[发明专利]两自由度控制器

说明书

本发明涉及一种两自由度控制器，这种控制器能完成过程扰动的最佳控制，并能最佳控制跟踪目标过程值或设定点值。

PID控制器已应用于工业的各个领域。近年来，数字式PID控制器的应用不断增加而替代模拟PID控制器，并且现在在控制工厂中已成为不可少的一员。数字式PID控制器执行如下的基本操作：

MV（S）＝K_p｛1+1/（T_IS）+（T_DS）/（1+ηT_DS）｝E（S） …（1）

这里MV（S）是一个操纵变量，E（S）是一偏差（量），Kp是比例增益，T_I是积分时间，T_D是微分时间（derivative time），S是拉普拉斯算符，η是系数，和1/η是微分增益。等式（1）确定了一个偏差（量）的PID控制。这种控制一般称作“偏差PID控制”。

但是，在偏差PID控制中，设定点SV的变化在许多情况下是阶跃式变化（Stepwise）。由于设定点值SV的阶跃变化，PID控制器往往执行一过量D（微分）操作，因此操纵变量MV变化很大，结果，PID控制器给所控制的系统一个冲击。或者，PID控制器的设定点跟踪特性具有过冲，因此，控制器不可避免地执行一种振动操作。

近年来，一种新型的PID控制器对PV执行D操作，而不是对偏差（量）进行D操作。这种PID控制器已投入实际使用。这种PID控制器执行下面的操作：

MV（S）＝K_p[｛1+1/（T_IS）｝E（S）

-｛（T_DS）/（1+ηT_DS）｝PV（S）] …（2）

这里PV（S）是来自受控系统的控制值。

等式（1）和（2），每一个都确定了一个自由度的PID控制操作。仅有一组PID参数能被设定。在实际的控制系统中，最好的控制过程扰动的最佳PID参数和最好的跟踪设定点的最佳PID参数具有不同的值。

1963年，伊塞斯I·赫罗瓦兹（Issac    I.Horowitz）公开了一种两自由度PID（2DOF    PID）的算法，其中能独立地设定两组参数，这种算法不但使PID控制器能有效地控制过程扰动，而且能精确地跟踪设定点的值。此后，这种算法被用于许多PID控制器中，这些控制器在实际使用中对工厂进行着高水平的控制。在这种2DOF    PID算法中，首先设置控制过程扰动的最佳PID参数。当设定点值改变时，则PID参数按照为新设定点值选定的设定点滤波器的系数自动地变化。

图1是常规的2DOF    PID控制器的方框图。该控制器包含设定点滤波器装置H（S）和PID控制器（PV微分）。如图1所示，设定点滤波器装置H（S）连到PID控制器的输入端，该滤波器装置H（S）包含：超前/滞后装置1;一阶滞后装置2;不完全微分装置3;减法器装置4;不完全积分装置5;加法器装置6。该超前/滞后装置1把一超前或滞后量加给设定点值SV。该一阶滞后装置2把第一滞后（延迟）加给设定点值SV。该不完全微分装置3对微分增益设置一个上限值，且也延迟微分操作。该减法器装置4从不完全微分装置3的输出中减掉一阶滞后装置2的输出。该不完全积分装置5对减法器装置4的输出进行延迟。该加法器装置6将超前/滞后装置1的输出和不完全微分装置5的输出相加。加法器装置6的输出SV或设定点滤波器装置H（S）的输出SV作为一个设定点加到PID控制器上。

PV微分型（对PV进行微分的）的PID控制器包含：偏差计算装置7;非线性装置8;PI控制操作装置9;减法器装置10和不完全微分装置11。该偏差计算装置7接收加法器装置6的输出SV_O及受控系统12所提供的控制值PV，根据输出SV_O和控制值PV计算出一个偏差（量）E。然后所获得的偏差E输入到非线性装置8。该非线性装置8对偏差E执行非线性操作，这种操作包括：死区非线性操作，偏差平方操作，和增益变化操作，然后产生一个输出。装置8的输出输入到PI控制操作装置9。该操作装置9对非线性装置8的输出执行PI控制操作，所述PI控制操作由等式（2）的右边第一项确定，由此产生一个PI控制值。该PI控制值加到减法器装置10。