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1、(10)申请公布号 CN 102257444 A (43)申请公布日 2011.11.23 CN 102257444 A *CN102257444A* (21)申请号 200980145934.1 (22)申请日 2009.11.16 PA200801591 2008.11.17 DK G05B 5/00(2006.01) G05B 13/02(2006.01) (71)申请人 丹福斯有限公司 地址 丹麦诺德堡 (72)发明人 J佩特罗维克 D夫兰西克 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 刘金凤 蒋骏 (54) 发明名称 减小控制系统中的振荡 (57) 摘。
2、要 本发明涉及一种对受控制器控制的闭环控制 系统执行控制的方法， 其中所述控制器递送控制 输入给所述系统中的至少一个控制单元， 例如阀 门， 所述方法包括步骤 ： - 检测到所述控制单元的 所述控制输入中的振荡水平， - 基于检测到的所 述振荡水平采用倍增因子放大所述控制输入。从 而， 在检测到振荡时控制单元的特性发生变化。 从 而， 振荡被最小化， 并且例如降低了控制单元的磨 损并获得了改进的控制。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.05.17 (86)PCT申请的申请数据 PCT/DK2009/000236 2009.11.16 (87)PCT申请的公布数据 。
3、WO2010/054657 EN 2010.05.20 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 CN 102257452 A1/1 页 2 1. 一种对受控制器控制的系统执行控制的方法， 其中所述控制器递送控制输入给所述 系统中的例如阀门的至少一个控制单元， 所述方法包括步骤 ： - 检测到所述控制单元的所述控制输入中的振荡水平 ； - 基于检测到的所述振荡水平采用倍增因子放大所述控制输入。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中通过计算衰减比来检测所述振荡水平， 其中所述 衰减比被用于确定所述倍。
4、增因子。 3. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中选择一定范围的衰减比作为导致倍增因子为 1 的 最佳衰减比。 4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其中低于所述最佳衰减比的衰减比导致大于 1 的倍增 因子。 5. 根据权利要求 3 所述的方法， 其中高于所述最佳衰减比的衰减比导致小于 1 的倍增 因子。 6. 根据权利要求 1-5 中任一项所述的方法， 其中所述方法还包括步骤 ： 确定对用于所 述控制单元的整个工作范围的控制输入的放大。 7. 根据权利要求 6 所述的方法， 其中确定整个工作范围的放大的所述方法包括步骤 ： - 为表示所述整个工作范围的至少三个预定义工作点确定放大值 ； -。
5、 对所述放大值进行插值。 8. 根据权利要求 1-7 中任一项所述的方法， 其中对所述控制输入的放大必须位于最大 和最小预设放大之间。 9. 一种计算机可读介质， 在所述计算机可读介质中存储有用以使处理单元执行如权利 要求 1-8 中任一项所述的方法的指令。 10. 一种控制单元， 所述控制单元例如诸如阀门的致动器， 其被适配为用作控制系统中 受控制器控制的系统的一部分， 其中所述控制器递送控制输入到所述控制单元， 所述单元 包括 ： - 用于检测所述来自所述控制器的所述控制输入中的振荡水平的装置， - 用于基于检测到的所述振荡水平采用倍增因子放大所述控制输入的装置。 11. 根据权利要求 1。
6、0 所述的控制单元， 其中该单元还包括用于确定对用于所述控制单 元的整个工作范围的控制输入的放大的装置。 12. 根据权利要求 11 所述的控制单元， 其中用于确定整个工作范围的放大的所述装置 包括 ： - 为表示所述整个工作范围的至少三个预定义工作点确定放大值， - 对所述放大值进行插值。 13. 一种控制系统， 其包括根据权利要求 10-12 中任一项所述的控制单元。 权 利 要 求 书 CN 102257444 A CN 102257452 A1/4 页 3 减小控制系统中的振荡 技术领域 0001 本发明涉及一种对闭环控制系统执行控制的方法和其中存储有用于使处理单元 执行这样的方法的指。
7、令的计算机可读介质， 以及一种被适配为用作控制系统中受控的系统 的一部分的控制单元， 例如致动器。 背景技术 0002 PID 调节器对工业过程控制来说非常常见， 并且提供比例、 积分和微分控制。更大 范围的过程采用大量这样的调节器。PID 调节器作为标准产品以大系列被生产。越来越普 遍的是， 调节器基于微计算机， 因此能够使用更为复杂的控制功能。 0003 或者由于 PID 调节器中参数的不恰当设置， 或者由于过程的特性发生变化， 在从 PID调节器到受控元件的控制信号中可能发生振荡。 这些振荡是不期望的， 因为它们引起系 统中的受控元件的磨损， 所述受控元件是致动器和阀门。 另外， 这些振。
8、荡引起非最优的过程 控制。 发明内容 0004 本发明的目的在于解决上述提及的问题。 0005 这通过一种对受控制器控制的控制系统执行控制的方法来实现， 其中所述控制器 递送控制输入给所述系统中的至少一个控制单元， 例如阀门， 所述方法包括步骤 ： 0006 - 检测到所述控制单元的所述控制输入中的振荡水平， 0007 - 基于检测到的所述振荡水平采用倍增因子放大所述控制输入。 0008 因此在检测到振荡时控制单元的特性发生变化。因此振荡被最小化， 并且例如控 制单元的磨损被降低且服务间隔增大。 而且， 通过最小化控制单元的振荡， 降低了控制单元 的能量消耗并获得了改进的控制。 0009 振荡。
9、水平是对到控制单元的输入信号振荡了多少的指示。 振荡水平是对控制回路 稳定性的指示。高振荡水平指示几乎不稳定的控制系统或者指示该系统非常接近于不稳 定。 0010 控制单元例如可以是用于阀门的致动器或类似装置。 0011 控制器例如可以是 PID 控制器、 PI 控制器或 P 控制器， 或者其它控制器。 0012 控制系统可以是闭环控制系统， 但是其它控制系统也是相关的。 0013 在一实施例中， 通过计算衰减比来检测所述振荡水平， 其中所述衰减比用于确定 所述倍增因子。计算衰减比是确定振荡水平的一种特别的简单方法。 0014 在一实施例中， 选择一定范围的衰减比作为导致倍增因子为 1 的最佳。
10、衰减比。 0015 在一实施例中， 低于所述最佳衰减比的衰减比导致大于 1 的倍增因子。这在例如 闭环响应过慢的情况下能够改善控制性能。 0016 在一实施例中， 高于所述最佳衰减比的衰减比导致小于 1 的倍增因子。这能够减 少闭环配置中的控制单元的超调和振荡行为。 说 明 书 CN 102257444 A CN 102257452 A2/4 页 4 0017 在一实施例中， 该方法还包括如下步骤 ： 基于已确定的所述倍增因子， 确定对用于 所述控制单元的整个工作范围的控制输入的放大。 0018 在一实施例中， 确定对整个工作范围的放大的所述方法包括步骤 ： 0019 - 确定针对表示所述整个。
11、工作范围的至少三个预定义工作点的放大值， 0020 - 对所述放大值进行插值。 0021 在一实施例中， 对所述控制输入的放大值必须位于最大和最小预设放大之间。否 则永久的周期性扰动可能将控制输入放大值朝向 0 减小。 0022 本发明还涉及一种计算机可读介质， 其所述计算机可读介质中存储有用以使处理 单元执行如上所述的方法的指令。 0023 本发明进一步涉及一种诸如阀门的致动器， 其被适配为用作控制系统中受控制器 控制的系统的一部分， 其中所述控制器将控制输入递送到所述控制单元， 所述单元包括 ： 0024 - 用于检测来自所述控制器的所述控制输入的振荡水平的装置， 0025 - 用于基于检。
12、测到的所述振荡水平采用倍增因子放大所述控制输入的装置。 0026 本发明进一步涉及一种控制系统， 其包括依照权利要求 10-12 中任一项所述的控 制单元。 0027 附图简述 0028 在下面将参照附图来描述本发明的优选实施例， 在附图中 ： 0029 图 1 示出依照本发明的控制方法中所包含的步骤和控制回路， 0030 图 2 示出测量的衰减比和倍增因子之间的相关性的示例， 0031 图 3 示出依照本发明的控制方法中所包括的其他步骤的实施例和控制回路， 0032 图 4a 示出在三个工作点间被插值的作为阀门的控制单元的放大， 0033 图 4b 示出增益减少和阀门输入之间的关系， 003。
13、4 图 5 示出在已经检测到振荡后在上面示出的三个工作点处的放大的变化， 0035 图 6 示出检测控制输入中的振荡的方法。 具体实施方式 0036 在图 1 中示出了闭环控制系统 100。该系统包括 PID 控制器 101， 其接收控制误差 e 作为输入， 其中控制误差已通过从参考值 r 中减去过程输出而计算得到。基于控制误差， PID 控制器计算控制器输出， 所述控制器示出被给予系统 103 作为控制输入。该控制输入 被给予控制单元 (CU)105， 例如阀门的致动器， 等等， 从控制单元 (CU)105 能够影响该系统。 控制单元响应于该控制输入并影响过程Gp(s)。 如果控制单元是阀门。
14、的致动器， 则其通过改 变阀门的开启或关闭程度而进行响应。 0037 依照本发明， 代替使用控制器101的输出作为到控制单元105的控制输入， 控制输 入如在流程图 109 中所示的那样被处理。此处， 控制输入在 111(F_CI) 中被低通滤波， 随后 在 113(OSC) 中检测控制输入中是否存在振荡。如果出现振荡， 则在 115 中， 利用典型地小 于 1 的倍增因子对控制输入进行放大 (A_CI) 以衰减到控制单元的控制输入。如果没有检 测到振荡， 则在 117(E) 中结束算法。每当执行用于控制所述过程的总体控制程序时执行所 描述的算法例如一次， 从而作为确定到控制单元的控制输入的完。
15、整部分， 当振荡发生时检 测到振荡。 说 明 书 CN 102257444 A CN 102257452 A3/4 页 5 0038 关于检测振荡的出现， 还确定振荡的程度并使用振荡的程度以确定倍增因子的 值。 0039 振荡的衰减比按照如下来计算 ： 0040 衰减比 (DR) ( 峰值 1- 峰值 2)/( 峰值 3- 峰值 4)， 0041 其中峰值 1 是最后的峰值， 而峰值 4 是第一个检测到的峰值。 0042 衰减比的高值意味着该系统非常振荡并且接近于不稳定。大于 1 的值指示不稳定 的系统。 0043 在图 2 中， 示出了经计算的衰减比 DR 和倍增因子 MF 之间的相关性的示。
16、例。对于 衰减比的最优值， 选择 201 从 0.15 到 0.25 的范围， 并且如果所测得的衰减比 DR 处于该范 围内， 则倍增因子为 1 并且控制输入将不会被改变。 0044 如果确定了较小的衰减比， 则控制输入的衰减太高， 因此倍增因子大于 1 以增大 到控制单元的控制输入。当衰减比变得小于 0.15 时， 倍增因子线性地增大。 0045 而且， 如果确定了较高的衰减比， 则控制输入的衰减太低， 因此倍增因子小于 1 以 减小到控制单元的控制输入。当衰减比变得大于 0.25 时， 倍增因子线性地减小。 0046 应注意到， 区间 0.15-0.25 仅仅是其中测试已显示出成功结果 (。
17、 良好的追踪和扰 动抑制特性 ) 的示例， 但是取决于控制系统和控制单元的特性可以选择具有其他大小和位 置的其他区间。而且， 倍增因子并不需要在该区间周围线性地减小或增大 - 主要的重点在 于振荡通过小于 1 的倍增因子而被衰减， 而过多的衰减则通过大于 1 的倍增因子被放大。 0047 在图 3 中， 示出类似于图 1 中的控制回路的控制回路 301 并且其中在控制方法中 包括其他的步骤。振荡检测在 304 中被执行， 并且包括在 303(F_CI) 中对控制输入进行低 通滤波以移除高频噪声。进一步地在 305(OSC) 中检测在控制输入中是否存在振荡。如果 存在振荡， 则在 307 中如上。
18、所述的那样计算衰减比 (C_DR)。 0048 在 309 中， 基于所计算的衰减比， 确定相应的倍增因子 (D_MF)， 并且利用该倍增因 子放大控制输入。最后， 在 311 中， 计算并使用对用于整个工作范围的控制输入的放大 (A_ EW)。如果没有检测到振荡， 则在 313(E) 中结束算法。每当执行用于控制过程的总体控制 程序时执行所描述的算法例如一次， 从而作为确定到控制单元的控制输入的完整部分， 当 振荡发生时检测到振荡。 0049 在图 4a 中给出了图 3 中步骤 311 的示例， 其中控制单元是阀门。该阀门的工作范 围采用三个点 401、 403、 405 来表示 - 这些点。
19、表示阀门处于 0、 50、 100的打开程度时 的对阀门的放大。放大决不会高于或低于预设值 ( 参数 “最大增益 (gain_max)” ( 例如， 值 1) 和参数 “最小增益 (gain_min)” ( 例如， 值 0.2)。而且， 通过对表示工作范围的这三个 点进行插值来确定范围 0 -50内的和 50 -100内的放大值。 0050 增益的减小能够例如通过使用如下函数在所选择的点 ( 例如 0、 50和 100 ) 处进行计算 ： 0051 g 1-(1-k)./(1+10*(v-c).*(v-c)， 0052 其中 g 是阀门输入信号 (v) 的不同值处的增益减小， c 是发生振荡处。
20、的特定阀门 输入信号， 而 k 是针对点 c 处的振荡的增益减小。 0053 在图 4b 中， 在一个示例中示出了 v 和 g 之间的关系， 在该示例中已检测到接近 40的振荡。在此 v 是在 0 到 1 的范围内的阀门输入， 以及 g 是具有中央减少量 k 0.5 说 明 书 CN 102257444 A CN 102257452 A4/4 页 6 的、 对于在 c 0.4 处检测到的振荡的增益减小。 0054 依照本发明的控制的示例为 ： 如果计算显示需要因子为 0.5 的放大的减小， 则在 所有三个点处减小放大， 但对于所有点并不是减小相同的程度。在最靠近振荡发生点的点 处放大被减小得最。
21、多， 而在最远离振荡点的点处放大被减小得最少。 在一个实施例中， 用于 计算用于每个点的减小的算法可以是与用于模糊控制系统中的算法类似的算法。 0055 在图 5 中， 示出了其中在阀门打开程度为 40附近检测到振荡之后三个工作点处 的放大的变化。通过适当地改变表示工作范围的 3 个点来减小放大。靠近振荡出现的范围 (50 ) 的点被最大地改变， 而被最小地改变的点是最远距离的点 (100 )。该改变之后的 工作范围随后用点 501、 503、 505 来表示。这些点表示在阀门打开程度为 0、 50和 100 处的阀门的放大。同样， 通过对表示工作范围的这三点进行插值来确定 0到 50范围内 。
22、和 50到 100范围内的放大值。 0056 在图 6 中进一步描述了如图 3 中的 304 所示的振荡检测器。起初， 在 601 中开始 该算法。 在603中， 输入信号被过滤(F_CI)， 并且在604中确定例程是否要搜索负的或正的 峰值 (S_P_P)， 这取决于先前检测的是哪种峰值， 并且如果其是第一次迭代， 则该算法开始 搜索正的峰值。在替代实施例中， 该例程还可以通过搜索负的峰值而开始。 0057 在 605 中， 如果正的峰值被确认 (P_P ？ )( 如果信号小于最大检测值减去滞后， 则 正的峰值被确认)， 则在607中通过向计数器增加新的正的峰值(A_N_P_P)而对该峰值进。
23、行 计数。 0058 在 609 中， 如果负的峰值被确认 (N_P ？ )( 如果信号大于最小检测值加上滞后， 则 负的峰值被确认)， 则在611中通过向计数器中增加新的负的峰值(A_N_N_P)而对该负的峰 值进行计数。 0059 在613中， 如果已检测到多于2个的峰值(P2)， 则在615中， 忽略第一个峰值并 开始对其他峰值的检测 ( 振荡检测 )， 删除第一个峰值是为了避免由于改变设置点而引起 的振荡， 如果其不被删除则随后计算出的衰减比可能是不准确的。在 617 中， 如果检测到足 够数量的峰值 ( 例如， 4(P 4)， 则在 619 中例如如前所述的那样计算衰减比 (C_DR。
24、)。如 果在 621 中确定已经检测到振荡， 则在 627 中设置计算新的衰减比的标志 (SF_N_DR_C)， 并 且在 629 中初始化所有参数并开始新的搜索 (Init_S)。 0060 如果在 621 中仍没有检测到振荡， 则在 623 中确定衰减比是否非常高 (1 或更大 ) (D 1)， 衰减比非常高意味着存在严重的振荡并且这可能是由于在搜索峰值时出现的 不稳定的回路或扰动， 并且如果是这种情况， 则在 625 中确定检测到振荡并且丢弃一峰值 (OSC_D_DP)， 这是为了确保衰减比确实大于 1， 从而搜索再一个峰值。 0061 在 631 中算法结束 (E)。 说 明 书 CN 102257444 A CN 102257452 A1/4 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102257444 A CN 102257452 A2/4 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102257444 A CN 102257452 A3/4 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 102257444 A CN 102257452 A4/4 页 10 图 6 说 明 书 附 图 CN 102257444 A 。