[发明专利]自动调谐控制器及判定PID参数的方法

说明书

本发明涉及的控制器及方法，用于对根据反馈控制系统中反馈于控制目标（过程）的控制变量（pv）和设置点（sp）之间的偏差进行比例一积分一微分（以下简称PID）的运算，并可将如上得到的运算变量（m）传送至上述过程，以实现在反馈控制系统中对控制目标（过程）的最佳控制。

这种PID控制器可广泛应用于工业上。但是作为最佳控制先决条件的PID各项参数的调整则一般是以手动来实现的。对于手动调整，阶跃响应方法和临界灵敏度方法已为众所周知。但是此两种方法中，要用较长时间来进行特征检测，且在检测时要停止控制，从而在这一时刻所得到的pv值不可能为最佳值。再则在操作中这种过程的特征已经变化的情况下，就很难快速地更新最佳参数。

一种可自动调节PID控制器的装置已经推出。但这种装置太贵且太复杂而难以掌握。再之虽然也已经有了自适应型的PID控制器，但这种类型的控制器在结构上要比普通型的PID控制器更复杂，且一般要用到计算机才能实现。这就引起了加大运算周期（也即采样时间）或增加存贮容量用于编制程序。

另外，一种早为人知的系统，其中在控制器中附加有非线性元件，而这种非线性元件的配置是插入于一信号通道，从而在得到过程特征时相对于偏差进行非连续的控制操作（例如典型的两位置控制）。如果能产生“一个有限循环（a    limit    cycle）”，则从此有限循环的波形中就可容易地得到其过程特征和最佳参数。

但是在此种系统中，非线性元件的两位置值很大，且在对应该值的控制变量中波动的范围大到这种系统不能使用，除非一些不要求快速响应的热控系统或类似系统。

另一方面，作为运算基础点，其有限循环具有该过程的平衡状态点（在sp＝pv的m）。因此如果使上述两位置的值很小，在过程中产生了扰动或sp变化很大时则有时就不能形成上述的有限循环。再之，此时的pv将留停在不希望的，与sp相比很远的点上。

所以这种常规控制器作为自动调谐控制器（也即可自动决定最佳PID参数的控制器）缺乏实际用途。

根据本发明，这种控制器包括一个非线性元件;用于将该非线性元件插入比例运算部分前级且同时将积分运算部分与非线性元件和比例运算部分并联相接的开关装置，以便将控制转换到调谐方式;用于观测在调谐方式于过程中形成的有限循环的观测器;以观测器所观测到的结果为依据，用于确定在过程控制中所用到的最佳PID参数并用于将此参数传送到运算部分的调节器;还包括状态转换控制装置用于在正常操作方式下根据预定条件的建立使上述开关装置工作以进行调谐，并可在调谐方式根据PID参数的确定而恢复上述开关装置。

根据本发明的控制器及方法可在正常操作中完成正常PID控制，并对过程中产生的有限循环予以监测以获得过程特征，如其偏差超过某一预定值时，该控制器可自动转入调谐状态，其中PID的参数予以更换以完成对该过程的最佳控制，该最佳PID参数将根据上述监测结果予以确定，其后该控制器又恢复正常操作，而其中所用的为更换后的参数。另外在调谐方式该过程的反馈控制仍予维持。

理想有限循环的生成位置可经上述配置中所观测到的有限循环生成位置而予以计算，而该过程的特征和最佳PID参数则可根据理想有限循环的生成位置来得到。

图1的框图示出了本发明的一种实施方案;

图2所示为在调谐方式下所产生的“有限循环”;

图3示出了该“有限循环”的各生成点;

图4的框图示出了由微型计算机构成的控制器的典型实例：

图5和6的流程图示出了在一个中央处理机（CPU）中处理程序的实例。

其中1为过程，10为控制器，11为比例运算部分，12为积分运算部分，13为微分运算部分，14为输出部分，15为输入部分，16为观测器，17为状态转换控制装置，18为非线性元件，19为调节器，SW1-SW3为开关。

图1的框图示出了本发明的一种实施例。此图中，在本实施例中的自动调谐控制器10包括三个开关SW1，SW2和SW3。这些开关相互连接，可在正常操作方式〔其中每一开关转至A（自动）侧〕和调谐方式〔其中各开关接至T（调谐）侧〕之间同时予以转换。

该控制器10具有比例运算部分11，积分运算部分12，微分运算部分13，输出部分14（用于将通过这些运算部分的输出相加所得到的运算可变量m输送至过程1），还具有输入部分15（用于将反馈自过程中的受控变量pv和设置点sp之间的偏差输入至各运算部分）。在正常操作方式，控制器10输出由等式1所表示的运算变量m

m＝m₁+m₂+m₃