[发明专利]加热器和电机控制

说明书

技术领域

本申请要求2008年7月2日提交的美国申请序列号为61/077,663的优先权，其内容通过引用结合于此。

背景技术

已将各种控制方法用于控制电机、加热器等。尽管大多数通常是有效的，但它们均具有它们自身的怪癖和不足。

控制最基本的形式是开/关。在该控制策略下，当温度低于设定点时完全开启，而当温度高于设定点时完全关断。由于不能防止由加热器的要素(momentum)引起的过调和欠调，所以该技术在如何能更好地控制温度方面，尤其在具有快的温度变化的情况下，受到限制。

开/关控制用于没有软件(即基本恒温器)、非常有限的软件或者硬件是在短的时间周期上不能脉动占空因数的情形。例如较旧的微波基于由用户提供的功率设定来使用带有中继的开/关技术。

比例-积分-微分控制(PID)是当想起控制系统时通常出现在脑海中的控制方法。这是非常流行的通用控制形式，其结合了控制斜率和中心值的方法。PID建立简单，并且非常直观。

PID控制使用三个单独的值以产生“控制值”，该“控制值”表示将要应用于负载的可用功率的百分比。这些项是比例值、积分值和导数值。

比例值由从测量的温度到设定点的距离(“误差”)乘以常数来设定。该值完全忘记过去的测量并用于在测量变化时调节控制值。在积分值有起反应的时间之前，在新的测量时立即进行这些调节。

积分值是误差值随时间推移的总和乘以常数。该项是迫使温度接近设定点的项。

导数值是温度变化的速率乘以常数。如名称所暗示地，该值的目的用于限制变化率。

如此说明以上项的主要目的是能够暴露PID控制的弱点。应指出的是，三个值中的每个均利用固定的常数来产生。PID控制的效率对于是否合适地选择了这些常数敏感，并且这取决于被控制的系统。任何时间，系统以诸如加热不同的材料或以不同的流率分配的不同方式操作，则所述值不再是最佳的，并且会导致差的温度调节。该最终结果是，真正通用的系统不可能具有固定的PID控制。先进的PID控制需要添加自动调谐。

发明内容

本发明的控制方法使用以下方案：控制值(CV)＝比例值(PV)+导数值(DV)+导数校正(DC)

其中PV从0至MAX，并在非常窄的区域—在温度控制示例中从设定点加上或减去1℃上操作，并用于稳定CV和强化设定点。DV从-MAX至MAX，并且随时间常数指数地衰减，以将最新的值加权得比较旧的值重得多。这允许该控制经受(see)真实导数，而不管会以其他方式掩盖真实导数并完全在小的时间窗内的大步长。DC从-MAX到MAX，并使该方案对任何情形起作用。基于图表定义预期的导数。然后调整该导数，以在斜率不跟随理想的定义时补偿。对该预期的导数取平均值与DV不同，并且占用较宽的时间范围。

PV、DV和DC相对于彼此的缩放(scale)是重要的。

从以下结合附图做出的说明，本发明的这些及其他的目的和优点将更充分地显现，在附图中，相同的附图标记在多个视图中指示相同或相似的部分。

附图说明

图1和2示出比例带对于具有不同功率水平需求的方案如何演化。

图3示出在具有固定的导数常数的情况下能够出现的响应。

具体实施方式

为温度控制模块发明自适应控制技术，以在本领域可见到的各种设置中提供能够控制任何加热器的平台。PID控制的限制通过对温度控制采用不同的方法来克服。

在产生控制算法中，应指出的是，温度控制分为两个关键方面：达到设定点的斜率控制和到达设定点之后的稳态控制。这些方面可彼此稍微独立地处理、尤其地对于诸如Graco′s THERM-O-FLOW压板的非常慢的系统。控制算法需要解决该事实，以便成功。

积分项在控制中是成问题的，并且由于其是过去的误差的总和，所以积分项可以实际上被认为等同于权宜之计(band-aid)。带有积分项的问题在于，在温度低于设定点时，积分项通过累加太大的值而具有在控制中产生振荡的趋势，而当高于设定点时，反之亦然。这些振荡是需要调谐PID算法的原因，以平衡PID常数，以企图使振荡最小化。该平衡还是当系统改变时PID控制可以造成差的调节的原因。

积分项的目的是提供迫使温度接近设定点的手段，并且该手段明显是必需的。设计一种独特的解决方案。在不出现积分的长延迟的情况下，由于控制值随测量变化而自动地调整，所以比例带非常精细。需要的是合适地设置比例带，使得不再需要积分项。