二自由度型前馈调节器

摘要

一种二自由度型前馈调节器，属于自动调节技术领域。包括目标变量变化时，调节运算由反馈转为前馈的控制单元；目标变量与过程变量的偏差小于预定值时，调节运算由前馈转回反馈的运算单元；将目标变量处理成使过程变量动态响应加快并无超调的超前、前馈单元和目标变量与过程变量的偏差进行PID运算以抑制外部干扰引起过程变量波动的主控制单元。使过程变量跟踪目标变量的变化无超调，并使动态响应加快和稳定时无偏差。

说明书

本发明属于自动调节技术领域，特别是一种二自由度型前馈调节器。

已公开的二自由度型控制系统专利申请号91109572.1，发明人日本国广井和男，实施例的示意框图示于图1，说明图1的目标值滤波器的阶跃响应特性曲线示于图2。该系统是将目标变量SV引入给定目标变量滤波器SVF，并且通过其比例增益具有两个自由度的运算，得到α值，使SV变成处理后的SV₀，为区别以往二自由度技术特设开关控制器C，以获得系统阶跃响应的快速性。当开关控制器C使开关SW接通SV₀时，输入给偏差运算单元的目标变量为SVa＝SV₀，它和来自控制对象G(S)的过程变量PV的偏差为SV₀－PV＝E，再把E输入给具有传递函数为的PI型调节器Gc(S)，从而通过进行PI控制运算获得操作变量MV，随后的结构是加法单元把操作变量MV与干扰量D相加，再把这一相加结果施加给控制对象G(S)，以使目标变量SV₀等于过程变量PV，即SV₀＝PV，这个最终目的由调节器Gc(S)完成。在上述公式中，Kp是比例增益系数，Ti是积分时间，S是拉普拉斯算子。在开关SW促成SVa＝SV₀状态下，在图2表示阶跃响应特性的图中为曲线(C)，即 $>>SVa>=>SV>[>a>+>>(>1>->a>)>>>1>>1>+>TiS>>>]>>>从“二自由度型控制系统”公式推导或阶跃响应特性曲线(C)都能看出，SVa到达SV所需时间为t$_n－1，为使SVa＝SV的时间从t_n＋1缩减到tn，在图1中特设了开关控制器C，C在SV和SV₀的差值绝对值小于预估的范围δ时，即

 ｜SV－SV₀｜＜δ开关控制器C把开关SW置于SVa＝SV侧，从而得到图2中的曲线(a)，产生从曲线(C)过渡到曲线(a)的阶跃变化，如后面的调节器Gc(S)不能承受时，需另加滞后环节，这样做无疑地又使达到真正的SV值的时间由tn向t_n＋1方向延长。增加滞后环节后的SVa响应曲线示于图2中的(b)。

“二自由度型控制系统”对常规具有目标值滤波器的二自由度型控制系统的改进中，采用如图1所示的开关控制器C，使SVa到达目标变量时间由t_n＋1缩减到tn，加快系统响应，示于图2。但是还存在着曲线(C)所示的0～tn段所花费的时间无法克服。系统响应滞后如阴影部份表示。

图1所示传递函数分别为： $>>>PCd>D>>=>>>G>>(>S>)>>>>1>+>Gc>>(>S>)>>·>G>>(>S>)>>>>->->->->->>(>1>)>>>>$ >>>PVs>SVa>>=>>>Gc>>(>S>)>>·>G>>(>S>)>>>>1>+>Gc>>(>S>)>>·>G>>(>S>)>>>>->->->->->>(>2>)>>>>SVa＝SV (SW接入SV) (3)$ >>SVa>=>SV>[>a>+>>(>1>->a>)>>>1>>1>+>TiS>>>]>>>(SW接入SVo)(4)式中PVd和PVS分別为干扰量D和目标值SVa变化时的过程变量增量。式(4)代入式(2)得$ >>>PVs>SV>>=>>>Gc>>(>S>)>>·>G>>(>S>)>>>>1>+>Gc>>(>S>)>>·>G>>(>S>)>>>>[>a>+>>(>1>->a>)>>>1>>1>+>TiS>>>]>->->->>(>5>)>>>>从式(5)的\alpha 系数为0～1和加入滞后环节来实现二自由度型调节，使动态响应时间加长，跟踪缓慢，存在超调。$$$$

本发明的目的是提供一种调节器，它可以提高二自由度型调节器的过程变量对目标变量的跟踪速度及跟踪特性。

上述目的可通过本发明提供的一种调节器来实现。该调节器是把一个控制对象在外部干扰条件下运行时，令其输出的过程变量调节到给定的目标变量的调节器。

这一调节器包括：用于感知目标变量有无变化，以便根据给定的目标变量实现控制，从而跟踪给定目标变量的目标变量变化率单元V；用于目标变量与过程变量的偏差小于预定值时，将偏差投入PID运算的控制单元C和SW；用于计算目标变量与过程变量之间偏差及比例(P)、积分(I)、微分(D)运算以消除外部干扰引起过程变量波动的主控制单元Gc(S)；用于过程变量跟踪目标变量的超前、前馈单元。目标变量变化率单元V，其输入端引自目标变量SV，其输出端送给开关控制器C，开关控制器C还接入实际的目标变量SV和过程变量PV值，取差值的绝对值，开关控制器C的输出和控制单元中的开关SW输入相联，使开关SW按开关控制器的需要转换。作为主控制单元Gc(S)的输入引自目标变量SV和开关SW的输出，Gc(S)的输出端与超前、前馈单元的输出以及外部扰D由加法运算综合后得出总输出MV，MV是控制对象G(S)的输入，对象G(S)的输出PV引至开关SW和开关控制器C的输入。

本发明的另一方面是提供偏差PID单元输出量把控制对象输出的过程变量调节成给定目标变量在外部干扰条件下的一种运行方法，该方法在给定的目标变量与过程变量间偏差小于预定值时，取偏差PID运算结果；而在给定的目标变量变化时，使过程变量按最快的方式跟踪。

由于采用了上述技术方案、调节器不含目标变量滤波环节，使过程变量跟踪目标变量的变化无超调，并使动态响应加快和稳定时无偏差。

本发明有如下附图：

图1是二自由度型控制系统实施例的示意框图。

图2是说明图1的目标值滤波器的阶跃响应曲线。

图3是本发明的实施例的功能框图。

图4是说明图3的二自由度型前馈调节器的阶跃响应特性曲线。

图5是本发明采用日本山武霍尼威尔KMM型可编程调节器实施例的系统组态图。

图6是本发明在目标变量阶跃变化，记录仪走纸速度0.4sec/mm时模拟试验结果。

图7是本发明在目标变量阶跃变化，记录仪走纸速度12sec/mm时模拟试验结果。

图8是本发明实施例的程序清单。

下面结合附图对本发明的实施例做进一步详述：

在图3和图4中，与图1和图2相同的部份采用与图1和图2中相同的标号，并省略有关部份的详细说明。下面主要说明那些与现有技术不同的地方。

在表述“二自由度型控制系统”的传递函数式(1)～(5)中，比较式(1)和式(2)，对于干扰量B和给定目标变量SVa，如果能得到同样的过程变量，即PVd＝PVs＝PV。并使目标变量SVa的作用和干扰量D的影响也是一样的，则需要式(2)分子上的Gc(S)＝1。对于按扰动量D而言，选择的Gc(S)，当使用在跟踪目标变量SVa的时候，因SVa的引入点在在Gc(S)的前面，致调节器Gc(S)对SVa多加一次作用，使过程变量PV受到的作用超强。

本发明主要技术措施是给定目标变量SV时，不通过调节器Gc(S)而直接改变过程变量PV。

本发明实施例的功能框图图3包括1)给定目标变量的变化率检测器V；2)开关控制器C和开关SW；3)目标变量与过程变量PV间偏差E的数字PID调节器GC(S)；4)过程变量跟踪目标变量的超前、前馈单元；连同控制对象G(S)联结成控制系统。各部份功能及功能间联结见图5和图8。给定目标变量变化时，变化率检测器V使原输入到调器Gc(S)的过程变量PV值被开关控制器C控制的开关SW切换到目标变量SV侧，偏差汁算单元正、负两个入口同时输入SV值，这种强制作用使输入到PID调节器的偏差E为零，调节器输出不变化，即增量为零；开关控制器C在目标变量与过程变量之间的偏差E达到预定值时使开关SW复位，接入PV，输入到PID调节器的偏差等于预定的小偏差值E，致包括积分作用在内的调节器作用可按外部扰动D选择足够强的参数值而不产生过程变量PV的超调并减少过渡过程所需时间，预定的小偏差值E由控制对象G(S)和超前、前馈单元的比值确定，一般取目标变量SV与过程变量PV之间差值的2％～10％；目标变量与过程变量偏差的PID作用调节器Gc(S)，对外部扰动D和由目标变量变化引起的小偏差E均施以反馈作用，对于目标变量的变化则调节器Gc(S)旁路；让过程变量PV如实跟踪目标变量SV，而设置的超前、前馈单元，得。如果设置Gm(S)＝G(S)，能得到 SV＝PV，Gm(S)使控制对象特性G(S)得到补偿，加快动态响应。实际的取值越大，过程变量PV值趋近目标变量SV值所需时间越少，如果超出允许的最大限度，运算单元的输出将会超限，使运算停止。一般取。系统传递函数为 $>>>PV>D>>=>>>G>>(>S>)>>>>1>+>Gc>>(>S>)>>G>>(>S>)>>>>>>$ >>>PV>SV>>=>>1>>Gm>>(>S>)>>>>G>>(>S>)>>\approx >1>>>采用图4阶跃响应特性曲线对图3的进一步说明是：当超前、前馈单元短路，即时，控制对象(G(S)的目标变量阶跃变化曲线示于曲线③，过程变量PV到达目标变量SV稳定的时间等于tp＋tu；输入给控制对象G(S)的时，MV变化曲线示于曲线①，在故到完全补偿Gm(S)＝G(S)的时候，得理想的过程变量曲线PV$$₀；超前、前馈单元补偿不足时，过程变量响应曲线PVc示于曲线②，在偏差等于或小于预定的偏差E时，调节器作用，在PVc达到稳定的目标变量SV时所需时间为tp，和曲线③比较，缩短的时间为tu。

图5中，对应图3的：1)目标变量变化率V，开关控制器C和开关SW，由块号8、9、10、11、12、13六个功能块组成，按块号顺序依次是，8目标变量变化率监视DRM、9触发器RS、10减法SUB、11绝对值ABS、12低值监视LMS、13无扰开关SFT。块号10、11、12依次串联后的输出接块号9的输入，作为触发器的一个触发条件，而块号8的输出接块号9的另一个输入作为另一个触发条件，块号9的输出接块号13的输入，块号13按块号9输出的两个条件状态切换输出SV或PV值。块号10和13者引入目标变量SV和过程变量PV，块号B只接入目标变量SV，目标变量变化时块号8输出置ON，使块号9的输出置ON，使块号13输出SV值；块号10、11、12串接后，当｜SV-PV｜＝E≤规定值E0时，块号12输出置ON，使块号9的输出置OFF，此时块号13输出PV值。2)超前、前馈单元由块号14、15两个功能块组成，分别是减法SUB和超前/滞后L/L，块号14的端接块号7的输出，负端接块号1的输出，块号14的输出接块号15的输入，只对目标变量SV进行超前运算，输出前馈给块号2加法ADD，由其综合得MV值。3)Gc(S)数字PID调节器由块号1、2、3、4、7组成，分别为1调节器PID1、2加法ADD、3手动输出MAN、4减法SUB、7加法ADD，接成目标变量SV前馈输出及偏差PID反馈输出形式，块号7的输入接块号1的输出和接外部设定目标之值SV，块号1的输入接块号7的输出和块号13的输出和块号4的输出，块号2的输入接块号1的输出和块号15的输出，块号3的输入接块2的输出，块号4的输入接块号3的输出和块号15的输出。其中块号2接入块号15的前馈输出mV和块号1的反馈输出mVc，按比例相加后为控制器总输出MV；块号4将总输出MV值减前馈输出得反馈输出，使块号1跟踪反馈输出值；块号7输出外部阶跃变化的目标变量SV。当块号13输出SV值的时候，块号1的两个输入口都接受SV值，其输出因偏差为零使输出增量为零，块号2的输出只跟踪来自块号15的前馈变量，通过块号3与控制对象G(S)连接。控制对象G(S)由块号5和块号6串接组成，分别为加法ADD和超前/滞后L/L，块号5的输入接块号3的输出，块号6的输入接块号5的输出，块号6输出过程变量PV，PV接块号10和13的输入。块号1的算法规定为前次输出加本次增量输出，A01接记录仪。图5中各可变参数值设定为：P0101＝1.0％、P0102＝-1.0％、P0103＝2～10％、P0104＝0.2％、P0105＝90％～150％、P0106＝100％、P0107＝100％、P0108＝0、P0201＝0.12～0.24min、P0202＝0.12～0.24min、P0203＝0、P0502＝0FF，固定参数FIXED表示在程序单上。图6中，设控制对象比例系数Kp＝2.6％，积分时间T₁＝3.6秒，微分时间T_D＝0，记录纸走纸方向CG向右，走纸速度CS为0.4秒/毫米，横座标代表的时间是每向左1mm，代表时间增加0.4ses，纵座标为SV和PV变化的百分率。当目标变量SV变化10％时，过程变量PV无超调地稳定在SV上所需时间tp为2.4秒，时间单位均为秒。

图7中，采用工业常用记录仪，走纸速度为12S/mm，其它条件同图6。当目标变量SV变化53％时，过程变量无超调地稳定在SV上所需时间tp为12秒。

图8为本发明实施例的程序清单，实现图5中15个功能块采用功能块语言的实际连接。每个功能块第一列为功能运行的顺序号，和图5中的块号相一致；第二列为功能块输入端标记；第三列为参数输入端及连接地点。例，PID1表示调节器1号，功能FUNC块顺序1表示成F101，第1输入端H1接块号7的输出表示为U7，第2输入端H2接块号13的输出，表示为U13，可变参数P1的输入接块呈4的输出，表示为U4，P2接P0502，表示数据类型为0FF。其它功能块均同此表示。另外，U单元(块)号，PPAR输入可变参数为百分数型，TPAR输入可变参数为时间型FIXED为输入固定参数实际值。