[发明专利]防止使用非线性增益的PID控制器失效的方法

说明书

                   本发明领域

本发明是关于控制方法，尤其是防止比例积分微分(PID)控制器在使用非线性增益参数时失效(windup)的一种方法。

                   发明的背景

所谓比例积分微分(PID)的控制器很久以来已广为人知，在很多控制应用场合有其相当的先进性。PID控制器产生一个由三个分量组成的控制信号，第一个分量(P)正比于过程变量信号与设定点的偏差，第二个分量是所述偏差的时间积分(I)，第三个分量是所述偏差的时间微分(D)。由于积分和微分项的动态性，由PID控制器产生的控制信号通常是“浮动”的。在内部，控制器的输出被计算成输出变化的增量，但是这个增量被累积成一个完全值输出。

PID控制器可以配置成以交互式(真实的)和非交互式(理想的)两种模式工作。真实模式模拟传统的气动PID控制器，其中比例、积分和微分分量被计算成比例和积分分量的和并与微分分量相乘。在时域里微分分量与比例和积分分量相互作用。在理想模式中，比例、积分和微分分量在时域里都被累加。微分分量被累加成一个衰减微分量用来限制峰值幅度。

前面提到的两种操作模式下的控制器增益参数可以被调整，以单独决定控制器的输出。这些增益可以当作线性、间隙增益或非线性输入到PID控制器。线性增益为一个由用户选择或设置的固定参数，在PID处理过程中表现为线性。间隙增益(gap gain)被用来当输入过程变量在设定点附近的一个狭窄区域或间隙里时降低控制动作的敏感性。区域的大小由用户指定。非线性增益产生一个与误差的平方而不是误差的本身成比例的控制动作。

本领域技术人员可理解，PID控制器在控制一个闭回路控制系统的动态变化环境方面的效率直接受到加载到控制器上的增益的影响。恰当地确定的增益可以提供一个控制器输出，该控制器输出可以通过调节闭合回路的带宽(降低干扰性所需的时间)，衰减(增加减少超调量)，和系统鲁棒性(对干扰的敏感性)，来修正受控系统环境的状态。

在使用理想操作模式并采用间隙或非线性增益的PID控制器中，一个普遍存在的问题就是控制器的失效(windup)问题。当受控过程的一个过程变量在为间隙增益方案所设置的范围之内和之外振动时，控制器的输出将会失效，不再表示所要求的控制动作。同样地，当使用非线性增益的方案时，过程变量的振动也会导致PID控制器的输出失效。

                   本发明概述

因此，本发明提供了一种防止PID控制器在使用非线性增益参数时失效的方法。本发明这一方法用于一过程控制系统的PID控制器中，该过程控制系统用于在闭合控制回路内提供操作控制。PID控制器被用来在当前的执行周期里产生输出给一个控制过程的设备的一个控制变量(CV)。PID控制器也用来在当前的执行周期里接收来自控制回路的一个指示受控过程状态的过程变量(PV)，和来自过程控制系统的设定值(SP)和增益参数(K)。

本发明接收来自控制回路的PV，和来自过程控制系统的SP和K，并产生一个PV与设定值SP的偏差的比例分量。同样地，在当前的执行周期里产生PV与SP的偏差的时间积分的积分分量，和PV与SP的偏差的时间微分的微分变量。接下来，产生的比例、积分和微分分量用来计算当前执行周期的输出增量CV。接下来计算当前的增益值，即从前一个执行周期的增益值减去当前执行周期的增益值。接着就是进行线性或非线性增益参数的检验。如果非线性增益参数、比如间隙增益被测出，那么，一个非线性增益变化分量就被计算出来，并加到输出增量CV里。通过把由非线性增益变化分量修正得到的输出增量CV加到前一个执行周期的CV值里，产生当前执行周期的输出CV。前一个执行周期的比例、积分和微分分量的累加量被更新为由当前执行周期所产生的比例、积分和微分分量。这些累加量用来计算下一个周期的非线性增益的变化分量。然而，如果检验得到的是一个线性增益参数，那么非线性增益变化分量的计算就被跳过，输出量CV就通过将输出增量CV加到前一个执行周期的CV值里而得到。

相应地，本发明的一个目的是提供一种防止使用非线性增益的PID控制器失效的方法。

本发明的另一个目的是提供一个可以根据接收到的增益参数的类型区分并调整其CV输出的PID控制器。

本发明的另一个目的是提供一个可以正确地处理非线性增益从而获得一个更具鲁棒性的过程控制系统的PID控制器。

如果与下面的描述和附图相结合，本发明的这些和其他目的会变得更显而易见。