专利名称：两自由度控制器的制作方法
技术领域：
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(etpoint)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)＝Kp｛1+1/(TIs)+(TDs)/(1+ηTDs)｝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，TI是积分时间，TD是微商时间(devivative tims)，S是拉普拉斯算符，η是系数，和1/η是微商增益。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(微商)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)＝Kp[｛1+1/(TIs)｝E(s)-｛(TDs)/(1+ηTDs)｝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(filter)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微商)。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，该过滤器装置H(S)包含导前/滞后装置1;第一滞后装置2;不完全微商置3;减法器装置4;不完全积分装置5;加法器装置6。该导前/滞后装置1把一导前或滞后量加给设定点值SV。该第一滞后装置2把第一滞后(延迟)加给设定点值SV。该不完全微商装置3对微商增益设置一个上限值，且也延迟微商操作。该减法器装置4从不完全微商装置3的输出中减掉第一滞后装置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将导前/滞后装置1的输出和不完全微商装置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微商型(对PV进行微商的)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和不完全微商装置11。该偏差计算装置7接收加法器装置6的输出SV0及受控系统12所提供的控制值PV，根据输出SV0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，这种操作包括静区非线性操作，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。
其间，控制值PV从受控系统12加到不完全微商装置11。该不完全微商装置11对控制值PV进行一个不完全的微商操作，所述的不完全的微商操作由等式(2)的右边第二项确定，由此产生一个不完全的微商值。该不完全的微商值输入到减法器装置10。该减法器装置10从PI控制值中减掉不完全微商值，由此获得一个操纵变量MV。
该操纵变量MV加到加法器13，过程扰动信号D也加到该加法器13。加法器13将变量MV和信号D相加。变量MV和信号D的“和”输入到受控系统12，由此系统12被控制，使控制值PV变得与设定点值SV0相等，即SV0＝PV。
因此，控制过程扰动的算法CD(S)由下式表示CD(s)＝Kp｛1+1/(TIs)+(TDs)/(1+ηTDs)｝…(3)另一方面，控制设定点值的算法CSV(S)由(4)式表示CSV(s)＝Kp[α+｛1/(TIs)-βO/(1+TI·s)｝+(γOTDs)/(1+ηTDs)]…(4)首先，参数KP、TI和TD置于能使2DOF PID控制器有最佳过程扰动控制特性的值，然后，决定2DOF系数α、βO、和γO使2DOF PID控制器具有最好的设定点跟踪特性。一旦2DOFPID控制器具有最佳过程扰动控制特性和最佳调整点跟踪特性，则参数KP、TI和TD就能按照系数α、βO和γO而变化，从而跟上控制值PV的变化。结果是，控制器能执行两自由度的PIP控制。
如上所述的两自由度PIP控制在许多方面具有优越性，但是还存在如下几方面的缺点。
1.从等式(4)可以明显地看出，2DOF系数α、βO和γO互不相关，而它们本来是应该互有联系的。因此当系数α变化时，系数βO和γO必须独立地变化。这样为调节系数βO和γO要花费很多时间。
2.如前所述，设定点滤波器装置H(S)和PID控制器(PV微商型)具有第一滞后装置和不完全微商装置，在大多数情况下为了控制一个工厂，就要进行几十至几千个2DOF PID控制。因此，一个工厂控制系统需要有大量的第一滞后装置和大量的不完全微商置。系统负载很大，使得系统难以高速运行，并且系统不可避免地要做得很大。
3.为了控制一个工厂，偏差(量)在许多情况下要进行非线性操作。这种非线性操作不是能轻易、精确或随便获得的。
这就是说，为了控制一个工厂，在许多情况下要对偏差进行非线性操作，这是因为由于受控系统12的特性，工厂不能仅按照偏差量E来控制。这是为什么非线性装置8连接到PI控制操作装置9的输入端以完成对偏差量E的非线性操作的原因，非线性操作包括静区非线性操作、偏差量平方操作、增益变化操作和间隔(gap)操作等。因为不完全微商装置11旁路到PI控制操作装置9的输出端，所以不完全微商装置11的输出不经过非线性操作。因此，非线性操作的结果是不精确的，不可避免地减少了两自由度PID控制的可靠性。
本发明的第一个目的在于提供一种当比例增益的2DOF系数α变化时，能自动改变微商项增益的两自由度控制器。
本发明的第二个目的在于提供一种使用少量时间元件且体积小、负载轻并能高速操作的两自由度控制器。
本发明的第三个目的在于提供一种能简易、精确、自由地进行包括微商操作的非线性操作，从而可以高效地控制系统的两自由度的控制器。
为完成上述发明目的，按照本发明提供了一种两自由度控制器，该控制器包含设定点滤波器装置，用于按照设定点值和受控系统的控制值对过程扰动信号进行微商操作，由此输出一个设定点信号;
PI控制操作装置，用于确定设定点信号和所述的控制值之间的偏差量并对该偏差量进行PI控制操作，由此输出一操纵信号;和加法器装置，用于将过程扰动信号加到由PI控制操作装置输出的操纵信号，从而获得一个“和”信号并且将该“和”信号加给受控系统。
PI控制操作装置可包含用于对偏差量进行非线性操作的非线性装置。
因此，设定点滤波器装置和PI控制操作装置相结合，很容易地实现两自由度PID控制。
设定点滤波器装置连接到PI控制操作装置的输入端，并且按照设定点值和控制值对过程扰动信号进行微商操作，PI控制操作装置能精确、自由地进行非线性操作，从而完成两自由度的PID控制。
本发明的一较佳实施例中，设定点滤波器装置包括增益系数乘法装置，它用于将设定点值乘以比例增益的两自由度系数，由此输出第一乘积;
第一减法器装置，它用于从设定点值中减掉第一乘积，由此输出第一差值;
第一个第一滞后装置，它具有积分时间的两自由度系数，用于对第一差值进行第一滞后操作，由此输出第一滞后操作的第一结果;
微商时间系数乘法装置，它用于对第一乘积乘以一微商时间的两自由度系数，由此输出第二乘积;
第二减法器装置，它用于从第二乘积中减掉控制值，由此输出第二差值;
不完全微商装置，它用于接收第二差值并对该第二差值进行不完全微商操作，由此输出一不完全微商操作结果;
第三减法器装置，它用于从第一滞后操作的第一结果中减去不完全微商操作的结果，由此输出第三差值;
第二个第一滞后装置，它用于对第三差值进行第一滞后操作，由此输出第一滞后操作的第二结果;
第一加法器装置，它用于将第一滞后操作的第二结果加到不完全微商操作的结果上，由此输出第一“和”;和第二加法器装置，它用于将第一“和”加到第一乘积上，由此得到第二“和”，并且将该第二“和”作为设定点信号加到PI控制操作装置上。
在本发明的另一个较佳实施例中，设定点滤波器装置包含增益系数乘法装置，它用于将设定点值乘以比例增益的两自由度系数，由此输出第一乘积;
第一减法器装置，它用于从设定点值中减去第一乘积，由此输出第一差值;
第一个第一滞后装置，它具有积分时间的两自由度系数，用于对第一差值进行第一滞后操作，由此输出第一滞后操作的第一结果;
微商时间系数乘法装置，它用于对设定点值乘以一微商时间的两自由度系数，由此输出第二积乘;
第二减法器装置，它用于从第二乘积中减去控制值，由此输出第二差值;
不完全的微商装置，它用于接收第二差值并对该第二差值进行不完全微商操作，由此输出不完全微商操作的结果;
第三减法器装置，它用来从第一滞后操作的第一结果中减去不完全微商操作的结果，由此输出第三差值;
第二个第一滞后装置，它用于对第三差值进行第一滞后操作，由此输出第一滞后操作的第二结果;
第一加法器装置，它用于将第一滞后操作的第二结果加到不完全微商操作的结果上，由此输出第一“和”;和第二加法器装置，它用于把第一“和”加到第一乘积上，由此得到第二“和”，并且将该第二“和”作为设定点信号加到PI控制操作装置上。
或者，用以对比例增益和微商时间实现两自由度控制的设定点滤波器装置可以包含增益系数乘法装置，它用于将设定点值乘以比例增益的两自由度系数，由此输出第一乘积;
第一减法器装置，它用于从设定点值中减去第一乘积，由此输出第一差值;
微商时间系数乘法装置，它用于将第一乘积乘以微商时间的两自由度系数，由此输出第二乘积;
第二减法器装置，它用于从第二乘积中减去控制值，由此输出第二差值;
不完全微商装置，它用于接收第二差值并对该第二差值进行不完全微商操作，由此输出不完全微商操作的结果;
第三减法器装置，它用于从第一差值减去不完全微商操作的结果，由此输出第三差值;
第一滞后装置，它用来对第三差值进行第一滞后操作，由此输出第一滞后操作的结果;
第一加法器装置，它用来将第一滞后操作的结果加到不完全微商操作的结果上，由此输出第一“和”;和第二加法装置，它用于将第一“和”加到第一乘积上，由此得到第二“和”，并且该装置用来把第二“和”作为设定点信号加到PI控制操作装置上。
按照本发明所提供的两自由度控制器，它包含接收一控制值的微商项的设定点滤波器装置，和一PI控制操作装置。该PI控制操作装置包含偏差量计算装置;PI控制装置;和连接在偏差量计算装置和PI控制装置之间的非线性装置，它用来完成对微商项的非线性操作。
为了完成上述目的，按照本发明所提供的两自由度控制器包含设定点滤波器装置，它用于接收设定点值并产生设定点信号，该装置包含系数乘法装置，它用于将设定点值乘以比例增益的两自由度系数，由此输出一个乘积;
第一迟后装置，它至少具有一积分时间的两自由度系数，并且被设计成从设定点值中减去该乘积，由此产生一个差值;和加法装置，它用于把上述乘积加到该差值上，由此输出设定点信号;
PI控制操作装置，它用于确定设定点信号和受控系统提供的控制值之间的偏差量，并对该偏差量进行PI控制操作，由此输出一操纵信号;和加法器装置，它用于将过程扰动信号加到由PI控制操作装置输出的操纵信号上，然后得到一个“和”信号，并且将该“和”信加到受控系统上。
为完成上述目的，按照本发明所提供的另一个两自由度控制器包含设定点滤波器装置，它用于接收设定点值并产生一个设定点信号，该装置包含系数乘法装置，它用于将设定点值乘以比例增益的两自由度系数，由此输出一个乘积;
第一个第一滞后装置，它用于从设定点值中减去该乘积，由此产生一个差值;
第二个第一滞后装置，它至少具有一积分时间的两自由度系数，并且它被用来延迟设定点值并输出延迟了的设定点值;和加法装置，它用来把上述乘积加到由第二个第一滞后装置输出的延迟后的设定点值上，由此输出设定点信号;
PI控制操作装置，它用来确定设定点信号和受控系统的控制值之间的偏差量，并且对该偏差量进行PI控制操作，由此输出一个操纵信号;和加法器装置，它用于将过程扰动信号加到由PI控制操作装置输出的操纵信号上，由此得到一个“和”信号，并且把“和”信号加到受控系统上。
按照上述可以理解，为了把两自由度加给用于传统控制器中的设定点滤波器的比例增益，一导前/迟后装置分解成两部分，第一部分是正比于输入的静态补偿部分、而第二部分是变化的动态补偿部分，相对于输入延迟。一第一滞后装置与动态补偿部分相串联，因此，两个第一迟后装置用于完成2DOF PI控制。此外两自由度也赋予积分时间，这样，当比例增益的两自由度系数变化时，使积分时间的自由度值以适当的方向变化。
因此，维持过程扰动的最佳控制所需的比例增益系数不变，设定点值的比例增益能通过改变系数乘法装置的比例增益的两自由度系来改变。另外，维持过程扰动信号的积分时间不变，只要改变第一滞后装置的积分时间的两自由度系数就可以相应地改变设定点值的积分时间。从而实现一个完全的两自由度PI控制。通过改变比例增益的两自由度系数、积分时间能以适当的方向改变。此外，只要使用两个第一滞后装置就能实现完全的两自由度PI控制。
按照本发明提供的另外一个两自由度控制器包含增益系数乘法装置，它用于将设定点值乘以比例增益的两自由度系数，由此输出第一乘积;
微商时间系数乘法装置，它用于将设定点值乘以微商时间的两自由度系数，由此输出第二乘积;
第一个第一滞后装置，它用于对设定点值进行第一延迟操作，由此输出第一滞后操作的第一结果;
积分时间系数乘法装置，它用于将第一滞后操作的结果乘以积分时间的两自由度系数，由此输出第三乘积;
不完全微商装置，它用于对第二乘积和受控系统所提供的控制值进行不完全微商操作，由此输出不完全微商操作的结果;
第二个第一滞后装置，它用于对第一乘积、第三乘积和不完全微商操作的结果进行第一滞后操作，由此输出第一滞后操作的第二结果;
第一加法器装置，它用于将第一滞后操作的第一和第二结果相加，由此输出设定点信号;
PI控制操作装置，它用于确定设定点信号和控制值之间的偏差量，并对该偏差量进行PI控制操作，由此输出一操纵信号;和第二加法器装置，它用于把过程扰动信号与操纵信号相加，从而得到“和”信号，并把该“和”信号加到受控系统。
这种两自由度控制器能把完全的两自由度加给比例增益、微商时间和积分时间。
本发明的其它目的和优点将在下面的说明书中阐述，其中一部分目的和优点通过说明将显而易见，或者通过对本发明的实践而得以理解。利用所附权利要求书中特别指出的手段及其组结合，可实现并获得本发明的这些目的和优点。
附图构成本说明书的一部分，它们示出了本发明目前的较佳实施例。附图与上面所给出的描述和下面行将给出的较佳实施例的细节的说明一起，用来阐述本发明的原理。
图1是表示传统的两自由度PID控制器的方框图;
图2表示按照本发明的第一实施例的PID控制器的方框图;
图3A和3B是解释导前/滞后装置是怎样等效变换的图;
图4A和4B是解释不完全积分装置是怎样等效变换的图;
图5一方面是2DOF系数α和β之间的关系曲线，另一方面表示了由图2所示的PID控制器所控制的系统的特性;
图6是表明按照本发明的第二个实施例的PID控制器的方框图;
图7是本发明第三实施例的PI控制器的方框图;
图8是解释设定点滤波器是怎样响应设定点值的阶跃变化的曲线图;
图9是解释当图7中所示的PI控制器的过程扰动控制特性被调谐时，该控制器所具有的设定点跟踪特性的曲线图;
图10是本发明的第四实施例的PI控制器中所用的设定点滤波器的方框图;
图11是本发明第五实施例的PI控制器中所用的设定点滤波器装置的方框图;
图12是本发明第六实施例的PI控制器中所用的设定点滤波器装置的方框图;
图13是本发明第七实施例的PID控制器的方框图;
图14A和14B是解释不完全微商装置是怎样等效变换的图;
图15是本发明第八实施例的PID控制器的方框图;
图16是本发明第九实施例的PID控制器的方框图;
图17是图16所示的PID控制器中所用的设定点滤波器装置的设想结构的方框图;
图18是图16的PID控制器中所用的设定点滤波器装置的实际结构的方框图;
图19是一种仅由第一滞后装置构成的、能用于图16的PID控制器中的设定点滤波器装置的方框图。
下面参照图2、3、3A、3B、4A和4B描述本发明第一实施的2DOF PID控制器。
如图2所示，2DOF PID控制器包含一设定点滤波器装置20、一PI算法执行部分22和加法器装置24。加法器24连接到由2DOF PID控制器所控制的系统26。
设定点滤波器20用来接收设定点值SV并对该值SV进行操作，由此将两自由度加给比例增益KP、积分时间TI和微商时间TD。PI-算法执行部分22包含偏差量计算装置28，非线性装置30，和PI控制装置32。偏差量计算装置28接收设定点滤波器装置20的输出SV0，及由受控系统26来的控制值PV，并从输出SV0减去控制值PV，由此获得偏差量E;装置28进行减法SV0-PV＝E。如果必需的话，非线性装置30对偏差量E执行非线性操作，从而产生一个输出。PI控制装置32对非线性装置30的输出进行PI控制操作，由此产生操纵变量MV。
加法器装置24用来把过程扰动信号D加到由PI-算法执行部分22所产生的操纵变量MV上，并把该“和”值送给受控系统26。结果系统26受控而SV＝SV0＝PV。
如图2所示，设定点过滤装置20包含增益系数乘法装置34，连接到该乘法装置34的输出端的第一加法器装置36，也连接到该乘法装置34的输出端的第一减法器装置38，第二减法器装置40，耦连到第二减法器装置40的输出端的第一个第一滞后装置42，连接到装置42的输出端的第二加法器装置44，与乘法装置34相连接的时间系数乘法装置46，耦连到乘法装置46的输出端的第三减法器装置48，耦连到第三减法器装置48的输出端的不完全微商装置50，和连接在第一减法器装置38和第二减法器装置40之间的第二个第一滞后装置52。
如已描述的那样，设定点滤波器装置20将两自由度赋予比例增益、积分时间和微商时间。为了将两自由度加给这些项，不完全微商装置11(图1)的微商项一它旁路到PI控制操作装置9的输出端一加到设定点滤波器装置20。此外，通过共同使用控制值的积分、设定点值的积分和微商、设定点值的比例增益和积分时间的第一滞后，所需要的装置比传统的2DOF PID控制器(图1)中的要少。
下面首先解释装置20怎样把两自由度施加给比例增益。增益系数乘法器34将设定点值SV乘以比例增益的2DOF系数α。乘法器34的输出、即SV和α的乘积加到第一加法器装置36和第一减法器装置38。第一减法器装置38从设定点值SV中减去输出α·SV。第一减法器装置38的输出、即SV和α·SV之间的差，通过第二个第一滞后装置52、第二减法器装置40、第一个第一滞后装置42和第二加法器装置44输入到第一加法器装置36。第一加法器装置36将第二加法器装置44的输出加到增益系数乘法装置34的输出上，从而将两自由度施加给比例增益。
现在来解释装置20是怎样把两自由度施加给微商时间的。增益系数乘法装置34的输出输入给时间系数乘法装置46，在该装置46中微商间的2DOF系数γ被设置。时间系数乘法装置46将装置34的输出乘以系数γ，得到乘积αγSV。该乘积输入到第三减法器装置48。第三减法器48从乘积αγSV中减去系统26的控制值PV，从而得到差值αγSV-PV。该差值通过不完全微商装置50加到第二加法器40和第二加法器装置44。第二减法器装置40的输出经第一个第一滞后装置42加到第二加法器装置44，而第三减法器装置48的输出经不完全微商装置50加到第二加法器44。第二加法器装置44将第一个第一滞后装置42的输出与不完全微商装置50的输出相加，从而获得和数。该和数输入到和一加法器装置36，增益系数乘法装置34的输出、即αSV也加到该装置36。因此，第一加法器装置36输出增益系数乘法装置34的输出和第二加法器装置44的输出的和数。作为上述的结果，两自由度被施加给微商时间。
现在来解释怎样把两自由度施加给积分时间。第一减法器装置38的输出即SV-αSV加给包含积分时间的2DOF系数β的第二个第一滞后装置52。装置52的输出，通过第二减法装置40、第一个第一滞后装置42和第二加法器装置44，输入到第一加法器装置36。第一加法器装置36将乘法装置34和第二加法器装置44的输出相加，产生一个输出SV0，它作为设定点滤波器装置20的输出。
现在来解释为什么要使用如上所述的设定点滤波器装置20，请参看图3A、3B、4A、4B和5。
传统的2DOF PID控制器(图1)中所使用的并概略地表示在图3A中的导前/滞后装置1可等效地变换成图3B中所示的那样。就是说，装置1可以表示为(1+αTIS)/(1+TIS)，它能转换为(1+αTIs)/(1+TIs)＝(α+αTIs+1-α)/(1+TIs)＝α+(1-α)/(1+TIs)…(5)
因此，等式(5)可用图3B中所示功能框图来表示。
传统的PID控制器(图1)中所使用的并概略地表示在图4A中的不完全积分装置5可等效地变换为图4B中所示的那样。就是说，装置5能表示为(TIS)/(1+TIS)，它能转换为TIs/(1+TIs)＝(1+TIs-1)/(1+TIs)＝1-1/(1+TIs)…(6)因此，等式(6)可用图4B中所示功能框图来表示。
从图3B和4B及图2清楚可见，第一个第一滞后装置42既能用作导前/迟后装置1也能用作不完全积分装置5。换言之，使用图3B和4B的功能框和一些新的技术概含设计出了图2中所示的设定点滤波器装置20。
控制过程扰动的算法CD(S)由下式给出CD(s)＝MV/PV＝Kp[1+1/(TIs)+TDs/(1+ηTDs)]…(7)另一方面，控制设定点值的算法CSV(S)用下式表示CSV(s)＝MV/SV＝Kp｛α+[1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)]+αγTDs/(1+ηTDs)｝…(8)从式(7)和式(8)可清楚地看出，当比例增益的2DOF系数α改变时，保持控制过程扰动的算法的比例增益KP不变，可以改变控制设定点值的算法中的比例增益KPα。同样，当积分时间的2DOF系数β改变时，保持控制过程扰动的算法的积分时间不变，可以改变控制设定点值的算法中的积分时间。同样，当微商时间的2DOF系数γ变化时，保持控制过程扰动的算法中的微商时间不变，可以改变控制设定点值的算法中的微商时间。简言之，能构成完全的2DOF PID控制。
因此，图2中的2DOF PID控制器仅需要3个时间装置，而图1中的2DOF传统的PID控制器需要5个时间装置。因此，图2的PID控制器的负载和费用与图1中所示的传统PID控制器的相比减少了，而且图2的PID控制器与图1中所示的传统PID控制器相比较，前者体积下降下，操作速度更快了。图2中所示的控制器还能对系统26进行完全的2DOF PID控制。
图2中所示的2DOF PID控制器、其比例增益的2DOF系数α、积分时间的2DOF系数β和微商时间的2DOF系数γ能相互独立设置。这样就很容易设置这些系数。
而且，用图2中所示的2DOF PID控制器很容易调节2DOF系数β和γ。这是因为当2DOF系数α改变时，这些2DOF系数自动得到调节，这一点从式(8)是很容易理解的。
再者，图2中所示的2DOF PID控制器能容易而精确地进行非线性操作。这是因为该2DOF PID控制器不需要相应于不完全微商装置11(图1)的部分，该装置11被旁路到PI控制操作装置9(图1)的输出，并且还因为控制值的微商项包括在设定点滤波器装置20之内。
图5表示2DOF系数α和β的最佳值是如何随着由图2的2DOF PID控制器所控制的系统26的特性而变化。系统26的特性定义为L/T，其中L是系统26的空载时间(idling time)，而T是系统26的时常数。从图5可以看出，图2的PID控制器在实际应用中，2DOF系数α和β都只能是设定值的一半。在实际应用中，2DOF系数α、β和γ的值最好是α＝0，β＝4，γ＝1.25
本发明第一实施例的PID控制器能提高工厂控制PID系统的基础，从产生一个自由度提高到产生两个自由度，由此对工业中的各个领域作出贡献。
请参看图6，下面描述本发明第二实施例的2DOF PID控制器的设定点滤波器装置20。
在第一实施例(图2)中，增益系数乘法装置34的输出用微商时间的2DOF系数
来相乘。在图6中所示的第二实施例中，设定点值SV输入到已经设置2DOF系数γo的时间系数乘法装置56中。除了这一点外，图6中所示设定点滤波器装置20与图2中所示的相同，并且与图2中所示的相同部分在图6中使用同样的编号，这里不再对它作详细的描述。
在2DOF PID控制器中使用的、用以控制过程扰动的算法C(S)与第一实施例(图2)中所使用的相同，该算法由等式(7)确定。另一方面，在2DOF PID控制器中使用的、用以控制设定点值的算法CSV(S)由下式给出CSV(s)＝MV/SV＝Kp｛α+[1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)]+γOTDs/(1+ηTDs)｝…(9)在本实施例中，当2DOF系数α改变时，微商项的增益不会自动变化，这一点与第一实施例是不同的。
参看图7。图中是本发明2DOF PI控制器的第三实施例。除了本实施例的设定点滤波器装置120根本设有微商项之外，其余与图2中所示的2DOF PID控制器是相同的。因此，与图2中所示的相同部分在图7中都用相同的编号，不再对它作详细的描述。
如图7所示，设定点滤波器120包含对设定点值SV乘以比例增益的2DOF系数的2DOF系数乘法装置34，从设定点值SV中减去装置34输出的减法器装置38，串联连接、赋予减法器装置38的输出以适当的第一滞后的两个第一滞后装置52和42。和将2DOF系数乘法装置34的输出与第一滞后装置42的输出相加的加法器装置36。加法器装置36的输出作为设定点值SV0输入到PI控制装置32。
设定点滤波器装置120接收设定点值SV并按照该设定点值对比例增益和积分时间进行两自由度操作，由此产生一自由度(1DOF)控制所需要的设定点值SV0。设定点值SV0输入到偏差量计算装置28，来自受控系统26的一控制值PV也输入到装置28。装置28从设定点值SV0中减去该控制值PV，而得到偏差量E。该偏差量E加到PI控制装置32。PI控制装置32对偏差量E进行PI控制操作，从而产生操纵变量MV。所获得的操纵变量MV输入到加法器装置24，过程扰动信号D也加到装置24。加法器装置24将变量MV和信号D相加，由此产生一个“和”信号。该“和”信号加到系统26。结果使系统26受控SV＝SV0＝PV。
下面参照图8和图9，对图7中的2DOF PI控制器的操作进行解释。
当设定点值SV如图8中所示的a1线作阶跃变化时，图3B中所示的等效电路，由于由等式(5)确定的传递函数而产生输出SV，如线b1所示。线b1表示的输出特性首先正比于系数α变化，项(1-α)继续按照1/(1+TIS)变化。因此，当由线b1所确定的响应特性有一个大的过冲时，如果第一滞后装置62加到项(1-α)，则输出特性将按线c1所示变化。由线c1表示的这一输出特性比由线b1确定的响应特性有一个较小的超调。
现在来解释设定点滤波器装置120和PI控制装置32是怎样配合以构成完全的2DOF PI控制的。
从图7可看到，控制过程扰动的算法CD(S)为CD(s)＝MV/PV＝C(s)＝Kp(1+1/(TIs))…(10)
从图7还可看到，控制设定点值的算法CSV(S)为CSV(s)＝F(s)C(s)＝｛α+(1-α)/[(1+βTIs)(1+TIs)]｝×Kp｛1+1/(TIs)｝＝Kp｛α[1+1/(TIs)]+(1-α)/[(TIs)(1+βTIs)]｝＝Kp｛α[1+1/(TIs)]+(1-α)×[1/(TIs)-β/(1+βTIs)]｝＝Kp｛α+[1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)]｝…(11)从等式(10)和(11)显而易见，保持过程扰动的比例增益KP不变，设定点值的比例增益αKP能通过改变2DOF系数α而改变。一旦KP和TI已设置在这样的值上，2DOF PI控制器(图7)就有一最佳过程扰动控制特性。而且，保持过程扰动的积分时间TI不变，设定点值的积分时间βTI能通过改变2DOF系数β而改变，一旦KP和TI已设置在这样的值上，2DOF PI控制器(图7)就有最佳过程扰动控制特性。这样，图7中的2DOF PI控制器就能进行完全的2DOF PI控制。
因此，设定点值的积分项ISV(S)由下式给出ISV＝1/(TIs)-(1-α)β/(1+βTIs)…(12)从等式(12)，可得到(a)当β＝0时，ISV(S)＝1/(TIS)(积分时间不变)(b)当β＞0时，ISV(S)＜1/(TIS)(积分时间加长)(c)当β＜0时，ISV(S)＞1/(TIS)(积分时间缩短)很显然，保持积分时间TI不变，只要改变积分时间TI的2DOF系数β就可以相应改变过程扰动的积分时间βTI。
因此，如果系统26的传递函数G(S)设置在e-2S/1+5S且设定点值(setpoint value)SV通过调节PI参数而阶跃改变以获得最佳过程扰动控制，则示于图7的2DOF PI控制器将具有示于图9的响应特性。示于图9的曲线a2表示如果α＝1且β＝0，即，如果没有设定点滤波器装置(setpoint filter means)120因而获得的是一个自由度的PI控制时，2DOF PI控制器将会呈现的响应特性。从曲线a2可以清楚地看出，这个响应特性具有较大的过冲。
示于图9的曲线b2表示如果α＝0.4且β＝0，即，如果仅对P获得两个自由度的控制，2DOF PI控制器将会呈现的响应特性。由曲线b2所表示的响应特性也具有过冲，只不过没有曲线a2那样大。
曲线c2表示当α＝0.4且β＝0.35，即，当对P和I两者均获得两个自由度的控制时，2DOF PI控制器所呈现的响应特性。从曲线c2可以清楚地看出，这个响应特性只有很小的过冲。
又，示于图9的曲线d2表示如果α＝0且β＝0，即，如果对P和I两者均获得一个自由度的控制时，2DOF PI控制器将会呈现的响应特性。显然，这个响应特性是不够的，2DOF PI控制器对设定点值SV的变化响应太慢。从图9能够理解，图7中说明的2DOF PI控制器对P和I均能完成最佳的两自由度控制。
从方程式(11)也可以看出，当比例增益(proportional gain)的2DOF系数α变化时，积分时间(integral time)在适当的方向作相应改变。更精确地说，系数α越大，积分时间越短，而系数α越小，积分时间越长。换句话说，积分时间以与2DOF PI控制器的响应速度不同的方向变化。当系数α固定时，仅通过改变系数β就能改变积分时间。
从图7显而易见，设定点滤波器装置120仅包括两个第一滞后装置(lst lag means)42和52但能够可靠地执行对系统26的两自由度的控制，设定点滤器装置120结构简单。因而，2DOF PI控制器上的负载比示于图1的常规的PID控制器的负载轻，且PI控制器能够比常规控制器动作得快。一个用于控制工厂的、包括几十至几千个与图7所示相同的2DOF PI控制器的2DOF PI系统因而可以做得比较小，具有较轻的负载且能以高速度动作。
图10至图12是按照本发明的第四，第五和第六实施例用于两个2DOF PI控制器中的三个设定点滤波器装置。每一个设定点滤波器装置都具有两个第一滞后装置。
示于图10的设定点滤波器装置120，其特点是，第一滞后装置58和加法器装置60连至减法器装置38的输出，该减法器装置从设定点值SV中减去系数乘法器装置(coefficient multiplying means)34的输出。加法器装置60把减法器装置38的输出和第一滞后装置58的输出相加而产生一个“和”。该“和”输入到第一滞后装置42。第一滞后装置42的输出提供给减法器装置62，第一滞后装置58的输出也提供给它。因而，减法器装置62从第一滞后装置58的输出中减去第一滞后装置42的输出，从而获得一个“差”。这个“差”输入到加法器装置36。
用于图10中设定点滤波器装置120的、控制设定点值SV的算法CSV(S)由下式确定CSV(s)＝Kp｛α+1/(TIs)-(1-α)β/(1+TIs)｝(13)显然，两个第一滞后装置42和58用于完成两自由度PI控制。
图11中说明设定点滤波器装置120也具有两个第一滞后装置42和52。其特点在于，减法器装置64连接到减法器装置38的输出端，减法器装置38从设定点值SV中减去系数乘法器装置34的输出。减法器装置64从减法器装置38的输出中减去第一滞后装置52的输出，装置52的所述输出通过延滞设定点值SV而获得。由减法器装置64输出的信号输入到第一滞后装置42。
用于图11的设定点滤波器装置120的、控制该设定点值的算法CSV(S)由下式确定CSV(s)＝Kp｛α+[1/(TIs)-β/(1+βTIs)]｝…(14)
图12对图10中所示的设定点滤波器装置120作了一些改变。它与图10中的装置120的不同之点在于，是设定点值SV而不是减法器装置38的输出输入到第一滞后装置58。在其中所使用的算法CSV(S)是CSV(s)＝Kp｛α+[1/(TIs)-β/(1+TIs)]｝…(15)因此，按照本发明的第六实施例、具有示于图12的设定点滤波器装置的2DOF PID控制器能够完成两自由度的控制。
按照本发明的第七个实施例的2DOF PID控制器现在将参照图13进行说明。与图2相同的部件在图13中用相同的参照编号表示，对这些相同的部件不作详细的叙述。
示于图13的2DOF PID控制器除了没有与图2中所使用的第一滞后装置52等价的部件以及用部件70、72和74代替不完全微商装置(incomplete derivative means)50外，其余均与图2的控制器相同。换句话说，这个2DOFPID控制器包括设定点滤波器装置220，PI算法执行装置22和加法器装置24。该2DOF PID控制器控制的系统26连到加法器装置24的输出端。
该设定点滤波器装置220接收设定点值进行操作，由此，把两个自由度给予比例增益KP和微商时间(derivative time)TD。
PI算法执行装置22包括偏差计算装置(deviation-calculating means)28，非线性装置30和PI控制装置32。偏差计算装置28接收设定值滤波器装置220的输出SVo及由受控系统26提供的控制值PV。且从输出SVo中减去控制值PV，由此，获得偏差E，即它执行减法SVo-PV＝E。非线性装置30对偏差E执行非线性操作，从而产生输出。PI控制装置32对非线性装置30的输出执行PI控制操作，由此产生操纵变量MV。
加法器装置24把过程扰动信号D加到由PI算法执行部分22产生的操纵变量MV上，由此输出“和”至被控制的系统26。结果，系统26被控制成SV＝SVo＝PV。
如上所述，设定点滤波器装置220把两个自由度给予比例增益和微商时间。为此目的，旁路至PI控制操作装置9的输出的不完全微商装置11(图1)的微商项被提供给设定点滤波器装置220。
首先，说明装置220如何把两个自由度给予比例增益。增益系数乘法器装置34把设定点值SV与比例增益的2DOF系数α相乘。乘法器34的输出即SV与α的积，提供给第一加法器装置36和第一减法器装置38。第一减法器装置38从设定点值SV中减去该输出αSV。第一减法器装置38的输出，即SV和αSV的差，经第二减法器装置40、第二个第一滞后装置42和第二加法器装置44输入至第一加法器装置36。第一加法器装置36把第二加法器装置44的输出与增益系数乘法器装置34的输出相加，这样就把两个自由度给予比例增益。
现在将说明装置220如何把两自由度给予微商时间。增益系数乘法器装置34的输出输入到时间系数乘法器装置46，微商时间的2DOF系数γ被设置到装置46。时间系数乘法器装置46把装置34的输出与系数γ相乘，获得积αγSV。这个积输入到第三减法器装置48。第三减法器装置48从积αγSV中减去系统26的控制值PV，这样得到差αγSV-PV。这个差提供给除法器装置70。除法器装置70的输出直接输入到第四减法器装置74。它也经第三个第一滞后装置72输入第四减法器装置74。第四减法器装置74从除法器装置70的输出中减去第三个第一滞后装置72的输出。第四减法器装置74的输出直接输入第二加法器装置44。它也经第二减法器装置40和第一个第一滞后装置42输入至第二加法器装置44。第二加法器装置44把第一个第一滞后装置42的输出与第四减法器装置74的输出相加，从而得到“和”。这个“和”输入到第一加法器装置36，增益系数乘法器装置34的输出，即αSV也提供给它。因而，第一加法器装置36输出增益系数乘法器装置34和第二加法器装置44的输出的“和”。这样的“和”，即设定点滤波器装置220的输出SVo输入至PI算法执行部分22的偏差计算装置28。
用于图2的第1实施例的不完全微商装置50可以用(TD S)/1+ηTDS)等效表示，图14A中所示就是这个等效的数学表示式，这个代数符号(表示式)可以改变如下TDs/(1+ηTDs)＝(1/η)ηTDs/(1+ηTDs)＝(1/η)[1-TDs/(1+ηTDs)]…(16)等式(16)能由图14B的框图表示。因而，不完全微商装置50等价于示于图13的除法器装置70、第三个第一滞后装置72和第四减法器装置74的组合。因此，控制过程扰动的算法CD(S)可由下式给出。
CD(s)＝MV/PV＝C(s)+[TDs/(1+ηTDs)]×[(TIs)/(1+TIs)]C(s)＝Kp[1+1/(TIs)]+[TDs/(1+ηTDs)]×[TIs/(1+TIs)]×Kp[1+1/(TIs)]＝Kp[1+1/(TIs)+TDs/(1+ηTDs)]…(17)另一方面，控制设定点值SV的算法CSV(S)由下式确定CSV(s)＝MV/SV＝[(1+αTIs)/(1+TIs)]C(s)+[αγTDs/(1+ηTDs)]×[TIs/(1+TIs)]C(s)＝[(1+αTIs)/(1+TIs)]Kp[1+1/(TIs)]+[αγTDs/(1+ηTDs)]×[TIs/(1+TIs)]Kp[1+1/(TIs)]…(18)
从式(17)和(18)显而易见，保持过程扰动的比例增益Kp不变，通过改变2DOF系数α就能够改变设定点值的比例增益αKp。另一方面，保持控制过程扰动的算法的微商时间不变，控制设定点值SV的算法的微商时间就可以通过改变微商时间的2DOF系数γ而改变。简单地说，示于图13的2DOF PID控制器能够对P和D均执行完全的两自由度控制。
因而，示于图13的2DOF PID控制器仅需要两个时间装置，而常规的2DOF PID控制器需具有四个时间装置。因而，它可以以较低的成本制造，制成后的体积较小，负载较轻，而且可以高速动作。
此外，用图13所示的2DOF PID控制器，容易设置比例增益的2DOF系数α和微商时间的2DOF系数γ，因为这两个2DOF系数能够彼此独立地置定。另外，容易调节这些2DOF系数，因为当比例增益的2DOF系数α改变时，微商项的增益是能自动调节的。
还有，微商部件能可靠地在2DOF PID控制器中进行非线性操作。这是因为控制器没有等价于旁路到PI控制操作装置9的不完全微商装置11(图1)的部件，且控制值PV的微商项输入到设定点滤波器装置220。
现参照图15叙述设置在按照本发明的第八个实施例的2DOF PID控制器中的设定点滤波器装置220。这个设定点滤波器装置220与示于图6的设定点滤波器装置20的不同在于两个方面。首先，它没有等价于第一滞后装置52的部件。第二点，它用除法器装置70，第一滞后装置72和减法器装置74(与用于图13的第七实施例中的那些部件相同)代替设置在设定点滤波器装置20(图6)中的不完全微商装置。
因而，应用于控制过程扰动的第八实施例的算法CD(S)由等式(17)表示。而用于控制设定值SV的算法CSV(S)由下式确定CSV(s)＝MV/SV＝Kp｛α+γTDs/(1+ηTDs)｝+Kp/(TIs)…(19)从式(19)可以清楚地知道，当比例增益的2DOF系数α改变时，微商项的增益不能自动调节。在这方面，图15的设定点滤波器装置220不同于本发明第七实施例的设定点滤波器装置(图13)。
现在参照图16至图19叙述根据本发明的第九实施例的2DOFPID控制器。图16是说明2DOF PID控制器的框图;图17是表示设置在示于图16的PID控制器中的设定点滤波器装置320的一种设想的结构的框图;图18是表示设定点滤波器装置320实际结构的框图;图19是仅包括第一滞后装置的对装置320有所改变的框图。
第九实施例的基本结构下面参照图16进行叙述。如图16所示，2DOF PID控制器包括一设定点滤波器装置320，一耦连到滤波器装置320输出端的PI算法执行部分22和连接到该执行部分22输出端的加法器装置24。由PID控制器控制的系统26连接到加法器装置24的输出。PI算法执行部分22包括一偏差计算装置28，连到装置28输出端的非线性装置30，和连到非线性装置30输出端的PI控制装置32。
设定点滤波器装置320接收设定点值SV和控制值PV，对控制值PV执行微商操作和2DOF操作，由此产生设定点值SVo。该设定点值SVo提供给PI算法执行部分22;更明确地说，它输入到偏差计算装置28。装置28从设定点值SVo中减去控制值PV，这样就获得偏差E。偏差E输入到非线性装置30。非线性装置30对偏差E执行种种非线性操作而产生输出。这些非线线操作中有死区操作(dead band operation)，偏差平方操作，增益改变操作和间隙操作。非线性装置30的输出提供给PI控制装置32。控制装置32对非线性装置30的输出执行PI控制操作，由此产生操纵变量MV。加法器装置24把过程扰动信号D与由PI算法执行部分22产生的操纵变量MV相加，由此，输出“和”至被控制的系统26。
设定点滤波器装置320的内部构成是如此复杂，以至难于解释清楚。为了叙述该内部构成，让我们假设装置320包括传递函数80、82、84、86、88和90，加法器装置92，减法器装置96和加法器-减法器装置94，如图17所示。
首先，确定传递函数80、82、84、86、88和90。PI控制装置32执行的操作由下式确定CO(s)＝Kp｛1+1/(TIs)｝…(20)对控制值PV的响应由下式表示PV＝｛(H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)+N(s)Q(s)R(s))Co(s)G(s)/[1+(1+Q(s)R(s))Co(s)G(s)]｝SV+｛G(s)/[1+(1+Q(s)R(s))Co(s)G(s)]｝D(s)
式(21)表示，控制值PV是SV分量和D(S)分量的组合。式(21)应用于选定一种需要的控制算法，它将按过程扰动D(S)的改变而最佳地控制过程扰动。等式(21)的第二项中，被控制系统26的传递函数G(S)和过程扰动D(S)是已知变量。因而，控制过程扰动的算法CD(S)能够通过应用如下的通常PID算法加以选定＝Kp｛1+1/(TIs)+TDs/(1+ηTDs)｝…(22)从式(20)、(21)、和(22)，我们获得
Co(s)Q(s)R(s)＝(TDs)/(1+ηTDs)…(23)Q(s)R(s)＝｛(TDs)/(1+ηTDs)｝×｛(TIs)/(1+TIs)｝…(24)进而，从式(24)，我们获得由下式确定的传递函数88和90Q(s)＝(TDs)/(1+ηTDs)…(25)R(s)＝(TIs)/(1+TIs)…(26)接着，选定适用于的把最好的设定点跟随特性(setpoint-foll owing characteristic)给予2DOF PID控制器(图16)的控制算法。式(21)的第一项的SV分量中，G(S)和SV不能改变，式(22)的算法也不能改变。因而，控制设定点值SV的算法CSV(S)可由下式给出CSV(s)＝｛H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)+N(s)Q(s)R(s)｝Co(s)＝Kp｛α1+[1/(TIs)-β1/(1+TIs)]+γ1TDs/(1+ηTDs)｝…(27)式中，α1、β1和γ1是2DOF系数且具有下列含义(1)系数α1这是一个把比例增益Kp转换为比例增益Kp＊的系数，Kp是最佳控制过程扰动所需的比例增益，Kp＊是用于把最佳设定点跟随特性给予PID控制器的比例增益。该系数与Kp和Kp＊具有下列关系α1·Kp＝Kp＊→α1＝Kp＊/KP…(28)(2)系数γ1这个系数用于把微商进间TD转换为微商时间T＊D，TD是最佳控制过程扰动所需的微商时间，T＊D是用于把最好的设定点跟随特性给予PID控制器的微商时间。系数γ1与Kp、Kp＊，TD和TD＊具有下列关系Kp·γ1·TD＝Kp＊·TD＊→γ1＝α1·(TD＊/TD)…(29)
(3)系数β1这是一个把积分时间TI转换为积分时间TI＊的系数，TI是最佳控制过程扰动所需的积分时间，TI＊是用于把最好的设定点跟随特性给予PID控制器的积分时间。
最佳比例增益Kp＊能通过把增益Kp乘以α获得，而最佳微商时间TD＊能通过把微商时间TD乘以
1/α1而获得。
但是，把最佳的设定点跟随特性给予PID控制器所需的TI＊不能通过把积分时间TI乘以系数而获得。为了把两自由度赋予积分时间，必须采取专门的措施，诸如应用类似于式(23)的等式。例如，积分时间TI＊能够通过改变β1的值，然后等价(相应)地改变积分时间TI而获得。更具体地说，把最佳的设定点跟随特性给予PID跟随器所需的积分项I＊(S)由下式确定I＊(s)＝I(s)-saturated means＝I(s)-β1/(1+TIs)＝1/(TIs)-β1/(1+TIs)…(30)注饱和装置相应于第一滞后装置，I(S)是赋予最佳过程扰动控制所需的积分项。
在式(30)中，β1被设置为这样的值(a)如果β1＝0，I＊(S)＝I(S)，从而，积分时间保持不变。
(b)如果β1＞0，I＊(S)＜I(S)，从而，积分时间相应增加。
(c)如果β1＜0，I＊(S)＞I(S)，从而，积分时间相应减少。
换句话说，由式(26)所确定的积分时间随所选择的系数β1的值而改变。式(23)应用于式(27)，且传递函数84或N(S)置于系数γ1，即，N(S)＝γ1，由此，消除微商项。结果，我们得到｛H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)｝Co(s)＝Kp｛α1+[1/(TIs)-β1/(1+TIs)]｝…(31)当式(20)应用于式(31)时，式(31)变为H(s)+H(s)P(s)R(s)+M(s)R(s)＝1/(1+TIs)+[-β1/(1+TIs)][TIs/(1+TIs)]+α1TIs/(1+TIs)…(32)由式(26)和式(32)，传递函数80，86和82将是H(s)＝1/(1+TIs)P(s)＝-β1M(s)＝α1…(33)式(25)、(26)和(33)指出设定点滤波器装置320可以仅由第一滞后装置和超前/滞后装置组成，如图18中所示。
TIs/(1+TIs)和TDs/(1+TDs)可以改写如下TIs/(1+TIs)＝1-1/(1+TIs)TDs/(1+ηTDs)…(34)＝(1/η)[1-1/(1+ηTDs)](η≠0)…(35)从而，设定点滤波器装置320能够有如图19所示的结构。如图19所示，传递函数88可以由减法器装置88a，第一滞后装置88b和减法器装置88c组成，传递函数90由第一滞后装置90a和减法器装置90b组成。这样，设定点滤波器装置320仅包括三个第一滞后装置80，88b和90。
如上所述，示于图16至19的2DOF PID控制器的控制部分按照PI算法工作，而其滤波器部分具有设定点滤波器装置320，它接收设定点值SV和控制值PV且按照所希望的和选定的控制算法执行微商操作。因而，PID控制器能够执行2DOF PID算法。另外，如果2DOF系数α1，β1和
1被置于下表规定的值，PID控制器就能够执行一个自由度的PID控制，不完全的两个自由度PID控制和完全的2DOF PID控制。
正如已经指出的那样，常规的2DOF PID控制器包括设定点滤波器装置和具有非线性装置的控制部分且设计成执行对PV微商型PID控制。设定点滤波器装置和控制部分的组合不能对偏差进行完全的非线性操作。而按照本发明的2DOF PID控制器的控制部分根本没有微商操作装置，其设定点滤波器装置接收设定点值和控制值并按照所希望和选定的控制算法执行微商操作。设定点滤波器装置的输出提供给控制部分，它完成非线性操作和PI控制操作。因而，本发明的2DOF PID控制器能够对P、I和D执行非线性操作，具有简易，精确和自由度的优点。本发明的2DOF PID控制器能高效率工作。
再者，按照本发明的2DOF PID控制器仅需三个第一滞后装置，而常规的2DOF PID控制器(图1)需具有六个第一滞后装置。因而，本发明的2DOF PID控制器能够做得比常规的小而简单，有利于改进控制工厂的PID系统的基础。由此，本发明能够大大有助于工业的各个领域。
上述的实施例具有非线性装置30。然而，本发明能够应用于不具有非线性装置的2DOF控制器。
本领域的技术人员很容易根据本发明的概念设想出种种变化和改进，因而，本发明并不限于这里所说明的细节，也不限于这里所示的代表性装置及其描述。上述种种变化和修改仍落入本发明的精神实质和范围之内，本发明的保护范围应如所附权利要求书所述。
权利要求
1.一种两自由度PID控制器，其特征在于包括根据设定点值(SV)和受控系统(26)的控制值(PV)对过程扰动信号执行微商操作(D)，由此输出设定点信号(SVO)的设定点滤波器装置(20，220)；确定所述设定点信号和所述控制值之间的偏差(E)、并对该偏差执行PI控制操作，由此输出一操纵信号(MV)的PI控制操作装置(22)；和把过程扰动信号与由所述PI控制操作装置输出的操纵信号相加，从而获得“和”信号并把该和信号提供给被控制系统的加法器装置(24)。
2.如权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作装置包括对所述偏差执行非线性操作的非线性装置(30)。
3.如权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述设定点滤波器装置(20)包括把设定点值与比例增益的两自由度系数相乘、由此输出第一乘积的增益系数乘法装置(34);从设定点值中减去所述第一乘积，由此输出第一差值的第一减法器装置(38);具有对于积分时间的两个自由度、用于对所述第一差值执行第一滞后操作、由此输出第一滞后操作的第一结果的第一个第一滞后装置(52);把所述第一乘积与微商时间的两自由度系数相乘，从而输出第二乘积的微商时间系数乘法装置(46);从第二乘积中减去所述控制值，从而输出第二差值的第二减法器装置(48);接收所述第二差值并对所述第二差值执行不完全微商操作，由此输出不完全微商操作结果的不完全微商装置(50);从第一滞后操作的第一结果中减去不完全微商操作的结果，由此输出第三差值的第三减法器装置(40);对所述第三差执行第一滞后操作，从而输出第一滞后操作的第二结果的第二个第一滞后装置(42);把第一滞后操作的第二结果与不完全微商操作的结果相加，从而输出第一“和”的第一加法器装置(44);把第一“和”与第一乘积相加从而获得第二“和”，并把该第二“和”作为设定点信号提供给所述PI控制操作装置的第二加法器装置(36)。
4.如权利要求3所述的PID控制器，其特征在于，所述不完全微商装置(50)包括对所述第二差除以预定数，从而输出一商的除法器装置(70);对由所述除法器装置输出的商执行第一滞后操作，从而产生一个输出的第三个第一滞后装置(72);和从所述商中减去所述第三个第一滞后装置的输出，从而产生所述不完全微商装置输出，把它提供给所述第三减法器装置和所述第一加法器装置的第四减法器装置(74)。
5.如权利要求3所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作装置包括对所述偏差执行非线性操作的非线性装置(30)。
6.如权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述设定点滤波器装置(20)包括把设定点值与比例增益的两自由度系数相乘，从而输出第一乘积的增益系数乘法装置(34);从设定点值中减去所述第一乘积，从而输出第一差的第一减法器装置(38);具有一积分时间的两自由度系数，用以对所述第一差执行第一滞后操作，从而输出所述第一滞后操作的第一结果的第一个第一滞后装置(52);把设定点值与微商时间的两自由度系数相乘，从而输出第二乘积的微商时间系数乘法装置(56);从所述第二乘积中减去控制值，从而输出第二差的第二减法器装置(48);接收第二差并对所述第二差执行不完全微商操作，由此输出不完全微商操作的结果的不完全微商装置(50);从第一滞后操作的第一结果中减去不完全微商操作的结果，从而输出第三差的第三减法器装置(40);对所述第三差执行第一滞后操作，从而输出第一滞后操作的第二结果的第二个第一滞后装置(42);把第一滞后操作的第二结果与不完全微商操作的结果相加，从而输出第一“和”的第一加法器装置(44);和把所述第一“和”与第一积相加，从而获得第二“和”并把该第二“和”作为设定点信号提供给所述PI控制操作装置的第二加法器装置(36)。
7.如权利要求6所述的PID控制器，其特征在于，所述的不完全微商装置(50)包括把所述第二差除以预定数从而输出一个商的除法器装置(70);对由所述除法器装置输出的所述商执行第一滞后操作从而产生一个输出的第三个第一滞后装置(72);和从所述商中减去所述第三个第一滞后装置的输出，从而产生所述不完全微商装置的输出并把它提供给所述第三减法装置和所述第一加法器装置的第四减法器装置(74)。
8.如权利要求6所述的PID控制器，其特征在于，所述的PI控制操作装置包括对所述偏差执行非线性操作的非线性装置(30)。
9.如权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述的设定点滤波器装置(20)包括把设定点值与比例增益的两自由度系数相乘从而输出第一乘积的增益系数乘法装置(34);从设定点值中减去所述第一乘积从而输出第一差的第一减法器装置(38);把所述第一乘积与一微商时间的两自由度系数相乘从而输出第二积的微商时间系数乘法装置(46);从所述第二积中减去控制值从而输出第二差的第二减法器装置(48);接收所述第二差并对该第二差执行不完全微商操作从而输出不完全微商操作结果的不完全微商装置(70、72、74);从所述第一差中减去不完全微商操作的结果，从而输出第三差的第三减法器装置(40);对所述第三差执行第一滞后操作，从而输出第一滞后操作结果的第一滞后装置(42);把第一滞后操作的结果与不完全微商操作结果相加，从而输出第一“和”的第一加法器装置(44);和把第一“和”与所述第一积相加从而获得第二“和”、并把该第二“和”作为设定点信号提供给所述PI控制操作装置的第二加法器装置(36)。
10.如权利要求9所述的PID控制器，其特征在于，所述不完全微商装置(50)包括把所述第二差除以预定数从而输出一个商的除法器装置(70);对自所述除法器装置输出的所述商执行第一滞后操作从而产生一个输出的第二个第一滞后装置(72);和从所述商中减去所述第二个第一滞后装置的输出，从而产生所述不完全微商装置的输出并把它提供给所述第三减法器装置和所述第一加法器装置的第四减法器装置(74)。
11.如权利要求9所述的PID控制器，其特征在于，所述的PI控制操作装置包括对偏差执行非线性操作的非线性装置(30)。
12.如权利要求1所述的PID控制器，其特征在于，所述的设定点滤波器装置(20)包括把设定点值与比例增益的两自由度系数相乘从而输出第一积的增益系数乘法装置(34);从设定点值中减去所述第一积从而输出第一差的第一减法器装置(38);把设定点值与一微商时间的两自由度系数相乘从而输出第二积的微商时间系数乘法装置(56);从所述第二积中减去控制值从而输出第二差的第二减法器装置(48);接收所述第二差并对该第二差执行不完全微商操作，从而输出不完全微商操作结果的不完全微商装置(70、72、74);从所述第一差中减去不完全微商操作的结果从而输出第三差的第三减法器装置(40);对所述第三差执行第一滞后操作从而输出第一滞后操作结果的第一滞后装置(42);把第一滞后操作的结果与不完全微商操作的结果相加，从而输出第一“和”的第一加法器装置(44);和把所述第一“和”与所述第一积相加从而获得第二“和”并把该第二“和”作为设定点信号提供给PI控制操作装置的第二加法器装置(36)。
13.如权利要求12所述的PID控制器，其特征在于，所述的不完全微商装置(50)包括对所述第二差除以一预定数从而输出一个商的除法器装置(70);对由所述除法器装置输出的商执行第一滞后操作，从而产生一个输出的第二个第一滞后装置(72);和从所述商中减去所述第二个第一滞后装置的输出从而产生所述不完全微商装置的输出，并把它提供给所述第三减法器装置和所述第一加法器装置的第四减法器装置(74)。
14.如权利要求13所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作装置包括对偏差执行非线性操作的非线性装置(30)。
15.一种两自由度的控制器，其特征在于包括接收设定点值并产生设定点信号的设定点滤波器装置(120)，所述的设定点滤波器装置包括把设定点值与一比例增益的两自由度系数相乘由此输出一个积的系数乘法装置(34);至少具有一积分时间的两自由度系数并设计成从设定点值中减去所述积从而产生差的第一滞后装置(38、52、58、42);和把所述积与所述差相加从而输出设定点信号的装置(36);确定设定点信号与由被控制系统提供的控制值之间的偏差并对该偏差执行PI控制操作，从而输出一操纵信号的PI控制操作装置(28、32);和把过程扰动信号与由所述PI控制操作装置输出的操纵信号相加，从而获得“和”信号并把该“和”信号提供给所述被控制系统的加法器装置(24)。
16.如权利要求15所述的控制器，其特征在于，所述第一滞后装置包括从设定点值中减去所述积从而输出一个差的减法器装置(34);和串联并接收所述差的两个第一滞后装置(52、42)，其中之一具有积分时间的两自由度系数。
17.一种两自由度控制器，其特征在于它包括接收设定点值并产生设定点信号的设定点滤波器(120)，所述设定点滤波器装置包括把所述设定点值与一比例增益的两自由度系数相乘，从而输出积的系数乘法装置(34);从所述设定点值中减去所述积从而产生差的第一个第一滞后装置(42);和具有一积分时间两自由度系数并延滞设定点值且输出被延滞的设定点值的第二个第一滞后装置(52、58);和把所述的积与由所述第二个第一滞后装置延滞的设定点值相加，从而输出设定点信号的装置(36);确定设定点信号与由被控制系统提供的控制值间的偏差并对该偏差执行PI控制操作，从而输出操纵信号的PI控制操作装置(28、32);和把过程扰动信号与由所述PI控制操作装置输出的操纵信号相加，从而获得“和”信号并把该“和”信号提供给被控制系统的加法器装置(24)。
18.一种两自由度PID控制器，其特征在于它包括把设定点值与一比例增益的两自由度系数相乘从而输出第一积的增益系数乘法装置(82);把设定点值与一微商时间的两自由度系数相乘，从而输出第二积的微商时间系数乘法装置(84);对所述设定点值执行第一滞后操作从而输出该第一滞后操作第一结果的第一个第一滞后装置(80);把第一滞后操作的结果与一积分时间两自由度系数相乘，从而输出第三积的积分时间系数乘法装置(86);对所述第二积和由被控制系统提供的控制值执行不完全微商操作，从而输出不完全微商操作的输出结果的不完全微商装置(88、96);对第一积，第三积和不完全微商操作的结果执行第一滞后操作，从而输出第一滞后操作的第二结果的第二个第一滞后装置(94、90);把第一滞后操作的第一和第二结果相加从而输出设定点信号的第一加法器装置(92);确定设定点信号与控制值之间的偏差并对该偏差执行PI控制操作，从而输出一操纵信号的PI控制操作装置(28、30、32);和把过程扰动信号与操纵信号相加，从而获得“和”信号并把该“和”信号提供给被控制系统的第二加法器装置(24)。
19.如权利要求18所述的PID控制器，其特征在于，所述PI控制操作装置包括对偏差执行非线性操作的非线性装置(30)。
全文摘要
一种两自由度PID控制器，它包括按照设定点值(SV)和被控制系统的控制值(PV)对过程扰动信号执行微商操作(D)从而输出设定点信号(SVo)的设定点滤波器装置(20)，确定设定点信号与控制值之间的偏差(E)并对该偏差执行PI控制操作，从而输出一操纵信号(MV)的PI控制操作装置(22)，和把过程扰动信号与由PI控制操作装置输出的操纵信号相加，从而获得“和”信号并把该“和”信号提供给被控制系统的加法器装置(24)。
文档编号G05B11/42GK1050270SQ90107699
公开日1991年3月27日 申请日期1990年9月11日 优先权日1989年9月11日
发明者広井和男 申请人:株式会社东芝