程序控制系统

本发明涉及程序控制系统，特别是涉及采用了对死时间补偿作了改进的史密斯方法的，一种程序控制系统。

在程序控制的历史中，具有比例积分（PI）或比例微分（PID）调节功能的控制单元，被广泛用于所有的工业领域，而且对于设备操作也是不可缺少的。

当一个程序系统，采用死时间L和一级滞后T（一个时间常数）来近似时，在仅有一级滞后的情况下，这个程序系统可以简单地由比例积分微分（PID）控制方法来控制。但是若包括了死时间L时，而死时间L变大，换句话说当L/T变大，仅用比例积分微分控制就变得越来越困难了。

所以，作为一种用于提高包含死时间程序系统的控制能力的方法，史密斯提出了所谓“史密斯方法”或“死时间史密斯补偿方法”现在此种方法被广泛采用。其设计是增加一个死时间补偿器，该补偿器使用了一个程序系统模型，来进行比例积分微分控制，并将死时间移出控制循环方式，来单独控制近似的一级滞后程序系统。

图1（a）所示为使用了这样的死时间史密斯补偿方法的，控制单元的功能框图。在此单元中，死时间补偿器5与是新加进控制系统的6偏差计算器1得到目标值SVn，与控制变量PVn之间的偏差En。比例积分微分（PID）调节装置3，在此偏差En的基础上，执行比 例积分（PI）或比例积分微分（PID）的控制操作，并且把所得到的控制信号MVn加到程序系统2上。

在死时间补偿器5中，一级滞后模型装置6，按照一级滞后传输函数、输出比例积分微分（PID）调节装置3的控制变量MVn。程序系统模型装置（也称程序系统模型）7，按照一级滞后和死时间的传输函数、输出比例积分微分（PID）调节装置3的相同控制信号MVn。减法器8从一级滞后模型装置6的输出之中，减去程序系统模型7的输出。

其结构是减法器8的输出端与减法器4相连，同时减法器4又置于偏差计算器1的输出端，在此，死时间补偿器5的输出，被从偏差En中减去。

在图1（a）中

Gp、e-Lp·S：程序系统的传输函数

Gp-Kp/（1+Tp·S）：消去死时间的程序系统的传输函数

Lp：程序系统死时间

Kp：程序系统增益

Tp：程序系统时间常数

S：拉普拉斯算子

此外，

Gm·t-1ma：程序系统模型的传输函数

Gm-Km/（1+Tm·S）：消去死时间的程序系统模型的传输函数

Lm：程序系统模型死时间

Km：程序系统模型增益

Tm：程序系统模型时间常数

如果将图1（a）经等效变换重新排列，它就变成如图1（b）中所示

此处，扰动D是很小的，可以忽略。同时，如果假定程序系统特征与程序系统模型7的特性一致的条件成立，也就是说存在关系式

扰动＝很小，Tp＝Tm，Lp＝Lm    （1）

我们有Gp＝Gm，当SVn→PVn的传输常数在此种情况下找到时，它变成

PVn/SVn＝｛（Gc·Gm）/（1+Gc·Gm）｝e-1p·S（2）

它可变换成图1（c）中的结构型式。所以，这意味着，在这个控制单元中，具有消去死时间的一级滞后模拟器6，可以由PID调节装置3反馈控制。换句话说，由于死时间可以从控制循环中移去，所以，这个单元可以很容易地由PID调节装置3所控制。而且，予期具有较好的控制能力。死时间单元9、被置于控制循环之外。

然而，从上面的解释可以明显的看出，采用上述类型的死时间史密斯补偿方法，除非方程（1）的条件成立，否则控制单元是不能如图1（c）所示那样构成的。

可是，在实际的设备控制中，使方程（1）的条件成立常常是困难的。例如，在死时间的进程中，方程（1）的条件，可能由于程序系统特征的改变和环境的变化（诸如环境温度、催化剂温度、原料状态或负载大小等）而改变。结果，方程（1）中的条件变化越大，控制能力就变得越差。因此，就存在着不可能实现死时间史密斯补偿方法功能的问题，结果造成对设备控制能力的巨大影响。

本发明的一个目的是用死时间补偿控制单元，控制一个程序控制系统。另一个目的是，在程序系统增益特性变化的条件下，用改进的 死时间补偿控制单元，使有可能控制一个程序控制系统。

按照本发明，上述目的是通过提供一个控制系统而实现的。所控制的程序系统具有程序系统增益和死时间，其传输函数包括一个相应于程序系统增益的增益项，和一个相应于死时间的死时间项。在外加扰动条件下，所说控制过程是基于一个受控变量和目标值之间偏差，根据至少执行比例积分控制操作的控制器，所控制变量的输出，将程序系统的受控变量输出，调整到目标值而实现的。这个系统包括死时间补偿器，它与控制器相连。控制器包括一个系统模型单元，该单元具有与程序系统的传输函数近似的系统传输，还包括一个模型单元，该单元具有将死时间项从系统传输函数中消去的模型传输函数。所说死时间补偿器用于输出一个补偿信号以补偿死时间。这个系统还包括与死时间补偿器相连的增益调节器，可根据程序系统增益的变化、将系统模型单元的增益，调整到程序系统增益上。

另一方面，根据本发明上述目的是通过一种控制方法而实现的。该方法在外加扰动的条件下，基于控制变量和目标值之间的偏差。根据至少执行比例积分控制操作的控制器、所控制变量的输出，将程序系统的受控变量输出调整到目标值，从而控制一个程序系统，该系统具有程序系统增益和死时间，其传输函数包括相应于程序系统增益的增益项，和相应于死时间的死时间项。该方法包括下述步骤：通过使用死时间补偿器来补偿死时间，该死时间补偿器与控制器相连，包括一个系统模型单元和一个模型单元，系统模型单元具有与程序系统的传输函数近似的系统传输函数;模型单元具有将死时间项，从系统传输函数中消去后得到的模型传输函数，按照程序系统的增益变化将系统模型单元的增益，调整到程序系统增益上。

图1（a）到1（c）所示为能补偿死时间的普通程序控制系统的框图。

图2为本发明采用了史密斯方法，进行死时间补偿的程序系统的框图。

图3为本发明采用了史密斯方法，进行死时间补偿的另一个程序控制系统的框图。

图4所示为图3中程序控制系统的运算图。

以下参照图2描述本发明的一个实施例。在图2中凡是与图1中符号相同的那些函数或部分，将不再详细介绍。

在图2中，模型增益校正器10，是为死时间补偿器5提供的，它对应于程序系统增益的变化，自动校正死时间补偿器5的增益。

在模型增益校正器10中，除法器11接收程序系统2的受控变量PVn和作为死时间补偿器5一部分的程序系统模型7的输出信号PVmn，并计算出它们的比值Kn＝PVn/PVmn。时间平均值运算器12，通过计算除法器11的输出Kn的时间平均值，计算出比值Kn’（下文中、平均值均采用加“’”号来表示）。乘法器13用此平均比值Kn’乘以死时间补偿器5的输出，自动校正死时间补偿器的输出。

所以，在模型增益校正器10中，从程序系统2输出的受控变量PVn，和从作为死时间补偿器的一部分的程序系统模型7中输出的信号PVmn，被送入除法器11中。经过运算PVn/PVmn，求得比值Kn’后，将其传送到前面的时间平均值运算器12。在时间平均值运算器中，平均值Kn’是从除法器11输出的初始比值Kn’对时间进行平均而求得、并被送入乘法器13。在这里、与平均比值Kn’相乘， 使得死时间补偿器5的输出信号自动改变。

接下来，讲述对于程序系统增益的改变，程序系统模型增益的校正。如果程序系统2的特性与程序系统模型7的特性是一致的话，受控变量PVn和程控系统模型7的输出信号PVmn、应该是一致的。即，如果比值Kn＝PVn/PVmn、那么Kn＝1。但是，实际上，Kn＝1是由于程序系统2特性的变化。所以，在此单元中，测得程序系统增益的变化-比值Kn，并且根据这个比值Kn，校正程序系统模型增益的变化。

此处，受控变量PVn和程序系统模型7的输出信号PVmn，对于控制信号MVn可比表示为：

PVn＝MVn·｛Kp/（1+Tp·S）｝·e-Lp·S（3）

PVmn＝MVn·｛Km/（1+Tm·S）｝·e-Lp·S（4）

而除法器11的输出，即比值Kn为

Kn＝PVn/PVmn    （5）

于是如将方程（3）、（4）代入方程（5）中，我们得到：

Kn＝（Kp/Km）·｛（1+Tm·S）｝/｛（1+Tp·S）｝·e-（Lp-Ln）·S（6）

设Tm＝Tp    Lm＝Lp

关系式（6）就可以变为

Kn＝Kp/Km    （7）

此外，为了消除比值Kn的瞬时波动的影响，比值Kn被送入时间平均值运算器12中。如果对于一个指定的时间、取时间平均值，其输出取作Kn’，Kn’＝（Kp’/Km’）    （8）

所以，如果这个平均值Kn’送入乘法器13，并与死时间补偿器 5的输出相乘，则乘法器13的输出Mon为

Mon＝Kn’×死时间补偿器5的输出

＝（Kp’/Km’）× (Km)/(1+Tm·S) ×（1-e-LM·S）×MVn

上式中，由于Km’＝Km，因此可得到下式

＝Kp’× 1/(1+Tm·S) ×（1-e-LM·S）×MVn （9）

换句话说，从关系式（9）可明显看出，通过死时间补偿器5的输出端、附加模型增益校正器10，使得死时间补偿器5的程序系统模型7的增益，总是可以自动校正到程序系统2的增益，Kp。

所以，在采用了上述类型的实施内容时，通过依据程序系统增益的变化，自动校正程序系统模型7的增益，总是有可能使得程序系统与程序系统模型的特性一致。因此，通过充分应用死时间史密斯补偿方法，控制能力增强了，即使对于特性变化和程序系统的环境变化也是如此。此外，用程序系统模型7的输出，去除程序系统2的受控变量，也可得到校正的增益比。故而，程序系统模型7的增益、可以用非常简单的结构校正。

进一步，程序系统模型增益可以准确地被校正，而不受该比值的瞬时波动的影响。即将该比值用时间平均值运算器12，对于一个指定时间求其平均值。该比值是用程序系统2的受控变量，除以程序系统模型7的输出信号而得到的。

特别是、在一个实际的工厂里，程序系统的特性变化大而且频繁。但是，程序系统模型7的增益，能够根据程序系统增益的变化而自动得到校正。因此，即使在一个带有死时间的控制系统中，也能极大地 提高控制能力。

此外，在上面的实施例中，除法器11所得的比值Kn，在时间平均值运算器12中，得出在一个指定时间里的时间平均值。但是，即使省去时间平均值运算器12，也能得到近似的效果。除此之外，本发明在不偏离其要旨的前提下，还可以进行不同的改进。

本发明的另一个实施例，将结合图3在以下部分中予以描述。另外，凡图3中与图1（a）到（c）中符号相同的那些函数或部分，将不再详细介绍。

图3中，模型增益校正器10对应于程序系统2的增益变化，自动校正死时间补偿器5的增益，在死时间补偿器5中，采用了史密斯方法。

模型增益校正器10包括除法器11，它接收来自程序系统2的受控变量PVn，和构成死时间补偿器5的一部分的程序系统模型7的输出信号PVmn，并计算出它们的比值Kn＝PVn/PVmn，算出的增益比值信号Kn存贮在存贮器12中。乘法器13对应于程序系统2的增益变化校正程序系统模型的增益。这里从存贮器中读出的增益比信号与死时间补偿器5的输出信号相乘。该设计是把增益作了修正之后的信号，加到减法器4上。

此外，模型增益校正器10，包括信号识别器14，它识别从死时间补偿器5输出的几乎为零的信号，并输出一个零值识别信号。所得到的零识别信号被导入时间限制器15中。时间限制器15具有定时功能。当零识别信号（死时间补偿器5输出“零”）被持续，超过一个特定时间Tn时，它就施加一个校正命令信号到存贮器12中，以校正增益比信号Kn。在其它时间里，它具有紧跟在前的增益比信号 Kn的同时，停止记忆修正并校正程序系统模型7的增益的功能。

接下来，将采用图3所示的结构，并对实验和研究的结果加以解释。现在，如果完全响应程序系统2所需时间，取作TR，那么完全响应所需时间TR、可以表示为：

TR＝近似死时间Lp+（3-5）·Tp

此处，如果程序系统的特性和程序系统模型特性是一致的，那么当上式中完全响应所需时间TR在受控变量PVn变化之后超出时，受控变量PVn和程序系统模型7的输出PVmn也将是一致的，如图4所示。所以这时增益比Kn应为：

Kn＝PVn/PVmn＝1

但是，实际上有时Kn＝1是不真实的。这是因为程序系统特性的增益变化、是由于程序系统2特性的变化和环境的状态，诸如周围温度、催化剂密度、材料条件和负载的大小。所以，程序系统特性的增益与程序系统模型是不一致的。因此，如果程序系统模型的增益、通过计算增益比Kn，使得与程序特性的增益一致，那么史密斯方法的条件将被满足。

所以，完全响应所需时间TR的定时，是必要的。但是，因为死时间补偿器5已消除了死时间，从中已消除了死时间的完全响应所需时间TR的剩余时间Ts，也就是说

Ts＝（3-5）·Tm

作为近似的完全响应所需时间，被定时。如果，在这个时间Ts消逝后所得到的增益比Kn被采用，它就成为近似反映程序系统的增益变化的值。此外，如果使用这个增益比Kn进行程序系统模型增益补偿，那么史密斯方法的条件可以被满足。

对于程序系统增益的变化，程序系统模型增益的校正，将在下面用一些关系式予以解释。

首先，受控变量PVn对于PID调节装置3，所加的控制信号MVn，和程序系统模型7的输出PVmn可以表示为

PVn＝MVn·Qp·e-Lp·S

＝MVn·｛Kp/（1+Tp·S）｝·e-Lp·S（10）

PVmn＝MVn·Gm·e-Lp·N

＝MVn·｛Km/（1+Tm·S）｝·e-Lp·S（11）

同时，除法器11输出的增益比信号Kn为：

Kn＝PVn/PVmn    （12）

如果关系式（10）和（11）被代入关系式（12）中，则得出下面（13）式：

Kn＝（Kp/Km）·｛（1+Tm·S）/（1+Tp·S）｝·e-·S（13）

当死时间补偿器5的输出变为零，一个零信号被信号识别器所识别，并且一个校正命令信号从时间限制器15中输出时，由于在控制信号MVn变化之后，超出完全响应所需时间TR，所以在关系式（13）中

（1+Tm·S）/（1+Tp·S）＝1·e-·S＝1

所以，最后（13）式变为

Kn＝（Kp/Km）    （14）

于是，用此式得到的增益比值信号，被导入增益校正13中，并与死时间补偿器5的输出信号Xn相乘。用此种方法，就从增益校正13中得到一个输出Yn，如下式

Yn＝Kn/Xn    （15）

＝（Kp/Km）·｛Km/（1+Tm·S）｝·（1-e-LM·S）·MVn

＝（Kp/（1+Tm·S）｝·（1-e-LM·S）·MVn（16）

因此，从16式明显看出，如果模型增益校正10的增益比值信号Kn，与死时间补偿器5的输出Xn相乘，死时间补偿器5的程序系统模型增益Km，总是被程序系统增益Kp自动校正。

所以，一般来说，当史密斯死时间补偿方法，用于包含死时间的程序系统时，总是扰动微小，也就是程序系统特性与程序系统模型一致的情况。但是在大多数情况下，由于程序系统2的特性变化和环境状态，程序系统特性增益发生变化。所以，程序系统的增益和程序系统模型不一致，从而对控制能力有较大影响。

于是，该单元从受控变量和程序系统模型的输出中，求得增益比值信号，同时在一个与控制信号变化之后的，完全响应时间等效的时间里，存贮增益比值。其设计是使程序系统模型增益，可用此存贮的增益比值信号校正。所以，死时间补偿器5的程序系统模型增益，在程序系统增益变化的基础上被校正。故而，史密斯死时间补偿方法的功能，可以充分显示，而具有有效的控制能力的死时间补偿控制单元可以实现。

特别是，在一个实际的工厂里，程序系统的增益变化，大而频繁。但是，对于一个实际工厂的采用能力，由于程序系统模型增益的自动修正而明显的提高。如果使用散布于工厂周围各个地方的控制单元，将对整个工厂控制能力的提高，作出很大贡献。此外，可以实现工厂操作的全面适应性和超自动化，从而产生高质量产品。

顺便说说，本发明不局限于上述实施例，换句话说，在上述实施例中，其结构是将除法器11的输出传送到乘法器13、按现实情况来说，就是它被存贮到存贮器12之后。但是，它可以具有一种结构、具有一个平滑装置，以消除诸如比值运算器11或存贮器12输出端比值Kn的瞬时波动。并且，校正可通过使用死时间补偿器5的输出“0”，由消除定时器15来执行，或利用如T＝（3-5）·Tm来进行，该值是由定时装置15设置的定时值。在后一种情况，由于时间常数Tm形成的部分，可以简单的被忽略、并可作为一种近似用于增益变化。

除此之外，在不脱离原宗旨的前提下，本发明还可以有各种改进。

当使用如上述的本发明时，提供一个能完全展示，死时间史密斯补偿方法的功能的，死时间补偿控制单元是可能的。促使，由于程序系统特性的变化和它的环境改变，使程序系统的增益产生变化时，甚至是一个带有死时间的控制系统，也有可能以有效的能力进行控制。