[发明专利]过程控制装置

说明书

本发明涉及以成套设备仪表控制系统为代表的各种控制系统所使用的进行PI或者PID(pro-portinalintegralderivative：比例积分微分)调节运算的过程控制装置，特别是关于在反馈线路中插入取决于PI或PID调节运算积分时间的滤波元件，同时改善干扰抑制特性和设定值跟踪特性这双方特性的过程控制装置。

有控制历史以来，所有的产业领域都广泛利用PI或者PID调节运算，现今已是没有PI或者PID控制装置，就不能组成各产业领域的控制系统。

在上述那样多用途的PI或PID控制装置中，是根据设定值(setpoinvalue)同控制对象处来的控制量(processvalue)的偏差(deviation)进行PI或者PID调节运算，以下为这些PI和PID调节运算的基本公式。

MV(s)=C(s)·E(s)

=K_P〔1+(1/T_I·s)〕·E(s)           (1)

MV(s)=C(s)·E(s)

=K_P{1+(1/T_I·s)+

〔T_D·s/(1+η·T_D·s)〕}·E(s)     (2)式中，

MV(s)为控制对象提供的操作量(manipulationvalue)

E(s)为偏差

C(s)为进行调节运算，求得操作信号的调节部分的传递函数

K_P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

以往的过程控制装置中，当用基本运算式(1)或者(2)构成控制回路，则为图1所示。将设定值SV(s)供给偏差运算电路，求出同来自控制对象1的控制量PV₁(s)的偏差E(s)〔=SV(s)-PV₁(s)〕。将偏差E(s)供给执行上述(1)式或者(2)式的调节运算电路3。用加法器4将来自调节运算电路的操作量MV(s)加上干扰D(s)后供给控制对象1。

图1所示的控制装置的控制量PV₁(s)可用下式表示。

PV₁(s)=〔C(s)·P(s)/(1+C(s)·P(s))〕×SV(s)

+〔P(s)/(1+C(s)·P(s))〕×D(s)    (3)式中，

C(s)为调节运算电路3的传递函数〔参见(1)式或者(2)式)。

P(s)为控制对象1的传递函数。

(3)式也称控制系统的响应式。(3)式的右边第1项是关系设定值跟踪特性，第2项关系干扰抑制特性，分别存在最佳控制参数(比例增益K_P积分时间T_I、微分时间T_D)。不过，因控制参数共同关及两项，不能设定同时满足两特性的最佳值，例如当把控制参数调整成干扰抑制特性为最佳时，会在设定值跟踪特性上产生过冲，设定值跟踪特性成为振动特性。反之，当要设置设定值跟踪特性为最佳时，则干扰抑制特性恶化，两者为矛盾对立关系。因此，称这样的控制装置为1自由度(onedegreeoffreedom)控制装置。

为解决这种不尽人意的情况，曾开发出一种能独立调整设定值跟踪特性和干扰抑制特性的2自由度(twodegreesoffreedom)的控制装置。图2表示的控制装置是在图1的控制装置中，于偏差运算电路2的前面添加操作设定值SV(s)的传递函数H(s)的设定值滤波器。其它结构与图1相同。图2所示的控制回路的控制量PV2(s)可以下式表示。

PV₂(s)=〔H(s)·C(s)·P(s)/(1+C(s)·P(s)〕×SV(s)

+〔P(s)/(1+C(s)·P(s))〕×D(s)                  (4)

(4)式与(3)式之间的不同点只是在(4)式第1项的分子上乘以设定值滤波器5的传递函数H(s)。因此，作为控制装置的控制参数来说，预先把第2项有关干扰的成分，即干扰抑制特性设定成最佳值，就能通过设置设定值滤波器5的参数，自动变更只相对设定值变更的控制常数，毫不影响第2项干扰抑制特性地仅提高设定值跟踪特性。至于设定值5的传递函数H(s)，因是补偿设定值的变化和过渡特性，所以有必要设定稳态增益=1、过度增益＜1。