专利名称：反馈控制方法和反馈控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过程控制技术，特别是涉及反馈控制方法和反馈控制装置，它通过给受控目标操纵变量以便控制变量跟踪设定点而执行设定点跟踪(随动)控制。
一般的PID控制为线性控制理论，并且是一种假定包括被控制目标的控制系统是线性系统的控制理论。被控制的实际目标并不具有严格的线性，并且对于PID控制允许轻微的非线性。在半导体制造装置中在RTP(迅速热过程)中利用卤素灯加热通过高度非线性系统执行，PID控制不能简单地用于这种高度非线性系统。在这种情况下，即使PID控制能够解决跟踪控制系统的稳定性，但PID控制不能满足与RTP一样温度高速上升并且需要儿乎没有过冲(overshoot)的响应波形的条件。
假定控制系统的非线性能够由
图14中的特性曲线K近似。如果温度跟随设定点SP的阶跃变化以高速增加(阶跃响应)，操纵变量MV(加热输出)以很大的设定点SP和控制变量PV之间的偏差Er达到100％。平均过程增益特性曲线变为图14中的具有陡斜率的特性曲线Kav1。当温度升高并且偏差Er降低时，被操纵变量MV降低到约20％。与此一起，平均过程增益特性曲线变为图14中的具有中等斜率的特性曲线Kav2。
PID控制器的PID参数根据高速温度升高技术规范调节，并且PID控制器控制与图14中的系统一样的高度非线性系统的温度。温度升高轨线(阶跃响应波形)显示出了图15中所示的相对于设定点SP的阶跃变化的特性曲线PV。具体地说，控制具有较大过程增益的目标的过冲在第一半响应中在控制变量PV中发生。响应的第二半受到控制操作，其中用于控制具有极其小过程增益的目标到设定点SP的控制变量PV的跟踪极具缓慢。尽管能够获得图15中所示的温度升高轨线，但不能适当地控制需要几乎没有过冲响应波形的诸如半导体制造装置的目标。线性控制理论没有规定PID参数的调节，并且其调节非常困难。
诸如SAC的先进自适应控制是这样设计的，以至其能够自动修正控制计算单元的内部参数并且始终获得相对于被控制目标的过程增益特性曲线变化的合适控制特性曲线。为了适当自动修正(自适应操作)内部参数，在瞬态中控制计算必须执行满意的次数。在高速温度上升中，温度上升所需要的时间约为1.0至1.5秒。对于50毫秒的控制循环，在阶跃响应中控制计算的次数约为20至30。
在这种条件下，如图16B所示，设定跟踪由高度非线性特性曲线所引起的过程增益变化的控制计算次数是至多两次或三次。这种控制计算次数不足以执行自适应操作。在实际使用中，基于先进的自适应控制理论的方法至多能够最终获得控制稳定性，并且不能平稳地以高速增加高度非线性的被控制目标的温度。这种理论实质上是一种仅仅确保稳定性而不管高速温度升高的技术。至于许多应当预先设置以便用于适当自适应操作的参数，其设置没有实际使用标准。
如上所述，当要控制高度非线性系统时，传统的PID控制理论不能实现合适的设定点跟踪控制，并且也难于调节PID参数。
在诸如SAC的先进自适应控制理论中，当使高度非线性目标的控制变量以高速跟踪设定点时控制计算次数不足以执行自适应操作。不能实现合适的设定点跟踪控制，并且也难于调节参数。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种反馈控制方法，所述方法给被控制目标操纵变量以便使控制变量跟踪设定点，并且执行设定点跟踪控制，所述方法包括将设定点跟踪控制的响应过程分成三个阶段，即跟踪，收敛，及稳定阶段，及在作为跟踪阶段开始时间的设定点变化开始时间执行将阶段切换到跟踪阶段的第一阶段切换程序，在跟踪阶段中连续地输出使控制变量跟踪设定点的操纵变量的跟踪阶段操纵变量决定程序，在作为收敛阶段起始时间，即在跟踪阶段中控制变量不超过设定点的具体的设定点跟踪控制经过的时间，将阶段切换到收敛阶段的第二阶段切换程序，在收敛阶段中连续地输出使控制变量收敛到设定点附近的操纵变量的收敛阶段操纵变量决定程序，在作为稳定阶段起始时间，即在收敛阶段中控制变量达到预先设定情况的时间，将阶段切换到稳定阶段的第三阶段切换程序，及在稳定阶段中连续地输出使控制变量稳定在设定点的操纵变量的稳定阶段操纵变量决定程序。
图1A和1B示出了本发明中的跟踪阶段，收敛阶段，及稳定阶段的波形图。图1A示出了控制变量PV的变化(响应波形)，而图1B示出了操纵变量MV的变化。在响应过程中，跟踪阶段的范围从设定点SP变化起始点t1到具体的设定点跟踪控制经过时间t2，在时间t2控制变量PV不超过设定点SP。在跟踪阶段，连续输出操纵变量MV，利用该操纵变量MV设定点跟踪控制的响应波形不被扰乱并且控制变量PV跟踪设定点SP。
收敛阶段的范围从具体的设定点跟踪控制经过时间t2到时间t3，在时间t3控制变量达到预先选定的情况。在收敛阶段，连续输出操纵变量MV，利用该操纵变量MV设定点跟踪控制的响应波形不被扰乱并且控制变量PV收敛到设定点SP的附近。稳定阶段从时间t3开始，在时间t3控制变量达到预先选定的情况。在稳定阶段，连续输出操纵变量MV，利用该操纵变量MV控制变量PV稳定在设定点SP。
图2示出了本发明第一个实施例的反馈控制装置的布置。第一个实施例的反馈控制装置包括设定点输入单元1，控制变量输入单元2，第一阶段切换单元3，第二阶段切换单元4，第三阶段切换单元5，第一操纵变量决定单元6，第二操纵变量决定单元7，第三操纵变量决定单元8，及操纵变量输出单元9。设定点输入单元1输入由控制装置的操作者设定的设定点SP，控制变量输入单元2输入由传感器(未示出)探测的控制变量PV，第一阶段切换单元3在作为设定点改变起始时间的跟踪阶段开始时间t1执行切换到跟踪阶段，第二阶段切换单元4在作为收敛阶段起始时间t2，即在跟踪阶段中控制变量PV不超过设定点SP的具体的设定点跟踪控制经过时间，执行切换到收敛阶段，第三阶段切换单元5在作为稳定阶段起始时间t3，即在收敛阶段中控制变量达到预先设定情况的时间，执行切换到稳定阶段，第一操纵变量决定单元6在跟踪阶段中连续地输出使控制变量PV跟踪设定点SP的操纵变量MV，第二操纵变量决定单元7在收敛阶段中连续地输出使控制变量PV收敛到设定点SP的附近的操纵变量MV，第三操纵变量决定单元8在稳定阶段中连续地输出使控制变量PV稳定在设定点SP的操纵变量MV，操纵变量输出单元9将在每一阶段确定的操纵变量MV输出到受控目标(未示出)。
图3示出了图2所示的反馈控制装置的操作。设定点SP由控制装置的操作者设定，并且通过设定点输入单元1输入到第一阶段切换单元3，第二阶段切换单元4，第三阶段切换单元5，第一操纵变量决定单元6，第二操纵变量决定单元7，及第三操纵变量决定单元8中。
用于受控目标的控制变量PV由传感器(未示出)探测，并且通过控制变量输入单元2输入到第一阶段切换单元3，第二阶段切换单元4，第三阶段切换单元5，第一操纵变量决定单元6，第二操纵变量决定单元7，及第三操纵变量决定单元8。
在初始状态，选择稳定阶段。具体地说，响应于控制的开始，第一阶段切换单元3检查当前的时间是否是跟踪阶段起始时间t1(图3中的步骤S101)。如果在步骤S101是“否”，流程切换到步骤S107，以便保持稳定阶段而不切换该阶段。在稳定阶段，第三操纵变量决定单元8输出规定的操纵变量MV，并且操纵变量输出单元9将从第三操纵变量决定单元8输出的操纵变量输出到受控目标(步骤S107)。
如果在步骤S101中是“是”，第一阶段切换单元3将稳定阶段切换到跟踪阶段，并且通知第二阶段切换单元4，第三阶段切换单元5，及第一操纵变量决定单元6稳定阶段已经切换到跟踪阶段。在跟踪阶段，第一操纵变量决定单元6输出规定的操纵变量MV。操纵变量输出单元9将第一操纵变量决定单元6输出的操纵变量输出到目标(步骤S102)。
在切换到跟踪阶段后，第二阶段切换单元4检查当前的时间是否是收敛阶段起始时间t2(步骤S103)。如果在步骤S103是“否”，流程返回到步骤S102，保持跟踪阶段而不切换阶段。
如果在步骤S103是“是”，第二阶段切换单元4将跟踪阶段切换到收敛阶段，并且通知第一阶段切换单元3，第三阶段切换单元5，及第二操纵变量决定单元7跟踪阶段已经切换到收敛阶段。在收敛阶段，第二操纵变量决定单元7输出规定的操纵变量MV。操纵变量输出单元9将第二操纵变量决定单元7输出的操纵变量输出到目标(步骤S104)。
在切换到收敛阶段后，第一阶段切换单元3检查当前时间是否是跟踪阶段起始时间t1(步骤S105)。如果在步骤S105中是“是”，流程进行到步骤S102，并且第一阶段切换单元3将收敛阶段切换到跟踪阶段并且通知第二阶段切换单元4，第三阶段切换单元5，及第一操纵变量决定单元6收敛阶段已经切换到跟踪阶段。如果在步骤8105中是“否”，流程进行到S106，并且第一阶段切换单元3保持收敛阶段而不切换阶段。
第三阶段切换单元5检查当前时间是否稳定阶段开始时间t3(步骤S106)。如果在步骤8106是“否”，流程返回到步骤S104，保持收敛阶段而不切换阶段。
如果在步骤S106是“是”，第三阶段切换单元5将收敛阶段切换到稳定阶段，并且通知第一阶段切换单元3，第二阶段切换单元4，及第三操纵变量决定单元8收敛阶段已经切换到稳定阶段。在步骤S107中的处理与上述的处理相同。每一个控制循环dt都重复步骤S101至S107中的这些过程，直到控制装置根据操作者等的指令停止(在步骤S108中是“是”)。
下面将更详细地说明阶段切换。图4和图5示出了从跟踪阶段到收敛阶段的切换。确定是否将跟踪阶段切换到收敛阶段具有两种方法。根据一种确定方法，第二阶段切换单元4将设定点SP和控制变量PV之间的偏差Er变得小于预定偏差指标Ex的时间确定为收敛阶段开始时间(具体的设定点跟踪控制经过时间)t2。然后第二阶段切换单元4将跟踪阶段切换到收敛阶段(图4)。
根据另一种方法，第二阶段切换单元4根据设定点SP和控制变量PV之间的偏差Er和控制变量PV的变化率ΔPV通过Tr＝Er/ΔPV计算直到控制变量PV到达当前循环中的设定点SP的剩余到达时间预定值Tr。第二阶段切换单元4将计算的剩余到达时间预定值Tr变得小于预定时间指标Tx的时间确定为收敛阶段开始时间(具体的设定点跟踪控制经过时间)t2。然后第二阶段切换单元4将跟踪阶段切换到收敛阶段(图5)。
图6示出了从收敛阶段到稳定阶段的切换。第三阶段切换单元5将从收敛阶段开始时间t2起经过预定时间指标Tc的时间确定为稳定阶段开始时间(控制变量达到预先指定情况的时间)t3。然后，第三阶段切换单元5将收敛阶段切换到稳定阶段。
下面将描述每一个阶段中操纵变量的决定顺序(decision sequence)。在跟踪阶段具有三个操纵变量决定顺序。根据第一个顺序，第一操纵变量决定单元6连续地输出预定操纵变量MV1。
根据第二个顺序，第一操纵变量决定单元6执行用于预设操纵变量MV1的延时滤波，并且连续地输出在延时滤波之后的值MVf。在第二个顺序中，操纵变量MV1通过如图7所示的延时滤波器滤波，并且延时滤波后的操纵变量MVf给受控目标。
根据本发明的第三个顺序，第一操纵变量决定单元6连续地输出由将重点放在迅速响应控制上的PID控制算法(包括P控制，PD控制，及PI控制)算出的操纵变量MVc。在第三个顺序中，操纵变量MVc通过如图8所示的PID控制系统由偏差Er算出，并且给受控目标。
在收敛阶段中，第二操纵变量决定单元7连续地输出预定的操纵变量MV2。在稳定阶段中，第三操纵变量决定单元8连续地输出由将重点放在控制稳定性上的PID控制算法(包括P控制，PD控制，及PI控制)算出的操纵变量MVd。即，第三操纵变量决定单元8通过如图8所示的PID控制系统由偏差Er计算操纵变量MVd，并且将操纵变量MVd供给受控目标。
如上所述，在本发明中，重要的是将设定点跟踪控制的响应过程分成三个阶段(跟踪，收敛，及稳定阶段)。例如，当执行高度非线性被控制物体的使控制变量PV跟踪设定点SP阶跃变化的阶跃响应控制时，目标的平均过程增益特性图在相应于跟踪阶段的时期和相应于稳定阶段的时期之间具有极大的不同，如参照图14所述。
如果跟踪和稳定阶段由具有相同特性曲线的控制方法控制，该控制特性曲线可能适合于跟踪阶段但不适合于稳定阶段，反之亦然。在温度控制中的高速温度上升中，跟踪和稳定阶段的特性曲线被迅速切换，并且在切换之前和之后控制响应波形被扰乱。即，不仅跟踪阶段或稳定阶段的控制特性曲线降级，而且控制响应波形在这些阶段之间的中间阶段中显著被扰乱。
在本发明中，跟踪和稳定阶段通过利用单独的控制特性曲线控制。此外，本发明采用了用于具有另一种控制特性曲线的控制的收敛阶段，以便在跟踪阶段和稳定阶段之间的切换之前和之后不扰乱控制响应波形。
在跟踪阶段，输出操纵变量MV，操纵变量MV的目的仅仅是使控制变量PV跟踪设定点SP。在收敛阶段，输出操纵变量MV，操纵变量MV的目的仅仅是为了将阶段从跟踪阶段切换到稳定阶段而使控制变量PV收敛到设定点SP的附近。在稳定阶段中，输出操纵变量MV，操纵变量MV的目的仅仅是将控制变量PV稳定在设定点SP。
在本发明中，跟踪，收敛，及稳定阶段的控制特性曲线能够单独调节，并且参数能够根据实际的目标容易地调节。特别是在设定点跟踪控制中，设定点跟踪控制的响应波形能够通过调节从跟踪阶段到收敛阶段的切换时间以及调节收敛阶段中的操纵变量MV来强制地，直接地形成。本发明能够实现平稳的设定点跟踪控制。
由于该控制方法能够单独调节设定点跟踪特性曲线并且干扰抑制特性曲线，建议采用具有两个自由度的PID。该PID不基于每一阶段的设定点跟踪特性曲线可以被调节这一概念。应当注意，具有两个自由度的PID不能解决本发明所解决的问题。本发明的特征是将响应过程分成三个阶段，并且在中间阶段设定收敛阶段，以便平稳地切换阶段。
作为第一个实施例的详细操作，当图2所示的反馈控制装置应用于高速温度上升控制的操作将描述如下。图9A和9B示出了第一个实施例的反馈控制装置的操作。图9A示出了控制变量PV的变化，而图9B示出了被操纵MV的变化。如上所述，每一个控制循环dt执行图3所示的步骤S101至S108中的过程。因此，每一个控制循环dt也输出被操纵MV。图9B中的O表示每一个控制循环dt输出的被操纵MV。
在第一个实施例中，从跟踪阶段到收敛阶段的切换时间(具体的设定点跟踪控制经过时间)t2被设定到设定点SP和控制变量PV之间的偏差Er变得小于预定偏差指标Ex的时间。从收敛阶段到稳定阶段的切换时间(控制变量达到预先指定情况的时间)t3设定到一经过预定时间指标Tc的时间。
在第一个实施例中，跟踪阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出预定操纵变量MV1。收敛阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出预定操纵变量MV2。稳定阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出由PID控制算法计算的预定操纵变量MVd。
在第一个实施例中，设F是表示阶段的参数，阶段是跟踪阶F＝1，收敛阶段F＝2，及稳定阶段F＝3。再者，设SP(n)为在当前控制循环n的设定点，PV(n)为在控制循环n的控制变量，MV(n)为在控制循环n的操纵变量，及Er(n)为在控制循环n的控制偏差。
在图3所示的步骤S101或S105中，如果在当前控制循环n的设定点SP(n)变化到温度高于前一控制循环设定点SP(n-1)的一侧，则第一阶段切换单元3确定当前时间为跟踪阶段开始时间t1。第一阶段切换单元3将表示阶段的参数F变化到F＝1(跟踪阶段)，并且通知第二阶段切换单元4，第三阶段切换单元5，及第一操纵变量决定单元6 F＝1。即，第一阶段切换单元3执行下面的处理如果SP(n)＞SP(n-1)则，F←1 (1)如果第一阶段切换单元3被第二阶段切换单元4或第三阶段切换单元5通知F＝2或F＝3，则第一阶段切换单元3将输出到第一操纵变量决定单元6的参数F改变到被通知的值F＝2或F＝3。
在第一个实施例中，当由于温度上升控制建立SP(n)＞SP(n-1)时阶段切换到跟踪阶段。作为选择，当设定点SP(n)变得小于前一控制循环的设定点SP(n-1)(SP(n)＜SP(n-1))时阶段可以切换到跟踪阶段。
在跟踪阶段的操纵变量输出值MV1预先设定在第一操纵变量决定单元6中。设定操纵变量输出值MV1，以便控制变量PV以期望的跟踪特性曲线跟踪设定点SP。当本发明应用于高速温度升高控制时，MV1＝100％适当。
如果从第一阶段切换单元3输出的参数F是F＝1，第一操纵变量决定单元6输出作为操纵变量MV(n)的预定值MV1(图3的步骤S102和图9B)。即，第一操纵变量决定单元6执行下面的处理如果F＝1则，MV(n)←MV1 (2)在当前的控制循环n中第二阶段切换单元4计算设定点SP(n)和控制变量PV(n)之间的偏差Er(n)Er(n)＝SP(n)-PV(n) (3)用于确定阶段切换的偏差指标Ex预先设定在第二阶段切换单元4中。如果在图3的步骤S103中参数F是F＝1，设定点SP(n)不从设定点SP(n-1)改变，并且偏差Er(n)小于偏差指标Ex，第二阶段切换单元4确定当前的时间是收敛阶段起始时间t2。第二阶段切换单元4将参数F改变到F＝2(收敛阶段)，并且输出F＝2到第一阶段切换单元3，第三阶段切换单元5，及第二操纵变量决定单元7。即第二阶段切换单元4执行如下处理如果F＝1和SP(n)＝SP(n-1)和Er(n)＜Ex，则 F←2 (4)偏差指标Ex由试验和误差调节，以便阶段在合适的时间从跟踪阶段转换到收敛阶段，即，控制变量PV以期望的跟踪特性曲线(响应波形)跟踪设定点SP。当本发明应用于高速温度升高控制时，过冲趋势或不足温度升高趋势出现在两个时期，如图10所示。偏差指标Ex的调节注意第一时期。当过冲发生时偏差指标Ex被修正到较大值，或者当温度升高不足时偏差指标Ex被修正到较小值。偏差指标Ex是强制地，直接地形成设定点跟踪控制的响应波形的数值。由试验和误差能够容易地获得合适的值。
如果第二阶段切换单元4被从第一阶段切换单元3或第三阶段切换单元5通知F＝1或F＝3，第二阶段切换单元4将输出到第二操纵变量决定单元7的参数F改变到被通知的值F＝1或F＝3。
在收敛阶段中的操纵变量输出值MV2预定设定在第二操纵变量决定单元7中。如果从第二阶段切换单元4输出的参数F是F＝2，第二操纵变量决定单元7输出作为操纵变量MV(n)的预定值MV2(图3的步骤S104和图9B)。即，第二操纵变量决定单元7执行如下处理如果F＝2则，MV(n)←MV2 (5)操纵变量输出值MV2由试验和误差调节，以便控制变量PV以期望的特性曲线转变为设定点SP。当本发明应用于高速温度升高控制时，过冲趋势或不足温度升高趋势出现在两个时期，如图11所示。操纵变量输出值MV2的调节注意第二时期。当过冲发生时操纵变量输出值MV2被修正到较小值，或者当温度升高不足时操纵变量输出值MV2被修正到较大值。操纵变量输出值MV2是强制地，直接地形成设定点跟踪控制的响应波形的数值。由试验和误差能够容易地获得合适的值。
用于确定阶段切换的时间指标Tc预先设定在第三阶段切换单元5中。如果在图3的步骤S106中参数F是F＝2，并且从设定F＝2(收敛阶段)的时间t2经过的时间tn大于时间指标Tc，第三阶段切换单元5确定当前的时间是稳定阶段起始时间t3。第三阶段切换单元5将参数F改变到F＝3(稳定阶段)，并且输出F＝3到第一阶段切换单元3，第二阶段切换单元4，及第三操纵变量决定单元8。即第三阶段切换单元5执行如下处理如果F＝2和tn＞Tc，则F←3 (6)时间指标Tc由试验和误差调节，以便控制变量PV以期望的跟踪特性曲线转变到设定点SP。当本发明应用于高速温度升高控制时，时间指标Tc适当地选为约受控目标空闲进程时间Lp的一至两倍的时间。如果第三阶段切换单元5被通知从第一阶段切换单元3或第二阶段切换单元4的F＝1或F＝2，第三阶段切换单元5将输出到第三操纵变量决定单元8的参数F改变到被通知的值F＝1或F＝2。
如果从第三阶段切换单元5输出的参数F是F＝3，第三操纵变量决定单元8输出由将重点放在控制稳定性上的PID控制算法计算出的操纵变量MVd(n)，作为操纵变量MV(n)(图3的步骤S107和图9B)。即，第三操纵变量决定单元8执行下面处理如果F＝3，则MV(n)←MVd(n) (7)将重点放在控制稳定性上的PID控制算法利用拉普拉斯算子s由下面的变换函数给出MVd(n)＝Kg3{1+(1/Ti3s)+Td3s}{Sp(n)-PV(n)} (8)式中Kg3是比例增益，Ti3是积分时间(integral time)，及Td3是微分时间。注意为了获得稳定性而设定参数Kg3，Ti3，及Td3的方法是众所周知的，因此其说明将被省略。[第二个实施例]下面将描述本发明的第二个实施例。第二个实施例的目的是在高速温度上升控制中的另一应用。同样在第二个实施例中，反馈控制装置的布置和处理流程与图2和3中的一样，并且将利用图2和3中的标号描述。图12A和12B示出了第二个实施例的反馈控制装置的操作。图12A示出了控制变量PV的变化，而图12B示出了操纵变量MV的变化。图12B中的○表示每一个控制循环dt输出的操纵变量MV。
在第二个实施例中，根据设定点SP和控制变量PV之间的偏差Er和控制变量PV的变化率ΔPV计算出剩余到达时间预定值Tr＝Er/ΔPV，从跟踪阶段到收敛阶段的切换时间(具体的设定点跟踪控制经过的时间)t2被设定到剩余到达时间预定值Tr＝Er/ΔPV变得小于预定时间指标Ex的时间。从收敛阶段到稳定阶段的切换时间(控制变量达到预先指定情况的时间)t3设定到预定时间指标Tc一期满的时间。
在第二个实施例中，跟踪阶段操纵变量MV的决定顺序是执行用于预定的操纵变量MV1的延时滤波并且连续地输出延时滤波之后的值MV1。收敛阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出预设的操纵变量MV2。稳定阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出由将重点放在控制稳定性上的PID控制算法计算出的操纵变量MVd。
第一阶段切换单元3的操作与第一个实施例中的第一阶段切换单元3的操作相同。在跟踪阶段中的操纵变量输出值MV1和一阶(first-order)延时滤波器时间常数Tf预先设定在第一操纵变量决定单元6中。如果从第一阶段切换单元3输出的参数F是F＝1，第一操纵变量决定单元6执行用于预定值MV1的一阶延时滤波，并且输出一阶延时滤波之后的值MVf(n)，作为操纵变量MV(n)(图3的步骤S102和图12B)。即，第一操纵变量决定单元6执行下面的处理如果F＝1，则 MV(n)←MVf(n) (9)一阶延时滤波利用拉普拉斯算子s由下面的变换函数给出MVf(n)＝{1/(1+Tfs)}MV1 (10)第一操纵变量决定单元6由等式(10)计算出一阶延时滤波之后的值MVf(n)。
设置操纵变量输出值MV1，以便控制变量PV以期望的跟踪特性曲线跟踪设定点SP。当本发明应用于高速温度升高控制时，MV1＝100％合适。一阶延时滤波器时间常数Tf任意设置，以便控制变量PV跟踪设定点SP的速度可以调节到期望的速度。当本发明应用于高速温度升高控制时，温度上升速度能够通过设置较大的一阶延时滤波器时间常数Tf而被调节得较低。
第二阶段切换单元4由上述的等式(3)计算出在当前的控制循环n中设定点SP(n)和控制变量PV(n)之间的偏差Er(n)。再者，第二阶段切换单元4计算出在当前控制循环中直到控制变量PV(n)达到设定点SP的剩余到达时间的预定值Tr(n)Tr(n)＝Er(n)/ΔPV＝Er(n)dt/{PV(n)-PV(n-1)} (11)式中dt是控制循环，及PV(n-1)是前一控制循环的控制变量。
用于确定阶段切换的时间指标Tx预先设定在第二阶段切换单元4中。如果在图3的步骤S103中参数F是F＝1，设定点SP(n)不从设定点SP(n-1)被改变，及剩余到达时间的预定值Tr(n)小于时间指标Tx，则第二阶段切换单元4将参数F改变到F＝2(收敛阶段)，并且将F＝2输出到第一阶段切换单元3，第三阶段切换单元5，及第二操纵变量决定单元7。即，第二阶段切换单元4执行下面的处理如果F＝1和SP(n)＝SP(n-1)和Tr(n)＜Tx，则 F←2 (12)时间指标Tx由试验和误差调节，以便阶段在合适的时间从跟踪阶段转换到收敛阶段，即，控制变量PV以期望的跟踪特性曲线跟踪设定点SP。当本发明应用于高速温度升高控制时，过冲趋势或不足温度升高趋势出现在两个阶段，如参照图10所述。时间指标Tx的调节注意第一阶段。当过冲发生时时间指标Tx被修正到较大值，或者当温度升高不足时时间指标Tx被修正到较小值。时间指标Tx是强制地，直接地形成设定点跟踪控制的响应波形的数值。由试验和误差能够容易地获得合适的值。
第二操纵变量决定单元7，第三阶段切换单元5，及第三操纵变量决定单元8的操作与第一实施例中的相同。[第三个实施例]下面将描述本发明的第三个实施例。第三个实施例的目的是在高速温度上升控制中的又一应用。同样在第三个实施例中，反馈控制装置的布置和处理流程与图2和3中的一样，并且将利用图2和3中的标号描述。图13A和13B示出了第三个实施例的反馈控制装置的操作。图13A示出了控制变量PV的变化，而图13B示出了操纵变量MV的变化。图13B中的○表示每一个控制循环dt输出的操纵变量MV。
在第三个实施例中，根据设定点SP和控制变量PV之间的偏差Er和控制变量PV的变化率ΔPV计算出剩余到达时间预定值Tr＝Er/ΔPV，从跟踪阶段到收敛阶段的切换时间(具体的设定点跟踪控制经过的时间)t2被设定到剩余到达时间预定值Tr＝Er/ΔPV变得小于预定时间指标Ex的时间。从收敛阶段到稳定阶段的切换时间(控制变量达到预先指定情况的时间)t3设定到预定时间指标Tc期满时的时间。
在第三个实施例中，跟踪阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出由将重点放在控制的迅速响应上的PID控制算法计算出的操纵变量MVc。收敛阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出预设的操纵变量MV2。稳定阶段操纵变量MV的决定顺序是连续地输出由将重点放在控制稳定性上的PID控制算法计算出的操纵变量MVd。
第一阶段切换单元3的操作与第一个实施例中的第一阶段切换单元3的操作相同。如果从第一阶段切换单元3输出的参数F是F＝1，第一操纵变量决定单元6输出由将重点放在控制的迅速响应上的PID控制算法计算出的操纵变量MVc(n)，作为操纵变量MV(n)(图3的步骤S102和图13B)。即，第一操纵变量决定单元6执行下面的处理
如果F＝1，则MV(n)←MVc(n) (13)将重点放在控制的迅速响应上的PID控制算法利用拉普拉斯算子s由下面的变换函数给出MVc(n)＝Kg1{1+(1/Ti1s)+Td1s}{Sp(n)-PV(n)} (14)式中Kg1是比例增益，Ti1是积分时间，及Td1是微分时间。注意为了获得迅速响应而设定参数Kg1，Ti1，及Td1的方法是众所周知的，因此其说明将被省略。
第二阶段切换单元4的操作与第一个实施例中的相同。第二操纵变量决定单元7，第三阶段切换单元5，及第三操纵变量决定单元8的操作与第一个实施例中的相同。
注意本发明不限于上述实施例，并且在本发明的精神和范围内可以适当地修改每一个实施例。例如，如第一个实施力所述，本发明可以采用一种确定是否将稳定阶段切换到跟踪阶段的方法，两种确定是否将跟踪阶段切换到收敛阶段的方法，一种确定是否将收敛阶段切换到稳定阶段的方法，三个跟踪阶段操纵变量的决定顺序，一个收敛阶段操纵变量的决定顺序，及一个稳定阶段操纵变量的决定顺序。共有确定方法和操纵变量的决定顺序的组合1×2×1×3×1×1＝6种。本发明可以采用任一种组合。
根据跟踪阶段操纵变量的决定顺序中的第三个顺序(第三个实施例)，第一操纵变量决定单元6连续地输出由将重点放在控制的迅速响应上的PID控制算法计算出的操纵变量MVc。本发明不限于此，并且将重点放在迅速响应上的控制可以利用诸如IMC(Internal Model Control(内部模式控制))的另一种控制算法实现。
类似地，在稳定阶段，第三操纵变量决定单元8连续地输出由将重点放在控制稳定性上的PID控制算法计算出的操纵变量MVd。但本发明不限于此，并且将重点放在控制稳定性上的控制可以利用另一种控制算法实现。
根据本发明，设定点跟踪控制的响应过程分成三个阶段，跟踪，收敛，及稳定阶段。设定点变化开始时间设定为跟踪阶段开始时间。具体的设定点跟踪控制经过的时间，即在跟踪阶段控制变量不超过设定点的时间设定为收敛阶段开始时间。控制变量达到收敛阶段中预定情况的时间被设为稳定阶段开始时间。响应于这些开始时间，阶段被切换。在跟踪阶段，输出使控制变量跟踪设定点的操纵变量。在收敛阶段，输出使控制变量收敛到设定点附近的操纵变量。在稳定阶段，输出使控制变量稳定在设定点的操纵变量。跟踪，收敛，及稳定阶段的控制特性曲线可以单独调节，并且参数可以根据实际目标容易地调节。特别是设定点跟踪控制的响应波形可以通过调节从跟踪阶段到收敛阶段的切换时间和通过调节收敛阶段中的操纵变量MV而强制地，直接地形成。本发明可以实现合适的设定点跟踪控制，即使是高度非线性的受控目标。当控制计算次数以诸如SAC的先进的自适应控制理论不足时，本发明可以实现合适的设定点跟踪控制，例如，即使在高速温度升高的情形。
权利要求
1.一种反馈控制方法，所述方法将操纵变量给受控目标以便使控制变量跟踪设定点，并且执行设定点跟踪控制，其特征是，所述方法包括将设定点跟踪控制的响应过程分成三个阶段，即跟踪，收敛，及稳定阶段；及执行在作为跟踪阶段开始时间的设定点变化开始时间将阶段切换到跟踪阶段的第一阶段切换程序(S101，S105)，在跟踪阶段中连续地输出使控制变量跟踪设定点的操纵变量的跟踪阶段操纵变量决定程序(S102)，在作为收敛阶段的起始时间，即在跟踪阶段中控制变量不超过设定点的具体的设定点跟踪控制经过的时间，将阶段切换到收敛阶段的第二阶段切换程序(S103)，在收敛阶段中连续地输出使控制变量收敛到设定点附近的操纵变量的收敛阶段操纵变量决定程序(S104)，在作为稳定阶段的起始时间，即在收敛阶段中控制变量达到预先设定情况的时间，将阶段切换到稳定阶段的第三阶段切换程序(S106)，及在稳定阶段中连续地输出使控制变量稳定在设定点的操纵变量的稳定阶段操纵变量决定程序(S107)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在第二阶段切换程序(S103)中，在跟踪阶段中设定点和控制变量之间的偏差变得小于预定偏差指标的时间被设定为收敛阶段的开始时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在第二阶段切换程序(S103)中，根据设定点和控制变量之间的偏差和控制变量的变化率，计算直到在跟踪阶段中当前控制变量达到设定点的剩余到达时间预定值，计算的剩余到达时间预定值变得小于预定时间指标的时间设定为收敛阶段的开始时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在第三阶段切换程序(S106)中，从收敛阶段的开始时间起经过预定时间指标的时间被设定为稳定阶段的开始时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在跟踪阶段操纵变量决定程序(S102)中，连续地输出预定的操纵变量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在跟踪阶段操纵变量决定程序(S102)中，执行用于预定操纵变量的延时滤波，并且连续地输出在延时滤波后的操纵变量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在跟踪阶段操纵变量决定程序(S102)中，连续地输出通过将重点放在迅速响应控制上的控制算法算出的操纵变量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在收敛阶段操纵变量决定程序(S104)中，连续地输出预定的操纵变量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在稳定阶段操纵变量决定程序(S107)中，连续地输出通过将重点放在控制稳定性上的控制算法算出的操纵变量。
10.一种反馈控制装置，所述装置将设定点跟踪控制的响应过程分成三个阶段，即跟踪，收敛，及稳定阶段，给受控目标操纵变量以便使控制变量跟踪设定点，并且执行设定点跟踪控制，所述装置包括第一阶段切换单元(3)，所述第一阶段切换单元(3)在作为跟踪阶段开始时间的设定点改变起始时间将阶段切换到跟踪阶段；第二阶段切换单元(4)，所述第二阶段切换单元(4)在作为收敛阶段起始时间，即在跟踪阶段中控制变量不超过设定点的具体的设定点跟踪控制经过时间，将阶段切换到收敛阶段；第三阶段切换单元(5)，所述第三阶段切换单元(5)在作为稳定阶段起始时间，即在收敛阶段中控制变量达到预先设定情况的时间，将阶段切换到稳定阶段；第一操纵变量决定单元(6)，所述第一操纵变量决定单元(6)在跟踪阶段中连续地输出使控制变量跟踪设定点的操纵变量；第二操纵变量决定单元(7)，所述第二操纵变量决定单元(7)在收敛阶段中连续地输出使控制变量收敛到设定点附近的操纵变量；及第三操纵变量决定单元(8)，所述第三操纵变量决定单元(8)在稳定阶段中连续地输出使控制变量稳定在设定点的操纵变量。
11.根据权利要求10所述的装置，其中第二阶段切换单元(4)将在跟踪阶段中设定点和控制变量之间的偏差变得小于预定偏差指标的时间设定为收敛阶段开始时间。
12.根据权利要求10所述的装置，其中第二阶段切换单元(4)根据设定点和控制变量之间的偏差和控制变量的变化率计算直到在跟踪阶段中当前控制变量到达设定点的剩余到达时间预定值，并且将计算的剩余到达时间预定值变得小于预定时间指标的时间设定为收敛阶段开始时间。
13.根据权利要求10所述的装置，其中第三阶段切换单元(5)将从收敛阶段开始时间起经过预定时间指标的时间设定为稳定阶段开始时间。
14.根据权利要求10所述的装置，其中第一操纵变量决定单元(6)连续地输出预定操纵变量。
15.根据权利要求10所述的装置，其中第一操纵变量决定单元(6)执行用于预定操纵变量的延时滤波，并且连续地输出在延时滤波之后的操纵变量。
16.根据权利要求10所述的装置，其中第一操纵变量决定单元(6)连续地输出通过将重点放在迅速响应控制上的控制算法算出的操纵变量。
17.根据权利要求10所述的装置，其中第二操纵变量决定单元(7)连续地输出预定的操纵变量。
18.根据权利要求10所述的装置，其中第三操纵变量决定单元(8)连续地输出通过将重点放在控制稳定性上的控制算法算出的操纵变量。
全文摘要
一种反馈控制方法，设定点跟踪控制的响应过程被分成三个阶段，即跟踪，收敛，及稳定阶段。在作为跟踪阶段开始时间的设定点变化开始时间阶段被切换到跟踪阶段。在跟踪阶段中连续地输出使控制变量跟踪设定点的操纵变量。在作为收敛阶段起始时间，即在跟踪阶段中控制变量不超过设定点的具体的设定点跟踪控制经过的时间，阶段被切换到收敛阶段。在收敛阶段中连续地输出使控制变量收敛到设定点附近的操纵变量。在作为稳定阶段起始时间，即在收敛阶段中控制变量达到预先设定情况的时间，阶段被切换到稳定阶段。在稳定阶段中连续地输出使控制变量稳定在设定点的操纵变量。还披露了一种反馈控制装置。
文档编号G05B7/02GK1431568SQ03101458
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月9日 优先权日2002年1月10日
发明者田中雅人 申请人:株式会社山武