一种改进型二自由度目标值滤波器

本发明属于自动调节技术领域，特别涉及一种改进型二自由度目标值滤波 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叫，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G0(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二量MV与干扰量D相 加，再把这一相加结果施加给控制对象G0(S)，以使目标变量SV0等于过程变量 PV，即SV0＝PV，这个最终目的由凋节器G0(S)完成。在上述公式中，KP是比 例增益系数，T1干是积分时问，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 ${\mathrm{SV}}_a=\mathrm{SV}[a+(1-a)\frac{1}{1+\mathrm{TiS}}]$

从“二自由度型控制系统”外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tn+1，为使SV1＝SV的时间从tn+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SV0＝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，札后面的凋：爷器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tn+1方向延 长。增加滞后环节 后的SV0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；所示的开关控制器C，使SV0达到目标变量时间 由tn+1缩减到tn，加快系统响应，示于图2。但是还存在着(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分表示。

图1所示传递函数分别为： $\frac{{\mathrm{PV}}_d}{D}=\frac{G\left(S\right)}{1+G{\left(S\right)}^{*}G\left(S\right)}----\left(1\right)$ $\frac{{\mathrm{PV}}_S}{{\mathrm{SV}}_a}=\frac{G_C{\left(S\right)}^{*}G\left(S\right)}{1+G_C{\left(S\right)}^{*}G\left(S\right)}----\left(2\right)$

SVa＝SV(SW接入SV)             ....................(3) ${\mathrm{SV}}_a=\mathrm{SV}[a+(1-a)\frac{1}{1+\mathrm{TiS}}]$ (SW接入SV0)                   ....................(4) 式中PVd和PVs分别为于扰量D和目标值SVa变化时的过程变量增量。式(4) 代入式(2)得 $\frac{{\mathrm{PV}}_s}{\mathrm{SV}}=\frac{G_C{\left(S\right)}^{*}G\left(S\right)}{1+G_C{\left(S\right)}^{*}G\left(S\right)}[a+(1-a)\frac{1}{1+\mathrm{TiS}}]-----\left(5\right)$ 式(5)中滤波部分的时间常数取积分时间Ti相等数值，滤波效果不好，另 外设置的α可以为零，使系统简化。例：

K0＝100％

τ＝0.03min

T0＝0.12min

TI＝0.06mm

KP＝3.6 $G\left(S\right)=\frac{K_0{e}^{-\mathrm{\tau s}}}{1+T_{0}S}=\frac{e^{-0.03s}}{1+0.12s}\approx \frac{1}{1+0.15s}$

取α＝0

当 $H\left(S\right)=\frac{1}{1+\mathrm{TIS}}=\frac{1}{1+0.06S},$ 超调9％，调节时间0.5min

当 $H\left(S\right)=\frac{1}{1+(T_0+\tau )S}=\frac{1}{1+0.15S},$ 无超调，调节时间0.6min

另外，开关控制器C取滤波器前后差值，因滤波时间常数用的TI值相对 对象时间常数较小，虽然滤波器前后差值较小，但它的动作在过程变量PV来 不及变化时，实际目标值SV＝SVa和PV之差仍然较大，带来超调。以上例数 据，当滤波器前后偏差的绝对值设为20％，在它小于20％，投入SV，则超 调14％，调节时间0.4min

本发明的目的是提供一种改进型二自由度目标值滤波器，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改进型二自由度目标值滤波器来实 现。这一滤波器包括：使目标值变化对调节器的作用和外部扰动对调节器的作 用两者等价的目标值滤波单元H(S)；用于目标值SV与过程变量的偏差绝对值 |E|小于预定值时改变调节器积分时间的改变控制参数单元PMD；在|E|小于规 定值时使输入调节器的目标值SVa自SV0转换到SV的触发器RS和开关SW。

该滤波器使调节器把一个控制对象在外部干扰和目标值变化条件下运行 时，令其输出的过程变量调节到给定的目标值，即在目标跟踪时设置的条件和 在外部扰动的实际条件相等，使偏差PI运算后的输出量MV也相等，从而获 得二自由度功能。该方法按给定的目标变量SV与过程变量PV间偏差量大小付 与可变的积分时间；而在给定的目标变量变化时，目标变量通过可控制的滤波 器输给调节器。滤波器提供给比例、积分调节器的目标值，使该调节器的输出 量让控制对象输出的过程变量和外部干扰条件下的调节相当的一种运行方 法，该方法的滤波时间常数取对象惯性时间与等效纯滞后时间之和；该方法在 未经滤波的目标变量与过程变量间偏差绝对值小于规定值时，取未经滤波的目 标变量作为调节器的输入，并且加强积分作用。使输入转换的规定值C1和使 积分作用加强的规定值C2分别设置。

该滤波器主要特点是采用对象时间常数为滤波器的时间常数获较好的控 制特性；目标值SV与过程变量PV的偏差E为条件控制的开关能为实际输入的 目标值SVa选择合适的时间使系统获得无超调时最快的跟踪。和改进前相比， 调节时间相同时，超调指标提高约三倍，可广泛用于多级调节回路。

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5中控制对象G(S)由块号3、4、5组成；GC(S)由块号1和块号 2组成；滤波器H(S)由块号6、7、8、12，13组成；功能块9，10， 11号改变调节器积分时间。

下面结合实施例对本发明做进一步详述：

在图3和图4中，与图1和图2相同的部分采用与图1和图2中相同的标 号，并省略有关部分的详细说明。下面主要说那明些与现有技术不同的地方。

图3所示功能框图中，调节器的输出MV可表示成： $[\mathrm{SVH}\left(S\right)-(\mathrm{MV}+D)G\left(S\right)]\left[K_P(1+\frac{1}{\mathrm{TIS}})\right]=\mathrm{MV}-----\left(6\right)$ 只因扰动D发生变化，变化到D-AD，式(6)变成 $[{\mathrm{SV}}^{*}H\left(S\right)-(\mathrm{MV}+D+\mathrm{\Delta D})G\left(S\right)]\left[K_P(1+\frac{1}{\mathrm{TIS}})\right]=\mathrm{MV}+\mathrm{\Delta MV}-----\left(7\right)$ 取增量即式(7)减式(6)得 $-\mathrm{\Delta DG}\left(S\right)\left[K_P(1+\frac{1}{\mathrm{TIS}})\right]=\mathrm{\Delta MV}$ 只因目标值发生变化，变化到SV+ASV，式(6)变成 $[(\mathrm{SV}+\mathrm{\Delta SV})H\left(S\right)-(\mathrm{MV}+D)G\left(S\right)]\left[K_P(1+\frac{1}{\mathrm{TIS}})\right]=\mathrm{MV}+\mathrm{\Delta MV}----\left(9\right)$ 取增量即式(9)减式(6)得 $\Delta {\mathrm{SV}}^{*}H\left(S\right)\left[K_P(1+\frac{1}{\mathrm{TIS}})\right]=\mathrm{\Delta MV}----\left(10\right)$ 对于扰动D和目标值SV的变化产生的调节器输出变化如果相等，即式(8) 等于式(10)，则说明调节器的调节参数适合两种运行工况，实现二自由度 功能，在扰动和目标变量完全相等时得H(S)等于负G(S)，即数值相 等时，ΔMV输出方向相反，另外，从图3可直接看出，作用于调节器的信息， 在外扰D作用下是通过对象G(S)的，而SV对调节器的作用也需要通过 对象G(S)才能使调节器输出等价。所以滤波器的滤波时间常数只取对象 的时间常数T0与等效纯滞后时间τ之和。设对象特性G(S)等效为一价惯性 加纯滞后，即 $G\left(S\right)=\frac{K_0{e}^{-\mathrm{\tau S}}}{1+T_{0}S}\approx \frac{K_0}{1+(T_0+\tau )S}-----\left(11\right)$ $H\left(S\right)=\frac{R_0}{1+(T_0+\tau )S}-----\left(12\right)$

式中：K0        对象放大倍数

e-τS            对象等效纯滞后

T0S             对象惯性

S                拉氏算符

另外如图3直接取目标实际值SV和过程变量PV之差E经绝对值ABS 运算得绝对值|E|，在触发器RS上规定数值C1，当|E|＜C1时，RS使开关SW 接通SVa等于SV，另一RS按C2使修改控制参数功能PMD按|E|同数值改变积分 时间TI，积分作用增强这两项功能可在允许的超调量前提下缩短过渡过程时 间；当|E|≥C时RS使SW接通SVa等于SV0，即SV经H(S)滤波后的值， 同时RS使PMD还原按扰动D设定的T1值

采用图4价跃响应特性曲线对图3的进一步说明是，当取下列数据得到的 PV变化结果。

条件同前例，曲线(1)是滤波时间常数取TI等于0.06min滤波前后偏差 绝对值小于20％的SV3时间曲线；曲线(2)是以曲线(1)为目标的过程变 量变化时间曲线，超调14％，调节时间0.4min：曲线(3)是滤波器时间常数 取T0+τ等于0.15min，实际目标值SV与过程变量PV偏差绝对值小于C1等于6 ％的SVa的时间曲线；曲线(4)是以曲线(3)为目标的过程变量变化时间 曲线，偏差小于C2等于2％改变积分时间，超调4％，调节时间0.4min，在同 样调节时间内超调从14％减至4％。

图5采用图3意义相同的符号，图5中对应图3的控制对象G(S)由 块号3，4，5组成，分别是加法ADD，超前滞后 纯滞后DED，依次 联结，块号3接入调节器Gc(s)的输出MV和外部扰动D，由块号5输出对象 G(S)的过程变量PV；块号1和块号2分别是调节器PID和手动MAN，依次 联结后，块号1接入块号5的输出PV和块号13的输出SVa，块号2输出Gc(S)的 MV给块号3；块号7、8分别是减法SUB和绝对值ABS，依次联结后块号 8输出偏差绝对值给块号9、11、12，块号7接入实际目标值SV和过程变 量PV；块号9、10、11分别为低监视LMS，修改控制参数PMD和折线表 TBL，在块号9中接入C2和块号8的输出、块号9输出触发器信号给块号10， 块号11接入块号8的输出、块号11输出给块号10，块号10按块号9规定的 可否更改控制参数的信息，按块号10规定的折线数据输出给块号1，令其改 变积分时间EXTN02；块号6超前滞后 作为滤波器H(S)的核心部件接 入目标值SV输出滤波后的SVa，块号13两点切换开关SW，自块号6接入SV 和SV0，自块号12低值监视LMS接入接点信号输出SVa，当块号12从块号8接 入的偏差信号小于规定的C1值的时候，SW的输出SVa等于SV，反之SVa等于 SV0。