月6日 申請(qǐng)日期1998年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月31日
發(fā)明者威廉·K·普雷斯卡, 加里·A·史密斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾公司