专利名称：加热器和电机控制的制作方法
技术领域：
本申请要求2008年7月2日提交的美国申请序列号为61/077，663的优先权，其 内容通过引用结合于此。
背景技术：
已将各种控制方法用于控制电机、加热器等。尽管大多数通常是有效的，但它们均 具有它们自身的怪癖和不足。控制最基本的形式是开/关。在该控制策略下，当温度低于设定点时完全开启，而 当温度高于设定点时完全关断。由于不能防止由加热器的要素(momentum)引起的过调和 欠调，所以该技术在如何能更好地控制温度方面，尤其在具有快的温度变化的情况下，受到 限制。开/关控制用于没有软件(即基本恒温器)、非常有限的软件或者硬件是在短的时 间周期上不能脉动占空因数的情形。例如较旧的微波基于由用户提供的功率设定来使用带 有中继的开/关技术。比例-积分-微分控制(PID)是当想起控制系统时通常出现在脑海中的控制方 法。这是非常流行的通用控制形式，其结合了控制斜率和中心值的方法。PID建立简单，并 且非常直观。PID控制使用三个单独的值以产生“控制值”，该“控制值”表示将要应用于负载的 可用功率的百分比。这些项是比例值、积分值和导数值。比例值由从测量的温度到设定点的距离(“误差”)乘以常数来设定。该值完全忘 记过去的测量并用于在测量变化时调节控制值。在积分值有起反应的时间之前，在新的测 量时立即进行这些调节。积分值是误差值随时间推移的总和乘以常数。该项是迫使温度接近设定点的项。导数值是温度变化的速率乘以常数。如名称所暗示地，该值的目的用于限制变化率。如此说明以上项的主要目的是能够暴露PID控制的弱点。应指出的是，三个值中 的每个均利用固定的常数来产生。PID控制的效率对于是否合适地选择了这些常数敏感，并 且这取决于被控制的系统。任何时间，系统以诸如加热不同的材料或以不同的流率分配的 不同方式操作，则所述值不再是最佳的，并且会导致差的温度调节。该最终结果是，真正通 用的系统不可能具有固定的PID控制。先进的PID控制需要添加自动调谐。
发明内容
本发明的控制方法使用以下方案控制值(CV)=比例值(PV) +导数值(DV) +导数 校正(DC)其中PV从0至MAX，并在非常窄的区域一在温度控制示例中从设定点加上或减去 1°C上操作，并用于稳定CV和强化设定点。DV从-MAX至MAX，并且随时间常数指数地衰减，以将最新的值加权得比较旧的值重得多。这允许该控制经受(see)真实导数，而不管会以 其他方式掩盖真实导数并完全在小的时间窗内的大步长。DC从-MAX到MAX，并使该方案对 任何情形起作用。基于图表定义预期的导数。然后调整该导数，以在斜率不跟随理想的定 义时补偿。对该预期的导数取平均值与DV不同，并且占用较宽的时间范围。PV, DV和DC相对于彼此的缩放(scale)是重要的。从以下结合附图做出的说明，本发明的这些及其他的目的和优点将更充分地显 现，在附图中，相同的附图标记在多个视图中指示相同或相似的部分。
图1和2示出比例带对于具有不同功率水平需求的方案如何演化。图3示出在具有固定的导数常数的情况下能够出现的响应。
具体实施例方式为温度控制模块发明自适应控制技术，以在本领域可见到的各种设置中提供能够 控制任何加热器的平台。PID控制的限制通过对温度控制采用不同的方法来克服。在产生控制算法中，应指出的是，温度控制分为两个关键方面达到设定点的斜 率控制和到达设定点之后的稳态控制。这些方面可彼此稍微独立地处理、尤其地对于诸如 Graco' s THERM-0-FL0W压板的非常慢的系统。控制算法需要解决该事实，以便成功。积分项在控制中是成问题的，并且由于其是过去的误差的总和，所以积分项可以 实际上被认为等同于权宜之计(band-aid)。带有积分项的问题在于，在温度低于设定点时， 积分项通过累加太大的值而具有在控制中产生振荡的趋势，而当高于设定点时，反之亦然。 这些振荡是需要调谐PID算法的原因，以平衡PID常数，以企图使振荡最小化。该平衡还是 当系统改变时PID控制可以造成差的调节的原因。积分项的目的是提供迫使温度接近设定点的手段，并且该手段明显是必需的。设 计一种独特的解决方案。在不出现积分的长延迟的情况下，由于控制值随测量变化而自动 地调整，所以比例带非常精细。需要的是合适地设置比例带，使得不再需要积分项。在解决该有挑战性的问题的许多不同的尝试之后出现的解决方案是使用作为比 例和导数值的组合的当前控制值，以适应比例带。围绕如何实现所述情形的细节是复杂的， 但基本上，当控制值超过比例带的中间时，比例带上移，而当控制值小于比例带的中间时， 比例带下移。结果，比例带到加热器达到温度时精确地位于适当的位置，并且当系统改变 (即比例器从无效到喷淋泡沫)时根据需要即时适应。通过该适应性比例带的产生，能够消 除积分项。除适应之外，存在比例带的多个特征。该带从全值到零值不是线性的；而是，基于 已通过适应选择的中点来归一化该带的尺寸。这样，名义上需要5%的占空因数的加热器可 以在比例带中经受0.5%的步长，然而，需要50%的加热器可以经受5%的步长。归一化对 于低流率的严格控制是有价值的。参见以下示例的图表，示出比例带对于具有不同功率水 平需求的方案如何演化。由于在两种情况之间的配置设定中必需没有变化，所以这两个带 突出了比例带的适应能力。在图表中应指出的是，以两种方式缩放比例带。第一种方式是在基于指定的步进百分比(st印percentage)的比例界限内。第二种方式是在比例带与控制带的边缘之间， 其中从带的边缘处的比例值到控制带的边缘处的全值线性地应用缩放。这提供比例带内归 一化的高分辨率控制值以及与导数值结合的可配置壁，以阻止比例带外突然的温度漂移。还为导数控制作出改进。在导数值后典型的思想是保持温度变化慢到足以防止出 现过调和欠调。代替基于接近设定点定义预期的斜率和利用导数值以实现上述情形，在此 采用来自规范的不同方法。以下的图表示出在具有固定的导数常数的情况下会出现的响应。欠阻尼情况由于 控制值没有斜坡后退足够快而出现，而过阻尼情况是由控制值斜坡后退太多产生的慢的加 热时间。对于泵送应用，低流率产生欠阻尼情形，以及高流率产生过阻尼情形。仅中间流率 经受最优控制，其稍微欠阻尼，使得温度上升迅速，但不会显著过调。在无适应性斜率控制的情况下，利用严重的欠阻尼的保守方法是防止过调和欠调 的必由之路。加热时间相应地比它们所能够进行加热时间慢得多。该适应性斜率控制的新方法可以产生任一类型的阻尼，并且由于控制输出基于预 期斜率，所以该新方法可以强化特定的加热器所能经受的整个应用范围上的参数。预期斜 率不同值的选择允许用于基于响应时间与可控性之间的折衷来构造他们的系统。用于产生 预期斜率的基本项是适应性阻力项。算法利用多层面(multi-faceted)计算来不断地修正 阻力项。如同该控制算法大部分的方面一样，适应不是线性的。而是指数的。接近设定点， 采用包括导数阻力适应的指数方面的特殊技巧，其使导数项基本上冬眠(hibernate)，直到 见到在一个方向上的温度变化为止。这使导数在处于稳态时相对无效，其中比例值必需是 控制值的主要贡献者。出自冬眠的加速度是可配置的，并且对于需要快速响应的系统可以 非常迅速(小于一秒)，或者对于一旦达到设定点就不需要斜率控制的系统可以非常慢。本发明的控制方法使用以下方案控制值(CV)=比例值(PV) +导数值(DV) +导数 校正(DC)，·Ρν从0至MAX，并在非常窄的带一在温度控制示例中从设定点加上或减去1°C上 操作，并用于稳定CV和强化设定点。*DV从-MAX至MAX，并且随时间常数指数衰减，以将最新的值加权得比旧的值重得 多。这允许控制了解真实导数，不管以其他方式可能掩盖真实导数并完全在小的时间窗内 的大的步长。*DC从-MAX到MAX，并使该方案对任何情形起作用。基于图表定义预期的导数。然 后调整该导数，以在斜率不跟随理想的定义时补偿。对该预期的导数取平均值与DV不同， 并且占用较宽的时间范围。适应性控制技术在本领域可见到的各种设置中提供能够控制任何加热器的平台。 PID控制的限制通过对温度控制采用不同的方法来克服。在产生控制算法中，应指出的是，温度控制能够分为两个关键方面达到设定点的 斜率控制以及到达设定点之后的稳态控制。这些方面可以彼此稍微独立地处理、尤其地对 于诸如Graco' s THERM-0-FL0W 压板的非常慢的系统。控制算法需要解决该事实，以便 成功。积分项在控制中是成问题的，并且由于其是过去的误差的总和，所以积分项可以实际上被认为等同于权宜之计。带有积分项的问题是，在温度低于设定点时积分项通过累 加太大的值而具有在控制中产生振荡的趋势，以及在高于设定点时反之亦然。这些振荡是 需要调谐PID算法的原因，以平衡PID常数，以企图使振荡最小化。当系统改变时，该平衡 还是PID控制可能导致差的调节的原因。积分项的目的是提供迫使温度接近设定点的手段，并且该手段明显是必需的。设 计一种独特的解决方案。在不出现积分的长延迟的情况下，由于控制值随测量变化而自动 地调整，所以比例带非常精细。需要的是合适地设置比例带，使得不再需要积分项。本发明要使用作为比例和导数值的组合的当前控制值，以适应比例带。围绕如何 实现所述情形的细节是复杂的，但基本上，当控制值超过比例带的中间时，比例带上移，以 及当控制值小于比例带的中间时，比例带下移。结果，比例带在加热器达到温度时精确地位 于适当的位置，并且当系统改变(即，比例器从无效到喷淋泡沫)时根据需要即时适应。通 过该适应的比例带的产生，能够消除积分项。除适应性之外，存在比例带的多个特征。该带从全值到没有值不是线性的；而是， 基于已通过适应选择的中点来归一化该带的尺寸。这样，名义上需要5%的占空因数的加热 器可以在比例带中经受0.5%的步长，然而，需要50%的加热器可以经受5%的步长。归一 化对于低流率的严格控制是有价值的。同样以两种方式缩放比例带。第一种方式是在基于指定的步进百分比的比例界限 内。第二种方式是在比例带与控制带的边缘之间，其中从带的边缘处的比例值到控制带的 边缘处的全值线性地应用缩放。这提供比例带内归一化的高分辨率控制值以及与导数值结 合的难以逾越的障碍，以对抗比例带外突然的温度漂移。还为导数控制作出改进。在导数值之后典型的思想是保持温度变化慢到足以防止 出现过调和欠调。代替基于接近设定点来定义预期的斜率和利用导数值以实现上述情形， 在此采用来自规范的不同方法。产生预期斜率是困难的，并利用适应性阻力项实现。如同控制算法大部分的方面 一样，适应不是线性的。而是指数的。接近设定点，采用包括导数阻力适应的指数方面的特 殊技巧，其使导数项基本上冬眠，直到见到在一个方向上的温度变化为止。这使导数在处于 稳态时相对无效，其中比例值必需是控制值的主要贡献者。出自冬眠的加速度是可配置的， 并且对于需要快速响应的系统可以非常迅速(小于一秒)，或者对于一旦达到设定点就不 需要斜率控制的系统可以非常慢。可配置的设定可用于使端组能够优化它们系统的控制。这些配置中的三个配置是 关键的，而其他配置被提供以使系统完全可配置，并且不应要求从缺省值起的大量精细调 谐。由于算法非常稳定一关键是处于合适的一般活动领域，所以值宽的范围应对任何系统 起作用。需要设定的主值是时间常数，该时间常数告诉软件预计系统改变有多快和反应有 多快。以下是关键设定预期斜率·指定加热器随其达到温度时预期的轮廓。·导数值负责强化预期的斜率。可用于设定的预期斜率值在控制界限与比例界限 之间为常数，然后该预期斜率值在比例界限与设定点之间线性地减弱，以在设定点处产生软到达。导数适应周期·指定对从预期斜率参数的偏离的倾斜的响应速度·该值应设定成类似于比例带适应周期·慢的系统将希望该项至少为10秒·快的系统将希望保持该项为单数位秒比例带适应周期 为了消除稳态中的振荡，适应周期可用于配置。该设定允许组完全消除温度控制 中的波动。 宽的周期范围对给定的系统起作用。关键是使周期长到足以消除波动，但短到足 以对系统中的变化起反应·设定该值的最容易的方式是选择相对小的数，然后观察温度控制中的振荡。这 些振荡应该是稍微正弦的。如果振荡周期每隔30秒重现，则至少30秒的值足以消除振荡。 振荡中最大的因素是热的应用与达到RTD处的热的变化之间的时间量。带有差设置的RTD 的系统需要长的时间周期，以消除振荡。以下的附加设定是可利用的控制范围·设定从设定点起的相对温度范围，其中，控制算法是有效的·如果温度高于上限，则将控制输出设定为零·如果温度低于下限，则将控制输出设定为最大值·比例值在比例界限与控制界限的边缘之间线性地缩放比例界限·确定“每度的比例贡献”有效的范围每度的比例贡献百分比·在比例带内，利用设定点处的值加上从设定点起的距离乘以该配置的百分比的 步长来设定控制值的比例部分。例如，当比例带的中心点适应于20%的占空因数时，每 0. rc 5%的设定高于设定点一度产生10%的占空因数，而低于设定点一度产生30%的占 空因数。 该值对于良好的控制不是关键的，但是是可用的有用设定。具有慢的加热时间和 非常紧密的控制的系统最好为每度的百分比变化选择小的值(即2% )，而较快的系统将希 望使用较大的百分比(即5%)。导数模式(可用于导数模式的两种选择)· LIMIT_PR0P0RTI0NAL_VALUEο由比例值来确定控制值ο将导数值用于限制最大控制值ο这是用于控制慢的系统的最佳选择· ADD_T0_PR0P0RT10NAL_VALUEο由比例值加上导数值来确定控制值ο这是用于控制快的系统的最佳选择
导数时间常数·选择确定了导数的周期·快的系统需要短的时间常数，以便对温度变化迅速地起反应(即0. 5秒)·由于温度变化小到需要几秒钟，以便记录精确的斜率，所以慢的系统将希望使用 长的时间周期导数贡献限制·可在负侧和正侧上限制导数贡献的最大量·这主要可用于测试目的，但其有些组会希望限制导数项的强度比例贡献·比例值可仅是正的，并且通常为测试目的提供限制其最大值的能力。导数阻力 可配置最大和最小的导数阻力值。软件适应性地产生其自身的限制，但所述限制 在任何组发现需要进一步限制它们的情况下仍然是可用的。导数适应加速度·当看到实质的温度变化时，导数阻力能够非常快速地适应，而当变化不是那么大 时，导数阻力适应较慢。这是因为加速度是可利用的。例如，将该值设定为10，在阻止导数 项与稳态控制干涉的同时，允许对反应器(Reactor)的枪触发(gun triggering)几乎瞬时 的响应。由于箱罐不需要加速适应，所以非常靠近1的值是合乎需要的。适应性控制技术在本领域可见到的各种设置中提供能够控制任何加热器或其他 电装置的平台。PID控制的限制通过对温度控制采用不同的方法来克服。在产生控制算法中，应指出的是，温度控制分为两个关键方面达到设定点的斜率 控制以及到达设定点之后的稳态控制。这些方面可彼此稍微独立地处理、尤其地对于非常 慢的系统。控制算法需要解决该事实，以便成功。积分项在控制中是成问题的，并且由于其是过去的误差的总和，所以积分项可以 实际上被认为等同于权宜之计。带有积分项的问题是，在温度低于设定点时，积分项通过累 加太大的值而具有在控制中产生振荡的趋势，并且当高于设定点时反之亦然。这些振荡是 需要调谐PID算法的原因，以平衡PID常数，以企图使振荡最小化。当系统改变时，该平衡 还是PID控制可能导致差的调节的原因。预期斜率·指定加热器随其达到温度时预期的轮廓。·导数值负责强化预期的斜率。可用于设定的预期斜率值在控制界限与比例界限 之间为常数，然后该预期斜率值在比例界限与设定点之间线性地减弱，以在设定点处产生 软到达。导数适应周期·指定对从预期斜率参数的偏离的倾斜的响应速度·该值应该设定成类似于比例带适应周期·慢的系统将希望该项至少为10秒·快的系统将希望保持该项为单数位秒比例带适应周期
为了消除稳定状态中的振荡，适应周期对于配置是可利用的。该设定允许各组完 全消除温度控制中的波动。 宽的周期范围对给定的系统起作用。关键是使周期长到足以消除波动，但短到足 以对系统中的变化起反应·设定该值的最容易的方式是选择相对小的数，然后观察温度控制中的振荡。这 些振荡应该是稍微正弦的。如果振荡周期每隔30秒重现，则至少30秒的值足以消除振荡。 振荡中最大的因素是热的应用与达到RTD的热的变化之间的时间量。带有差设置的RTD的 系统需要长的时间周期，以消除振荡。可利用的附加设定控制范围·设定从设定点起的相对温度范围，其中，控制算法是有效的·如果温度高于上限，则将控制输出设定为零·如果温度低于下限，则将控制输出设定为最大值·比例值在比例界限与控制界限的边缘之间线性地缩放比例界限·确定“每度的比例贡献”有效的范围每度的比例贡献百分比·在比例带内，利用设定点处的值加上从设定点起的距离乘以该配置的百分比的 步长来设定控制值的比例部分。例如，当比例带的中心点适应于20%的占空因数时，每 0. rc 5%的设定高于设定点一度产生10%的占空因数，而低于设定点一度产生30%的占 空因数。·该值对于良好的控制不是关键的，但是是可利用的有用设定。具有慢的加热时间和非常紧密的控制的系统最好为每度的百分比变化选择小的 值(即2%)，而较快的系统将希望使用较大的百分比(即5%)。导数模式·两种选择可用于导数模式LIMIT_PR0P0RTI0NAL_VALUE由比例值来确定控制值将导数值用于限制最大控制值这是用于控制慢的系统的最佳选择ADD_T0_PR0P0RTI0NAL_VALUE由比例值加上导数值来确定控制值这是用于控制快的系统的最佳选择导数时间常数·选择确定了导数的周期 快的系统需要短的时间常数，以便对温度变化迅速地起反应(即0. 5秒)。由于 温度变化小到需要几秒钟，以便记录精确的斜率，所以慢的系统将希望使用长的时间周期导数贡献限制·可在负侧和正侧上限制导数贡献的最大量
·这主要可用于测试目的，但有些组会希望限制导数项的强度比例贡献·比例值可仅是正的，并且通常为了测试目的提供限制其最大值的能力。导数阻力 可配置最大和最小的导数阻力值。软件适应性地产生其自身的限制，但所述限制 在任何组发现需要进一步限制它们的情况下仍然是可利用的。导数适应加速度·当看到实质的温度变化时，导数阻力能够非常快速地适应，而当变化不是那么大 时，导数阻力适应较慢。这是因为加速度有效。例如，将该值设定为10在阻止导数项与稳 态控制干涉的同时，允许对喷淋泡沫的涂布器的枪触发几乎瞬时的响应。由于箱罐不需要 加速适应，所以非常靠近1的值是合乎需要的。可设想的是，在不偏离如所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况 下，可对控制作出各种变化和改进。
权利要求
1.一种通过产生控制值以达到设定点的控制电装置的方法，所述方法包括步骤 产生具有中心、最小值和最大值的比例值(PV)范围，以及其中所述PV使得在先的控制值的平均数表示所述PV范围的所述中心，以及所述PV最小值和所述PV最大值随时间被重 新调节，以反映所述装置的响应；产生反映随时间变化的导数值(DV)，所述导数值将最新的值加权得比较旧的值更重； 产生表示响应的预期斜率的导数校正(DC)；以及 将PV、DV和DC加起来以产生控制值，并将所述控制值应用于所述电装置。
2.根据权利要求1所述的方法，所述电装置为加热器。
3.根据权利要求1所述的方法，所述电装置为电机。
全文摘要
控制方法使用以下方案控制值(CV)＝比例值(PV)+导数值(DV)+导数校正(DC)，其中PV从0至MAX，并在非常窄的区域一在温度控制示例中从设定点加上或减去1℃上操作，并用于稳定CV和强化设定点。DV从-MAX至MAX，并且随时间常数指数衰减，以将最新的值加权得比较旧的值更重。这允许控制经受真实导数，而不管可能以其他方式掩盖真实导数并且在小的时间窗内的大步长。DC从-MAX到MAX，并使该方案对任何情形起作用。基于图表定义预期导数。然后调整该导数，以在斜率不跟随理想的定义时补偿。
文档编号G05B13/00GK102084302SQ200980125739
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月22日 优先权日2008年7月2日
发明者马克·J·布吕德沃尔德 申请人:格雷索明尼苏达有限公司