專利名稱：兩自由度控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩自由度控制器，這種控制器能完成過程擾動的最佳控制，并能最佳控制跟蹤目標(biāo)過程值或設(shè)定點(etpoint)值。
PID控制器已應(yīng)用于工業(yè)的各個領(lǐng)域。近年來，數(shù)字式PID控制器的應(yīng)用不斷增加而替代模擬PID控制器，并且現(xiàn)在在控制工廠中已成為不可少的一員。數(shù)字式PID控制器執(zhí)行如下的基本操作MV(s)＝Kp｛1+1/(TIs)+(TDs)/(1+ηTDs)｝E(s) …(1)這里MV(S)是一個操縱變量，E(S)是一偏差(量)，Kp是比例增益，TI是積分時間，TD是微商時間(devivative tims)，S是拉普拉斯算符，η是系數(shù)，和1/η是微商增益。等式(1)確定了一個偏差(量)的PID控制。這種控制一般稱作“偏差PID控制”。
但是，在偏差PID控制中，設(shè)定點SV的變化在許多情況下是階躍式變化(Stepwise)。由于設(shè)定點值SV的階躍變化，PID控制器往往執(zhí)行一過量D(微商)操作，因此操縱變量MV變化很大，結(jié)果，PID控制器給所控制的系統(tǒng)一個沖擊?；蛘?，PID控制器的設(shè)定點蹤特性具有過沖，因此，控制器不可避免地執(zhí)行一種振動操作。
近年來，一種新型的PID控制器對PV執(zhí)行D操作，而不是對偏差(量)進(jìn)行D操作。這種PID控制器已投入實際使用。這種PID控制器執(zhí)行下面的操作MV(s)＝Kp[｛1+1/(TIs)｝E(s)-｛(TDs)/(1+ηTDs)｝PV(s)]…(2)這里PV(S)是來自受控系統(tǒng)的控制值。
等式(1)和(2)、每一個都確定了一個自由度的PID控制操作。僅有一組PID參數(shù)能被設(shè)定。在實際的控制系統(tǒng)中，最好的控制過程擾動的最佳PID參數(shù)和最好的跟蹤設(shè)定點的最佳PID參數(shù)具有不同的值。
1963年，伊塞斯I·赫羅瓦茲(Issac I.Horowitz)公開了一種兩自由度PID(2DOF PID)的算法，其中能獨立地設(shè)定兩組參數(shù)，這種算法不但使PID控制器能有效地控制過程擾動，而且能精確地跟蹤設(shè)定點的值。此后，這種算法被用于許多PID控制器中，這些控制器在實際使用中對工廠進(jìn)行著高水平的控制。在這種2DOF PID算法中，首先設(shè)置控制過程擾動的最佳PID參數(shù)。當(dāng)設(shè)定點值改變時，則PID參數(shù)按照為新設(shè)定點值選定的設(shè)定點濾波器(filter)的系數(shù)自動地變化。


圖1是常規(guī)的2DOF PID控制器的方框圖。該控制器包含設(shè)定點濾波器裝置H(S)和PID控制器(PV微商)。如圖1所示，設(shè)定點濾波器裝置H(S)連到PID控制器的輸入端，該過濾器裝置H(S)包含導(dǎo)前/滯后裝置1;第一滯后裝置2;不完全微商置3;減法器裝置4;不完全積分裝置5;加法器裝置6。該導(dǎo)前/滯后裝置1把一導(dǎo)前或滯后量加給設(shè)定點值SV。該第一滯后裝置2把第一滯后(延遲)加給設(shè)定點值SV。該不完全微商裝置3對微商增益設(shè)置一個上限值，且也延遲微商操作。該減法器裝置4從不完全微商裝置3的輸出中減掉第一滯后裝置2的輸出。該不完全積分裝置5對減法器裝置4的輸出進(jìn)行延遲。該加法器裝置6將導(dǎo)前/滯后裝置1的輸出和不完全微商裝置5的輸出相加。加法器裝置6的輸出SV或設(shè)定點濾波器裝置H(S)的輸出SV作為一個設(shè)定點加到PID控制器上。
PV微商型(對PV進(jìn)行微商的)的PID控制器包含偏差計算裝置7;非線性裝置8;PI控制操作裝置9;減法器裝置10和不完全微商裝置11。該偏差計算裝置7接收加法器裝置6的輸出SV0及受控系統(tǒng)12所提供的控制值PV，根據(jù)輸出SV0和控制值PV計算出一個偏差(量)E。然后所獲得的偏差E輸入到非線性裝置8。該非線性裝置8對偏差E執(zhí)行非線性操作，這種操作包括靜區(qū)非線性操作，偏差平方操作，和增益變化操作，然后產(chǎn)生一個輸出。裝置8的輸出輸入到PI控制操作裝置9。該操作裝置9對非線性裝置8的輸出執(zhí)行PI控制操作，所述PI控制操作由等式(2)的右邊第一項確定，由此產(chǎn)生一個PI控制值。該PI控制值加到減法器裝置10。
其間，控制值PV從受控系統(tǒng)12加到不完全微商裝置11。該不完全微商裝置11對控制值PV進(jìn)行一個不完全的微商操作，所述的不完全的微商操作由等式(2)的右邊第二項確定，由此產(chǎn)生一個不完全的微商值。該不完全的微商值輸入到減法器裝置10。該減法器裝置10從PI控制值中減掉不完全微商值，由此獲得一個操縱變量MV。
該操縱變量MV加到加法器13，過程擾動信號D也加到該加法器13。加法器13將變量MV和信號D相加。變量MV和信號D的“和”輸入到受控系統(tǒng)12，由此系統(tǒng)12被控制，使控制值PV變得與設(shè)定點值SV0相等，即SV0＝PV。
因此，控制過程擾動的算法CD(S)由下式表示CD(s)＝Kp｛1+1/(TIs)+(TDs)/(1+ηTDs)｝…(3)另一方面，控制設(shè)定點值的算法CSV(S)由(4)式表示CSV(s)＝Kp[α+｛1/(TIs)-βO/(1+TI·s)｝+(γOTDs)/(1+ηTDs)]…(4)首先，參數(shù)KP、TI和TD置于能使2DOF PID控制器有最佳過程擾動控制特性的值，然后，決定2DOF系數(shù)α、βO、和γO使2DOF PID控制器具有最好的設(shè)定點跟蹤特性。一旦2DOFPID控制器具有最佳過程擾動控制特性和最佳調(diào)整點跟蹤特性，則參數(shù)KP、TI和TD就能按照系數(shù)α、βO和γO而變化，從而跟上控制值PV的變化。結(jié)果是，控制器能執(zhí)行兩自由度的PIP控制。
如上所述的兩自由度PIP控制在許多方面具有優(yōu)越性，但是還存在如下幾方面的缺點。
1.從等式(4)可以明顯地看出，2DOF系數(shù)α、βO和γO互不相關(guān)，而它們本來是應(yīng)該互有聯(lián)系的。因此當(dāng)系數(shù)α變化時，系數(shù)βO和γO必須獨立地變化。這樣為調(diào)節(jié)系數(shù)βO和γO要花費很多時間。
2.如前所述，設(shè)定點濾波器裝置H(S)和PID控制器(PV微商型)具有第一滯后裝置和不完全微商裝置，在大多數(shù)情況下為了控制一個工廠，就要進(jìn)行幾十至幾千個2DOF PID控制。因此，一個工廠控制系統(tǒng)需要有大量的第一滯后裝置和大量的不完全微商置。系統(tǒng)負(fù)載很大，使得系統(tǒng)難以高速運行，并且系統(tǒng)不可避免地要做得很大。
3.為了控制一個工廠，偏差(量)在許多情況下要進(jìn)行非線性操作。這種非線性操作不是能輕易、精確或隨便獲得的。
這就是說，為了控制一個工廠，在許多情況下要對偏差進(jìn)行非線性操作，這是因為由于受控系統(tǒng)12的特性，工廠不能僅按照偏差量E來控制。這是為什么非線性裝置8連接到PI控制操作裝置9的輸入端以完成對偏差量E的非線性操作的原因，非線性操作包括靜區(qū)非線性操作、偏差量平方操作、增益變化操作和間隔(gap)操作等。因為不完全微商裝置11旁路到PI控制操作裝置9的輸出端，所以不完全微商裝置11的輸出不經(jīng)過非線性操作。因此，非線性操作的結(jié)果是不精確的，不可避免地減少了兩自由度PID控制的可靠性。
本發(fā)明的第一個目的在于提供一種當(dāng)比例增益的2DOF系數(shù)α變化時，能自動改變微商項增益的兩自由度控制器。
本發(fā)明的第二個目的在于提供一種使用少量時間元件且體積小、負(fù)載輕并能高速操作的兩自由度控制器。
本發(fā)明的第三個目的在于提供一種能簡易、精確、自由地進(jìn)行包括微商操作的非線性操作，從而可以高效地控制系統(tǒng)的兩自由度的控制器。
為完成上述發(fā)明目的，按照本發(fā)明提供了一種兩自由度控制器，該控制器包含設(shè)定點濾波器裝置，用于按照設(shè)定點值和受控系統(tǒng)的控制值對過程擾動信號進(jìn)行微商操作，由此輸出一個設(shè)定點信號;
PI控制操作裝置，用于確定設(shè)定點信號和所述的控制值之間的偏差量并對該偏差量進(jìn)行PI控制操作，由此輸出一操縱信號;和加法器裝置，用于將過程擾動信號加到由PI控制操作裝置輸出的操縱信號，從而獲得一個“和”信號并且將該“和”信號加給受控系統(tǒng)。
PI控制操作裝置可包含用于對偏差量進(jìn)行非線性操作的非線性裝置。
因此，設(shè)定點濾波器裝置和PI控制操作裝置相結(jié)合，很容易地實現(xiàn)兩自由度PID控制。
設(shè)定點濾波器裝置連接到PI控制操作裝置的輸入端，并且按照設(shè)定點值和控制值對過程擾動信號進(jìn)行微商操作，PI控制操作裝置能精確、自由地進(jìn)行非線性操作，從而完成兩自由度的PID控制。
本發(fā)明的一較佳實施例中，設(shè)定點濾波器裝置包括增益系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以比例增益的兩自由度系數(shù)，由此輸出第一乘積;
第一減法器裝置，它用于從設(shè)定點值中減掉第一乘積，由此輸出第一差值;
第一個第一滯后裝置，它具有積分時間的兩自由度系數(shù)，用于對第一差值進(jìn)行第一滯后操作，由此輸出第一滯后操作的第一結(jié)果;
微商時間系數(shù)乘法裝置，它用于對第一乘積乘以一微商時間的兩自由度系數(shù)，由此輸出第二乘積;
第二減法器裝置，它用于從第二乘積中減掉控制值，由此輸出第二差值;
不完全微商裝置，它用于接收第二差值并對該第二差值進(jìn)行不完全微商操作，由此輸出一不完全微商操作結(jié)果;
第三減法器裝置，它用于從第一滯后操作的第一結(jié)果中減去不完全微商操作的結(jié)果，由此輸出第三差值;
第二個第一滯后裝置，它用于對第三差值進(jìn)行第一滯后操作，由此輸出第一滯后操作的第二結(jié)果;
第一加法器裝置，它用于將第一滯后操作的第二結(jié)果加到不完全微商操作的結(jié)果上，由此輸出第一“和”;和第二加法器裝置，它用于將第一“和”加到第一乘積上，由此得到第二“和”，并且將該第二“和”作為設(shè)定點信號加到PI控制操作裝置上。
在本發(fā)明的另一個較佳實施例中，設(shè)定點濾波器裝置包含增益系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以比例增益的兩自由度系數(shù)，由此輸出第一乘積;
第一減法器裝置，它用于從設(shè)定點值中減去第一乘積，由此輸出第一差值;
第一個第一滯后裝置，它具有積分時間的兩自由度系數(shù)，用于對第一差值進(jìn)行第一滯后操作，由此輸出第一滯后操作的第一結(jié)果;
微商時間系數(shù)乘法裝置，它用于對設(shè)定點值乘以一微商時間的兩自由度系數(shù)，由此輸出第二積乘;
第二減法器裝置，它用于從第二乘積中減去控制值，由此輸出第二差值;
不完全的微商裝置，它用于接收第二差值并對該第二差值進(jìn)行不完全微商操作，由此輸出不完全微商操作的結(jié)果;
第三減法器裝置，它用來從第一滯后操作的第一結(jié)果中減去不完全微商操作的結(jié)果，由此輸出第三差值;
第二個第一滯后裝置，它用于對第三差值進(jìn)行第一滯后操作，由此輸出第一滯后操作的第二結(jié)果;
第一加法器裝置，它用于將第一滯后操作的第二結(jié)果加到不完全微商操作的結(jié)果上，由此輸出第一“和”;和第二加法器裝置，它用于把第一“和”加到第一乘積上，由此得到第二“和”，并且將該第二“和”作為設(shè)定點信號加到PI控制操作裝置上。
或者，用以對比例增益和微商時間實現(xiàn)兩自由度控制的設(shè)定點濾波器裝置可以包含增益系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以比例增益的兩自由度系數(shù)，由此輸出第一乘積;
第一減法器裝置，它用于從設(shè)定點值中減去第一乘積，由此輸出第一差值;
微商時間系數(shù)乘法裝置，它用于將第一乘積乘以微商時間的兩自由度系數(shù)，由此輸出第二乘積;
第二減法器裝置，它用于從第二乘積中減去控制值，由此輸出第二差值;
不完全微商裝置，它用于接收第二差值并對該第二差值進(jìn)行不完全微商操作，由此輸出不完全微商操作的結(jié)果;
第三減法器裝置，它用于從第一差值減去不完全微商操作的結(jié)果，由此輸出第三差值;
第一滯后裝置，它用來對第三差值進(jìn)行第一滯后操作，由此輸出第一滯后操作的結(jié)果;
第一加法器裝置，它用來將第一滯后操作的結(jié)果加到不完全微商操作的結(jié)果上，由此輸出第一“和”;和第二加法裝置，它用于將第一“和”加到第一乘積上，由此得到第二“和”，并且該裝置用來把第二“和”作為設(shè)定點信號加到PI控制操作裝置上。
按照本發(fā)明所提供的兩自由度控制器，它包含接收一控制值的微商項的設(shè)定點濾波器裝置，和一PI控制操作裝置。該PI控制操作裝置包含偏差量計算裝置;PI控制裝置;和連接在偏差量計算裝置和PI控制裝置之間的非線性裝置，它用來完成對微商項的非線性操作。
為了完成上述目的，按照本發(fā)明所提供的兩自由度控制器包含設(shè)定點濾波器裝置，它用于接收設(shè)定點值并產(chǎn)生設(shè)定點信號，該裝置包含系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以比例增益的兩自由度系數(shù)，由此輸出一個乘積;
第一遲后裝置，它至少具有一積分時間的兩自由度系數(shù)，并且被設(shè)計成從設(shè)定點值中減去該乘積，由此產(chǎn)生一個差值;和加法裝置，它用于把上述乘積加到該差值上，由此輸出設(shè)定點信號;
PI控制操作裝置，它用于確定設(shè)定點信號和受控系統(tǒng)提供的控制值之間的偏差量，并對該偏差量進(jìn)行PI控制操作，由此輸出一操縱信號;和加法器裝置，它用于將過程擾動信號加到由PI控制操作裝置輸出的操縱信號上，然后得到一個“和”信號，并且將該“和”信加到受控系統(tǒng)上。
為完成上述目的，按照本發(fā)明所提供的另一個兩自由度控制器包含設(shè)定點濾波器裝置，它用于接收設(shè)定點值并產(chǎn)生一個設(shè)定點信號，該裝置包含系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以比例增益的兩自由度系數(shù)，由此輸出一個乘積;
第一個第一滯后裝置，它用于從設(shè)定點值中減去該乘積，由此產(chǎn)生一個差值;
第二個第一滯后裝置，它至少具有一積分時間的兩自由度系數(shù)，并且它被用來延遲設(shè)定點值并輸出延遲了的設(shè)定點值;和加法裝置，它用來把上述乘積加到由第二個第一滯后裝置輸出的延遲后的設(shè)定點值上，由此輸出設(shè)定點信號;
PI控制操作裝置，它用來確定設(shè)定點信號和受控系統(tǒng)的控制值之間的偏差量，并且對該偏差量進(jìn)行PI控制操作，由此輸出一個操縱信號;和加法器裝置，它用于將過程擾動信號加到由PI控制操作裝置輸出的操縱信號上，由此得到一個“和”信號，并且把“和”信號加到受控系統(tǒng)上。
按照上述可以理解，為了把兩自由度加給用于傳統(tǒng)控制器中的設(shè)定點濾波器的比例增益，一導(dǎo)前/遲后裝置分解成兩部分，第一部分是正比于輸入的靜態(tài)補償部分、而第二部分是變化的動態(tài)補償部分，相對于輸入延遲。一第一滯后裝置與動態(tài)補償部分相串聯(lián)，因此，兩個第一遲后裝置用于完成2DOF PI控制。此外兩自由度也賦予積分時間，這樣，當(dāng)比例增益的兩自由度系數(shù)變化時，使積分時間的自由度值以適當(dāng)?shù)姆较蜃兓?br> 因此，維持過程擾動的最佳控制所需的比例增益系數(shù)不變，設(shè)定點值的比例增益能通過改變系數(shù)乘法裝置的比例增益的兩自由度系來改變。另外，維持過程擾動信號的積分時間不變，只要改變第一滯后裝置的積分時間的兩自由度系數(shù)就可以相應(yīng)地改變設(shè)定點值的積分時間。從而實現(xiàn)一個完全的兩自由度PI控制。通過改變比例增益的兩自由度系數(shù)、積分時間能以適當(dāng)?shù)姆较蚋淖儭４送?，只要使用兩個第一滯后裝置就能實現(xiàn)完全的兩自由度PI控制。
按照本發(fā)明提供的另外一個兩自由度控制器包含增益系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以比例增益的兩自由度系數(shù)，由此輸出第一乘積;
微商時間系數(shù)乘法裝置，它用于將設(shè)定點值乘以微商時間的兩自由度系數(shù)，由此輸出第二乘積;
第一個第一滯后裝置，它用于對設(shè)定點值進(jìn)行第一延遲操作，由此輸出第一滯后操作的第一結(jié)果;
積分時間系數(shù)乘法裝置，它用于將第一滯后操作的結(jié)果乘以積分時間的兩自由度系數(shù)，由此輸出第三乘積;
不完全微商裝置，它用于對第二乘積和受控系統(tǒng)所提供的控制值進(jìn)行不完全微商操作，由此輸出不完全微商操作的結(jié)果;
第二個第一滯后裝置，它用于對第一乘積、第三乘積和不完全微商操作的結(jié)果進(jìn)行第一滯后操作，由此輸出第一滯后操作的第二結(jié)果;
第一加法器裝置，它用于將第一滯后操作的第一和第二結(jié)果相加，由此輸出設(shè)定點信號;
PI控制操作裝置，它用于確定設(shè)定點信號和控制值之間的偏差量，并對該偏差量進(jìn)行PI控制操作，由此輸出一操縱信號;和第二加法器裝置，它用于把過程擾動信號與操縱信號相加，從而得到“和”信號，并把該“和”信號加到受控系統(tǒng)。
這種兩自由度控制器能把完全的兩自由度加給比例增益、微商時間和積分時間。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將在下面的說明書中闡述，其中一部分目的和優(yōu)點通過說明將顯而易見，或者通過對本發(fā)明的實踐而得以理解。利用所附權(quán)利要求書中特別指出的手段及其組結(jié)合，可實現(xiàn)并獲得本發(fā)明的這些目的和優(yōu)點。
附圖構(gòu)成本說明書的一部分，它們示出了本發(fā)明目前的較佳實施例。附圖與上面所給出的描述和下面行將給出的較佳實施例的細(xì)節(jié)的說明一起，用來闡述本發(fā)明的原理。
圖1是表示傳統(tǒng)的兩自由度PID控制器的方框圖;
圖2表示按照本發(fā)明的第一實施例的PID控制器的方框圖;
圖3A和3B是解釋導(dǎo)前/滯后裝置是怎樣等效變換的圖;
圖4A和4B是解釋不完全積分裝置是怎樣等效變換的圖;
圖5一方面是2DOF系數(shù)α和β之間的關(guān)系曲線，另一方面表示了由圖2所示的PID控制器所控制的系統(tǒng)的特性;
圖6是表明按照本發(fā)明的第二個實施例的PID控制器的方框圖;
圖7是本發(fā)明第三實施例的PI控制器的方框圖;
圖8是解釋設(shè)定點濾波器是怎樣響應(yīng)設(shè)定點值的階躍變化的曲線圖;
圖9是解釋當(dāng)圖7中所示的PI控制器的過程擾動控制特性被調(diào)諧時，該控制器所具有的設(shè)定點跟蹤特性的曲線圖;
圖10是本發(fā)明的第四實施例的PI控制器中所用的設(shè)定點濾波器的方框圖;
圖11是本發(fā)明第五實施例的PI控制器中所用的設(shè)定點濾波器裝置的方框圖;
圖12是本發(fā)明第六實施例的PI控制器中所用的設(shè)定點濾波器裝置的方框圖;
圖13是本發(fā)明第七實施例的PID控制器的方框圖;
圖14A和14B是解釋不完全微商裝置是怎樣等效變換的圖;
圖15是本發(fā)明第八實施例的PID控制器的方框圖;
圖16是本發(fā)明第九實施例的PID控制器的方框圖;
圖17是圖16所示的PID控制器中所用的設(shè)定點濾波器裝置的設(shè)想結(jié)構(gòu)的方框圖;
圖18是圖16的PID控制器中所用的設(shè)定點濾波器裝置的實際結(jié)構(gòu)的方框圖;
圖19是一種僅由第一滯后裝置構(gòu)成的、能用于圖16的PID控制器中的設(shè)定點濾波器裝置的方框圖。
下面參照圖2、3、3A、3B、4A和4B描述本發(fā)明第一實施的2DOF PID控制器。
如圖2所示，2DOF PID控制器包含一設(shè)定點濾波器裝置20、一PI算法執(zhí)行部分22和加法器裝置24。加法器24連接到由2DOF PID控制器所控制的系統(tǒng)26。
設(shè)定點濾波器20用來接收設(shè)定點值SV并對該值SV進(jìn)行操作，由此將兩自由度加給比例增益KP、積分時間TI和微商時間TD。PI-算法執(zhí)行部分22包含偏差量計算裝置28，非線性裝置30，和PI控制裝置32。偏差量計算裝置28接收設(shè)定點濾波器裝置20的輸出SV0，及由受控系統(tǒng)26來的控制值PV，并從輸出SV0減去控制值PV，由此獲得偏差量E;裝置28進(jìn)行減法SV0-PV＝E。如果必需的話，非線性裝置30對偏差量E執(zhí)行非線性操作，從而產(chǎn)生一個輸出。PI控制裝置32對非線性裝置30的輸出進(jìn)行PI控制操作，由此產(chǎn)生操縱變量MV。
加法器裝置24用來把過程擾動信號D加到由PI-算法執(zhí)行部分22所產(chǎn)生的操縱變量MV上，并把該“和”值送給受控系統(tǒng)26。結(jié)果系統(tǒng)26受控而SV＝SV0＝PV。
如圖2所示，設(shè)定點過濾裝置20包含增益系數(shù)乘法裝置34，連接到該乘法裝置34的輸出端的第一加法器裝置36，也連接到該乘法裝置34的輸出端的第一減法器裝置38，第二減法器裝置40，耦連到第二減法器裝置40的輸出端的第一個第一滯后裝置42，連接到裝置42的輸出端的第二加法器裝置44，與乘法裝置34相連接的時間系數(shù)乘法裝置46，耦連到乘法裝置46的輸出端的第三減法器裝置48，耦連到第三減法器裝置48的輸出端的不完全微商裝置50，和連接在第一減法器裝置38和第二減法器裝置40之間的第二個第一滯后裝置52。
如已描述的那樣，設(shè)定點濾波器裝置20將兩自由度賦予比例增益、積分時間和微商時間。為了將兩自由度加給這些項，不完全微商裝置11(圖1)的微商項一它旁路到PI控制操作裝置9的輸出端一加到設(shè)定點濾波器裝置20。此外，通過共同使用控制值的積分、設(shè)定點值的積分和微商、設(shè)定點值的比例增益和積分時間的第一滯后，所需要的裝置比傳統(tǒng)的2DOF PID控制器(圖1)中的要少。
下面首先解釋裝置20怎樣把兩自由度施加給比例增益。增益系數(shù)乘法器34將設(shè)定點值SV乘以比例增益的2DOF系數(shù)α。乘法器34的輸出、即SV和α的乘積加到第一加法器裝置36和第一減法器裝置38。第一減法器裝置38從設(shè)定點值SV中減去輸出α·SV。第一減法器裝置38的輸出、即SV和α·SV之間的差，通過第二個第一滯后裝置52、第二減法器裝置40、第一個第一滯后裝置42和第二加法器裝置44輸入到第一加法器裝置36。第一加法器裝置36將第二加法器裝置44的輸出加到增益系數(shù)乘法裝置34的輸出上，從而將兩自由度施加給比例增益。
現(xiàn)在來解釋裝置20是怎樣把兩自由度施加給微商時間的。增益系數(shù)乘法裝置34的輸出輸入給時間系數(shù)乘法裝置46，在該裝置46中微商間的2DOF系數(shù)γ被設(shè)置。時間系數(shù)乘法裝置46將裝置34的輸出乘以系數(shù)γ，得到乘積αγSV。該乘積輸入到第三減法器裝置48。第三減法器48從乘積αγSV中減去系統(tǒng)26的控制值PV，從而得到差值αγSV-PV。該差值通過不完全微商裝置50加到第二加法器40和第二加法器裝置44。第二減法器裝置40的輸出經(jīng)第一個第一滯后裝置42加到第二加法器裝置44，而第三減法器裝置48的輸出經(jīng)不完全微商裝置50加到第二加法器44。第二加法器裝置44將第一個第一滯后裝置42的輸出與不完全微商裝置50的輸出相加，從而獲得和數(shù)。該和數(shù)輸入到和一加法器裝置36，增益系數(shù)乘法裝置34的輸出、即αSV也加到該裝置36。因此，第一加法器裝置36輸出增益系數(shù)乘法裝置34的輸出和第二加法器裝置44的輸出的和數(shù)。作為上述的結(jié)果，兩自由度被施加給微商時間。
現(xiàn)在來解釋怎樣把兩自由度施加給積分時間。第一減法器裝置38的輸出即SV-αSV加給包含積分時間的2DOF系數(shù)β的第二個第一滯后裝置52。裝置52的輸出，通過第二減法裝置40、第一個第一滯后裝置42和第二加法器裝置44，輸入到第一加法器裝置36。第一加法器裝置36將乘法裝置34和第二加法器裝置44的輸出相加，產(chǎn)生一個輸出SV0，它作為設(shè)定點濾波器裝置20的輸出。
現(xiàn)在來解釋為什么要使用如上所述的設(shè)定點濾波器裝置20，請參看圖3A、3B、4A、4B和5。
傳統(tǒng)的2DOF PID控制器(圖1)中所使用的并概略地表示在圖3A中的導(dǎo)前/滯后裝置1可等效地變換成圖3B中所示的那樣。就是說，裝置1可以表示為(1+αTIS)/(1+TIS)，它能轉(zhuǎn)換為(1+αTIs)/(1+TIs)＝(α+αTIs+1-α)/(1+TIs)＝α+(1-α)/(1+TIs)…(5)
因此，等式(5)可用圖3B中所示功能框圖來表示。
傳統(tǒng)的PID控制器(圖1)中所使用的并概略地表示在圖4A中的不完全積分裝置5可等效地變換為圖4B中所示的那樣。就是說，裝置5能表示為(TIS)/(1+TIS)，它能轉(zhuǎn)換為TIs/(1+TIs)＝(1+TIs-1)/(1+TIs)＝1-1/(1+TIs)…(6)因此，等式(6)可用圖4B中所示功能框圖來表示。
從圖3B和4B及圖2清楚可見，第一個第一滯后裝置42既能用作導(dǎo)前/遲后裝置1也能用作不完全積分裝置5。換言之，使用圖3B和4B的功能框和一些新的技術(shù)概含設(shè)計出了圖2中所示的設(shè)定點濾波器裝置20。
控制過程擾動的算法CD(S)由下式給出CD(s)＝MV/PV＝Kp[1+1/(TIs)+TDs/(1+ηTDs)]…(7)另一方面，控制設(shè)定點值的算法CSV(S)用下式表示CSV(s)＝MV/SV＝Kp｛α+[1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)]+αγTDs/(1+ηTDs)｝…(8)從式(7)和式(8)可清楚地看出，當(dāng)比例增益的2DOF系數(shù)α改變時，保持控制過程擾動的算法的比例增益KP不變，可以改變控制設(shè)定點值的算法中的比例增益KPα。同樣，當(dāng)積分時間的2DOF系數(shù)β改變時，保持控制過程擾動的算法的積分時間不變，可以改變控制設(shè)定點值的算法中的積分時間。同樣，當(dāng)微商時間的2DOF系數(shù)γ變化時，保持控制過程擾動的算法中的微商時間不變，可以改變控制設(shè)定點值的算法中的微商時間。簡言之，能構(gòu)成完全的2DOF PID控制。
因此，圖2中的2DOF PID控制器僅需要3個時間裝置，而圖1中的2DOF傳統(tǒng)的PID控制器需要5個時間裝置。因此，圖2的PID控制器的負(fù)載和費用與圖1中所示的傳統(tǒng)PID控制器的相比減少了，而且圖2的PID控制器與圖1中所示的傳統(tǒng)PID控制器相比較，前者體積下降下，操作速度更快了。圖2中所示的控制器還能對系統(tǒng)26進(jìn)行完全的2DOF PID控制。
圖2中所示的2DOF PID控制器、其比例增益的2DOF系數(shù)α、積分時間的2DOF系數(shù)β和微商時間的2DOF系數(shù)γ能相互獨立設(shè)置。這樣就很容易設(shè)置這些系數(shù)。
而且，用圖2中所示的2DOF PID控制器很容易調(diào)節(jié)2DOF系數(shù)β和γ。這是因為當(dāng)2DOF系數(shù)α改變時，這些2DOF系數(shù)自動得到調(diào)節(jié)，這一點從式(8)是很容易理解的。
再者，圖2中所示的2DOF PID控制器能容易而精確地進(jìn)行非線性操作。這是因為該2DOF PID控制器不需要相應(yīng)于不完全微商裝置11(圖1)的部分，該裝置11被旁路到PI控制操作裝置9(圖1)的輸出，并且還因為控制值的微商項包括在設(shè)定點濾波器裝置20之內(nèi)。
圖5表示2DOF系數(shù)α和β的最佳值是如何隨著由圖2的2DOF PID控制器所控制的系統(tǒng)26的特性而變化。系統(tǒng)26的特性定義為L/T，其中L是系統(tǒng)26的空載時間(idling time)，而T是系統(tǒng)26的時常數(shù)。從圖5可以看出，圖2的PID控制器在實際應(yīng)用中，2DOF系數(shù)α和β都只能是設(shè)定值的一半。在實際應(yīng)用中，2DOF系數(shù)α、β和γ的值最好是α＝0，β＝4，γ＝1.25
本發(fā)明第一實施例的PID控制器能提高工廠控制PID系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從產(chǎn)生一個自由度提高到產(chǎn)生兩個自由度，由此對工業(yè)中的各個領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。
請參看圖6，下面描述本發(fā)明第二實施例的2DOF PID控制器的設(shè)定點濾波器裝置20。
在第一實施例(圖2)中，增益系數(shù)乘法裝置34的輸出用微商時間的2DOF系數(shù)
來相乘。在圖6中所示的第二實施例中，設(shè)定點值SV輸入到已經(jīng)設(shè)置2DOF系數(shù)γo的時間系數(shù)乘法裝置56中。除了這一點外，圖6中所示設(shè)定點濾波器裝置20與圖2中所示的相同，并且與圖2中所示的相同部分在圖6中使用同樣的編號，這里不再對它作詳細(xì)的描述。
在2DOF PID控制器中使用的、用以控制過程擾動的算法C(S)與第一實施例(圖2)中所使用的相同，該算法由等式(7)確定。另一方面，在2DOF PID控制器中使用的、用以控制設(shè)定點值的算法CSV(S)由下式給出CSV(s)＝MV/SV＝Kp｛α+[1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)]+γOTDs/(1+ηTDs)｝…(9)在本實施例中，當(dāng)2DOF系數(shù)α改變時，微商項的增益不會自動變化，這一點與第一實施例是不同的。
參看圖7。圖中是本發(fā)明2DOF PI控制器的第三實施例。除了本實施例的設(shè)定點濾波器裝置120根本設(shè)有微商項之外，其余與圖2中所示的2DOF PID控制器是相同的。因此，與圖2中所示的相同部分在圖7中都用相同的編號，不再對它作詳細(xì)的描述。
如圖7所示，設(shè)定點濾波器120包含對設(shè)定點值SV乘以比例增益的2DOF系數(shù)的2DOF系數(shù)乘法裝置34，從設(shè)定點值SV中減去裝置34輸出的減法器裝置38，串聯(lián)連接、賦予減法器裝置38的輸出以適當(dāng)?shù)牡谝粶蟮膬蓚€第一滯后裝置52和42。和將2DOF系數(shù)乘法裝置34的輸出與第一滯后裝置42的輸出相加的加法器裝置36。加法器裝置36的輸出作為設(shè)定點值SV0輸入到PI控制裝置32。
設(shè)定點濾波器裝置120接收設(shè)定點值SV并按照該設(shè)定點值對比例增益和積分時間進(jìn)行兩自由度操作，由此產(chǎn)生一自由度(1DOF)控制所需要的設(shè)定點值SV0。設(shè)定點值SV0輸入到偏差量計算裝置28，來自受控系統(tǒng)26的一控制值PV也輸入到裝置28。裝置28從設(shè)定點值SV0中減去該控制值PV，而得到偏差量E。該偏差量E加到PI控制裝置32。PI控制裝置32對偏差量E進(jìn)行PI控制操作，從而產(chǎn)生操縱變量MV。所獲得的操縱變量MV輸入到加法器裝置24，過程擾動信號D也加到裝置24。加法器裝置24將變量MV和信號D相加，由此產(chǎn)生一個“和”信號。該“和”信號加到系統(tǒng)26。結(jié)果使系統(tǒng)26受控SV＝SV0＝PV。
下面參照圖8和圖9，對圖7中的2DOF PI控制器的操作進(jìn)行解釋。
當(dāng)設(shè)定點值SV如圖8中所示的a1線作階躍變化時，圖3B中所示的等效電路，由于由等式(5)確定的傳遞函數(shù)而產(chǎn)生輸出SV，如線b1所示。線b1表示的輸出特性首先正比于系數(shù)α變化，項(1-α)繼續(xù)按照1/(1+TIS)變化。因此，當(dāng)由線b1所確定的響應(yīng)特性有一個大的過沖時，如果第一滯后裝置62加到項(1-α)，則輸出特性將按線c1所示變化。由線c1表示的這一輸出特性比由線b1確定的響應(yīng)特性有一個較小的超調(diào)。
現(xiàn)在來解釋設(shè)定點濾波器裝置120和PI控制裝置32是怎樣配合以構(gòu)成完全的2DOF PI控制的。
從圖7可看到，控制過程擾動的算法CD(S)為CD(s)＝MV/PV＝C(s)＝Kp(1+1/(TIs))…(10)
從圖7還可看到，控制設(shè)定點值的算法CSV(S)為CSV(s)＝F(s)C(s)＝｛α+(1-α)/[(1+βTIs)(1+TIs)]｝×Kp｛1+1/(TIs)｝＝Kp｛α[1+1/(TIs)]+(1-α)/[(TIs)(1+βTIs)]｝＝Kp｛α[1+1/(TIs)]+(1-α)×[1/(TIs)-β/(1+βTIs)]｝＝Kp｛α+[1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)]｝…(11)從等式(10)和(11)顯而易見，保持過程擾動的比例增益KP不變，設(shè)定點值的比例增益αKP能通過改變2DOF系數(shù)α而改變。一旦KP和TI已設(shè)置在這樣的值上，2DOF PI控制器(圖7)就有一最佳過程擾動控制特性。而且，保持過程擾動的積分時間TI不變，設(shè)定點值的積分時間βTI能通過改變2DOF系數(shù)β而改變，一旦KP和TI已設(shè)置在這樣的值上，2DOF PI控制器(圖7)就有最佳過程擾動控制特性。這樣，圖7中的2DOF PI控制器就能進(jìn)行完全的2DOF PI控制。
因此，設(shè)定點值的積分項ISV(S)由下式給出ISV＝1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)…(12)從等式(12)，可得到(a)當(dāng)β＝0時，ISV(S)＝1/(TIS)(積分時間不變)(b)當(dāng)β＞0時，ISV(S)＜1/(TIS)(積分時間加長)(c)當(dāng)β＜0時，ISV(S)＞1/(TIS)(積分時間縮短)很顯然，保持積分時間TI不變，只要改變積分時間TI的2DOF系數(shù)β就可以相應(yīng)改變過程擾動的積分時間βTI。
因此，如果系統(tǒng)26的傳遞函數(shù)G(S)設(shè)置在e-2S/1+5S且設(shè)定點值(setpoint value)SV通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)而階躍改變以獲得最佳過程擾動控制，則示于圖7的2DOF PI控制器將具有示于圖9的響應(yīng)特性。示于圖9的曲線a2表示如果α＝1且β＝0，即，如果沒有設(shè)定點濾波器裝置(setpoint filter means)120因而獲得的是一個自由度的PI控制時，2DOF PI控制器將會呈現(xiàn)的響應(yīng)特性。從曲線a2可以清楚地看出，這個響應(yīng)特性具有較大的過沖。
示于圖9的曲線b2表示如果α＝0.4且β＝0，即，如果僅對P獲得兩個自由度的控制，2DOF PI控制器將會呈現(xiàn)的響應(yīng)特性。由曲線b2所表示的響應(yīng)特性也具有過沖，只不過沒有曲線a2那樣大。
曲線c2表示當(dāng)α＝0.4且β＝0.35，即，當(dāng)對P和I兩者均獲得兩個自由度的控制時，2DOF PI控制器所呈現(xiàn)的響應(yīng)特性。從曲線c2可以清楚地看出，這個響應(yīng)特性只有很小的過沖。
又，示于圖9的曲線d2表示如果α＝0且β＝0，即，如果對P和I兩者均獲得一個自由度的控制時，2DOF PI控制器將會呈現(xiàn)的響應(yīng)特性。顯然，這個響應(yīng)特性是不夠的，2DOF PI控制器對設(shè)定點值SV的變化響應(yīng)太慢。從圖9能夠理解，圖7中說明的2DOF PI控制器對P和I均能完成最佳的兩自由度控制。
從方程式(11)也可以看出，當(dāng)比例增益(proportional gain)的2DOF系數(shù)α變化時，積分時間(integral time)在適當(dāng)?shù)姆较蜃飨鄳?yīng)改變。更精確地說，系數(shù)α越大，積分時間越短，而系數(shù)α越小，積分時間越長。換句話說，積分時間以與2DOF PI控制器的響應(yīng)速度不同的方向變化。當(dāng)系數(shù)α固定時，僅通過改變系數(shù)β就能改變積分時間。
從圖7顯而易見，設(shè)定點濾波器裝置120僅包括兩個第一滯后裝置(lst lag means)42和52但能夠可靠地執(zhí)行對系統(tǒng)26的兩自由度的控制，設(shè)定點濾器裝置120結(jié)構(gòu)簡單。因而，2DOF PI控制器上的負(fù)載比示于圖1的常規(guī)的PID控制器的負(fù)載輕，且PI控制器能夠比常規(guī)控制器動作得快。一個用于控制工廠的、包括幾十至幾千個與圖7所示相同的2DOF PI控制器的2DOF PI系統(tǒng)因而可以做得比較小，具有較輕的負(fù)載且能以高速度動作。
圖10至圖12是按照本發(fā)明的第四，第五和第六實施例用于兩個2DOF PI控制器中的三個設(shè)定點濾波器裝置。每一個設(shè)定點濾波器裝置都具有兩個第一滯后裝置。
示于圖10的設(shè)定點濾波器裝置120，其特點是，第一滯后裝置58和加法器裝置60連至減法器裝置38的輸出，該減法器裝置從設(shè)定點值SV中減去系數(shù)乘法器裝置(coefficient multiplying means)34的輸出。加法器裝置60把減法器裝置38的輸出和第一滯后裝置58的輸出相加而產(chǎn)生一個“和”。該“和”輸入到第一滯后裝置42。第一滯后裝置42的輸出提供給減法器裝置62，第一滯后裝置58的輸出也提供給它。因而，減法器裝置62從第一滯后裝置58的輸出中減去第一滯后裝置42的輸出，從而獲得一個“差”。這個“差”輸入到加法器裝置36。
用于圖10中設(shè)定點濾波器裝置120的、控制設(shè)定點值SV的算法CSV(S)由下式確定CSV(s)＝Kp｛α+1/(TIs)-(1-α)β/(1+TIs)｝(13)顯然，兩個第一滯后裝置42和58用于完成兩自由度PI控制。
圖11中說明設(shè)定點濾波器裝置120也具有兩個第一滯后裝置42和52。其特點在于，減法器裝置64連接到減法器裝置38的輸出端，減法器裝置38從設(shè)定點值SV中減去系數(shù)乘法器裝置34的輸出。減法器裝置64從減法器裝置38的輸出中減去第一滯后裝置52的輸出，裝置52的所述輸出通過延滯設(shè)定點值SV而獲得。由減法器裝置64輸出的信號輸入到第一滯后裝置42。
用于圖11的設(shè)定點濾波器裝置120的、控制該設(shè)定點值的算法CSV(S)由下式確定CSV(s)＝Kp｛α+[1/(TIs)-β/(1+βTIs)]｝…(14)
圖12對圖10中所示的設(shè)定點濾波器裝置120作了一些改變。它與圖10中的裝置120的不同之點在于，是設(shè)定點值SV而不是減法器裝置38的輸出輸入到第一滯后裝置58。在其中所使用的算法CSV(S)是CSV(s)＝Kp｛α+[1/(TIs)-β/(1+TIs)]｝…(15)因此，按照本發(fā)明的第六實施例、具有示于圖12的設(shè)定點濾波器裝置的2DOF PID控制器能夠完成兩自由度的控制。
按照本發(fā)明的第七個實施例的2DOF PID控制器現(xiàn)在將參照圖13進(jìn)行說明。與圖2相同的部件在圖13中用相同的參照編號表示，對這些相同的部件不作詳細(xì)的敘述。
示于圖13的2DOF PID控制器除了沒有與圖2中所使用的第一滯后裝置52等價的部件以及用部件70、72和74代替不完全微商裝置(incomplete derivative means)50外，其余均與圖2的控制器相同。換句話說，這個2DOFPID控制器包括設(shè)定點濾波器裝置220，PI算法執(zhí)行裝置22和加法器裝置24。該2DOF PID控制器控制的系統(tǒng)26連到加法器裝置24的輸出端。
該設(shè)定點濾波器裝置220接收設(shè)定點值進(jìn)行操作，由此，把兩個自由度給予比例增益KP和微商時間(derivative time)TD。
PI算法執(zhí)行裝置22包括偏差計算裝置(deviation-calculating means)28，非線性裝置30和PI控制裝置32。偏差計算裝置28接收設(shè)定值濾波器裝置220的輸出SVo及由受控系統(tǒng)26提供的控制值PV。且從輸出SVo中減去控制值PV，由此，獲得偏差E，即它執(zhí)行減法SVo-PV＝E。非線性裝置30對偏差E執(zhí)行非線性操作，從而產(chǎn)生輸出。PI控制裝置32對非線性裝置30的輸出執(zhí)行PI控制操作，由此產(chǎn)生操縱變量MV。
加法器裝置24把過程擾動信號D加到由PI算法執(zhí)行部分22產(chǎn)生的操縱變量MV上，由此輸出“和”至被控制的系統(tǒng)26。結(jié)果，系統(tǒng)26被控制成SV＝SVo＝PV。
如上所述，設(shè)定點濾波器裝置220把兩個自由度給予比例增益和微商時間。為此目的，旁路至PI控制操作裝置9的輸出的不完全微商裝置11(圖1)的微商項被提供給設(shè)定點濾波器裝置220。
首先，說明裝置220如何把兩個自由度給予比例增益。增益系數(shù)乘法器裝置34把設(shè)定點值SV與比例增益的2DOF系數(shù)α相乘。乘法器34的輸出即SV與α的積，提供給第一加法器裝置36和第一減法器裝置38。第一減法器裝置38從設(shè)定點值SV中減去該輸出αSV。第一減法器裝置38的輸出，即SV和αSV的差，經(jīng)第二減法器裝置40、第二個第一滯后裝置42和第二加法器裝置44輸入至第一加法器裝置36。第一加法器裝置36把第二加法器裝置44的輸出與增益系數(shù)乘法器裝置34的輸出相加，這樣就把兩個自由度給予比例增益。
現(xiàn)在將說明裝置220如何把兩自由度給予微商時間。增益系數(shù)乘法器裝置34的輸出輸入到時間系數(shù)乘法器裝置46，微商時間的2DOF系數(shù)γ被設(shè)置到裝置46。時間系數(shù)乘法器裝置46把裝置34的輸出與系數(shù)γ相乘，獲得積αγSV。這個積輸入到第三減法器裝置48。第三減法器裝置48從積αγSV中減去系統(tǒng)26的控制值PV，這樣得到差αγSV-PV。這個差提供給除法器裝置70。除法器裝置70的輸出直接輸入到第四減法器裝置74。它也經(jīng)第三個第一滯后裝置72輸入第四減法器裝置74。第四減法器裝置74從除法器裝置70的輸出中減去第三個第一滯后裝置72的輸出。第四減法器裝置74的輸出直接輸入第二加法器裝置44。它也經(jīng)第二減法器裝置40和第一個第一滯后裝置42輸入至第二加法器裝置44。第二加法器裝置44把第一個第一滯后裝置42的輸出與第四減法器裝置74的輸出相加，從而得到“和”。這個“和”輸入到第一加法器裝置36，增益系數(shù)乘法器裝置34的輸出，即αSV也提供給它。因而，第一加法器裝置36輸出增益系數(shù)乘法器裝置34和第二加法器裝置44的輸出的“和”。這樣的“和”，即設(shè)定點濾波器裝置220的輸出SVo輸入至PI算法執(zhí)行部分22的偏差計算裝置28。
用于圖2的第1實施例的不完全微商裝置50可以用(TD S)/1+ηTDS)等效表示，圖14A中所示就是這個等效的數(shù)學(xué)表示式，這個代數(shù)符號(表示式)可以改變?nèi)缦耇Ds/(1+ηTDs)＝(1/η)ηTDs/(1+ηTDs)＝(1/η)[1-TDs/(1+ηTDs)]…(16)等式(16)能由圖14B的框圖表示。因而，不完全微商裝置50等價于示于圖13的除法器裝置70、第三個第一滯后裝置72和第四減法器裝置74的組合。因此，控制過程擾動的算法CD(S)可由下式給出。
CD(s)＝MV/PV＝C(s)+[TDs/(1+ηTDs)]×[(TIs)/(1+TIs)]C(s)＝Kp[1+1/(TIs)]+[TDs/(1+ηTDs)]×[TIs/(1+TIs)]×Kp[1+1/(TIs)]＝Kp[1+1/(TIs)+TDs/(1+ηTDs)]…(17)另一方面，控制設(shè)定點值SV的算法CSV(S)由下式確定CSV(s)＝MV/SV＝[(1+αTIs)/(1+TIs)]C(s)+[αγTDs/(1+ηTDs)]×[TIs/(1+TIs)]C(s)＝[(1+αTIs)/(1+TIs)]Kp[1+1/(TIs)]+[αγTDs/(1+ηTDs)]×[TIs/(1+TIs)]Kp[1+1/(TIs)]…(18)
從式(17)和(18)顯而易見，保持過程擾動的比例增益Kp不變，通過改變2DOF系數(shù)α就能夠改變設(shè)定點值的比例增益αKp。另一方面，保持控制過程擾動的算法的微商時間不變，控制設(shè)定點值SV的算法的微商時間就可以通過改變微商時間的2DOF系數(shù)γ而改變。簡單地說，示于圖13的2DOF PID控制器能夠?qū)和D均執(zhí)行完全的兩自由度控制。
因而，示于圖13的2DOF PID控制器僅需要兩個時間裝置，而常規(guī)的2DOF PID控制器需具有四個時間裝置。因而，它可以以較低的成本制造，制成后的體積較小，負(fù)載較輕，而且可以高速動作。
此外，用圖13所示的2DOF PID控制器，容易設(shè)置比例增益的2DOF系數(shù)α和微商時間的2DOF系數(shù)γ，因為這兩個2DOF系數(shù)能夠彼此獨立地置定。另外，容易調(diào)節(jié)這些2DOF系數(shù)，因為當(dāng)比例增益的2DOF系數(shù)α改變時，微商項的增益是能自動調(diào)節(jié)的。
還有，微商部件能可靠地在2DOF PID控制器中進(jìn)行非線性操作。這是因為控制器沒有等價于旁路到PI控制操作裝置9的不完全微商裝置11(圖1)的部件，且控制值PV的微商項輸入到設(shè)定點濾波器裝置220。
現(xiàn)參照圖15敘述設(shè)置在按照本發(fā)明的第八個實施例的2DOF PID控制器中的設(shè)定點濾波器裝置220。這個設(shè)定點濾波器裝置220與示于圖6的設(shè)定點濾波器裝置20的不同在于兩個方面。首先，它沒有等價于第一滯后裝置52的部件。第二點，它用除法器裝置70，第一滯后裝置72和減法器裝置74(與用于圖13的第七實施例中的那些部件相同)代替設(shè)置在設(shè)定點濾波器裝置20(圖6)中的不完全微商裝置。
因而，應(yīng)用于控制過程擾動的第八實施例的算法CD(S)由等式(17)表示。而用于控制設(shè)定值SV的算法CSV(S)由下式確定CSV(s)＝MV/SV＝Kp｛α+γTDs/(1+ηTDs)｝+Kp/(TIs)…(19)從式(19)可以清楚地知道，當(dāng)比例增益的2DOF系數(shù)α改變時，微商項的增益不能自動調(diào)節(jié)。在這方面，圖15的設(shè)定點濾波器裝置220不同于本發(fā)明第七實施例的設(shè)定點濾波器裝置(圖13)。
現(xiàn)在參照圖16至圖19敘述根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的2DOFPID控制器。圖16是說明2DOF PID控制器的框圖;圖17是表示設(shè)置在示于圖16的PID控制器中的設(shè)定點濾波器裝置320的一種設(shè)想的結(jié)構(gòu)的框圖;圖18是表示設(shè)定點濾波器裝置320實際結(jié)構(gòu)的框圖;圖19是僅包括第一滯后裝置的對裝置320有所改變的框圖。
第九實施例的基本結(jié)構(gòu)下面參照圖16進(jìn)行敘述。如圖16所示，2DOF PID控制器包括一設(shè)定點濾波器裝置320，一耦連到濾波器裝置320輸出端的PI算法執(zhí)行部分22和連接到該執(zhí)行部分22輸出端的加法器裝置24。由PID控制器控制的系統(tǒng)26連接到加法器裝置24的輸出。PI算法執(zhí)行部分22包括一偏差計算裝置28，連到裝置28輸出端的非線性裝置30，和連到非線性裝置30輸出端的PI控制裝置32。
設(shè)定點濾波器裝置320接收設(shè)定點值SV和控制值PV，對控制值PV執(zhí)行微商操作和2DOF操作，由此產(chǎn)生設(shè)定點值SVo。該設(shè)定點值SVo提供給PI算法執(zhí)行部分22;更明確地說，它輸入到偏差計算裝置28。裝置28從設(shè)定點值SVo中減去控制值PV，這樣就獲得偏差E。偏差E輸入到非線性裝置30。非線性裝置30對偏差E執(zhí)行種種非線性操作而產(chǎn)生輸出。這些非線線操作中有死區(qū)操作(dead band operation)，偏差平方操作，增益改變操作和間隙操作。非線性裝置30的輸出提供給PI控制裝置32?？刂蒲b置32對非線性裝置30的輸出執(zhí)行PI控制操作，由此產(chǎn)生操縱變量MV。加法器裝置24把過程擾動信號D與由PI算法執(zhí)行部分22產(chǎn)生的操縱變量MV相加，由此，輸出“和”至被控制的系統(tǒng)26。
設(shè)定點濾波器裝置320的內(nèi)部構(gòu)成是如此復(fù)雜，以至難于解釋清楚。為了敘述該內(nèi)部構(gòu)成，讓我們假設(shè)裝置320包括傳遞函數(shù)80、82、84、86、88和90，加法器裝置92，減法器裝置96和加法器-減法器裝置94，如圖17所示。
首先，確定傳遞函數(shù)80、82、84、86、88和90。PI控制裝置32執(zhí)行的操作由下式確定CO(s)＝Kp｛1+1/(TIs)｝…(20)對控制值PV的響應(yīng)由下式表示PV＝｛(H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)+N(s)Q(s)R(s))Co(s)G(s)/[1+(1+Q(s)R(s))Co(s)G(s)]｝SV+｛G(s)/[1+(1+Q(s)R(s))Co(s)G(s)]｝D(s)
式(21)表示，控制值PV是SV分量和D(S)分量的組合。式(21)應(yīng)用于選定一種需要的控制算法，它將按過程擾動D(S)的改變而最佳地控制過程擾動。等式(21)的第二項中，被控制系統(tǒng)26的傳遞函數(shù)G(S)和過程擾動D(S)是已知變量。因而，控制過程擾動的算法CD(S)能夠通過應(yīng)用如下的通常PID算法加以選定＝Kp｛1+1/(TIs)+TDs/(1+ηTDs)｝…(22)從式(20)、(21)、和(22)，我們獲得
Co(s)Q(s)R(s)＝(TDs)/(1+ηTDs)…(23)Q(s)R(s)＝｛(TDs)/(1+ηTDs)｝×｛(TIs)/(1+TIs)｝…(24)進(jìn)而，從式(24)，我們獲得由下式確定的傳遞函數(shù)88和90Q(s)＝(TDs)/(1+ηTDs)…(25)R(s)＝(TIs)/(1+TIs)…(26)接著，選定適用于的把最好的設(shè)定點跟隨特性(setpoint-foll owing characteristic)給予2DOF PID控制器(圖16)的控制算法。式(21)的第一項的SV分量中，G(S)和SV不能改變，式(22)的算法也不能改變。因而，控制設(shè)定點值SV的算法CSV(S)可由下式給出CSV(s)＝｛H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)+N(s)Q(s)R(s)｝Co(s)＝Kp｛α1+[1/(TIs)-β1/(1+TIs)]+γ1TDs/(1+ηTDs)｝…(27)式中，α1、β1和γ1是2DOF系數(shù)且具有下列含義(1)系數(shù)α1這是一個把比例增益Kp轉(zhuǎn)換為比例增益Kp＊的系數(shù)，Kp是最佳控制過程擾動所需的比例增益，Kp＊是用于把最佳設(shè)定點跟隨特性給予PID控制器的比例增益。該系數(shù)與Kp和Kp＊具有下列關(guān)系α1·Kp＝Kp＊→α1＝Kp＊/KP…(28)(2)系數(shù)γ1這個系數(shù)用于把微商進(jìn)間TD轉(zhuǎn)換為微商時間T＊D，TD是最佳控制過程擾動所需的微商時間，T＊D是用于把最好的設(shè)定點跟隨特性給予PID控制器的微商時間。系數(shù)γ1與Kp、Kp＊，TD和TD＊具有下列關(guān)系Kp·γ1·TD＝Kp＊·TD＊→γ1＝α1·(TD＊/TD)…(29)
(3)系數(shù)β1這是一個把積分時間TI轉(zhuǎn)換為積分時間TI＊的系數(shù)，TI是最佳控制過程擾動所需的積分時間，TI＊是用于把最好的設(shè)定點跟隨特性給予PID控制器的積分時間。
最佳比例增益Kp＊能通過把增益Kp乘以α獲得，而最佳微商時間TD＊能通過把微商時間TD乘以
1/α1而獲得。
但是，把最佳的設(shè)定點跟隨特性給予PID控制器所需的TI＊不能通過把積分時間TI乘以系數(shù)而獲得。為了把兩自由度賦予積分時間，必須采取專門的措施，諸如應(yīng)用類似于式(23)的等式。例如，積分時間TI＊能夠通過改變β1的值，然后等價(相應(yīng))地改變積分時間TI而獲得。更具體地說，把最佳的設(shè)定點跟隨特性給予PID跟隨器所需的積分項I＊(S)由下式確定I＊(s)＝I(s)-saturated means＝I(s)-β1/(1+TIs)＝1/(TIs)-β1/(1+TIs)…(30)注飽和裝置相應(yīng)于第一滯后裝置，I(S)是賦予最佳過程擾動控制所需的積分項。
在式(30)中，β1被設(shè)置為這樣的值(a)如果β1＝0，I＊(S)＝I(S)，從而，積分時間保持不變。
(b)如果β1＞0，I＊(S)＜I(S)，從而，積分時間相應(yīng)增加。
(c)如果β1＜0，I＊(S)＞I(S)，從而，積分時間相應(yīng)減少。
換句話說，由式(26)所確定的積分時間隨所選擇的系數(shù)β1的值而改變。式(23)應(yīng)用于式(27)，且傳遞函數(shù)84或N(S)置于系數(shù)γ1，即，N(S)＝γ1，由此，消除微商項。結(jié)果，我們得到｛H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)｝Co(s)＝Kp｛α1+[1/(TIs)-β1/(1+TIs)]｝…(31)當(dāng)式(20)應(yīng)用于式(31)時，式(31)變?yōu)镠(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)＝1/(1+TIs)+[-β1/(1+TIs)][TIs/(1+TIs)]+α1TIs/(1+TIs)…(32)由式(26)和式(32)，傳遞函數(shù)80，86和82將是H(s)＝1/(1+TIs)P(s)＝-β1M(s)＝α1…(33)式(25)、(26)和(33)指出設(shè)定點濾波器裝置320可以僅由第一滯后裝置和超前/滯后裝置組成，如圖18中所示。
TIs/(1+TIs)和TDs/(1+TDs)可以改寫如下TIs/(1+TIs)＝1-1/(1+TIs)TDs/(1+ηTDs)…(34)＝(1/η)[1-1/(1+ηTDs)](η≠0)…(35)從而，設(shè)定點濾波器裝置320能夠有如圖19所示的結(jié)構(gòu)。如圖19所示，傳遞函數(shù)88可以由減法器裝置88a，第一滯后裝置88b和減法器裝置88c組成，傳遞函數(shù)90由第一滯后裝置90a和減法器裝置90b組成。這樣，設(shè)定點濾波器裝置320僅包括三個第一滯后裝置80，88b和90。
如上所述，示于圖16至19的2DOF PID控制器的控制部分按照PI算法工作，而其濾波器部分具有設(shè)定點濾波器裝置320，它接收設(shè)定點值SV和控制值PV且按照所希望的和選定的控制算法執(zhí)行微商操作。因而，PID控制器能夠執(zhí)行2DOF PID算法。另外，如果2DOF系數(shù)α1，β1和
1被置于下表規(guī)定的值，PID控制器就能夠執(zhí)行一個自由度的PID控制，不完全的兩個自由度PID控制和完全的2DOF PID控制。
正如已經(jīng)指出的那樣，常規(guī)的2DOF PID控制器包括設(shè)定點濾波器裝置和具有非線性裝置的控制部分且設(shè)計成執(zhí)行對PV微商型PID控制。設(shè)定點濾波器裝置和控制部分的組合不能對偏差進(jìn)行完全的非線性操作。而按照本發(fā)明的2DOF PID控制器的控制部分根本沒有微商操作裝置，其設(shè)定點濾波器裝置接收設(shè)定點值和控制值并按照所希望和選定的控制算法執(zhí)行微商操作。設(shè)定點濾波器裝置的輸出提供給控制部分，它完成非線性操作和PI控制操作。因而，本發(fā)明的2DOF PID控制器能夠?qū)、I和D執(zhí)行非線性操作，具有簡易，精確和自由度的優(yōu)點。本發(fā)明的2DOF PID控制器能高效率工作。
再者，按照本發(fā)明的2DOF PID控制器僅需三個第一滯后裝置，而常規(guī)的2DOF PID控制器(圖1)需具有六個第一滯后裝置。因而，本發(fā)明的2DOF PID控制器能夠做得比常規(guī)的小而簡單，有利于改進(jìn)控制工廠的PID系統(tǒng)的基礎(chǔ)。由此，本發(fā)明能夠大大有助于工業(yè)的各個領(lǐng)域。
上述的實施例具有非線性裝置30。然而，本發(fā)明能夠應(yīng)用于不具有非線性裝置的2DOF控制器。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易根據(jù)本發(fā)明的概念設(shè)想出種種變化和改進(jìn)，因而，本發(fā)明并不限于這里所說明的細(xì)節(jié)，也不限于這里所示的代表性裝置及其描述。上述種種變化和修改仍落入本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)如所附權(quán)利要求書所述。
權(quán)利要求
1.一種兩自由度PID控制器，其特征在于包括根據(jù)設(shè)定點值(SV)和受控系統(tǒng)(26)的控制值(PV)對過程擾動信號執(zhí)行微商操作(D)，由此輸出設(shè)定點信號(SVO)的設(shè)定點濾波器裝置(20，220)；確定所述設(shè)定點信號和所述控制值之間的偏差(E)、并對該偏差執(zhí)行PI控制操作，由此輸出一操縱信號(MV)的PI控制操作裝置(22)；和把過程擾動信號與由所述PI控制操作裝置輸出的操縱信號相加，從而獲得“和”信號并把該和信號提供給被控制系統(tǒng)的加法器裝置(24)。
2.如權(quán)利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作裝置包括對所述偏差執(zhí)行非線性操作的非線性裝置(30)。
3.如權(quán)利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述設(shè)定點濾波器裝置(20)包括把設(shè)定點值與比例增益的兩自由度系數(shù)相乘、由此輸出第一乘積的增益系數(shù)乘法裝置(34);從設(shè)定點值中減去所述第一乘積，由此輸出第一差值的第一減法器裝置(38);具有對于積分時間的兩個自由度、用于對所述第一差值執(zhí)行第一滯后操作、由此輸出第一滯后操作的第一結(jié)果的第一個第一滯后裝置(52);把所述第一乘積與微商時間的兩自由度系數(shù)相乘，從而輸出第二乘積的微商時間系數(shù)乘法裝置(46);從第二乘積中減去所述控制值，從而輸出第二差值的第二減法器裝置(48);接收所述第二差值并對所述第二差值執(zhí)行不完全微商操作，由此輸出不完全微商操作結(jié)果的不完全微商裝置(50);從第一滯后操作的第一結(jié)果中減去不完全微商操作的結(jié)果，由此輸出第三差值的第三減法器裝置(40);對所述第三差執(zhí)行第一滯后操作，從而輸出第一滯后操作的第二結(jié)果的第二個第一滯后裝置(42);把第一滯后操作的第二結(jié)果與不完全微商操作的結(jié)果相加，從而輸出第一“和”的第一加法器裝置(44);把第一“和”與第一乘積相加從而獲得第二“和”，并把該第二“和”作為設(shè)定點信號提供給所述PI控制操作裝置的第二加法器裝置(36)。
4.如權(quán)利要求3所述的PID控制器，其特征在于，所述不完全微商裝置(50)包括對所述第二差除以預(yù)定數(shù)，從而輸出一商的除法器裝置(70);對由所述除法器裝置輸出的商執(zhí)行第一滯后操作，從而產(chǎn)生一個輸出的第三個第一滯后裝置(72);和從所述商中減去所述第三個第一滯后裝置的輸出，從而產(chǎn)生所述不完全微商裝置輸出，把它提供給所述第三減法器裝置和所述第一加法器裝置的第四減法器裝置(74)。
5.如權(quán)利要求3所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作裝置包括對所述偏差執(zhí)行非線性操作的非線性裝置(30)。
6.如權(quán)利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述設(shè)定點濾波器裝置(20)包括把設(shè)定點值與比例增益的兩自由度系數(shù)相乘，從而輸出第一乘積的增益系數(shù)乘法裝置(34);從設(shè)定點值中減去所述第一乘積，從而輸出第一差的第一減法器裝置(38);具有一積分時間的兩自由度系數(shù)，用以對所述第一差執(zhí)行第一滯后操作，從而輸出所述第一滯后操作的第一結(jié)果的第一個第一滯后裝置(52);把設(shè)定點值與微商時間的兩自由度系數(shù)相乘，從而輸出第二乘積的微商時間系數(shù)乘法裝置(56);從所述第二乘積中減去控制值，從而輸出第二差的第二減法器裝置(48);接收第二差并對所述第二差執(zhí)行不完全微商操作，由此輸出不完全微商操作的結(jié)果的不完全微商裝置(50);從第一滯后操作的第一結(jié)果中減去不完全微商操作的結(jié)果，從而輸出第三差的第三減法器裝置(40);對所述第三差執(zhí)行第一滯后操作，從而輸出第一滯后操作的第二結(jié)果的第二個第一滯后裝置(42);把第一滯后操作的第二結(jié)果與不完全微商操作的結(jié)果相加，從而輸出第一“和”的第一加法器裝置(44);和把所述第一“和”與第一積相加，從而獲得第二“和”并把該第二“和”作為設(shè)定點信號提供給所述PI控制操作裝置的第二加法器裝置(36)。
7.如權(quán)利要求6所述的PID控制器，其特征在于，所述的不完全微商裝置(50)包括把所述第二差除以預(yù)定數(shù)從而輸出一個商的除法器裝置(70);對由所述除法器裝置輸出的所述商執(zhí)行第一滯后操作從而產(chǎn)生一個輸出的第三個第一滯后裝置(72);和從所述商中減去所述第三個第一滯后裝置的輸出，從而產(chǎn)生所述不完全微商裝置的輸出并把它提供給所述第三減法裝置和所述第一加法器裝置的第四減法器裝置(74)。
8.如權(quán)利要求6所述的PID控制器，其特征在于，所述的PI控制操作裝置包括對所述偏差執(zhí)行非線性操作的非線性裝置(30)。
9.如權(quán)利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述的設(shè)定點濾波器裝置(20)包括把設(shè)定點值與比例增益的兩自由度系數(shù)相乘從而輸出第一乘積的增益系數(shù)乘法裝置(34);從設(shè)定點值中減去所述第一乘積從而輸出第一差的第一減法器裝置(38);把所述第一乘積與一微商時間的兩自由度系數(shù)相乘從而輸出第二積的微商時間系數(shù)乘法裝置(46);從所述第二積中減去控制值從而輸出第二差的第二減法器裝置(48);接收所述第二差并對該第二差執(zhí)行不完全微商操作從而輸出不完全微商操作結(jié)果的不完全微商裝置(70、72、74);從所述第一差中減去不完全微商操作的結(jié)果，從而輸出第三差的第三減法器裝置(40);對所述第三差執(zhí)行第一滯后操作，從而輸出第一滯后操作結(jié)果的第一滯后裝置(42);把第一滯后操作的結(jié)果與不完全微商操作結(jié)果相加，從而輸出第一“和”的第一加法器裝置(44);和把第一“和”與所述第一積相加從而獲得第二“和”、并把該第二“和”作為設(shè)定點信號提供給所述PI控制操作裝置的第二加法器裝置(36)。
10.如權(quán)利要求9所述的PID控制器，其特征在于，所述不完全微商裝置(50)包括把所述第二差除以預(yù)定數(shù)從而輸出一個商的除法器裝置(70);對自所述除法器裝置輸出的所述商執(zhí)行第一滯后操作從而產(chǎn)生一個輸出的第二個第一滯后裝置(72);和從所述商中減去所述第二個第一滯后裝置的輸出，從而產(chǎn)生所述不完全微商裝置的輸出并把它提供給所述第三減法器裝置和所述第一加法器裝置的第四減法器裝置(74)。
11.如權(quán)利要求9所述的PID控制器，其特征在于，所述的PI控制操作裝置包括對偏差執(zhí)行非線性操作的非線性裝置(30)。
12.如權(quán)利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述的設(shè)定點濾波器裝置(20)包括把設(shè)定點值與比例增益的兩自由度系數(shù)相乘從而輸出第一積的增益系數(shù)乘法裝置(34);從設(shè)定點值中減去所述第一積從而輸出第一差的第一減法器裝置(38);把設(shè)定點值與一微商時間的兩自由度系數(shù)相乘從而輸出第二積的微商時間系數(shù)乘法裝置(56);從所述第二積中減去控制值從而輸出第二差的第二減法器裝置(48);接收所述第二差并對該第二差執(zhí)行不完全微商操作，從而輸出不完全微商操作結(jié)果的不完全微商裝置(70、72、74);從所述第一差中減去不完全微商操作的結(jié)果從而輸出第三差的第三減法器裝置(40);對所述第三差執(zhí)行第一滯后操作從而輸出第一滯后操作結(jié)果的第一滯后裝置(42);把第一滯后操作的結(jié)果與不完全微商操作的結(jié)果相加，從而輸出第一“和”的第一加法器裝置(44);和把所述第一“和”與所述第一積相加從而獲得第二“和”并把該第二“和”作為設(shè)定點信號提供給PI控制操作裝置的第二加法器裝置(36)。
13.如權(quán)利要求12所述的PID控制器，其特征在于，所述的不完全微商裝置(50)包括對所述第二差除以一預(yù)定數(shù)從而輸出一個商的除法器裝置(70);對由所述除法器裝置輸出的商執(zhí)行第一滯后操作，從而產(chǎn)生一個輸出的第二個第一滯后裝置(72);和從所述商中減去所述第二個第一滯后裝置的輸出從而產(chǎn)生所述不完全微商裝置的輸出，并把它提供給所述第三減法器裝置和所述第一加法器裝置的第四減法器裝置(74)。
14.如權(quán)利要求13所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作裝置包括對偏差執(zhí)行非線性操作的非線性裝置(30)。
15.一種兩自由度的控制器，其特征在于包括接收設(shè)定點值并產(chǎn)生設(shè)定點信號的設(shè)定點濾波器裝置(120)，所述的設(shè)定點濾波器裝置包括把設(shè)定點值與一比例增益的兩自由度系數(shù)相乘由此輸出一個積的系數(shù)乘法裝置(34);至少具有一積分時間的兩自由度系數(shù)并設(shè)計成從設(shè)定點值中減去所述積從而產(chǎn)生差的第一滯后裝置(38、52、58、42);和把所述積與所述差相加從而輸出設(shè)定點信號的裝置(36);確定設(shè)定點信號與由被控制系統(tǒng)提供的控制值之間的偏差并對該偏差執(zhí)行PI控制操作，從而輸出一操縱信號的PI控制操作裝置(28、32);和把過程擾動信號與由所述PI控制操作裝置輸出的操縱信號相加，從而獲得“和”信號并把該“和”信號提供給所述被控制系統(tǒng)的加法器裝置(24)。
16.如權(quán)利要求15所述的控制器，其特征在于，所述第一滯后裝置包括從設(shè)定點值中減去所述積從而輸出一個差的減法器裝置(34);和串聯(lián)并接收所述差的兩個第一滯后裝置(52、42)，其中之一具有積分時間的兩自由度系數(shù)。
17.一種兩自由度控制器，其特征在于它包括接收設(shè)定點值并產(chǎn)生設(shè)定點信號的設(shè)定點濾波器(120)，所述設(shè)定點濾波器裝置包括把所述設(shè)定點值與一比例增益的兩自由度系數(shù)相乘，從而輸出積的系數(shù)乘法裝置(34);從所述設(shè)定點值中減去所述積從而產(chǎn)生差的第一個第一滯后裝置(42);和具有一積分時間兩自由度系數(shù)并延滯設(shè)定點值且輸出被延滯的設(shè)定點值的第二個第一滯后裝置(52、58);和把所述的積與由所述第二個第一滯后裝置延滯的設(shè)定點值相加，從而輸出設(shè)定點信號的裝置(36);確定設(shè)定點信號與由被控制系統(tǒng)提供的控制值間的偏差并對該偏差執(zhí)行PI控制操作，從而輸出操縱信號的PI控制操作裝置(28、32);和把過程擾動信號與由所述PI控制操作裝置輸出的操縱信號相加，從而獲得“和”信號并把該“和”信號提供給被控制系統(tǒng)的加法器裝置(24)。
18.一種兩自由度PID控制器，其特征在于它包括把設(shè)定點值與一比例增益的兩自由度系數(shù)相乘從而輸出第一積的增益系數(shù)乘法裝置(82);把設(shè)定點值與一微商時間的兩自由度系數(shù)相乘，從而輸出第二積的微商時間系數(shù)乘法裝置(84);對所述設(shè)定點值執(zhí)行第一滯后操作從而輸出該第一滯后操作第一結(jié)果的第一個第一滯后裝置(80);把第一滯后操作的結(jié)果與一積分時間兩自由度系數(shù)相乘，從而輸出第三積的積分時間系數(shù)乘法裝置(86);對所述第二積和由被控制系統(tǒng)提供的控制值執(zhí)行不完全微商操作，從而輸出不完全微商操作的輸出結(jié)果的不完全微商裝置(88、96);對第一積，第三積和不完全微商操作的結(jié)果執(zhí)行第一滯后操作，從而輸出第一滯后操作的第二結(jié)果的第二個第一滯后裝置(94、90);把第一滯后操作的第一和第二結(jié)果相加從而輸出設(shè)定點信號的第一加法器裝置(92);確定設(shè)定點信號與控制值之間的偏差并對該偏差執(zhí)行PI控制操作，從而輸出一操縱信號的PI控制操作裝置(28、30、32);和把過程擾動信號與操縱信號相加，從而獲得“和”信號并把該“和”信號提供給被控制系統(tǒng)的第二加法器裝置(24)。
19.如權(quán)利要求18所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作裝置包括對偏差執(zhí)行非線性操作的非線性裝置(30)。
全文摘要
一種兩自由度PID控制器，它包括按照設(shè)定點值(SV)和被控制系統(tǒng)的控制值(PV)對過程擾動信號執(zhí)行微商操作(D)從而輸出設(shè)定點信號(SVo)的設(shè)定點濾波器裝置(20)，確定設(shè)定點信號與控制值之間的偏差(E)并對該偏差執(zhí)行PI控制操作，從而輸出一操縱信號(MV)的PI控制操作裝置(22)，和把過程擾動信號與由PI控制操作裝置輸出的操縱信號相加，從而獲得“和”信號并把該“和”信號提供給被控制系統(tǒng)的加法器裝置(24)。
文檔編號G05B11/42GK1050270SQ90107699
公開日1991年3月27日 申請日期1990年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月11日
發(fā)明者広井和男 申請人:株式會社東芝