[其他]特性曲线识别自校正控制器

说明书

本发明提供一种用于过程控制的模式识别自校正控制系统，该系统从过程变量的测量值与设定值之差导出误差信号，并至少包含误差信号的一个峰值，从而识别误差信号的特征，以便当该过程受到干扰或改变设置点时，该控制器能以最短的时间使之恢复到最佳状态。在本发明的优选实施方案中，该控制器是用比例－积分－微分（ＰＩＤ）方式设计的，其Ｐ、Ｉ、Ｄ系数是根据误差信号的阻尼、超调和周期计算出来的。

一般说地说，本发明涉及用于控制过程的自适应控制器，更具体地说，是涉及特性曲线识别型自校正控制器，其控制器的工作参数根据实际的过程状态与所要求的过程状态之间差别而自动改变，使得控制器特性基本上与过程动态特性相匹配。

在典型的控制环路中，控制器与一个过程相耦合，并且测量诸如温度、流量或水位等过程控制变量，然后以信号形式反馈到该控制器，控制器将该信号与作为设定值的期望值进行比较。各种控制器部件响应误差信号产生一个调节该过程的控制信号，使过程控制变量保持为期望值。如同我们能够理解的那样，控制器特性基本上与过程的动态相适应，使得在该过程受到干扰或突然改变设定值时，整个控制环路基本上保持在其最佳状态是较为有利的。

特性曲线识别型自校正控制器自动地调整控制器的工作参数，使得控制器特性按需要改变，以保持控制环路处于其最佳状态。众所周知，特性曲线识别是一种用手动调节控制器工作参数的公知技术。一般来说，在稳态模式下工作的控制系统受到干扰，检测其响应的特性曲线，然后由操作人员将该特性曲线与所期望的特性曲线相比较并修正控制器的设定参数，使这两个特性曲线基本上一致。所以，如果在具备有关该过程的必不可少的经验和/或知识，以建立控制器工作参数之前需经过许多次尝试的话，校正因而是相当耗时并且费力的。

此外，由于控制器的各种设定值是针对特定的装置和工作条件范围的，所以，需要手动重新调整以补偿工作条件的改变，工作条件的改变可能是由于设定点的修正，过程负载干扰，或控制系统设备的寿命、磨损和受腐蚀所引起的。为了提供一种能省去并代替技术熟练的操作员繁重的手动调整的自适应控制器已经做出了种种努力，但收效甚微。

为了在许多方面的应用，描述控制环路动态特性的方程是相当复杂的，以致于很难从分析上确定要实现所希望的理想特性曲线应采用什么工作参数。所以，分析解经常是根据减小工作条件范围或减少无需人介入而控制的过程应用数目的简化的假定。

在授与E.H.Bristol的并转让给本受让人的美国专利No.3，798，426中，公开了具有不需操作员而能进行校正的一种特性曲线判别自适应控制器，如在该专利中所述的，被控制的过程从诸如局部干扰或设定值的变化之类的失常中恢复过来时，根据Bristol的方案制造的控制器检验过程控制变量的起始恢复特性，然后计算各种求值时间间隔。过程控制变量对其希望值的偏离先被在各求值间隔上积分并合并从而产生积分的误差。根据积分误差的大小，按该过程下次受到干扰时，能保证最佳控制作用的要求改变控制器的工作参数。

但是，初始恢复特性与有关的求值间隔的大小之间的关系对整个工作状态并非总是保持不变。虽然Bristol提出的控制器适用于控制复杂的非线性过程，但在需要操作员改变确定求值间隔所采用的准则之间，能控制的状态数目有限制。

因此，需要一种改进的自适应控制器，可以适用于宽的工作条件和/或应用范围。此外，要求将操作员的工作取消或减至最小，尤其是在操作员面临生命危险的情况下。

一种新型的、改进的自校正控制器克服了上述现有技术中的控制环路和控制器的缺点。该自校正控制器包括用于至少测量过程控制变量特性的两个特征的检测器，该特性是当该过程在工作条件受到一个干扰而正起反应时产生的。还包括响应于两个特征和按要求改变控制器的工作参数的连接到检测器输出端上的适配器，使得在以后的干扰或变化施加于该过程时，控制环路的响应将符合规定的性能标准。

在本发明的最佳实施例中，控制器为比例一积分一微分（PID）型。当控制器进入控制操作时，检测到超过以噪声带为基准的规定值的误差信号峰值，并用其计算控制环路的闭环响应的阻尼和超调特征。根据超调和阻尼特征的计算值与期望值之差，按照需要改变PID系数。对预适应模式有一定措施，其中包括控制器评价控制环路的开环响应，确定PID系数的初始值，与该过程近似时间周期有关的最大等待时间和噪声频带。