专利名称：控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过执行PID运算等，改进闭环控制特性的控制器，特别是涉及用于抑制超调、改进控制系统的稳定性(控制强度)、和抑制扰动影响的控制器。
背景技术：
如图13所示，作为背景技术，用于控制输出处理值PV的处理115的控制器，包括变化率调节部分111、辅助控制部分112、选择部分113、和PID控制运算部分114。当期望设定点SP输入到变化率调节部分111时，该变化率调节部分111输出在预定时间内从零变化到期望设定点SP的信号的设定点TSP。当期望设定点SP、设定点TSP、和处理值PV输入到辅助控制部分112时，该辅助控制部分112输出辅助设定点SSP和选择信号SEL。当从变化率调节部分111输入设定点TSP，从辅助控制部分112输入辅助设定点SSP时，选择部分113根据选择信号SEL选择这些值中的任何一个，并且将选择的值作为期望值输出到PID控制运算部分114。PID控制运算部分114，对期望设定点SP与处理值PV之间的偏差，执行比例运算、积分运算、微分运算(PID运算)，以计算操作值MV，并且将操作值MV输出到处理115。
所述辅助控制部分112基于以下公式(1)和公式(2)判定处理值PV的超调会发生(NG)还是不会发生(G)。
当DV≥k×DPV时，为G…(1)当DV＜k×DPV时，为NG …(2)其中DV期望设定点SP(或设定点TSP)与处理值PV之间的偏差
DPV每个预定时间tL内处理值PV的变化K常数图14A和图14B图示了由背景技术中的控制器进行控制的例子。PV代表处理值，MV代表操作值，SP代表期望设定点，LAG代表处理115的等效时滞，即从操作值MV输入到处理115，到处理值PV发生变化的时间间隔。
图14A中，假设常数k为2，在处理值PV的顶端，DV＜k×DPV于是从上述公式(2)，判定变为“NG”，并且会发生超调。
图14B中，在处理值PV的顶端，DV＞k×DPV于是从上述公式(1)，判定变为“G”，并且不发生超调。
这里，处理115的等效时滞LAG的一半被用作预定时间tL。
上述公式(1)和公式(2)是由经验规则推导出来的，并且当处理值PV上升不充分时，即，当偏差DV(期望设定点SP(或设定点TSP)与处理值PV之间的偏差)大时，判定总是“G”，并且没有超调的危险。
再次参考图13，当判定是“NG”时，辅助控制部分112输出校正值作为辅助设定点SSP，以使设定点TSP远离期望设定点SP；当判定是“G”时，辅助控制部分112输出校正值，以使设定点TSP接近期望设定点SP。执行这样的操作，从而防止处理值PV发生超调。
背景技术：
参考JP-A-3-214202(第7页，图1)。
在处理115的特性是不易发生超调的低阶滞后系统，如二阶滞后系统等，的情况下，由上述控制器进行控制是有效的。然而，与上述情况相比，在处理115的特性是容易发生超调的较高阶滞后系统，如四阶滞后系统等，的情况下，由上述控制器进行控制不太有效。
于是，需要这样的控制器，即使在处理115的特性是容易发生超调的高阶滞后系统如四阶滞后系统等的情况下，仍然是有效的。而且，需要这样的控制器，其中可以用少量参数容易地设定，并且使处理对参数的敏感度降低。
发明内容
本发明提供一种控制器，其具有期望设定点路径生成部分，该设期望定点路径生成部分基于处理值和输入的期望设定点，生成期望设定点路径，在该期望设定点路径上，所述处理值稳定到所述期望设定点；所述控制器还包括控制运算部分，该控制运算部分基于所述期望设定点路径，计算用于处理操作的操作值，该处理输出所述处理值。
此外，所述期望设定点路径是所述处理值的相平面上的线。
此外，所述期望设定点路径的特性是一阶滞后系统。
此外，所述期望设定点路径生成部分具有路径生成部分，该路径生成部分，基于所述期望设定点、所述处理值的变化率、和表示所述期望设定点路径特性的直线的斜率，计算所述期望设定点路径。
此外，所述路径生成部分按以下方程式计算所述设期望定点路径，SLSP＝SP+ΔPV/k，其中，SLSP是所述期望设定点路径，SP是所述期望设定点，ΔPV是所述处理值的变化率，以及k是所述斜率。
此外，所述期望设定点路径生成部分具有路径生成部分，该路径生成部分基于所述期望设定点、所述期望设定点与所述处理值之间的偏差的变化率、和表示所述期望设定点路径特性的直线的斜率，计算所述期望设定点路径。
此外，所述路径生成部分按如下方程式计算所述期望设定点路径，SLSP＝SP+(Δ(PV-SP))/k，其中，SLSP是所述期望设定点路径，SP是所述期望设定点，Δ(PV-SP)是所述偏差的所述变化率，以及k是所述斜率。
此外，所述期望设定点路径生成部分具有运算部分，该运算部分对所述处理值求微分，以计算所述处理值的变化率。
此外，所述期望设定点路径生成部分具有运算部分，该运算部分对所述偏差求微分，以计算所述偏差的变化率。
此外，所述期望设定点路径生成部分具有斜率判定部分，该斜率判定部分基于比例范围、积分时间、和微分时间计算所述斜率。
此外，处理是线性的。
此外，处理是非线性的。
根据所述控制器，可以抑制控制结果的超调，提供稳定的特性。并且还可以抑制扰动的影响。
图1是表示实施例的一阶滞后阶跃响应趋势的示意图；图2是一阶滞后阶跃响应的相平面图；图3是根据实施例具有PID控制系统的控制器的部分方框图；图4是期望设定点路径生成部分的具体例子的方框图；图5是表示期望设定点路径SLSP和某一瞬间期望设定点SP的图；图6是表示处理值PV在某一瞬间的状态和期望设定点路径SLSP的图；图7是背景技术中由PID控制系统执行PID控制时，以及实施例中具有特性斜率k的四阶滞后系统执行PID控制时，控制结果的趋势图；图8是背景技术中由PID控制系统执行PID控制时，以及实施例中具有特性斜率k提供的四阶滞后系统执行PID控制时，控制结果的相位图；图9是具有PID控制系统的控制器的部分方框图，其中处理中包括非线性处理；图10是常用技术中PID控制系统执行具有非线性特性的处理的PID控制时，阶跃响应的波形图；
图11是在使用期望设定点路径生成部分的PID控制系统中，执行具有非线性特性处理的PID控制时，阶跃响应的波形图；图12是扰动对处理值起作用时，背景技术的PID控制系统执行PID控制、和根据实施例执行PID控制时的控制结果的趋势图；图13是表示背景技术中的控制器的方框图；以及图14A和图14B示出了背景技术中控制器的操作。
具体实施例方式
以下参考附图，详细讨论本发明控制器的实施例。
第一实施例本发明的控制器实质上具有一种机制，其用于使包括处理和控制部分的整个系统的特性接近理论上不引起超调发生的响应，例如，一阶滞后系统的响应。
在图1所示从偏差的初始值“-1”出发到偏差为“0”的一阶滞后的阶跃响应趋势图中，一阶滞后的阶跃响应不引起超调发生。即，在一阶滞后的阶跃响应中，例如，在时间常数为20秒、时间常数为10秒、时间常数为5秒时，如果在横轴方向取时间s，在纵轴方向取偏差，随着时间的推移，阶跃响应各自渐近地逼近“0”，并且超过偏差“0”的超调不会发生。
为在相平面上表示所述响应，例如，在时间常数为20秒、时间常数为10秒、时间常数为5秒时，如果在Y轴方向取速度(偏差的微分)，在X轴方向取偏差，如图2所示，由具有适当斜率的线来表示响应。
由此，可以看出，在向原点(0，0)(即线上偏差和偏差的微分都是“0”的点)进行移动时，理论上不发生超调。
在实施例中，由于期望设定点路径SLSP被提供给PID控制运算部分，以至所述期望设定点路径向由相平面上具有如此特征的线表示的特性线行进，使其靠近所述特性线，超调得到抑制。而且，处理的动态特性近似地接近所述特性线，稳定性得到提高，扰动的影响也得到抑制。
图3是实施例控制器的部分方框图，该控制器包括用于计算上述期望设定点路径的期望设定点路径生成部分11。
期望设定点路径生成部分11位于控制运算部分(PID控制器)12的前面。期望设定点路径生成部分11基于期望设定点SP和处理值PV的变化率生成期望设定点路径SLSP，并且将期望设定点路径SLSP作为期望值连续地提供给PID控制器12。于是，来自处理13的处理值PV的响应变成沿着特性曲线(实施例中，特性直线)而移动，后面将参考图5和图6对于期望设定点路径SLSP进行描述。
图4是表示包括在实施例控制器中的期望设定点路径生成部分11的配置实例的方框图。期望设定点路径生成部分11包括运算部分14，特性斜率判定部分15，和特性曲线规则生成部分16。
运算部分14通过对输入的处理值(PV)求微分，计算处理值的变化率(ΔPV)。运算部分14通过对偏差(PV-SP)求微分，可以计算出输入处理值(PV)与输入期望设定点(SP)之间偏差的变化率(Δ(PV-SP))。
在PID运算中，特性斜率判定部分15根据比例范围Pb、积分时间Ti、和微分时间Td，计算出特性曲线(直线)的斜率k。
特性曲线规则生成部分16基于期望设定点SP、处理值的变化率ΔPV、和特性斜率k，计算作为SP滑动规则的期望设定点路径SLSP。
实施例中，由特性曲线规则生成部分16设定的特性曲线规则是以如下方程式表示的线。
SLSP＝SP+ΔPV/k其中SLSP期望设定点路径SP期望设定点ΔPV处理值的变化率k斜率输入处理值(PV)与输入期望设定点SP之间的偏差(Δ(PV-SP))可以用于取代处理值的变化率(ΔPV)。
作为已给的参数，在相平面上，期望设定点路径SLSP被定义为一阶滞后系统线，如图5所示，由通过PV-SP＝0的具有斜率k的线来表示。由该线给出某一瞬间的期望设定点路径SLSP和这个瞬间的处理值变化率ΔPV。
后一级控制运算部分12计算操作值MV，使得期望设定点路径SLSP与处理值PV之间的差接近“0”。所以，如图6所示，处理值PV沿特性线向原点行进，并稳定在那里。
图7是由背景技术中的PID控制系统执行四阶滞后系统的PID控制时，以及实施例中用期望设定点路径生成部分11执行PID控制时的控制结果趋势图。为上述特性斜率判定部分15设定特性斜率k＝-1/Td以及特性斜率k＝-2/(3*Td)。Td表示控制运算部分12的参数微分时间。横轴是时间、纵轴是偏差。
图7中，依照本发明，根据包括期望设定点路径生成部分11的控制器，可以理解，对于特性斜率k＝-1/Td和特性斜率k＝-2/(3*Td)，不用象常规PID控制那样会降低上升速度，而且超调都可以得到抑制。
图8是相关技术中的PID控制系统执行四阶滞后系统的PID控制时，以及实施例中的期望设定点路径生成部分11执行PID控制时的控制结果的相平面图。为特性斜率判定部分15也设定了特性斜率k＝-1/Td和特性斜率k＝-2/(3*Td)。Td表示控制运算部分12的参数微分时间。横轴为偏差，纵轴为偏差的微分值。
图8中，作为相平面，可以看出，通过使用期望设定点生成部分11时，特性斜率k＝-1/Td的响应和特性斜率k＝-2/(3*Td)的响应沿特性斜率k向原点行进。相反，常规PID控制的响应螺旋形地向原点行进，而不是沿特定斜率行进。
而且，在图8中，可以看出，当应用两个特性斜率k＝-1/Td和k＝-2/(3*Td)时，可以基于特性斜率控制响应速度，因为可以用特性斜率k近似表示控制系统的动态特性。
于是，可以提供对控制系统中参数波动响应低、相对于参数波动稳定的特性。
而且，本发明可以应用于控制运算部分12调整不充分以及非线性系统的情况，可以获得充分的响应，控制系统的控制也变得更为容易。
第二实施例下面，将参考图示讨论，在处理是非线性的情况下，由第一实施例的包括期望设定点路径生成部分11的控制器执行PID控制。
图9是控制器的部分方框图，示出了将使用实施例的期望设定点路径生成部分11的控制应用于非线性处理13A的情况。
在实施例中，期望设定点路径生成部分11位于控制运算部分12的前面，基于期望设定点SP和处理值PV的变化率计算期望设定点路径SLSP，以将期望设定点路径SLSP连续地提供给PID控制器12。
因此，参考前面图5和图6对期望设定点路径SLSP的描述，来自处理13A的处理值PV的响应变为沿特性曲线(直线)移动。处理13A是处理的增益随操作点而变化的系统。
图10示出了使用处理值PV(用Y轴上阶跃宽度100和X轴上的时间来表示)，对具有非线性特性的处理13A执行常用技术中的PID控制时，其阶跃响应的波形。在10％-＞20％，20％-＞50％，50％-＞60％，以及60％-＞80％的阶跃响应中，超调量随操作点而变化，并且会发生诸如振荡现象的大的差别。
反之，使用期望设定点路径生成部分11的图9所示配置的控制器，用于抑制如图11所示的在10％-＞20％，20％-＞50％，50％-＞60％，以及60％-＞80％的阶跃响应中，由于操作点的不同而引起的大的特性变化。
引进基于来自后面描述的阶跃响应平均值的偏差量的比较，作为用于更加量化响应变化(评估功能)的数量比较的指标，与背景技术中的PID控制相比，由包括本发明期望设定点路径生成部分11的控制器执行的控制提供的值为23％，由此可以看出，稳定性加强了；根据如下具体地说，作为比较指标，求出背景技术中控制系统与本发明的控制系统各自的响应平均值，对该平均值与各响应的差的平方从时间0到150秒求积分，从而为各控制单元求出总值，该量被用于响应变化量的比较。如果响应变化大，总值就变大。
背景技术：
的控制系统中，算出的响应变化量为“123808”，而使用本发明的期望设定点路径生成部分11的控制器，其响应变化量是“28478”，并且为“123808”的23％。用期望设定点路径生成部分11，可以看出，响应之间的差小，而且稳定性高。
于是，使用包括期望设定点路径生成部分11的控制器，抑制了超调，并且提高了稳定性，而且不管处理是线性的还是非线性的，都可以提供相同的优点。
根据实施例，如果扰动起作用，即使在处理值由于扰动而从平衡点偏离时，期望设定点路径生成部分11也进行校正操作，以便能改善所述特性。
图12表示图3所示的控制系统中扰动从外部影响操作值时的响应。结果如下(A)背景技术中，控制系统中的扰动的影响是34％；(B)本发明中，特性线斜率k＝-1/Td时，扰动的影响是25％；和(C)本发明中，特性线斜率k＝-2/(3*Td)时，扰动的影响是23％。
所以根据本发明的控制器，扰动影响的最大值被抑制，超调被抑制，并达到平衡点。
作为控制运算部分12中的控制运算，以PID控制运算为例。可以由控制运算部分12执行PID控制运算、开/关控制运算等。
处理不局限于特定的处理。实施例的控制器可以应用于每个处理。更具体地说，可以是温度、流量、压力、转数、位置等处理。
本发明的控制器可以应用于温度控制器、温度控制模块等的产品，还有家用空调、冰箱等。
根据实施例的控制器，期望设定点路径SLSP被提供给PID控制器，使得处理值PV沿着用于给出处理值PV的特性的相平面上的特性曲线，稳定到期望设定点SP，具体地，按SLSP＝SP+ΔPV/k，用偏差变化率(Δ(PV-SP))、或者处理值变化率(ΔPV)和特性线的斜率k，计算期望设定点路径SLSP，从而，响应沿着特性斜率k行进到原点，从而，可以提供对控制系统中参数波动响应低、相对于参数波动稳定的特性。
权利要求
1.一种控制器，包括期望设定点路径生成部分，该期望设定点路径生成部分基于处理值和输入的期望设定点，生成期望设定点路径，在该期望设定点路径上，所述处理值稳定到所述期望设定点；以及控制运算部分，该控制运算部分基于所述期望设定点路径，计算用于处理操作的操作值，该处理输出所述处理值。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述期望设定点路径是所述处理值的相平面上的线。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述期望设定点路径的特性是一阶滞后系统。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述期望设定点路径生成部分包括路径生成部分，该路径生成部分，基于所述期望设定点、所述处理值的变化率、和表示所述期望设定点路径特性的直线的斜率，计算所述期望设定点路径。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述路径生成部分以如下方程式计算所述期望设定点路径，SLSP＝SP+ΔPV/k其中SLSP是所述期望设定点路径，SP是所述期望设定点，ΔPV是所述处理值的变化率，以及k是所述斜率。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述设期望定点路径生成部分包括路径生成部分，该路径生成部分基于所述期望设定点、所述期望设定点与所述处理值之间的偏差的变化率、和表示所述期望设定点路径特性的直线的斜率，计算所述期望设定点路径。
7.根据权利要求6所述的控制器，其中所述路径生成部分以如下方程式计算所述期望设定点路径，SLSP＝SP+(Δ(PV-SP))/k其中SLSP是所述期望设定点路径，SP是所述期望设定点，Δ(PV-SP)是所述偏差的所述变化率，以及k是所述斜率。
8.根据权利要求4所述的控制器，其中所述期望设定点路径生成部分包括运算部分，该运算部分对所述处理值求微分，以计算所述处理值的变化率。
9.根据权利要求6所述的控制器，其中所述期望设定点路径生成部分包括运算部分，该运算部分对所述偏差求微分，以计算所述偏差的变化率。
10.根据权利要求4所述的控制器，其中所述期望设定点路径生成部分包括斜率判定部分，该斜率判定部分基于比例范围、积分时间、和微分时间计算所述斜率。
11.根据权利要求6所述的控制器，其中所述期望设定点路径生成部分包括斜率判定部分，该斜率判定部分基于比例范围、积分时间、和微分时间计算所述斜率。
12.根据权利要求1所述的控制器，其中所述处理是线性的。
13.根据权利要求1所述的控制器，其中所述处理是非线性的。
全文摘要
一种控制器，包括期望设定点路径生成部分，该期望设定点路径生成部分，基于处理值和输入的期望设定点，生成期望设定点路径，在该期望设定点路径生成部分中，所述处理值稳定到所述期望设定点；所述控制器还包括控制运算部分，该控制运算部分，基于所述期望设定点路径，计算操作值，该操作值用于处理的操作，该处理输出所述处理值。
文档编号G05B13/00GK1641497SQ200510000350
公开日2005年7月20日 申请日期2005年1月10日 优先权日2004年1月14日
发明者田中义雄, 田中觉 申请人:横河电机株式会社