专利名称：控制方法和控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及过程控制技术，特别是涉及处理多个受控变量的控制方法和控制装置。
例如，提出如图9A和9B所示的温度控制系统。
在图9A的温度控制系统中，容器R中置有用作多个受控变量(温度PV0，PV1和PV2)测量点的温度传感器TS0，TS1和TS2，和用作多个控制激励器的加热器H1和H2。这个温度控制系统的第一目标是控制容器R的中心的温度PV0为加热器H1和H2确定的预定调整点SP。
仅就控制容器R的中心的温度PV0为预定值而言，加热器H1和H2的输出不是唯一确定的。换句话说，中心的温度PV0可保持为预定值，而靠近加热器H1的温度PV1高于靠近加热器H2的温度PV2。反过来，中心的温度PV0可保持为预定值，而靠近加热器H1的温度PV1低于靠近加热器H2的温度PV2。
容器R的中心的温度PV0被控制为预定值，容器R中的温度分布也是重要的。就是说，当靠近加热器H1的温度PV1和靠近加热器H2的温度H2之间的温度差，必须调整为预定值d12时，加热器H1和H2的输出被唯一确定。
但是，唯一确定的加热器H1和H2的输出，随容器R中的温度条件而改变。即使温度PV1和PV2之间的温度差控制为预定值，在绝热波动或容器R中的失调情况下，也能温度差保持在高的加热器输出或低的加热器输出条件下的预定值。因此，必须构成任何反馈控制系统。
在常规控制系统中，如图9B所示，计算单元PID1和PID2分别配置于加热器H1和H2，构成利用加热器H1和H2作为靠近加热器H1和H2的温度PV1和PV2的激励器的独立反馈控制系统。计算单元PID1和PID2的控制算法是PID控制法。
在图9B中，容器R的中心的温度PV0实质上不包含在控制系统中。温度PV0，PV1和PV2之间的关系是在事先研究的。
基于研究结果，指定温度PV1和PV2的值，以使容器R的中心的温度PV0与预定的调整点SP，并使靠近加热器的温度PV1和PV2之间的温度差与调整点d12相一致。
在实际控制中，计算单元PID1控制加热器H1，并保持靠近加热器H1的温度PV1的预定的温度。计算单元PID2控制加热器H2，并保持靠近加热器H2的温度PV2的预定的温度。
图9B中的温度控制系统是另一种结构示例，其中，容器R的中心的温度PV0被做成与预定的调整点SP相一致，而靠近加热器的温度PV1和和PV2从室温Tmr上升的比(PV1-Tmr)/(PV2-Tmr)被做成与预定的调整点d12相一致。
作为温度控制系统以外的例子，这里举出压力控制系统的例子，这个系统将两种气体混合，并在预定的压力下供应气体混合物，如
图10所示。
压力控制系统包括传感器PS0其测量两种气体的混合物压力PV0的压力，气流控制阀Va11和Va12，其用作控制两种气体流速的控制激励器，和流速传感器FS1和FS2，其测量由阀Va11和Va12控制的气体流速PV1和PV2。
压力控制系统有使压力PV0与预定的调整点SP相一致的第一目标，和使流速PV1和PV2的流速比PV1/PV2与预定的调整点d12相一致的第二目标。
上述控制系统在冗余地安排控制激励器以控制第一受控变量PV0的状态下，必须唯一地决定控制激励器的输出为恰当的值，以满足第二受控变量PV1和PV2之间的特定关系。
在现有技术中，如上述那样，构成独立控制靠近控制激励器的第二受控变量PV1和PV2的控制系统。受控变量PV0，PV1，和PV2之间的关系在事先研究，以调整第一受控变量PV0。
图9B的温度控制系统，其中容器R的中心的温度PV0被做成与预定的调整点SP相一致，靠近加热器H1和H2温度PV1和PV2之间的温度差与预定的调整点d12相一致，分别对靠近加热器的温度PV1和PV2独立地控制至特定值。
在这个温度控制系统中，作为第一目标的中心的温度PV0，不总是保持在预定的调整点SP。例如，当不需要的施热物质或吸热物质进入容器R时，中心的温度PV0就不保持在调整点SP。
在图9B的温度控制系统中，温度PV0，PV1，和PV2必须在事先预以探查。在实际控制之前的步骤数目较大，很消耗时间。
此外，温度控制系统不能满足这样的要求，即根据重要性，对使容器R的中心的温度与预定的调整点SP相一致的第一目标，和使靠近加热器的温度PV1和PV2之间的温度差与预定的调整点d12相一致的第二目标的优先级进行调整。
这些问题也出现在温度系统中，其中容器R的中心的温度PV0被做成与预定的调整点SP相一致，温度PV1和PV2从室温Tmr上升的比(PV1-Tmr)/(PV2-Tmr)被做成与预定的调整点d12相一致，图10的压力控制系统中，其中压力PV0被做成与预定的调整点SP相一致，流速PV1和PV2的流速比PV1/PV2被做成与预定的调整点d12相一致。
本发明的另一个目的是控制一种控制方法和控制装置，其能根据重要性，对使第一受控变量精确地与预定的调整点相一致的第一目标，以及使第二受控变量之间的关系变量与预定的调整点相一致的第二目标的优先级进行调整。
根据本发明，为达到上述目的，提供一种控制方法，其包括步骤使第一受控变量与预定的受控变量调整点相一致；计算关系变量，关系变量表示为保持预定的关系，事先从测得的不同于第一受控变量的那些第二受控变量中指定的第二受控变量之间的关系；和对控制激励器进行控制，以使计算得的关系变量与预定的关系变量调整点相一致，控制步骤包括步骤对计算得的关系变量和与计算得的关系变量相应的关系变量调整点之间的差值进行计算；将计算得的差值加至测得的第一受控变量；通过进行使和值与受控变量调整点相一致的反馈控制计算，计算操纵变量；和向相应的控制激励器输出计算得的操纵变量。
在本发明中，以精确控制第一受控变量为第一目标的反馈控制系统，还有第二目标，就是使表示多个第二受控变量之间关系的关系变量(受控变量差，受控变量比，或诸如此类)与预定值相一致。当关系变量偏离预定值时，则将偏离加到第一受控变量的反馈值上。控制激励器的操作使这样的偏差消除，这是基本原理。
如图1所示，根据第一实施例的控制装置包括调整点输入单元1，其输入调整点SP；第一受控变量输入单元2，其连接至传感器7，并输入第一受控变量PV0；和多个第二受控变量输入单元3(3-1，3-2，…，3-n)(n是等于或大于2的整数)，其分别连接至多个传感器8(8-1，8-2，…，8-n)，并且输入第二受控变量PV1，PV2，…，PVn(n是等于或大于2的整数)。
控制装置进一步包括至少一个偏差计算单元5，其连接至第二受控变量输入单元3(3-1，3-2，…，3-n)，并计算偏差Δ；至少一个关系变量调整点输入单元4，其连接至偏差计算单元5，并输入关系变量调整点d；和控制计算单元6(6-1，6-2，…，6-n)，其连接至调整点输入单元1、第一受控变量输入单元2和偏差计算单元5，并输出操纵变量MV。
调整点输入单元1输入第一受控变量PV0的调整点SP。第一受控变量输入单元2输入由传感器7测量的第一受控变量PV0，传感器7设置在第一受控变量测量点上。
第二受控变量输入单元3(3-1，3-2，…，3-n)输入由传感器8(8-1，8-2，…，8-n)测量的多个第二受控变量PV1，PV2，…，PVn(n是等于或大于2的整数)，传感器8设置在多个第二受控变量测上。关系变量调整点输入单元4输入多个第二受控变量之间的关系变量(受控变量差，受控变量比，或诸如此类)的关系变量调整点d。
偏差计算单元5包括关系变量计算单元和差值计算单元。关系变量计算单元计算第二受控变量之间的关系变量，第二受控变量是为保持预定的关系，事先从第二受控变量输入单元3输入的第二受控变量中指定的。差值计算单元计算偏差Δ，用作计算得的关系变量与相应的关系变量调整点d之间的差值。
每个控制计算单元6(6-1，6-2，…，6-n)包括相加单元，操纵变量计算单元和操纵变量输出单元。相加单元将由偏差计算单元5计算的偏差Δ加至第一受控变量PV0。操纵变量计算单元通过进行使加法单元的和值与调整点SP相一致的反馈控制计算，计算操纵变量MV。操纵变量输出单元向相应的控制激励器传感器7(7-1，7-2，…，7-n)输出操纵变量MV。
控制装置可由具有运算装置，存储装置和接口的计算机，和控制这些硬件资源的程序实现。
第一受控变量PV0的调整点SP由控制装置操作员调整。调整点SP通过调整点输入单元1输入至每个控制计算单元6(图2的步骤S101)。第一受控变量PV0由设置在第一受控变量测量点上的传感器7进行测量。第一受控变量PV0通过P(2)输入至控制计算单元6(步骤S102)。
多个第二受控变量PV1，PV2，…，PVn由配置在第二受控变量测量点上的传感器8(8-1，8-2，…，8-n)进行测量。第二受控变量PV1，PV2，…，PVn通过相应的第二受控变量输入单元3输入至偏差计算单元5(步骤S103)。
第二受控变量PVi和PVj(i≠ji和j是1(包括1)至n(包括n)的整数)之间的关系变量(受控变量差，受控变量比或诸如此类)的关系变量调整点dij，由控制装置操作员调整。关系变量调整点dij通过相应关系变量调整点输入单元4-ij输入至偏差计算单元5-ij至5-ji(步骤S104)。
注意，关系变量调整点dij，当第二受控变量PVi和PVj之间的关系变量是受控变量差时，意指受控变量差PVi-PVj的调整点，当关系变量是受控变量比时，意指受控变量比PVi/PVj的调整点。
与关系变量调整点dij相应的关系变量调整点输入单元将作为关系变量调整点输入单元4-ij表示。同样地，计算关系变量调整点dij与第二受控变量PVi和PVj的关系变量之间偏差的偏差计算单元将作为偏差计算单元5-ij和5-ji表示。
偏差计算单元5-ij计算输入至控制计算单元6-i的偏差，后者控制主要影响第二受控变量PVi的激励器。偏差计算单元5-ji计算输入至控制计算单元6-j的偏差，后者控制主要影响第二受控变量PVj的激励器。
偏差计算单元5计算第二受控变量之间的关系变量，这些第二受控变量是为保持预定的关系，事先从第二受控变量输入单元3输入的第二受控变量PV1，PV2，…，PVn中指定的，也就是说，关系变量调整点d(d＝{ij})是为第二受控变量之间关系而设置的。偏差计算单元5计算偏差Δ(Δ＝{Δij})，用作计算得的关系变量与相应的关系变量调整点d之间的差值。
偏差计算单元5将偏差Δ输出至相应的控制计算单元6(步骤S105)。当安排多个偏差计算单元5时，它们同时进行处理。
偏差计算单元5严格地计算偏差Δ的符号，通过控制计算单元6的反馈控制，使关系变量和关系变量调整点d彼此一致(偏差Δ为0)，控制计算单元6使偏差Δ与第一受控变量PV0的和值与调整点SP相一致。就是说，控制计算单元6进行反馈控制，以减小第一受控变量PV0与调整点SP之间的差，同时使偏差Δ减小至0。
例如，偏差计算单元5-ij计算第二受控变量PVi与PVj之间的关系变量，计算关系变量与相应的关系变量调整点之间的偏差Δij，并将偏差Δij输出至相应的控制计算单元(与控制激励器7-i相应的控制计算单元，控制激励器主要影响第二受控变量PVi)6-i。
当第二受控变量PVi与PVj之间的关系变量是受控变量差时，偏差计算单元5-ij计算受控变量差PVi-PVj，和计算偏差ΔijΔij＝PVi-PVj-dij ……(1)当第二受控变量PVi和PVj之间的关系变量是受控变量比时，偏差计算单元5-ij计算受控变量比PVi/PVj，和计算偏差ΔijΔij＝PVi/PVj-dij ……(2)偏差计算单元5-ij计算第二受控变量PVi与PVj之间的关系变量，计算关系变量与相应的关系变量调整点dij之间的偏差Δij，并将偏差Δij输出至相应的控制计算单元(与控制激励器7i相应的控制计算单元，控制激励器主要影响的第二受控变量PVj)6-j。
当第二受控变量PVi与PVj是受控变量差时，偏差计算单元5-ji计算偏差ΔjiΔji＝PVj-PVi+dij ……(3)偏差Δji最初用与等式(1)给出的偏差Δij相同的等式计算。为使符号匹配，偏差Δji使用等式(3)计算。
当第二受控变量PVi与PVj之间的关系变量是受控变量比时，第二受控变量PVi与PVj之间的关系变量定义为PVi/PVj，如上所述，因此，偏差计算单元5-ij计算偏差ΔjiΔji＝dij-PVi/PVj ……(4)偏差Δji最初用与等式(2)给出的偏差Δij相同的计算式计算。为使符号匹配，偏差Δji使用等式(4)计算。
控制计算单元6将从偏差计算单元5输入的偏差Δ加至从第一受控变量输入单元2输入的第一受控变量PV0(步骤S106)。控制计算单元6通过进行使和值与调整点SP相一致的反馈控制计算，计算操纵变量MV(步骤S107)。控制计算单元6将计算得的操纵变量MV输出至相应的控制激励器(步骤S108)。当多个控制计算单元6安排给各自的控制激励器7时，控制计算单元6同时进行处理。
假定安排两个第二受控变量测量点，两个控制激励器7，和两个控制计算单元6(n＝2)。在这种情况下，当控制算法是PID时，与主要影响第二受控变量PV1的控制激励器7-1相对应的常规控制计算单元，进行使用拉普拉斯算子S的传递函数表示的反馈控制计算MV1＝Kg1{1+(1/Ti1s)+Td1s}(SP-PV0)……(5)这里，MV1是主要影响第二受控变量PV1的控制激励器7-1的操纵变量，Kg1，Ti1和Td1是控制计算单元6-1的比例增益系数，积分时间和偏差时间。在第一实施例中，偏差Δ12加至第一受控变量PV0，因此，等式(5)可改写为MV1＝Kg1{1+(1/Ti1s)+Td1s}(SP-(PV0+Δ12))……(6)同样地，当控制算法是PID时，与主要影响第二受控变量PV2的控制激励器7-2相对应的常规控制计算单元，进行由传递函数表示的反馈控制计算MV2＝Kg2{1+(1/Ti2s)+Td2s}(SP-PV0) ……(7)这里，MV2是主要影响第二受控变量PV2的控制激励器7-2的操纵变量，Kg2、Ti2和Td2分别是控制计算单元6-2的比例增益系数、积分时间和偏差时间。在第一实施例中，偏差Δ21加至第一受控变量PV0，因此等式(7)可改写为MV2＝Kg2{1+(1/Ti2s)+Td2s}(SP-(PV0+Δ21))……(8)这样，控制计算单元6-1和6-2通过等式(6)和(8)，计算操纵变量MV1和MV2。每一控制周期重复进行从步骤S101至S108的操作，直至响应从操作员等等来的指令而停止控制(步骤S109)。
下面，将说明根据第一实施例的控制装置的详细操作。
例如，如图9A和9B所示，在容器R中，安排有测量温度PV0、PV1和PV2的温度传感器TS0、TS1和TS2，以及加热器H1和H2。第一目标是使容器R的中心的温度PV0与调整点SP相一致。第二目标是使靠近加热器H1和H2的温度PV1和PV2之间的温度差与关系变量调整点d12相一致。在这种情况下，常规控制装置基本上进行独立控制，分别将靠近加热器的温度PV1和PV2控制为特定值。
由于温度PV0由两个加热器H1和H2控制，所以，在常规控制装置中，输出至加热器H1和H2的操纵变量不是唯一地决定的。也就是说，中心的温度可以保持在预定的值，而靠近加热器H1的温度PV1高于靠近加热器H2的温度PV2。相反，当靠近加热器H1的温度PV1低于靠近加热器H2的温度PV2时，中心的温度PV0也可以保持在预定的值。
靠近加热器H1和H2的温度PV1和PV2之间的温度差，根据情况收敛于任何状态，不稳定于特定的值。
下面将说明当用作温度PV1和PV2之间的关系变量的温度差PV1-PV2设置为预定的关系变量调整点d12时，在给定的时间，温度差PV1-PV2大于关系变量调整点d12的情况。在这种情况下，由于温度差必须减少，所以需要减少从加热器H1来的输出，增加从加热器H2来的输出。
根据第一实施例，与加热器H1相应的控制计算单元6-1将正值偏差Δ12＝PV1-PV2-d12加至第一受控变量PV0，如由等式(1)和(6)所表示的。控制计算单元6-1进行反馈控制计算，以便保持调整点SP上的值。控制计算单元6-1的操作是足以算出操纵变量MV1小于等式(5)中的常规反馈控制计算所得到的操纵变量。
同样地，与加热器H2相应的控制计算单元6-2将负值偏差Δ21＝PV2-PV1+d12加至第一受控变量PV0，如等式(3)和(8)所表示的。控制计算单元6-2进行反馈控制计算，以便保持调整点SP上的值。控制计算单元6-2的操作足以算出操纵变量MV2大于等式(7)中的常规反馈控制计算所得到的操纵变量。
控制计算通过控制计算单元6-1和6-2重复地连续进行。最后，输出至加热器H1和H2的操纵变量唯一地收敛，这样，建立偏差Δ12＝PV1-PV2-d12＝0和Δ21＝PV2-PV1+d12＝0，并保持PV0＝SP。
如上所述，第一实施例能够使第一受控变量PV0精确地与预定的调整值SP相一致，使第二受控变量之间的关系变量(受控变量差，受控变量比或类似的)与预定的关系变量调整点d相一致。
(第二实施例)第二实施例是第一实施例的更详细的示例，如图3所示，描述用两个控制激励器(加热器H1和H2)的温度差控制。控制装置包括偏差计算单元5-12和5-21，以及控制计算单元6-1和6-2。
在根据第二实施例的温度控制系统中，测量温度PV0，PV1和PV2的温度传感器TS0，TS1和TS2，以及加热器H1和H2安排在容器R中。第一目标是使容器R的中心温度(第一受控变量)PV0与预定的调整点SP相一致。第二目标是使靠近加热器H1和H2的温度(第二受控变量)PV1和PV2之间的温度差(受控变量差)与预定的关系变量调整点d12相一致。
另外，在第二实施例，控制装置的流程图与图2所示的流程图相同。
偏差计算单元5-12，基于由温度传感器TS1和TS2测量并从第二受控变量输入单元3输入的第二受控变量PV1和PV2，和从关系变量调整点输入单元4输入的关系变量调整点d12，利用由传递函数表示的下列等式，计算温度差PV1-PV2与关系变量调整点d12之间的偏差Δ12，作为在等式(6)中加至第一受控变量PV0的偏差Δ12Δ12＝(PV1-PV2-d12)K12/(1+T12s) ……(9)偏差计算单元5-21，基于第二受控变量PV1和PV2以及关系变量调整点d12，利用由传递函数表示的下列等式，计算温度差PV1-PV2与关系变量调整点d12之间偏差Δ21，作为在等式(8)中加至第一受控变量PV0的偏差Δ21Δ21＝(PV2-PV1-d12)K21/(1+T21s) ……(10)在等式(9)和(10)中，K12和K21是增益系数，用于根据与关系变量调整点d12相一致的重要性，对温度PV1和PV2之间的温度差加权。增益系数是大于0的正值，一般为1。
当使温度PV0与调整点SP相一致的第一目标，比使温度PV1和PV2之间的温度差与关系变量调整点d12相一致的第二目标更重要时，增益系数K12和K21就调小。当第二目标比第一目标更重要时，增益系数K12和K21就调大。
T12和T21是一阶时滞滤波器的时间常数，用于避免由关系变量调整点d12的变化引起的偏差Δ12和Δ21中的突变。一阶时滞滤波器的时间常数T12和T21充分调整到几乎相同，例如控制计算单元6-1和6-2的Ti1和Ti2的整数倍。在第二实施例中，T12＝Ti1和T21＝Ti2。
控制计算单元6-1，基于从调整点输入单元1输入的调整点SP，由温度传感器TS0测量并从调整点输入单元1输入的第一受控变量PV0，和从偏差计算单元5-12输入的偏差Δ12(参看等式(9))，利用等式(6)计算向加热器H1的操纵变量输出MV1。
同样地，控制计算单元6-2，基于从调整点输入单元1输入的调整点SP，第一受控变量PV0，和从偏差计算单元5-21输入的偏差Δ21(参看等式(10))，利用等式(8)计算向加热器H2的操纵变量输出MV2。
用这种方法，第二实施例就能使容器R中的中心的温度PV0精确地与调整点SP相一致，并使靠近加热器H1和H2的温度PV1和PV2之间的温度与关系变量调整点d12相一致.
另外，第二实施例利用增益系数K12和K21，对使温度PV0与调整点SP相一致的第一目标，和使温度PV1和PV2之间的温度差与关系变量调整点d12相一致的第二目标的优先级，进行调整。
在第二实施例中，通过滤波器时间常数T12和T21对偏差Δ进行时滞滤波。能避免在控制期间由于关系变量调整点d12的变化而引起偏差Δ12和Δ21的突变，实现稳定的控制。
(第三实施例)
下面将参考图4，描述本发明的第三实施例。在图4中，与图3中相同的参考号码指示同样的部件。在第二实施例中，安装有涉及温度控制的所有构成部件。即使在只安装最少数目的构成部件时，象第三实施例那样，也能得到同样效果。
第三实施例不采用第二实施例中的偏差计算单元5-12。控制计算单元6-1a不同于控制计算单元6-1，它不将偏差Δ12加至第一受控变量PV0。具体地说，控制计算单元6-1a利用上述等式(5)，计算向加热器H1的操纵变量输出MV1。因此，第三实施例与第二实施例相比能使布局简化。
(第四实施例)下面将参考图5，描述本发明的第四实施例。第四实施例是第一实施例另一更详细的示例。根据第四实施例的控制装置，涉及使用4个控制激励器(加热器H1，H2，H3和H4)的温度差控制。
控制装置包括计算偏差的偏差计算单元5-12b，5-13b，5-14b，5-21b，5-23b，5-24b，5-31b，5-32b，5-34b，5-41b，5-42b和5-43b控制计算单元6-1b，其连接至偏差计算单元5-12b，5-13b和5-14b，并计算操纵变量输出；控制计算单元6-2b，其连接至偏差计算单元5-21b，5-23b和5-24b；控制计算单元6-3b，其连接至偏差计算单元5-31b，5-32b和5-34b；控制计算单元6-4b，其连接至偏差计算单元5-41b，5-42b和5-43b。
偏差计算单元5-12b，5-13b和5-14b连接至温度传感器TS1。偏差计算单元5-12b还连接至温度传感器TS2；偏差计算单元5-13b连接至温度传感器TS3；偏差计算单元5-14b连接至温度传感器TS4。偏差计算单元5-21b，5-23b和5-24b连接至温度传感器TS2。偏差计算单元5-21b还连接至温度传感器TS1；偏差计算单元5-23b连接至温度传感器TS3；以及偏差计算单元5-24b连接至温度传感器TS4。
偏差计算单元5-31b，5-32b和5-34b连接至温度传感器TS3。偏差计算单元5-31b还连接至温度传感器TS1；偏差计算单元5-32b连接至温度传感器TS2；以及偏差计算单元5-34b连接至温度传感器TS4；偏差计算单元5-41b，5-42b和5-43b连接至温度传感器TS4。偏差计算单元5-41b还连接至温度传感器TS1；偏差计算单元5-42b连接至温度传感器TS2；以及偏差计算单元5-43b连接至温度传感器TS3。
控制计算单元6-1b，6-2b，6-3b和6-4b分别连接至加热器H1，H2，H3和H4。控制计算单元6-4b连接至温度传感器TS0。
图5未示出调整点输入单元1，第一受控变量输入单元2，第二受控变量输入单元3，和关系变量调整点输入单元4。
在根据第四实施例的温度控制系统中，容器R中安装有测量温度PV0，PV1，PV2，PV3和PV4的温度传感器TS0，TS1，TS2，TS3和TS4，以及加热器H1，H2，H3和H4。
温度控制系统的第一目标是使容器R中的中心的温度PV0与预定的调整点SP相一致。
第二目标是使温度PV1和PV2之间的温度差与预定的关系变量调整点d12相一致，使温度PV1和PV3之间的温度差与预定的关系变量调整点d13相一致，使温度PV1和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d14相一致，使温度PV2和PV3之间的温度差与预定的关系变量调整点d23相一致，使温度PV2和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d24相一致，使温度PV3和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d34相一致。
温度差不应当是矛盾的，某些温度差必须要确定，例如d13＝d12+d23。
偏差计算单元5-12b，基于由温度传感器TS1和TS2测量并从第二受控变量输入单元3输入的第二受控变量PV1和PV2，以及从关系变量调整点输入单元4(未示)输入的d12，利用由传递函数表示的下列等式，计算温度差PV1-PV2与关系变量调整点d12之间偏差Δ12Δ12＝(PV1-PV2-d12)K12/(1+T12s) ……(11)偏差计算单元5-13b基于第二受控变量PV1和PV2，以及关系变量调整点d13，计算温度差PV1-PV3与关系变量调整点d13之间偏差Δ13Δ13＝(PV1-PV3-d13)K13/(1+T13s) ……(12)
偏差计算单元5-14b基于第二受控变量PV1和PV4，以及关系变量调整点d14，计算温度差PV1-PV4与关系变量调整点d14之间偏差Δ14Δ14＝(PV1-PV4-d14)K14/(1+T14s) ……(13)偏差计算单元5-21b基于第二受控变量PV2和PV1，以及关系变量调整点d12，计算温度差PV1-PV2与关系变量调整点d12之间偏差Δ21Δ21＝(PV2-PV1-d12)K21/(1+T21s)……(14)偏差计算单元5-23b基于第二受控变量PV2和PV3，以及关系变量调整点d23，计算温度差PV2-PV3与关系变量调整点d23之间偏差Δ23Δ23＝(PV2-PV3-d23)K23/(1+T23s) ……(15)偏差计算单元5-24b基于第二受控变量PV2和PV4，以及关系变量调整点d24，计算温度差PV2-PV4与关系变量调整点d24之间偏差Δ24Δ24＝(PV2-PV4-d24)K24/(1+T24s) ……(16)偏差计算单元5-31b基于第二受控变量PV3和PV1以及关系变量调整点d13，计算温度差PV1-PV3与关系变量调整点d13之间偏差Δ31Δ31＝(PV3-PV1-d13)K21/(1+T31s) ……(17)偏差计算单元5-32b基于第二受控变量PV3和PV2以及关系变量调整点d23，计算温度差PV1-PV3与关系变量调整点d23之间偏差Δ32Δ32＝(PV3-PV2-d23)K32/(1+T32s) ……(18)偏差计算单元5-34b基于第二受控变量PV3和PV4以及关系变量调整点d34，计算温度差PV3-PV4与关系变量调整点d34之间偏差Δ34Δ34＝(PV3-PV4-d34)K34/(1+T34s) ……(19)偏差计算单元5-41b基于第二受控变量PV4和PV1以及关系变量调整点d14，计算温度差PV1-PV4与关系变量调整点d14之间偏差Δ41Δ41＝(PV4-PV1+d14)K41/(1+T41s) ……(20)偏差计算单元5-42b基于第二受控变量PV4和PV2以及关系变量调整点d24，计算温度差PV2-PV4与关系变量调整点d24之间偏差Δ42Δ42＝(PV4-PV2+d24)K42/(1+T42s) ……(21)偏差计算单元5-43b基于第二受控变量PV4和PV3以及关系变量调整点d34，计算温度差PV3-PV4与关系变量调整点d34之间偏差Δ43Δ43＝(PV4-PV3+d34)K43/(1+T43s)……(22)在等式(11)至(22)中，K12，K13，K14，K21，K23，K24，K31，K32，K34，K41，K42和K43是根据第二目标的重要程度进行加权的增益系数。增益系数是大于0的正数，一般是1。当使温度PV0与调整点SP相一致的第一目标比第二目标更重要时，增益系数K12，K13，K14，K21，K23，K24，K31，K32，K34，K41，K42和K43就调小。当第二目标更重要时，增益系数，K12，K13，K14，K21，K23，K24，K31，K32，K34，K41，K42和K43就调大。
第四实施例有多个第二目标，就是使温度PV1和PV2之间的温度差与预定的关系变量调整点d12相一致，使温度PV1和PV3之间的温度差与预定的关系变量调整点d13相一致，使温度PV1和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d14相一致，使温度PV2和PV3之间的温度差与预定的关系变量调整点d23相一致，使温度PV2和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d24相一致，使温度PV3和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d34相一致。
例如，如果使温度PV1和PV2之间的温度差与关系变量调整点d12相一致是重要的，增益系数K12和K21就调大。如果使温度PV1和PV3之间的温度差与关系变量调整点d13相一致是重要的，增益系数K13和K31就调大。
如果使温度PV1和PV4之间的温度差与关系变量调整点d14是重要的，增益系数K14和K41就调大。如果使温度PV2和pV3之间的温度差与关系变量调整点d23相一致是重要的，增益系数K23和K32就调大。
如果使温度PV2和PV4之间的温度差与关系变量调整点d24相一致是重要的，增益系数K24和K42就调大。如果使温度PV3和PV4之间的温度差与关系变量调整点d34相一致是重要的，增益系数K34和K43就调大。
T12、T13、T14、T21、T23、T24、T31、T32、T34、T41、T42和T43是一阶时滞滤波器时间常数，用以避免由关系变量调整点d12、d13、d14、d23、d24和d34中的变化引起的偏差Δ12、Δ13、Δ14、Δ21、Δ23、Δ24、Δ32、Δ34、Δ41、Δ42和Δ43中的突变。
一阶时滞滤波器时间常数T12，T13，T14，T21，T23，T24，T31，T32，T34，T41，T42，和T43，充分调整为几乎等于例如控制计算单元6-1b，6-2b，6-3b，和6-4b的积分时间Ti1，Ti2，Ti3，和Ti4。在第四实施例中，T12＝T13＝T14＝Ti1，T21＝T23＝T24＝Ti2，T31＝T32＝T34＝Ti3，和T41＝T42＝T43＝Ti4。
控制计算单元6-1b，基于从调整点输入单元1(未示)输入的调整点SP，由温度传感器TS0测量并从第一受控变量输入单元2(未示)输入的第一受控变量PV0，和从偏差计算单元5-12b，5-13b和5-14b输入的偏差Δ12、Δ13和Δ14，通过用传递函数表示的下列等式，计算向加热器H1的操纵变量输出MV1MV1＝Kg1{1+(1/Ti1s)+Td1s}×{SP-(PV0+Δ12+Δ13+Δ14)}……(23)控制计算单元6-2b，基于调整点SP，第一受控变量PV0和从偏差计算单元5-21b，5-23b和5-24b输入的偏差Δ21，Δ23和Δ24，计算向加热器H2的操纵变量输出MV2MV2＝Kg2{1+(1/Ti2s)+Td2s}×{SP-(PV0+Δ21+Δ23+Δ24)} ……(24)控制计算单元6-3b，基于调整点SP，第一受控变量PV0和从偏差计算单元5-31b、5-32b和5-34b输入的偏差Δ31、Δ32和Δ34，计算向加热器H3的操纵变量输出MV3MV3＝Kg3{1+(1/Ti3s)+Td3s}×{SP-(PV0+Δ31
+Δ32+Δ34)} ……(25)控制计算单元6-4b，基于调整点SP，第一受控变量PV0和从偏差计算单元5-41b，5-42b和5-43b输入的偏差Δ41，Δ42和Δ43，计算向加热器H4的操纵变量输出MV4MV4＝Kg4{1+(1/Ti4s)+Td4s}×{SP-(PV0+Δ41+Δ42+Δ43)} ……(26)因此，第五实施例能使容器R的中心温度PV0精确地与调整点SP相一致。除此以外，第四实施例能使温度PV1和PV2之间的温度差与预定的关系变量调整点d12相一致，使温度PV1和PV3之间的温度差与预定的关系变量调整点d13相一致，使温度PV1和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d14相一致，使温度PV2和PV3之间的温度差与预定的关系变量调整点d23相一致，使温度PV2和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d24相一致，使温度PV3和PV4之间的温度差与预定的关系变量调整点d34相一致。
第四实施例能利用增益系数K12，K13，K14，K21，K23，K24，K31，K32，K34，K41，K42和K43，调整第一和第二目标的优先级。第四实施例也能调整第二目标的优先级。
在第四实施例中，利用滤波时间常数T12，T13，T14，T21，T23，T24，T31，T32，T34，T41，T42和T43，进行编差Δ的时滞滤波。能避免在控制期间由关系变量调整点d12，d13，d14，d23，d24和d34中的变化引起的偏差Δ12，Δ13，Δ14，Δ21，Δ23，Δ24，Δ32，Δ34，Δ41，Δ42和Δ43中的突变，实现稳定的控制。
(第五实施例)下面将描述根据第五实施例的控制装置。在图6中，与图5中相同的参考号码指示同样的部件。在第四实施例中，安装有涉及温度控制的所有部件。即使只安装最少数目的构成部件，象第五实施例那样，也能得到同样效果。
控制计算单元6-1c连接至加热器H1和温度传感器，并用上述等式(5)计算向加热器H1的操纵变量输出MV1。控制计算单元6-2c连接至加热器H2，偏差计算单元5-21b和温度传感器，并用上述等式(8)计算向加热器H2的操纵变量输出MV2。
控制计算单元6-3c连接至加热器H3，偏差计算单元5-32b和温度传感器，并计算向加热器H3的操纵变量输出MV3MV3＝Kg3{1+(1/Ti3s)+Td3s}{SP-(PV0+Δ32)}……(27)控制计算单元6-4c连接至加热器H4，偏差计算单元5-43b和温度传感器，并计算向加热器H4的操纵变量输出MV4MV4＝Kg4{1+(1/Ti4s)+Td4s}{SP-(PV0+Δ43)}……(28)因此，与第四实施例相比，第五实施例能使结构简化。
(第六实施例)下面将参考图7，描述根据本发明第六实施例的控制装置。第六实施例是第一实施例的又一更详细的示例，描述使用两个控制激励器(气流控制阀Va11和Va12)的流速比控制。
控制装置包括偏差计算单元5-12d和5-21d，以及控制计算单元6-1和6-2。图7未示出调整点输入单元1，第一受控变量输入单元2，第二受控变量输入单元3，和关系变量调整点输入单元4。
根据第六实施例的压力控制系统包括压力传感器PS0，其测量两种气体的混合物的压力(第一受控变量)PV0；气流控制阀Va11和Va12，其控制两种气体的流速；和流速传感器FS1和FS2，其测量受阀Va11和Va12控制的气体流速(第二受控变量)PV1和PV2。压力控制系统的第一目标是使压力PV0与预定的调整点SP相一致。
第二目标是使流速PV1和PV2的流速比(受控变量比)与预定的关系变量调整点d12相一致。
在第六实施例中，控制装置的处理流程也和图2所示的流程相同。
偏差计算单元5-12d，基于由流速传感器FS1和FS2测量的并从第二受控变量输入单元3(未示出)输入的第二受控变量PV1和PV2，和从关系变量调整点输入单元4(未示出)输入的关系变量调整点d12，通过用传递函数表示的下列等式，计算流速比PV1/PV2与关系变量调整点d12之间的偏差Δ12Δ12＝(PV1/PV2-d12)K12/(1+T12s) ……(29)
同样，偏差计算单元5-21d，基于第二受控变量PV1和PV2和关系变量调整点d12，通过用传递函数表示的下列等式，计算流速比PV1/PV2与关系变量调整点d12之间的偏差Δ21Δ21＝(d12-PV1/PV2)K21/(1+T21s) ……(30)在等式(29)和(30)中，K12和K21是用来根据与关系变量调整点d12相一致的重要性，对流速PV1和PV2的流速比加权的增益系数。增益系数是大于0的正值，一般为1。当使压力PV0与调整点SP相一致的第一目标，比使流速PV1和PV2的流速比与关系变量调整点d12相一致的第二目标更重要时，增益系数K12和K21就调小。当第二目标比第一目标更重要时，增益系数K12和K21就调大。
为避免偏差Δ12和Δ21中的突变而用的一阶时滞滤波时间常数T12和T21，充分调整为几乎等于例如控制计算单元6-1和6-2的积分时间Ti1和Ti2。在第六实施例中，T12＝Ti1，T21＝Ti2。
控制计算单元6-1，基于从调整点输入单元1(未示)输入的调整点SP，从压力传感器PS0并从第一受控变量输入单元2(未示)输入的第一受控变量PV0，和从偏差计算单元5-12d输入的偏差Δ12，利用等式(6)，计算向气流控制阀Va11的操纵变量输出MV1。
同样，控制计算单元6-2，基于调整点SP，第一受控变量PV0，和从偏差计算单元5-21d输入的偏差Δ21，利用等式(8)计算向气流控制阀Va12的操纵变量输出MV2。
用这种处理，第六实施例能使压力PV0精确地与调整点SP相一致，使流速PV1和PV2的流速比与关系变量调整点12相一致。第六实施例能利用增益系数K12和K21，对使压力PV0与调整点SP的第一目标，和使流速PV1和PV2的流速比与关系变量调整点d12相一致的第二目标的优先级进行调整。
在第六实施例中，利用滤波时间常数T12和T21，进行偏差Δ的时滞滤波。在控制期间由关系变量调整点d12中的变化引起的偏差Δ12和Δ21中的突变能够避免，实现稳定的控制。
(第七实施例)下面将参考图8，描述根据本发明第七实施例的控制装置。在图8中，与图7中相同的参考号码指示同样的部件。在第六实施例中，安装有涉及压力控制和流速比控制的所有部件。即使只安装最少数目的构成部件，象第六实施例那样，也能得到同样效果。
第七实施例不采用第六实施例中的偏差计算单元5-12d。控制计算单元6-1a不将偏差Δ12加至第一受控变量PV0，这与控制计算单元6-1不同。更详细地说，控制计算单元6-1a利用上述等式(5)，计算向加热器H1的操纵变量输出MV1。所以与第六实施例相比，第七实施例能使结构简化。
在上述实施例中，关系变量表示两个第二受控变量之间的关系。当从三个或更多第二受控变量获得一个关系变量时，也能应用本发明。
本发明执行偏差计算程序计算第二受控变量之间的关系变量，这些第二受控变量是为保持预定的关系，事先从测得的第二受控变量中指定的；计算偏差，作为计算得的关系变量与相应的关系变量调整点之间的差，并执行反馈控制计算程序将计算得的偏差加至测得的第一受控变量；通过进行使和值与受控变量调整点相一致的反馈控制计算，计算操纵变量；和向相应的控制激励器输出操纵变量。
这些程序能使第一受控变量精确地与预定的受控变量调整点相一致，使第二受控变量之间的关系变量与预定的关系变量调整点相一致。
本发明能省去在实际控制之前，事先研究受控变量之间的关系的步骤。不需许多步骤，就能容易地使第一受控变量与受控变量调整点相一致，并能使第二受控变量之间的关系变量与关系变量调整点相一致。
除此之外，为偏差进行时滞滤波，能避免在控制期间由关系变量调整点的变化引起的偏差中的突变，实现稳定的控制。
根据使关系变量与关系变量调整点相一致的重要性，以增益系数相乘，对相应的偏差加权。这种调整方法，能对使第一受控变量与预定的受控变量调整点相一致的第一目标，和使第二受控变量之间的关系变量与关系变量调整点相一致的第二目标的优先级，进行调整。
当存在多个第二目标时，多个第二目标中的优先级也能调整。
权利要求
1.一种控制方法，其特征在于包括步骤使第一受控变量与预定的受控变量调整点相一致；计算关系变量，关系变量表示为保持预定的关系、事先从测得的不同于第一受控变量的那些第二受控变量中指定的在第二受控变量之间的关系；和对控制激励器进行控制，以使计算得的关系变量与预定的关系变量调整点相一致，控制步骤包括步骤对计算得的关系变量和与计算得的关系变量相应的关系变量调整点之间的差值，进行计算；将计算得的差值加至测得的第一受控变量；通过进行使和值与受控变量调整点相一致的反馈控制计算，计算操纵变量；和向相应的控制激励器输出计算的操纵变量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算差值的步骤，包括进行差值的时滞滤波步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算差值的步骤包括步骤根据使关系变量与关系变量调整点相一致的重要性，以加权增益系数乘相应的差值。
4.一种控制装置，其特征在于包括多个控制激励器(7)，它们是与多个第二受控变量相对应的设置的；关系变量计算装置(5-ija，5-jia)，其用于计算关系变量，所述关系变量表示为保持预定的关系，事先从测得的那些第二受控变量中指定的第二受控变量之间的关系；差值计算装置(5-ijb，5-jib)，其用于对计算得的关系变量与相应的关系变量调整点之间的差值进行计算，作为偏差；加法装置(6-1a，6-2a，…，6-na)，其用于将偏差加至测得的第一受控变量；操纵变量计算装置(6-1b，6-2b，…，6-nb)，其用于计算操纵变量，以使和值与受控变量调整点相一致；和操纵变量输出装置(6-1c，6-2c，…，6-nc)，其用于向相应的控制激励器(7)输出操纵变量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述差值计算装置(5-ijb，5-jib)，对偏差进行时滞滤波，并向所述加法装置(6-1a，6-2a，…，6-na)，输出已经受时滞滤波的偏差。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述差值计算装置(5-ijb，5-jib)，根据使关系变量与关系变量调整点相一致的重要性，用增益系数乘相应的偏差，和增益系数对偏差加权。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述多个控制激励器(7)包括加热或冷却激励器，所述关系变量计算装置(5-ija，5-jia)，用靠近所述多个控制激励器的温度作为第二受控变量，并用不同的第二受控变量之间的温度差作为关系变量，和所述加法装置(6-1a，6-2a，…，6-na)用能由所述多个控制激励器控制的温度作为第一受控变量。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述多个控制激励器(7)包括气流控制阀，所述关系变量计算装置(5-ija，5-jia)，用由所述多个控制激励器(7)控制的多个气流速度作为第二受控变量，并用不同的第二受控变量之间的气流速度比作为关系变量，以及所述加法装置(6-1a，6-2a，…，6-na)用能由所述多个控制激励器(7)控制的气体混合物压力作第一受控变量。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述操纵变量计算装置(6-1b，6-2b，…，6-nb)，通过进行反馈控制计算，计算操纵变量。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于进一步包括调整点输入装置(1)，其用于输入第一受控变量的调整点。
11.根据权利要求4所述的装置，其特征在于进一步包括第一受控变量输入装置(2)，其用于输入由传感器(7)测量的第一受控变量，传感器(7)设置在第一受控变量测量点。
12.根据权利要求4所述的装置，其特征在于进一步包括第二受控变量输入装置(3)，其用于输入由传感器(8)测量的第二受控变量，传感器(8)设置在第二受控变量测量点。
13.根据权利要求4所述的装置，其特征在于进一步包括关系变量调整点输入装置(4)，其用于输入第二受控变量之间的关系变量的关系变量调整点。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于受控变量差和受控变量比两者之一，用作第二受控变量之间的关系变量。
15.根据权利要求4所述的装置，其特征在于设PVj和PVi为第二受控变量，dij为第二受控变量PVj和PVi之间的关系变量的关系变量调整点，Δji为偏差，所述差值计算装置(5-ijb，5-jib)计算偏差ΔjiΔji＝PVi-PVi+dij(i≠ji和j为1(包含)至n(包含)的整数)。
16.根据权利要求4所述的装置，其特征在于设PVj和PVi为第二受控变量，dij为第二受控变量PVj和PVi之间的关系变量的关系变量调整点，Δji为偏差，所述差值计算装置(5-ijb，5-jib)计算偏差ΔjiΔji＝PVj/PVi+dij(i≠ji和j为1(包含)至n(包含)的整数)。
17.根据权利要求4所述的装置，其特征在于设MV为主要影响第二受控变量PV的控制激励器的操纵变量，Kg、Ti和Td分别为所述操纵变量计算装置(6-1b，6-2b，…，6-nb)的比例增益系数、积分时间和偏差时间，PV0为第一受控变量，Δ为偏差，和s为拉普拉斯算子，所述操纵变量计算装置(6-1b，6-2b，…，6-nb)计算操纵变量MV＝Kg{1+(1/Tis)+Tds}(SP-(PV0+Δ))
全文摘要
在控制方法中，第一受控变量被做成与预定的受控变量调整点相一致。计算关系变量，关系变量表示为保持预定的关系，事先从测得的与第一受控变量不同的第二受控变量中指定的第二受控变量之间的关系。控制控制激励器，使计算得的关系变量与预定的关系变量调整点相一致。对计算得的关系变量和与计算得的关系变量相应的关系变量调整点之间的差值，进行计算。计算得的差值加至测得的第一受控变量。通过使和值与受控变量调整点相一致的反馈控制计算，计算操纵变量，向相应的控制激励器输出计算得的操纵变量。同时披露了控制装置。
文档编号G05B11/36GK1462915SQ03137810
公开日2003年12月24日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者田中雅人 申请人:株式会社山武