[发明专利]过程控制系统

说明书

本发明涉及一种过程控制系统，具体涉及一种供比例控制操作用的具有两个自由度的过程控制系统。

自过程控制问世以来，各个生产领域已广泛应用比例-积分（PI）控制器或比例-积分-微分（PID）（Proportional，Integration    and    Derivative）控制器。实际上，在仪表领域中，PID控制器已经成为必不少可少的装置了。

过去已提出的控制系统有各种各样。目前控制系统已从模拟系统转移到数字控制和计算系统了。然而，工业设备操作控制在PID控制器的应用中所起的主导作用仍未改变。

这样的PID控制计算的基本公式为：

MT(s)=Kp(1+1Tr ·S + TD ·S1+η ·TD ·S ) E(s) (1) ]]>

其中MV（s）为操作信号，E（s）为偏差，KP为比例增益，T_I为积分时间，T_D为微分时间，s为拉普拉斯算子，（1/η）为微分增益。

这样的PID控制计算叫做具有一个自由度的PID控制计算系统。

这构成了一种所谓“一个自由度”的系统，在这个系统中仅一组PID控制常数可被设定。

当然，要同时优化外扰抑制特性和目标值跟踪特性两者是不可能的。

总的来说，使用PI或PID控制操作的控制系统必须满足外扰抑制特性和目标值跟踪特性两者的功能。

前者，即外扰抑制特性，表明如何最好地抑制外扰的影响。

后者，即目标值跟踪特性，表明在目标值发生变化时如何最好地跟踪过程值的目标值。

在一般的PI或PID控制系统中，由于最佳抑制外扰变化的影响所使用的PI或PID控制常数值与最佳跟踪目标值的变化所使用的PI和PID控制常数值大不相同，因此该两种特性不能同时最佳化。实际上，它们处于相互矛盾的关系中。

具体地说，若将PID控制常数设定得使其能最好地抑制外扰变化的影响，则目标值跟踪特性就变得不稳定。相反，若将PID控制常数设定得使其得以最好地踪目标值的变化，则外扰抑制特性就变得非常差而软弱无力。

为此，希望能研究出一种同时优化这样的PID控制器的外扰抑制性和目标值跟踪特性的技术。

为解决这个问题，Issac    M    Horowitz    1963年发表了“两个自由度PI或PID（以下简称为2DOFPID）算法的基本原理”，这样算法可以独立地设定两组PID控制常数。近几年来日本也应用了基于这个原理的2DOFPID对改进工业设备的操作控制方面作出了巨大的贡献。

图1是传统的两自由度型PID控制系统的方框图，其中给定P操作和D操作具有两个自由度。在这种系统中设有目标值滤波器11，目标值滤波器11进行计算处理，得出两自由度型式的比例增益和微分时间。该系统接收来自目标值发生单元10的目标值SV，并将来自待控制的系统12的控制值PV和从目标值滤波器11算得的滤波器输出SV_O馈到偏差计算单元13。偏差计算单元13进行（SV_O-PV）的计算，求出偏差E，再将偏差E馈到PI控制计算单元14。此PI控制计算单元14接收偏差E，并进行PI控制计算以得出操作信号MV，再将操作信号MV馈到加法单元15。此加法单元15将操作信号MV和外扰信号D相加组合在一起，。然后把此得出的已组合相加的信号施加到被控制的系统12上。由此进行控制以使目标值SV_O＝控制量值PV。

在目标值滤波器11中，系数单元21将目标值SV乘以为实现比例控制操作具有两个自由度的比例增益修正系数α，结果得出输出（SV.α），再将该输出馈到加法单元22。然后由减法单元23从目标值SV中减去系数单元21的输出（SV.α）。随后，得出的减法输出SV（1-α）施加到减法单元24上。