专利名称：高级的比例加积分加微分控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及比例加积分加微分(PID)控制器，更具体的是涉及PID控制器，它能产生多种算法而不受所用硬件的限制。
比例加积分加微分(PID)控制的一般概念在本领域中是众所周知的。这种类型的控制在最初用于时钟机构和蒸汽机调速器时、在二十世纪早期首次从数学角度被描述。PID控制的使用导致了这样一个概念的进一步发展，即PID控制器可用于相当大量的过程控制中。
PID控制器的发展导致了现在这种基本算法的丰富的变型。这些变型是由可使用的硬件所具的限制而造成的。PID算法的三种基本形式是并行算法(方程1)、非交互算法(方程2)和交互算法(方程3)，如下所示U(t)＝Kc(e(t)+KI(e(t))/(s) +KDse(t)) (1)U(t)＝Kpe(t)+KI(e(t))/(s) +KDse(t) (2)U(t)＝Kc〔Kpe(t)+KDse(t)〕〔1+KIs〕]]>(3)其中U(t)＝t时刻由PID计算出的控制信号e(t)＝t时刻过程变量测量值与参考轨迹值之间的误差值
Kc＝控制器的总增益(输出量/误差量)Kp＝比例增益(输出量/误差量)KI＝积分增益(输出量/分钟量·误差量)KD＝微分增益(输出量·分钟量/误差量)S＝拉普拉斯算子这些基本PID算法的三种变型一直延用着。这些算法的变型既可以是位置形式，也可以是速度形式。微分项可以由一个误差信号或一个实际测量值计算得出，而且微分项可以直接计算出或通过利用超前迟后计算得到。
上面表示的方程1、2和3是以位置形式书写的。在相应的速度方程式中，误差信号由误差信号的变化量所代替，并且控制作用的变化量可以由该标准方程1、2和3计算得出。这个控制作用变化量对时间的积分产生一个控制作用。在正常的工作状态下，使用位置形式算法与它对应的速度形式算法并没有性能上的差别。然而，在饱和状态下，即控制作用受其极限值之一限制时，使用上述两种算法得到的性能是十分不同的，使用速度形式算法只要起作用的误差信号的绝对值减小，就脱离极限值的约束，对比之下，位置形式算法只有在误差信号的符号改变时，才会脱离极限值的约束。
方程1、2和3的写法是为了便于对误差信号施加微分作用。这些算法一个通行的变型是在微分项计算时用过程测量值代替误差信号。这种变化导致在设定值之间过程更为平滑的过渡，而对扰动抑制则无不利影响。
此外，方程1，2和3的写法适合于直接计算微分项。典型地，这种计算可用一个工作在时间常数为微分时间10%的一阶滤波器实现。如下所示，方程4说明了微分计算的这种实现。这种改进形式是为了使过程噪声对控制信号的影响减至最小微分项＝ (KDS)/(0.1KDS+1) (4)PID算法的另一种通常的改进形式是外部复位(externalreset)。方程式3的这种变型是在积分方程中用一个外部测量值来代替控制输出。这种改进形式用来防止由于串级控制方式中内环饱和时积分项的中断。
已有技术的工业PID控制器使得用户只能根据硬件的选择来确定各种算法形式的选择。因此，在一个控制中所使用的硬件就决定了可使用的算法形式。由于这种限制，所以一直希望发展出一种能产生不受所用硬件限制的多种算法形式的PID控制器。
本发明通过提供一个比例加积分加微分控制器的一般实现，解决了已有技术中的有关问题及其它一些问题。这样一种控制器可以是MichaelP.Lukas所著的《DistributedControlSystem》(Von-NonstrandReinhold公司，1986)中所讨论的任何一种形式的控制器或它们的变型。由本发明所提供的几种选择形式允许使用者合适地根据特定问题的需要使用本发明。一个算法的选择形式允许选择一个非交互型控制器或一个经典的交互型控制器。一个非交互型控制器也许是以如下性质为特征的，即控制器三个模式中任何一个的调整不合影响其余模式的调整。对比之下，经典的交互型控制器显示了参数调整之间的相互作用，因此非常类似于模拟控制器的性能。
这种算法选择形式也选择了一个外部复位控制器。这个选择形式是基于经典的交互型算法，并提供一个在该PID算法之外控制积分作用的机构。外部复位提供了一个机构，用于协调复合控制(如串级机构)的控制器的作用。
图1是一个经典的交互型算法的一个方框图;
图2是图1所示算法的用拉氏变换形式表述的一个方框图;
图3是一个非交互型算法的一个方框图;
图4是图3所示算法的用拉氏变换形式表述的一个方框图;
图5是图1所示算法在复位模式情况下的方框图。
现在参照附图，它们用于描述本发明的最佳实施例，但并不限制本发明。图1是一个经典的交互型算法10的一个方框图，即积分项是比例项和微分项的一个函数。正因为这样，这个方框图由一个表示积分项的上端部分、一个表示比例项的中间部分和一个表示微分项的下端部分组成。现在看中间部分，一个表示要被控制的过程变量的信号施加于加法器12的负输入端，而一个设定值信号施加于加法器12的正输入端。加法器12的输出表示一个误差信号，被施加于一个比例乘法器14的输入端，在其中，该误差信号与因子KKP相乘。比例乘法器14的输出施加于一加法器16的正输入端。表示过程变量的信号也施加于一个加法器18的正输入端。一个表示以前的过程变量的信号通过一个Z变换函数方框20被加于加法器18的负输入端。加法器18的输出施加于一个比例乘法器22，该乘法器将输入信号与因子KKA相乘。比例乘法器22的输出施加于一加法器24的正输入端，该加法器的另一个正输入端与一个Z变换函数方框26相连接，方框26给出一个表示以前时刻的微分项的信号。加法器24的输出施加于一个比例乘法器28，其放大倍数是60KD/(60KD+KA△t)。比例乘法器28的输出表示了微分项，并加到一个高/低限幅器30，该限幅器30的输出施加于一个加法器16的负输入端。
关于算法的积分项，前一时刻的算法输出值通过一个Z变换函数方框34与一个开关36加到一个加法器32的负输入端。前一时刻的积分项通过一个Z变换函数方框38加于加法器32的正输入端，加法器32的输出施加于一个比例乘法器40，该乘法器的比例因子是60/(60+KI△t)，该放大器的输出施加于一个加法器42的正输入端。加法器42的另一个正输入端与开关36相连接。加法器42的输出表示了积分项，并被施加于一个高/低限幅器44，该限幅器的输出连接到加法器16的一个正输入端。加法器16的输出施加于一个高/低限幅器46，该限幅器的输出连接到一个加法器48的一个正输入端，该加法器的另一个正输入端接收一个前馈信号。加法器48的输出就是经典的交互型比例加积分加微分算法。
参照图2，它是图1所示算法以拉氏变换形式表述的一个方框图。那些与图1中所示单元类似的具有相同参考数字的单元将不再作进一步讨论。在图2中，那些在图1中产生微分项的单元已被比例乘法器50和52代替，它们相应的传递函数是60KKdS和1/(60 (Kd)/(Ka) S+1)。那些产生积分项的单元已被壤朔ㄆ 4所代替，其相应的传递函数是60Ki/S。加法器48的输出，被表示成CO，表示控制输出。
非交互型算法60的一个方框图如图3所示。这里同样地，对于那些类似于图1的有相同参考数字的单元将不再进一步讨论。图3与图1不同之处在于产生积分项的上端部分，它由不同的单元组成。在图3中，加法器12的输出表示误差信号，它被施加于比例乘法器14和比例乘法器62，62的比例因子是KKI△t/60，其输出端加至一加法器64的正输入端。前一时刻的积分项经过一个Z变换函数方框66加到加法器64的另一个正输入端。加法器64的输出端施加于一个高/低限幅器68的输入端，该限幅器的输出连接到加法器16的正输入端。加法器16的输出表示比例加积分加微分算法，被施加到高/低限幅器46，该限幅器的输出施加于加法器48，该加法器48的输出就是控制输出信号CO。
现在参照图4，它是图3所示算法用拉氏变换形式表述的一个方框图。同样，对于那些与前面各图类似、具有相同参考数字的单元不再进一步讨论。图4与图2的不同之处在于上端回路、即算法的积分项表示的形式不同。在图4中，加法器12的输出施加于比例乘法器14和用函数KKi/S表示的比例乘法器68。比例乘法器68的输出加到加法器16的一个正输入端，加法器16的输出产生控制信号CO。
图5是图1所示算法10的一个方框图，其中开关36处于手动复位位置。同样，对那些与图1类似的具有相同参考数字的单元不再进一步讨论。在图5中，通过将开关36置于外部复位位置，Z变换函数方框34就被省略了。因此，图5与图1不同之处仅在于上端部分、即产生算法积分项的部分。由处于复位位置的开关36产生的算法可用来计算前馈的输出和当算法规定被设置于2时算法的输出。
由前可知，显然，所产生的算法的形式依赖于对算法模式适当的选择。选择模式0，则PID输出是由如图1和图2所示的经典的交互型算法计算得出。该算法从以下意义上来说是交互的，即比例、积分或微分中任何一项的调整将改变其它项的有效值。相反地，选择模式1，则PID输出由一个如图3和图4所示的非交互型控制算法计算得出。对于这种类型的算法，比例、积分或微分项的分别调整对其它项不产生任何影响。此外，选择模式2，则PID输出由如图1所示的经典交互型算法计算得出，所不同之处是，在这种模式下，积分项如图5所示，是作为外部复位信号的一个函数而计算出的。最后，选择模式3，则PID输出仅由比例加微分项计算。
对于那些熟悉本领域的技术人员，在阅读前述说明书的基础上，可以对本发明作出某些更改或改进。应当指出，为了简明和易读起见，这样的更改或改进在这里已被删去，但仍然严格地被包含在如下的权利要求的范围之中。
权利要求
1.用于由一个过程变量信号产生一个过程控制信号的装置包括有将过程变量信号变换成与该过程变量信号成比例的第一信号的装置，将过程变量信号变换成该过程变量信号微商的一个函数的第二信号的装置，将过程变量信号变换成该过程变量信号积分的一个函数的第三信号的装置，以及将该第一、第二和第三信号综合起来产生过程控制信号的装置。
2.根据权利要求1所限定的装置，其中由过程变量信号产生第一信号的转换装置包含一个以拉氏变换形式表述的算法。
3.根据权利要求2所限定的装置，其中以拉氏变换形式表述的该算法是KKp。
4.根据权利要求1至3中任何一个权利要求所限定的装置，其中由过程变量信号产生第二信号的转换装置包含一个以拉氏变换形式表述的算法。
5.根据权利要求4所限定的装置，其中以拉氏变换形式表述的该算法是60KKdS+ (1/60Kd)/(KaS+1) ，。
6.根据前述任何一个权利要求所限定的装置，其中由过程变量信号产生第三信号的转换装置包含一个以拉氏变换形式表述的算法。
7.根据权利要求6所限定的装置，其中以拉氏变换形式表述的该算法是60Kt/S。
8.根据权利要求7所限定的装置，其中以拉氏变换形式表述的该算法是KKi/S。
9.根据前述任何一个权利要求所限定的装置，其中第一、第二和第三信号中任何一个信号的变化将引起第一、第二和第三信号中其余信号的变化。
10.根据权利要求1至权利要求8中任何一项权利要求所限定的装置，其中第一、第二和第三信号中任何一个信号的变化将不会引起第一、第二和第三信号中其余信号的变化。
全文摘要
本发明公开了包含一个算法模式选择的比例加积分加微分(PID)的控制器。该算法模式选择允许用户选择一个经典的交互型控制器或非交互型控制器。经典交互型控制器以比例、积分或微分中任何一项的调整会改变其它项的有效值这样的性质为特征。对照之下，非交互型控制器是以比例、积分或微分中任何一项的调整对其它项没有影响这样的性质为特征。
文档编号G05B11/42GK1036086SQ8810715
公开日1989年10月4日 申请日期1988年9月20日 优先权日1988年3月21日
发明者约翰·大卫·莱恩, 西奥多·恩·马茨考, 约瑟夫·加布里埃尔·佩特拉托马斯·杰·夏勃 申请人:巴布考克和威尔科斯公司