[发明专利]两自由度控制装置

说明书

本发明涉及一种通过PI或PID（P：比例，I：积分，D：微分）运算反馈控制一个受控系统的控制器，尤其涉及一种实现两自由度（2DOF）控制的、使用仅有最少时间元件的功能块同时进行过程扰动控制特性和设定点跟随特性的最优化的两自由度控制器。

一种常规的2DOF PI控制器在U.S.P.No.4755924中已揭示，它如图1所示，具有一个设定点滤波器1，该滤波器跟随设定点值的变化，从而实行2DOF PI控制。更具体地，该设定点滤波器1接收设定点值SV、对于2DOF控制的比例增益和积分时间执行计算处理并输出一个控制设定点值SV_o，由设定点滤波器1获得的控制设定点值SV_o和来自受控系统2的控制值PV提供给偏差计算装置3并作计算（SVo-PV），由此获得偏差E。此后，偏差E提供给传递函数为KP｛1+1/（CT_I·S）｝的PI控制运算装置4（这里KP是比例增益，T_I是积分时间，S是拉普拉斯算符）。PI控制运算装置4根据传递函数执行PI控制运算并且计算出的被控变量MV提供给加法装置5。被控变量MV和扰动信号D通过装置5彼此相加，其和提供给受控系统2，以控制系统2使得设定点值SV₀＝控制值PV。

设定点滤波器1包括超前/滞后装置I₁、一阶滞后装置I₂、不完全微分装置1₃和减法装置1₄、在收到设定值SV时，由于考虑到过程时间常数，超前/滞后装置1₁具有按希望的超前或滞后时间调节补偿时间的功能。一阶滞后装置1₂在收到设定点值SV时，具有提供一阶滞后的功能。不完全微分装置在接收来自一阶滞后装置1₂的输出时，执行不完全微分。减法装置1₄从来自超前，滞后装置1₁的输出中减去来自不完全微分装置1₃的输出。

因而，根据设定点滤波器的这种设置，PV→MV之间的传递函数Cpv（S）由下式给出：

C_pv（s）＝ (-MV)/(PV) ＝K_P（1+ 1/(T_I·S) ） …（1）

另一方面，Sv→MV之间的传递函数Csv（S）由下式给出：

C_sv（S）＝ (MV)/(SV) ＝K_P（α+ 1/(T_I·S) - (β0)/(1+T₁·S) ） …（2）

式中：α是比例增益的2DOF系数（在0和1之间设定的常数），β₀是积分时间的2DOF系数（在0和1之间设定的常数）。因而，为使过程扰动控制特性最优化而由上式确定Kp和T_I之后，就可确定α和β，以使设定点随动特性最优化，于是实现2DOF控制。

图2是表示在U.S.P.No.4755924中揭示的常规的2DOF PID控制器设置的图。这个控制器具有设定点滤波器10，它跟随设定点值变化，且执行有关PID的完全2DOF PID控制。具体地，设定点滤波器10接收设定点值SV，且为实现比例增益Kp、积分时间T_I和微分时间T_D这三项的完全2DOF控制执行计算处理，由此输出控制设定点值SV_o。由设定点滤波器10获得的控制设定点值SV₀和来自受控系统2的控制值PV提供给偏差计算装置3并作计算（SV₀-PV），由此获得偏差E。偏差E经由非线性处理装置6提供给传递函数为以Kp｛1+1/（T_I·S）｝（Kp是比例增益，T_I是积分时间，S是拉普拉斯算符）表示的PI控制运算装置4。PI控制运算装置4根据传递函数执行PI控制运算且把计算出的被控变量MV提供给减法装置7。减法装置7从被控变量MV中减去根据控制值PV执行不完全微分的不完全微分装置8的输出，并且计算所得的差信号提供给加法装置5。加法装置5把来自减法装置7的输出信号和扰动信号D相加，该和信号提供给受控系统2。这样，系统2受控使得设定点值SV₀＝控制值PV。