用于控制体系过程的方法和系统的制作方法

专利名称：用于控制体系过程的方法和系统的制作方法
用于控制体系过程的方法和系统
背景技术：
公开了用于控制体系过程(plant process )的方法和系统。在过 程控制系统中，比例-积分-微分(PID )控制已被用于过程反馈控制。 过程响应被反馈到PID控制器，PID控制器用于调整过程的变量，例 如温度、压强或流率(flow rate)。 PID控制器使用反馈来例如调整传 给过程的输出命令以保持过程稳定。
利用与过程相关的设置来配置PID控制器。例如，在PID控制 器的每条路径(即，比例(p)路径、积分(I)路径和/或微分(D)
路径)中建立增益。这些设置通过对实际过程运行测试来手工选择。 手工选择要详细地了解该过程。这些设置可以不时地通过重新运行测 试来手工更新。
PID控制器设置的自动更新是离线执行的和/或利用被控制的过 程的模型执行的。为了准确地对体系建模，提供了PID硬件控制器， 这些控制器受限于各个单独的环路，并且专用于体系的特定过程变 量。使用专门的单独的环路控制器至少部分是因为它们简化了过程的 建模。

发明内容
公开了 一种用于控制过程的方法，包括建立用于比例-积分-微分 (PID)控制器的控制因子，所述PID控制器用于控制相对于设置点 的过程的参数；经由所述过程的传感器和第一反馈环路接收与所述过 程的参数有关的反馈信号；以及基于所述反馈信号自动调整所述PID 控制器的控制因子。
公开了一种用于控制过程的设备，包括用于接收所述过程的参 数的设置点的装置；用于经由所述过程的传感器和第一反馈环路接收
与所述过程的参数有关的反馈信号的装置；用于将所述设置点与所述 反馈信号相比较以产生误差信号的装置；用于在平行PID路径中处理 所述误差信号的装置；以及用于基于所述反馈信号自动调整所述PID 路径中的至少一条的控制因子的装置。
公开了一种用于控制过程的系统，包括用于为比例-积分-微分 (PID)控制器建立设置点的用户接口，所述PID控制器用于控制过 程的参数；用于经由所述过程的传感器接收与所述过程的参数有关的 反馈信号的反馈环路；以及用于基于所述反馈信号自动调整所述PID 控制器的控制因子的处理器。


这里描述的特征和优点将从对附图中所示的典型实施方案的详 细描述中变得更加清楚，在附图中
图1示出了根据一个典型实施方案用于控制体系中的一个或多 个过程参数的方法和系统图2示出了可以用在图1的过程控制中的示例性的PID控制器 的功能框图3示出了用于自动确定对图2的PID控制器的控制因子的调 整的示例性处理器的功能框图4A和4B示出了用于调整图3处理器中的PID控制因子的处 理器的功能框图5示出了图4处理器中用于捕捉由设置点控制的过程参数的变 化幅度的一个部分的功能框图6示出了图4处理器中用于确定由图5处理器检测到的变化的 峰值幅度的一个部分的功能框图7示出了图4处理器中用于确定对PID控制因子的调整的一 个部分的功能框图。
具体实施例方式
图1示出了用于利用控制因子的自动调整或自动调节控制体系
100的过程中的一个或多个过程参数的典型控制系统，其中控制因子 被用于修改PID控制器的每条路径中的增益。这里所用的"体系 (plant)"是用于处理的任意规模的任意系统，其中用于过程控制的 变量可以被监视和调节。用于控制体系中的过程的典型设备被表示为 具有比例(P)、积分(I)和微分(D)路径的PID控制器102。如 参考图2更详细地讨论的，PID控制器102包括PID处理器208。 PID 处理器的每条路径可以具有用于修正路径增益的控制因子。控制因子 是由控制因子处理器218自动调整或调节的。本领域技术人员将意识 到，可以包括任意数目的PID控制器。
每个PID控制器102可以调节由体系100执行的过程的一个或 多个参数。控制器102经由设置点输入202接收设置点信号，并经由 反馈输入204接收来自过程的反馈信号。设置点可以经由用户接口 107 建立和接收。误差信号由PID控制器的加法器206 (例如，提供输入 信号的任意适当组合)生成。加法器的输出被输送到PID处理器208 和控制因子处理器218以产生过程参数控制输出信号264。
设置点可以是在过程控制中使用的可变参数，例如物理特性，包 括但不限于温度设置点、压强设置点、流率设置点或任何期望过程的 任何其他期望的设置点。反馈信号可以是从传感器(例如体系的在线 传感器)接收的实际反馈信号。本领域技术人员将意识到，反馈信号 不一定是从传感器直接接收的，并且传感器不一定是在线的，相反地， 传感器可以是适合于过程的目标部分和运行条件的任何过程传感器， 运行条件例如是在由输出信号264控制的体系中的特定位置处的温 度。
例如，在图示过程中，PID控制器102可以用于调节(例如在部 分氧化床中的)重整器的底部中的一个或多个加热元件的温度，或任 何期望过程的任何其他期望的过程参数。被包括在体系中的重整器具 有对输出信号264作出响应的加热器。设置点是重整器温度的期望工 作点。反馈信号可以是来自实际的在线温度传感器的信号，或者来自
反馈环路的信号，所述实际的在线温度传感器被包括在重整器中或位
于重整器附近。反馈信息向PID控制器102提供了准确的温度测量结 果，用于与温度设置点相比较。在典型的实施方案中，传感器被图示 为外部传感器112，但也可以使用任何合适的传感器。
示例性图1的实施方案的PID控制器生成设置点和反馈之间的 误差信号，误差信号随后被利用PID路径加以处理以产生用于过程控 制的输出信号264。还可以设置稳态误差极限(例如，±2%或任何其 他期望的极限)。加热器可以在其容量的某一百分比开启或关闭以将 温度维持在尽可能接近设置点的温度。
控制因子是为PID控制器相对于设置点控制过程参数而设立的。 最初，PID控制因子可以被设置为缺省值(例如，经由用户接口或者 以任何期望方式建立的)。当过程开始对加热器输出作出响应时，PID 控制因子可以基于对当前设置下的过程特性的分析开始自我调整 (即，自调节)。当过程响应达到预定设置点和稳态误差极限时，PID 控制因子可以被锁定。
根据典型的实施方案，PID控制器的控制因子可以这样基于反馈 信号而被自动调整。根据典型的实施方案，自动调整可以利用来自体 系过程的实际反馈信号实时执行。针对PID控制器的每条路径提供的 不同控制因子可以分别调整。
对于反馈控制系统中的动态过程来说，过程误差可能是周期性 的。根据典型的实施方案，PID控制器动态分析过程响应，以提取出 诸如过冲、下冲、上升时间、下降时间和稳态误差之类的过程特性。 然而，可以考虑任何其他期望的过程特性。利用这些过程特性，PID 控制器自动调整PID路径的控制因子以改善过程响应。例如，过沖和 下冲可以用于调整PID控制因子。上升时间和下降时间可以用于计算 过程振荡的时间段，并确定增量变化或调整量被应用于每个控制因子 的先前值的比率。稳态误差可以根据过沖、下沖、上升时间和下降时 间确定，并且可以用于确定何时停止PID控制因子的自动调整，
在典型的实施方案中，设置点变化可以用于发起从当前PID控
制因子值开始的自调节过程。自动调整可以根据指定的要求进行，指 定的要求例如是对过冲、下沖、稳态误差、上升时间、下降时间和/ 或任何其他期望的物理特性建立的极限。可替换地或另外，使用缺省 设置的通用自调节可以在没有特定极限的情况下进行。
根据典型的实施方案，任何数目的过程参数都可以由给定PID 控制器控制，并且/或者可以提供任何数目的PID控制器。对于每个 额外PID控制器，可以建立额外的控制因子。关于体系过程的每个额 外参数的反馈信号可以经由额外的传感器和额外的反馈环路接收。额 外的控制因子如同已经讨论的控制因子一样，可以基于反馈信号而被 自动调整。在使用额外的PID控制器的情况下，PID控制器的参数和 该额外PID控制器可以是相互依赖的。
在操作中，对于PID控制器的每条路径的控制因子的自动调整 可以例如由设置点的改变触发.根据典型的实施方案，PID控制器的 输出信号被发送到体系过程的致动器，作为设置点的函数(例如，只 有当过程设置点非零时)。在误差信号和设置点满足预定标准时，可 以允许调整。例如，在处理设置点和误差信号以对PID控制器中的每 条路径自动调整控制因子时，经由在线传感器接收的反馈信号可以用 于确定由PID控制器102控制的参数中的下降时间、上升时间、过沖、 下冲和稳态误差中的至少 一个。预定标准可以包括确定过沖超过"&置 点的误差信号的峰值幅度处于新的最大值。可以在误差信号的一个振 荡时间段上评估预定标准。然后，在稳态误差在一个指定范围内时， 可以结束自动调整。
误差信号可以在PID控制器中进行调节(condition)以输入到 体系过程的致动器。调节可以包括将误差信号的值动态映射到致动 器。该调节可以包括例如捕捉输出信号的上限和下限，并合并上限和 下限以用于动态映射。
当想要进行控制因子的调整时，调整量可以利用经验确定的加权 因子进行加权。加权因子可以例如存储在查找表中，当满足预定标准 时访问该查找表。
根据典型的实施方案，可以使用缺省值发起PID控制器的操作。 这些缺省值可以针对要自动调整的每个控制因子进行选择，并且可以 例如针对PID控制器的每条比例、积分和微分路径进行选择。
在讨论反馈和设置点被用于产生在PID控制器102中处理的误 差信号的细节之前，将描述由图1的体系100实现的示例性过程。
图1的示例性控制器102被示为与氢气生成过程体系100相关 联。在图l的体系中，尾气燃烧室110被用于预加热诸如天然气、水 和空气之类的反应物，并燃烧某些废气。重整器114是自热重整器， 其按升序被图示为包括部分氧化床116、蒸汽重整床118、用于去除 含硫化合物的氧化锌床120、以及用于去除一氧化碳的上下水煤气变 换床122、 124。可选的优先氧化(PrOx)反应器126可以被提供用 于从重整物中去除一氧化碳。热交换器128被提供用于冷却离开重整 器的重整物。
图1的过程体系100还包括压缩机134、 136，压缩机134、 136 用于在将重整物引入到变压吸收单元138之前对重整物进行压缩，变 压吸收单元138具有各种关联的压强释放阀137和流控制阀139。水 分离装置130可以被提供用于去除水。槽140被提供用于在氢气分发 或存储之前保存离开变压吸收单元138的氬气。
在图1的体系中包括水供应和回收槽142，槽142包括用于冷却 回收水的散热器系统。供水系统包括冷却管线144和146。管线154 是用于尾气燃烧器110的供水管线。分离的空气供应管线被提供用于 燃烧(表示为二级气源156)和用作到尾气燃烧室110的反应物(表 示为一级气源158)。天然气源160经由去硫设备162向尾气燃烧室 110供气。还提供了排气口 164以及水入口 166和空气进气口 168、 170。
下面将参考图2-7描述图1体系中的示例性控制器102的细节。 图2示出了示例性PID控制器102的功能框图。
参考图2， PID控制器102构成用于控制过程的设备，并且包括 诸如设置点输入202之类的装置，其用于接收诸如体系过程的温度之
类的参数的设置点。PID控制器还包括诸如输入204之类的装置，其 用于经由过程传感器和第 一反馈环路接收与体系过程的参数有关的 反馈信号。诸如差分加法器206之类的装置被提供用于将设置点与反 馈信号相比较以产生误差信号。诸如PID处理器208之类的装置被提 供用于处理平行PID路径中的误差信号；平行PID路径即比例路径 210、包括积分器的积分路径212和包括微分器的微分路径214。这三 条PID路径与加法器216相连，用于产生PID处理器208的输出。
诸如控制因子处理器218之类的装置被提供用于基于反馈信号 自动调整至少一条PID路径的控制因子。在图2的典型实施方案中， 控制因子处理器218向增益调整乘法器220、 222和224中的一个或 多个提供输出。
图2的PID控制器可以包括诸如归一化器226之类的装置，用 于归一化误差信号。在图示的例子中，归一化器226可以包括数学函 数228和230。乘法块228将误差信号乘以一个反向常数232，以求 反误差信号进行信号格式化.求反后的误差信号在数学函数块230中 被除以设置点。由于加法器234和在常数块236中给出的常数，因此 避免了在对误差信号归一化时除以0的出现。数学函数块230的输出 代表相对于设置点信号归一化的误差信号，并且被输送到限幅器238 以限制归一化值并避免饱和。限幅器的输出经由与控制因子处理器 218相关联的乘法器220、 222和224被输送到PID处理器208。
PID控制器102包括用于调节PID处理器的输出"X"的装置，表 示为下限捕捉块240和上限捕捉块242。这两个块的输出捕捉PID控 制器输出的上限和下限，并且经由合并功能246被合并。下限捕捉块 和上限捕捉块可以存储来自PID处理器208的上输出信号和下输出信 号，以使得由PID处理器产生的误差信号的范围幅度可以适合于用在 处理体系中的实际致动器的范围。
合并功能将下限和上限捕捉块的幅度受限输出合并为X-数据 值，X-数据值可以由用于格式化的装置(表示为动态映射块248)使 用。动态映射块248将PID处理器的输出映射到致动器电压的一设定
范围。例如，在由下限和上限捕捉块提供的输出范围从O到IOV时， 这些输出可以被动态映射到从O到1的范围，此时后一范围对于体系
过程的致动器的输入是必需的。
如图2所示，PID处理器的"X，，输出被输送到动态映射块248。 下限和上限捕捉块的合并输出被输送到动态映射块的"xdat，，输入。动 态映射中Y值的饱和极限经由饱和块250被输送到动态映射块的 "ydat"输入。动态映射块的输出被输送到转换器块252，转换器块252 用于提供适合于输入到体系的致动器的值。
PID控制器102包括诸如检测器254之类的装置，用于基于设置 点的改变发起PID处理器中控制因子的自动调整。发起装置可以包括 用于检测设置点何时已改变了预定量的检测器256。该量可以经由转 换器258被转换为适合于输入到控制因子处理器218以及下限和上限 捕捉块240、 242的水平，使得在设置点已改变预定量时发生复位操 作。该预定量可以例如由用户(例如，经由用户接口)配置。
PID控制器102还包括诸如开关260之类的装置，用于控制装置 的输出。开关260被用于在PID处理器的输出和诸如0的常数之间进 行选择。关系运算器262被配置为监视设置点，并确保在设置点已从 O改变之后开关只允许PID处理器的输出被路由到输出264。
图3更详细地示出了控制因子处理器218的示例性实现方式。如 图所示，控制因子处理器接收来自差分加法器206的误差信号作为误 差信号302。控制因子处理器还接收经设置点202以及由检测器254 产生的复位PID输入304。控制因子处理器218包括被表示为PID参 数处理器306的用于为PID路径中的任何一条或全部产生控制因子的 装置。用于比例路径的控制因子被标记为308，用于积分路径的控制 因子被标记为310，用于微分路径的控制因子被标记为312。
复位的PID输入304被输送到PID参数处理器306的输入314 以在设置点已改变时复位控制因子调整处理器。"没置点202被输送到 处理器306的设置点输入316。误差信号302被输送到处理器306的 输入318。误差信号还通过过值检测(hit crossing )块322和诸如"OR"
运算器324之类的逻辑运算器，以产生处理器306的复位计数器输入 320。处理器306的计数器确定误差信号的振荡周期的一半以监视稳 态误差。逻辑OR运算器324还接收来自复位PID输入304的输入。当误差信号已超过正方向的设置点值，达到峰值，然后值减小到 与设置点值相交叉的点(如过值检测块322检测到的)时，逻辑"l" 被输送到OR运算器324。这经由处理器306的复位计数器输入320 使计数器复位。类似地，当复位PID输入304变为逻辑1时，复位计 数器输入320被用来经由OR运算器324复位处理器306的计数器。 从而，OR运算器324定义了这样一个时间段，该时间段在设置点已 改变时开始，并且在误差信号跨过设置点时被复位以开始围绕设置点 的新的振荡周期。
处理器306包括使能处理器的操作的使能输入326，以便在输出 308、 310和/或312处可以产生一个或多个控制因子。用于使能PID 参数处理器306的装置包括关系运算器328，其确保了除非设置点已 从0改变，否则处理器306不被使能。在设置点已改变之前，诸如0 的常数被输送到锁存器332的时钟输入以防止处理器306被使能。诸 如D触发器332之类的锁存器在关系运算器328检测到设置点已从0 改变时，与时钟同步锁存来自输入334的逻辑"1"。触发器332的锁 存的Q输出触发PID参数处理器306的使能输入326。
关于PID参数处理器306的细节在图4A中示出，并且标识了基 于输入314、 316、 320和326分别自动调整用于PID路径308、 310 和312的控制因子的条件。在典型的实施方案中，使能输入326被图 示为指示在脉冲发生时处理器306被使能。
处理器306包括A参数(P)处理器408，用于捕捉关于被监视的 参数的误差信号的改变，以便可以检测过冲和下冲。A时间段(T)处 理器406被提供用于捕捉作为误差信号的上升和下降时间的函数的过 程振荡的时段。可以利用过沖、下沖、上升时间和下降时间计算稳态 误差，以便在稳态误差减小到期望(例如，可接受的)水平时，PID 控制因子的自动调整可以中止。
AP处理器408开始于缺省值416 (例如O)，并且捕捉在与围绕 设置点的误差信号的振荡的一半相对应的间隔内过冲超过设置点的 误差信号的幅度。AP处理器408在复位计数器信号变高时被复位， 表明误差信号已返回到设置点值以在围绕设置点的完整的振荡时段 完成时开始新的振荡时段。随着围绕设置点的振荡时段的增大，提供 了这样的指示，即不稳定的状况正在发生并且可以自动调整对控制因 子的修正，以使得误差信号的振荡时段减小。
PID参数处理器306被配置为响应于设置点的改变并且在预定标 准发生时自动调整控制因子308、 310和312。逻辑运算器可以用于要 求多个标准在由用户指定的某一时间点存在。这些逻辑运算由用于逻 辑组合的装置(表示为AND门402和404 )执行，但也可以使用任何 期望的逻辑(实现的软件或硬件)。
一般来说，用于捕捉A时间间隔的装置(表示为AT处理器406) 被用于产生与误差信号振荡有关的信息。用于捕捉被控制的参数的变 化的独立装置(表示为AP处理器408)在确定输出308、 310和312 上的控制因子何时将被更新时有用。现在将参考图4B的AND门402 和404更详细地描述控制因子被更新的条件。
当误差信号在已经过沖高于设置点之后又跨过并低于设置点时 (由检测器412检测到)，AND门402的第一输入410是逻辑"1"。 AND门402的第二输入412对应于关系运算器414的输出。关系运算 器414将检测到的误差信号的峰值变化(即，代表设置点和反馈信号 之间的峰值差)与常数(例如"O")相比较。如果峰值误差大于0，则 AND门的第二输入412是逻辑1。如上所述，峰值误差信号是经由AP 处理器408检测到的。
在操作中，检测到的误差信号的峰值经由AP锁(lock) 420被从 AP处理器408输出到峰值AP锁存器418的输入，AP锁420保存AP 的前一峰值。AP处理器408的输出被输送到锁420的输入，使得其 可以被保持以输入到锁存器418,其中当前AP峰值可以与前一AP峰 值进行比较。
无论何时当前AP峰值超过先前的最大AP峰值，新的峰值都被存 储在锁420中以与在感兴趣的当前时段内累积的后续A峰值做比较。 感兴趣的当前时段响应于复位PID信号314而经由AP锁存器418的 复位输入被复位。如上所述，无论何时A峰值超过诸如0的常数，关 系运算器414都向AND门402输送逻辑"l，，以指示过冲状况。
AND门402的第三输入422对应于关系运算器426的输出。当 在关系运算器426的第一输入处接收到的当前AP峰值超过前一峰值 (表明过冲不稳定性)时，关系运算器426向AND门402的第三输 入输送逻辑"l"。
最终，AND门402的第四输入424对应于AP峰值锁420的输出。 从而，在当前锁AP峰值大于0时，逻辑"l，，将被输送到AND门402 的第四输入。
当AND门402的所有四个输入都是逻辑"l，，时，输出从AND门 402被输送到第二 AND门404。来自AND门402的输出是在AND 门404的笫一输入428处提供的。
AND门404的第二输入430对应于AND门432的输出。AND 门422接收两个输入。第一输入434对应于关系运算器436的输出， 关系运算器436将块438中的可复位累加器值与诸如1的常数440相 比较。累加器对从设置点改变已发生(即，复位PID变高)并且来自 下冲状况的误差信号交叉穿过设置点(见图3中OR运算器324的输 出)时起发生的脉冲数目进行计数。当可复位累加器的计数输出超过 预定常数440时，"l，，值被输送到AND门432。可复位累加器块438 接收复位计数器信号320，并接收经由单位延迟442延迟的AND门 404的输出作为使能信号。因此，假定使能信号在可复位累加器块438 处是有效的，则超过常数的复位计数器信号320的值将使得关系运算 器能够产生逻辑"l"，从而使能AND门432。
返回AND门432,经由关系运算器444接收第二输入，关系运 算器444将来自AP锁存器418的被锁定的峰值AP值与乘法器块446 的输出相比较。乘法器块446将设置点316乘以AP范围值，例如0.05
或任何其他期望值，以确保只有当设置点已改变至少5%时，才会输 送逻辑1以使能AND门432从而使能AND门404。换句话说，当对 于给定周期，设置点还未改变至少最小的预定量(例如0.05)时，AND 门404将不被使能，并且用于PID输出308、 310和312的控制因子 将不会被自动调整。
经由关系运算器450接收AND门404的第三输入448，关系运 算器450将诸如0的常数与设置点316相比较。从而，当设置点超过 0时，逻辑1被输送到AND门404的输入448，以使能PID控制因子 308、 310和312的自动调整。
AND门404的第四示例性输入454对应于与AT处理器406相关 联的使能信号，其被用于基于其上升和下降时间确定误差信号的振荡 时段。第四输入454对应于AND门456的输出。
AND门456接收三个输入。AND门456的第一输入458对应于 关系运算器460的输出，关系运算器460将AT处理器406的输出与 诸如O的常数462相比较。当AT输出超过O时，在第一输入458上 提供逻辑"l，，以使能AND门456。
AND门456的第二输入464对应于存储在锁466中的针对AT处 理器锁定的值。当对于AT存在指示误差振荡正在发生的值时，AND 门456经由该输入被^f吏能。
AND门456的第三输入468对应于关系运算器470的输出。关 系运算器将AT处理器406的当前输出与在AT锁存器468中捕捉和存 储的先前的输出相比较。当捕捉的AT的当前值超过在AT锁存器468 中锁存的先前存储的值时(表明振荡时段在增大)，逻辑l经由关系 运算器470被输送到AND门456的第三输入.当AND门456的这三 个条件存在时，AND门404经由第四输入454被使能。
当AND门404的所有四个条件都存在时，更新处理器472、 474 和476被用于自动调整PID输出308、 310和312中的一个或多个的 控制因子，AND门404的输出用作这些更新处理器中的每一个的使能 信号。参考用于比例路径的第一更新处理器(即处理器472) ， AND 门404的输出可被看作第一输入478以发起对于比例路径输出308的 控制参数定位调整值的操作。处理器472的第二输入对应于复位信号 480。复位信号480对应于复位PID信号314。更新处理器472的笫 三缺省输入482对应于初始比例增益，该初始比例增益可以例如由用 户建立并存储在存储器中。该比例增益的值被表示为块484。更新处 理器472的第四输入486对应于用于通过修正比例路径308的输出来 自动调整比例路径中的增益的控制因子。在示例性实施例中，控制因 子486可以利用查找表488产生。查找表的输出被经由饱和块490针 对更新处理器的输入进行调节，饱和块490限制来自查找表的输出的 值。
为了对查找表488寻址，从数学运算器492提供输入，数学运算 器492接收来自锁存器418的AP峰值的输出和来自加法器494的输 入。加法器494将设置点316与块496中的常数"C，，相组合，常数确 保了在数学运算器492中不会发生除以0的情形，数学运算器492将 AP峰值的输出除以设置点。
存储在查找表中的值可以经验确定，查找表是通过AP峰值对设 置点的比率访问的。这些值可以针对给定过程确定，以使得对于给定 设置点和误差信号将会对PID控制因子308、 310、 312作出适当修正。 对于积分和微分路径310、 312利用更新处理器474和476的输入生 成类似的控制因子，更新处理器474和476的输入对应于上述的针对 比例路径的更新处理器472的输入。
为了确定在AT处理器406中捕捉的时间间隔，参考该处理器406 的三个输入。第一输入498对应于离散时间积分器499的输出。离散 时间积分器499经由复位计数器信号320被复位，并且一旦当被使能 时，累加经由单位延迟495接收的来自脉冲发生器497的脉冲。AT 处理器406如同离散时间积分器499 一样，也是经由复位计数器信号 320被复位的。诸如块494中的常数0之类的缺省值确保了 AT处理器 406的输出不会降到0以下。
AT处理器406的输出被输送到锁存器468，其中其可以被存储 以在关系运算器470中与后面的AT值相比较。AT捕捉路径的目的是 确保围绕设置点的误差信号的振荡随时间减小。然而，如果振荡在某 一时段内增大，则可以确定误差信号没有围绕设置点稳定，因此可以 对输出308、 310和312上的控制因子进行适当的修正。
图5图示了与AP处理器408有关的细节。如图所示，输入对应 于缺省信号416、复位计数器信号320和误差信号318，误差信号318 已被数据存储读取块502读取并存储为上误差信号。数据存储读取块 502的输出被输送到单位延迟504。 MinMax块506将经延迟的数据 存储读取的输出与逻辑1相比较。
MinMax块506的输出被作为输入输送到开关508，开关508由 复位信号320控制。在复位时，来自MinMax块的输出被输送到数据 存储写入块510以确保新的MinMax值被存储。否则，缺省值被输送 到数据存储写入块510。
来自AP处理器408的信号输出(由输出512代表)是经由开关 514接收的，开关514也由复位信号320控制。当接收到复位信号时， 数据存储读取块502中的数据存储读取值(经单位延迟的)被输送到 输出512。否则，缺省值416被输送到输出512。
图6示出了峰值AP锁存器418的示例性功能实现方式。提供了 诸如D触发器之类的锁存器600，用于产生代表峰值AP值的时钟同 步输出。锁存器600经由开关602提供时钟，开关602通常为逻辑"l"， 但是在发生复位信号320时，将块420中的锁定峰值输送到时钟输入。 开关604通常为逻辑"0"，但是在发生复位信号时，将来自AP处理器 408的A峰值输出输送到D输入。如果该值大于0，则逻辑1与时钟同 步被送到D锁存器600的输出。
图7示出了产生控制因子308的示例性的更新处理器(例如更新 处理器472 )的示例性实现方式。对于积分和微分控制因子310和312 可以配置类似的处理器。
参考图7，图示了定位输入478、复位输入480、缺省复位482
和因子输入486。用于比例路径408的控制因子308被示为可以输送 到数据存储存储器的输出。控制因子308是经由开关700输出的，开 关700通常接收缺省值402。在发生复位值380时，开关转变为提供 经由单位延迟704来自数据存储装置702的输出。
在调整时段期间，在更新值308之前，在AT捕捉时段期间确定 新的值。被捕捉的值被经由开关706写入存储器中，开关706通常向 存储器提供缺省值482。在发生复位时，新的值被输送到数据存储装 置。数据存储读取702的输出被经由单位延迟704输送到乘法器708 的一个输入，在乘法器708中，该输出被乘以经由图4B的查找表488 提供的控制因子。从而，存储在存储器中的用于比例路径的当前值被 乘以来自查找表的因子，并经由输入710加权(例如，10%加权)。 加权可以是基于过程的。当过程误差明显时，其可以被调整为例如100 %或任何期望量。
数学运算器708的输出还被输送到另一数学运算器712 (例如加 法器)以与来自数据存储装置702的输出相组合。该输出经由开关706 被输送到存储器，作为在缺乏PID定位信号478的情况下用于比例输 出308的经自动调整的控制因子。如上所述，对于积分和微分路径中 的每一条，也可以提供与图7中所示类似的配置。
本领域技术人员将意识到，图1-7中所示的实施例的前述描述仅 仅是示例，本领域技术人员很容易进行大量的变化。例如，本领域技 术人员将意识到，所描述的功能框图可以用软件和/或硬件实现，硬件 是模拟的、数字的或其任意组合。另外，本领域技术人员将意识到， 归于各种处理器的不同功能当然可以组合到单个处理器中，或者这里 描述的功能中的任何一个或全部可以分割为用于执行指定功能的数 目增多的专用处理器。这里描述的每个处理器可以例如实现为微处理 器或其他计算机，并且/或者可以被配置为硬件、软件和固件組件的组 合。本领域技术人员将意识到，这里描述的逻辑功能中的任何一个都 可以按多种方式实现。另外，这里描述的所有值都仅仅是例子，并且 本领域技术人员将意识到，这些值中的任何一个都可以适用于特定过
程和/或控制器的期望操作。
本领域技术人员将意识到，本发明可以用其他具体形式实现，而 不脱离其精神或实质特性。因此，当前公开的实施例在所有方面都应 考虑为说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求限定， 而不是由前述描述限定，并且落在其含义、范围和等同物内的所有改 变都应当认为包含在本发明中。
权利要求
1.一种用于控制过程的方法，包括建立用于比例-积分-微分(PID)控制器的控制因子，所述PID控制器被用来相对于设置点控制体系过程的参数；经由所述过程的传感器和第一反馈环路接收与所述过程的参数有关的反馈信号；以及基于所述反馈信号自动调整所述PID控制器的控制因子。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述参数是所述过程的物理特性。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述自动调整是实时进行的。
4. 如权利要求l所述的方法，包括为用于控制所述过程的额外的PID控制器建立额外的控制因子； 经由额外的传感器和额外的反馈环路接收与所述过程的额外参 数有关的反馈信号；以及基于所述反馈信号自动调整所述额外的控制因子。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述参数和所述额外参数是 相互依赖的。
6. 如权利要求1所述的方法，包括使用经由所述传感器接收的反馈信号来检测所述参数的下降时 间、上升时间、过冲、下冲和稳态误差中的至少一个。
7. 如权利要求l所述的方法，包括 建立所述参数的设置点；以及将经由所述传感器接收的反馈信号与所述设置点进行比较以产 生误差信号。
8. 如权利要求7所述的方法，包括在所述PID控制器内调节所述误差信号以输入到所述体系过程 的致动器，其中所述调节包括将所述误差信号动态映射到所述致动
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述调节包括 捕捉所述误差信号的上限和下限；以及 合并所述上限和下限以用在所述动态映射中。
10. 如权利要求1所述的方法，包括将所述PID控制器的输出信号作为所述参数的设置点的函数发 送到所述过程的致动器。
11. 如权利要求10所述的方法，其中所述PID控制器的输出信 号只在所述设置点非0时被发送到所述致动器。
12. 如权利要求7所述的方法，其中在检测到所述设置点的改变 时进行所迷PID控制器的控制因子的自动调整。
13. 如权利要求12所述的方法，其中在已满足预定标准时进行 所述控制因子的自动调整，其中所述预定标准包括确定过沖超过所述 设置点的误差信号的峰值幅度处于新的最大值。
14. 如权利要求12所述的方法，其中所述预定标准是在相对于 所述设置点的误差信号的一个振荡时段上被确定的。
15. 如权利要求12所述的方法，其中在参数相对于设置点的稳 态误差下降到期望水平时，中断所述自动调整。
16. 如权利要求12所述的方法，其中使用经验确定的加权因子 来加权调整的量。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述加权因子被存储在查 找表中。
18. 如权利要求17所述的方法，其中对于所述PID控制器的比 例、积分和微分路径中的每一条，独立调整各自的控制因子。
19. 如权利要求12所述的方法，其中对于所述比例、积分和微 分路径中的每一条选择初始缺省值。
20. —种用于控制过程的设备，包括用于接收所述过程的参数的设置点的装置； 用于经由所述过程的传感器和第一反馈环路接收与所述过程的 参数有关的反馈信号的装置； 用于将所述设置点与所述反馈信号相比较以产生误差信号的装置；用于在平行PID路径中处理所述误差信号的装置；以及 用于基于所述反馈信号自动调整所述PID路径中的至少一条的 控制因子的装置。
21. 如权利要求20所述的设备，包括 用于归一化所述误差信号的装置。
22. 如权利要求20所述的设备，包括用于调节所述误差信号处理装置的输出以产生经调节的输出信 号的装置。
23. 如权利要求22所述的设备，包括用于通过将所述经调节的输出信号动态映射到过程致动器来格 式化所述经调节的输出信号的装置。
24. 如权利要求20所述的设备，包括用于在检测到所述设置点的改变时发起所述自动调整的装置。
25. 如权利要求24所述的设备，包括用于基于所述设置点的改变控制所述设备的输出的装置。
26. 如权利要求20所述的设备，其中所述用于自动调整的装置包括用于为至少一条PID路径产生控制因子的装置。
27. 如权利要求26所述的设备，其中所述用于产生控制因子的 装置包括用于捕捉在给定时间段内所述误差信号的峰值改变的装置。
28. 如权利要求24所述的设备，其中所述用于自动调整的装置 在已满足预定标准时执行控制因子的调整，并且其中所述预定标准包 括确定过沖超过所述设置点的误差信号的峰值幅度处于新的最大值。
29. 如权利要求28所述的设备，其中由所述调整装置执行的所 述控制因子的自动调整在已超出误差信号的预定振荡时段时发生。
30. 如权利要求28所述的设备，其中由所述调整装置执行的自 动调整在所述设置点超过0并且所述误差信号的振荡时段增大时发生。
31. 如权利要求27所述的设备，其中利用存储在查找表中的经 验数据来调整控制因子，并且所述查找表是作为所述设置点和所述反 馈信号相对于所述设置点的峰值误差的函数被访问的。
32. —种用于控制过程的系统，包括用于为比例-积分-微分(PID)控制器建立设置点的用户接口， 所述PID控制器用于控制过程的参数；用于经由所述过程的传感器接收与所述过程的参数有关的反馈 信号的反馈环路；以及用于基于所述反馈信号自动调整所述PID控制器的控制因子的 处理器。
33. 如权利要求32所述的系统，包括 用于检测所述设置点的改变的检测器。
34. 如权利要求32所述的系统，其中所述处理器包括 用于确定所述反馈信号相对于所述设置点的峰值误差信号的第一处理器；以及用于确定相对于所述设置点的误差信号的振荡时段的时间处理器。
35. 如权利要求32所述的系统，包括用于确定何时已满足预定标准，并且在已满足所述预定标准时使 能所述控制因子的自动调整的逻辑。
36. 如权利要求35所述的系统，其中所述逻辑包括至少一个 AND门。
37. 如权利要求32所述的系统，包括用于存储针对所述体系过程经验确定的控制因子的查找表。
38. 如权利要求37所述的系统，其中使用所述设置点和所述反 馈信号相对于所述设置点的检测到的峰值误差来访问所述查找表。
39. 如权利要求32所述的系统，包括 用于调节所述处理器的输出以输入到所述过程的致动器的电路。
40. 如权利要求39所述的系统，其中所述电路通过检测来自包 括在所述PID控制器中的PID处理器的输出的下限和上限，将所述 处理器输出动态映射到致动器输入。
41. 如权利要求32所述的系统，包括只有在所述设置点大于0时才将所述PID控制器的输出选通到 一个体系的致动器的开关。
全文摘要
公开了一种用于控制过程的方法和系统。该方法包括建立用于比例-积分-微分(PID)控制器的控制因子，PID控制器被用来相对于设置点控制过程的参数。经由过程的传感器和第一反馈环路接收与过程的参数有关的反馈信号。基于反馈信号自动调整PID控制器的控制因子。
文档编号G05B13/02GK101103321SQ200580047009
公开日2008年1月9日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月17日
发明者孙宏桥, 惠特·W.·斯潘塞, 维斯纳·R.·米尔考维克 申请人:德士古发展公司