本发明涉及一种自动设定用于过程控制的PID（比例+积分+微分）常数的方法和仪器，更详细地说是涉及一种用于自校正（常数的自动调节）PID控制的方法和仪器，这种自校正PID控制适合于根据一个过程的控制响应特性自动设定PID常数，这些PID常数能够根据设定点的变化和所施加的扰动来快速地调整控制响应特性。 在PID控制系统中，PID常数的设定向来是根据从熟练的控制工程师的经验所获得的“经验法则”来完成的。然而，在这种手动设定中，每当一个过程开始起动或有变化被引入过程特性时，就要求工程师进行一次PID常数的校正。为了消除这种麻烦的工作，提出了一种具有自动校正PID常数的功能的PID控制器。
起因于设定点变化的控制响应特性不同于起因于施加扰动后的控制响应特性，而针对前一个因素的PID常数通常不同于针对后一个因素的PID常数。当相同的PID常数用于设定点变化和扰动时，难于实现获得对设定点变化和扰动二者均有效的控制特性的控制，也就是说，对于选定衰减比为10%和超调量为5%（作为例子）的上述控制是难于实现的。（日本）专利JP-A-62-241003揭示了一种早先技术的以模糊推理法为基础的自校正PID控制器，它用一个唯一的知识库和特征值来实现校正。不利的是，这种早先技术的控制器设定PID常数只对设定点变化和扰动二者之一有效，从而不能获得对这两个因素都有效的控制响应特性。
序列号为177，428的美国专利申请（PID控制器系统）也涉及基于模糊推理法的PID常数的自校正，该专利已转让给（与本专利）相同的受让人并于1988年4月1日申请。
根据专利号为JP-A-61-290505和JP-A-62-9404的专利揭示的内容，只对设定点变化和扰动二者之一有效的PID常数被设定，而当一个扰动或设定点的一个变化出现时，PID常数被一个补偿计算装置校正到与某一控制状态相当的PID常数，该控制状态对于抑制由于出现的那个因素所引起的变化是最优化的。
本发明的一个目的是提供一种PID常数自动设定方法和能够自动设定PID常数的自校正控制器，这些PID常数能够根据设定点的变化和施加给一过程的扰动这两个因素来快速地调整控制响应特性。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，以对过程的一个设定点与从该过程得到的一个被控值之间的误差为基础来确定代表对该过程的可控性的特征值，判定在该过程产生的控制响应特征是由于设定点的一个变化所造成的还是由于施加于该过程的一个扰动所造成的，再根据所确定的特征值和所判定的结果来确定PID常数。
根据本发明的另一方面，一个自校正PID控制器包括：根据对过程的一个设定点与从该过程得到的一个被控值之间的误差来提取代表可控性的特征值的装置;用来判定来自该过程的控制响应特性是由于设定点的一个变化所造成的还是由于施加的一个扰动所造成的装置;以及用来根据特征值导出PID常数的PID常数确定装置，该确定装置包括一个用来确定与设定点变化对应的PID常数的第一确定单元，一个用来确定与所施加的扰动对应的PID常数的第二确定单元，以及用来根据来自判定装置的判定结果选择第一和第二确定单元二者之一的选择装置。
图1是一说明根据本发明的一个自校正PID控制器的实施例的框图。
图2是一个误差信号波形的例子的示意图。
图3示出了对于设定点变化和所施加的扰动的PID控制律。
图4是用于设定变化方式和施加扰动方式下的模糊推理法的全部组成函数的例子的示意图。
图5是表明通过模糊推理法确定PID常数的修正系数的步骤的示意图。
图6和7示出了对说明图1实施例的工作（运行过程）有用的一个流程图。
图8是来自校正PID控制器的另一个实施例的框图。
在说明本发明的实施例之前，将首先说明本发明的原理。
在专利JP-A-62-241003所揭示的现有技术中，对设定点的变化和所施加的扰动二者是以同样的方法来实现PID常数的校正的。然而有时候，如果在PID运算中对设定点变化起响应的可控性是最优化的，则对扰动起响应的可控性将降低，反之，如果对扰动起响应的可控性是最优化的，则对设定点变化的瞬态响应特性将变坏。因此就出现了一个问题，即只可能对设定点变化和扰动的响应特性二者之一实现PID常数的设定。
本发明的特点是首先判定来自一个过程的控制响应特性是由于设定点的变化所造成的还是由于扰动所造成的。然后，当判定结果指明是由于设定点的变化时，就设定适合于调整由于设定点变化所造成的变化的PID常数;而当判定结果指明是由于扰动时，就另外设定一些PID常数，这些PID常数适合于调整由于扰动所造成的变化。
如果控制响应特性被认为是由于设定点变化和扰动这二者之一所造成的，则可调整PID常数，以使响应由于设定点变化所带来的误差（即设定点和被控值之间的偏差）的瞬态响应波形能够得到改善，以及使响应不是由于设定点变化而是由于施加的扰动或过程特性的变化而出现的一个误差的变化的特性能够得到改善，从而使同时设定适合于上述两种响应特性的PID常数成为可能。
在本发明中，优选地是通过模糊推理法来推导出PID常数。更详细地说，有一个设定点变化检测器检测到一个被改变的设定点的变化宽度，一个判定器判定伴随一个误差的出现而产生的设定点变化宽度是否超过门限值，从而确定设定点变化和施加的扰动这二者之一，一个知识处理选择器对判定结果进行响应，从而选择一个相对于设定点变化或扰动的知识库，最后一个特征值选择器选择相对于设定点变化或扰动的特征值。于是，在选出的知识库和特征值的基础上，一个模糊推理单元推导出新的PID常数并把它们设定于一个PID运算器中。以这种方式能够设定适合于设定点变化和扰动这二者之中任何一个因素的PID常数，当由于设定点变化而产生一个误差时，无需设定用于抑制扰动的PID常数。
可能干扰此过程的扰动起因于环境温度的变化、预定供给此过程的流体原料从储液罐的泄漏以及类似的因素。
现在将参照附图用例子说明本发明。
参照图1，其中以框图的形式说明了一个根据本发明的自校正PID控制器的实例。通常用参考数字11标示出的PID控制器带有一个微处理器，该PID控制器11包含一个PID运算器1，执行使一个过程10的设定点和被控值相互一致的PID运算，一个用于根据设定点和被控值之间的误差来确定特征值的特征值采集器2，一个用于检测设定点的变化的设定点变化检测器3，一个用于判定设定点变化和扰动二者之一的判定器4，一个用于根据来自判定器4的判定结果来选择特征值的特征值选择器5，一个用于选择知识库的知识处理选择器6，一个针对设定点变化的知识库7（单元7）和一个针对扰动的知识库8（单元8），两个知识库中每个都包括PID控制规则和用于模糊推理的全部组成函数，最后，还包含一个用于根据选出的知识库来设定PID常数的模糊推理单元9。误差由一个减法器20所产生，该减法器从设定点中减去被控值。
PID运算器1对设定点r（t）与来自过程10的被控值y（t）之间的误差e（t）进行响应，从而计算下面的具有比例带PR、积分时间TI和微分时间TD等变量的公式（1），并产生一个操作值MV：
MV=100PR(1+1TIS+TDS1+TD10·S)e]]>
……（1）
公式中S是拉普拉斯算子。
特征值采集器2从误差e（t）的信号波形中采集特征值。
图2表示出了误差e（t）的信号波形和特征值。峰值和峰值出现的时间的测量都与信号波形有关，特征值采集器2对测得的峰值和峰值出现时间进行响应，从而计算出超调量OV，幅值衰减比DP、振荡周期Dt和一个调整时间St。接着，对于振荡周期Dt，把伴随前一个误差的出现而确定的值除以当前确定的值而得到一个振荡周期比DR;对于调整时间St，把先前确定的值除以当前确定的值而得到一个调整时间比SR。通过下面的公式（2）、（3）、（4）和（5），可分别计算出超调量OV，幅值衰减比DP，振荡周期比DR和调整时间比SR等特征值。
OV＝PEAK2/PEAK1 ……（2）
DP＝PEAK3/PEAK2 ……（3）
SR＝St（N）/St（N-1） ……（4）
DR＝Dt（N）/Dt（N-1） ……（5）
其中：St（N）：当前确定的调整时间
Dt（N）：当前确定的振荡周期
St（N-1）：先前确定的调整时间
Dt（N-1）：先前确定的振荡周期
本质上，要求特征值代表控制响应特性的品质，因此特征值另外还可以包括e（t）的信号波形的上升时间，例如，e（t）值达到第一个峰值（Peak 1）的60%所需要的时间，以及波峰数（在图2中所示的波形的情况下是3个波峰）。当误差的绝对值超过已事先手动予置的预定值±BD时，就开始误差信号波形的峰的检测。如果绝对值没有超过预定值，就不进行峰值检测，不计算特征值，PID常数就不被改变。
设定点变化检测器3对当前设定点r（t）进行响应，从而按照下面的公式计算设定点的变化宽度ΔSV：
ΔSV＝r（t）-r（t-Δt） ……（6）
其中r（t）：当前检测时刻的设定点
r（t-Δt）：先前检测时刻（领先于当前检测时刻一个采样周期Δt秒）的设定点
判定器4首先检测误差信号e（t）幅值的变化，当幅值变化的绝对值超过预定值±BD时，它就判定是否在设定点的变化宽度ΔSV内出现一个变化。在ΔSV内有变化的情况下，判定器4就产生一个用于把工况方式换接到设定点变化方式的信号，而在ΔSV内没有变化的情况下，判定器则产生一个用于把工况方式换接到施加扰动方式的信号。
判定器4与一个自动/手动转换开关MSW相连，开关MSW可在控制器的外部设置。借助于如开关MSW被断开（或，例如逻辑电平“0”），自动方式被建立，在自动方式中，设定点变化被检测到，从而自动地选择对应于设定点变化的特征值和知识库或对应于施加的扰动的特征值和知识库。如果开关MSW被接通，手动方式被建立，在手动方式中，可以从外部设置设定点变化方式和施加的扰动方式二者之中的任一种方式。这种手动方式用于下述二种情况之一：当总是遵从由于设定点变化而引起的瞬态（响应）特性的PID常数足够时或当总是遵从扰动影响极小化的PID常数足够时。由于这种手动方式是牺牲了一种响应特性才使另一种响应特性最优化，所以，只有当被牺牲的响应特性对控制目标不会产生有害的影响时才能用这种手动方式。用所设置的自动方式，下述事情也是可能的：在维持对扰动的抑制作用与由于设定点变化的瞬态响应特性之间的交替使用的情况下，如此调节PID常数以使其满足对两种因素的每一种因素的响应的可控性。
特征值选择器5对方式转换信号进行响应，从而在设定点变化方式期间选择超调量、幅值衰减比和调整时间比，并提供这些特征值，以及在施加扰动方式期间选择超调量、幅值衰减比和振荡周期比，并提供这些特征值。另一种方案是，特征值选择器可合并到一个能够确定（采集）和选择特征值的特征值采集器2之中。
知识处理选择器6也响应于方式转换信号，从而选择针对设定点变化或施加扰动的知识库。图3举例说明了储存在设定点变化知识库7中的针对设定点变化的PID控制律和储存在扰动知识库8中的针对施加的扰动的PID控制律。图4举例说明了储存在设定点变化知识库7中的针对设定点变化的模糊推理法所用的组成函数和储存在扰动知识库8中的针对施加的扰动的模糊推理组成函数。
参照图4，当设定点变化时，左边的针对设定点变化方式的组成函数被选择并被送到模糊推理单元9。当设定点没有变化时，右边的针对于施加扰动方式的组成函数被选择。这样，用于估计特征值的子函数对于不同的方式分别被设定，目的是各不相同地依据由于设定点变化而出现的误差或由于所加扰动而出现的误差，甚至对相同的误差波形都能进行不同的估计。在图4的每个图形表示中，横坐标代表特征值，向右是增加的，而纵坐标代表归一化的百分态，以范围从0到1内的数值来指示特征值与各个组成函数相关联的程度。各个组成函数是依照控制律取名为NE，ZO，PB和PM的，示于图3中。在横坐标上测得的特征值OV，DP，SR或DR，可以确定相应的组成函数的百分度。由于相应于设定点变化方式的组成函数形状与相应于所加扰动方式的组成函数形状是相似的，因此准备了公用的组成函数，只要改变常数就适用于两种方式的每一种。这些常数已储存在知识库中，当设定点变化方式被选择时，与图4中左边的组成函数相应的那些常数在知识库被取出之前就被送到模糊推理单元9。
现在回到图3，其中所示的控制律以条件语句的形式被记录下来，如：
“IF OV＝PB，DP＝PB，SR＝PB
THEN CPR＝UP，CTI＝UP，CTD
＝DW”
其含义是：如果超调量较大，则幅值衰减比也大，调整时间比也大，比例带PR必需加大，积分时间TI必需增加而微分时间TD必需减小。图3中，字符变量PB（正的大的）代表“大的”，NB（负的大的）代表“小的”，ZO代表“合适”，UP代表“增加”，DW代表“减小”和NC代表“不变化”。比例带、积分时间和微分时间的修正系数分别表示为CPR、CTI和CTD。指令UP，DW和NC由熟练的控制工程师或通过仿真来确定。不同的熟练的控制工程师有时候可能确定出的PID控制律和组成函数也不同。
在已确定的特性参数和知识库的基础上，模糊推理单元9调整PID常数。用于模糊推理的算法在“用于简单动态性能指标控制的模糊算法的应用”（by E.H.Mamdani，PROC.IEEE，VOI.121，NO.12，December 1974）一文中已描述，在此包括在参考文献中。模糊推理程序表示于图5中。在元素OV、DP和SP或DR的一个模糊集中，根据已知数的特征值来确定各个元素的百分度，并把各个百分度的最小值确定其g＊。接着，在元素CPR、CTI和CTD的一个模糊集中，把g＊与分别相应于元素CPR、CTI和CTD的组成函数进行比较，阴影线所标出的元素CPR＊、CTI＊和CTD＊的一个模糊集被选出，该模糊集中的每一个元素的百分度都小于g＊。哪个模糊集被选择取决于每个PID控制律。从各个PID控制律推断出的元素CPR＊、CTI＊和CTD＊分别相加在一起，从而得到元素 CPR、 CTI和 CTD的一个并集。然后，计算出每个元素 CPR、 CTI或 CTD的重心来并用作PID常数的修正系数KPR、KTI或KTD。用如此确定的修正系数乘以当前的PID常数就得到新的PID常数，如下面的公式（7）、（8）和（9）所表示出：
PR（N）＝KPR×PR（N-1） ……（7）
TI（N）＝KTI×TI（N-1） ……（8）
TD（N）＝KTD×TD（N-1）
其中PR（N）、TI（N）和TD（N）是新设定的PID常数，而PR（N-1）、TI（N-1）和TD（N-1）是当前的PID常数。另一方面，上述的推理法也可用一个混合式集成电路来实现。用下述方法，即增加方式转换信号类型的数目和相应地增加知识库的数目，例如，增加阶梯式或斜坡式设定点变化类型的数目，就能够保证PID常数的更精细的设定。
图6和7表示出在一次采样期间用图1的自校正PID控制器来实现的过程的流程图。现在将参照此流程图来说明自调整运行过程（工况）。
当自调整开始，控制器11通过一个模/数转换器采样一个设定点r（i）和一个控制值y（i）（步骤或工序B1）。自调整的起动可由接通一个为控制器设置的自调整起动开关来完成。当起动开关被接通，采样时间i被设定为零（工序B2），在i＝0被设定的时刻，i-1时刻即（-1）时刻的设定点r（i-1）被变成r（i）（工序B3），从而使与自校正有关的变量（内部标志）初始化（工序B4）。这些变量中，变量SW和MSW与判定器4相关。变量MSW是特别与自动/手动转换开关相关的，用来判定工况方式是自动地还是手动地接到设定点变化方式和施加的扰动方式二者之一的方式。对于MSW＝0，自动接通被选择，而对于MSW＝1，则手动接通被选择。变量SW用来确定是设定点变化方式还是施加的扰动方式，在自动转换接通的情况下，自动地设定SW为“0”或“1”。对于SW＝0，施加扰动的方式被选择，而对于SW＝1，则设定点变化方式被选择。在手动转换接通的情况下，SW的设定必须与MSW设定为“1”同时完成。变量Wr代表波形观测起始状态。波形观测不在Wr＝0时执行，而是当Wr＝1被设定的时刻起动。在i＝1之后，将不进行参数的初始化。
从设定点r（i）和控制值y（i）可确定误差e（i）＝r（i）-y（i）并把它送到判定器4和特征值采集器2。判定器4在每一个周期都判定误差e（i）是否超过一个在控制器外部设定的预定值ec（工序B5）。如果e（i）超过ec，则波形观测状态的变量Wr设定为“1”（工序B6）。波形观测完成之后，Wr复位为“0”，这将在后面说明。判定器4判定Wr是否是“1”或“0”（工序7），若Wr＝1，则判定器4接着判定与自动/手动转换开关有关的变量MSW是否是“0”（工序8）。如果MSW＝0保持表示自动方式，则在工序B9中完成如下的判定，以便使变量SW的自动设定能够实现。更详细地说，在工序9中，当前采样值r（i）与先前采样值r（i-1）之间的差值被计算出来并判定这个差值的绝对值是否超过一个预定值rc，以便检测设定点的变化。若该绝对值超过rc，则程序继续进行到工序B11，在工序B11中SW＝1（设定点变化方式）被设定，而如果该绝对值并不超过rc，则程序转到工序B12，在工序B12中SW＝0（扰动方式）保持不变。应当注意到，SW的设定是由判定器4来进行的。
在Wr＝1被设定的时刻，特征值采集器2和特征值选择器5被起动运行，以便误差e（i）可以在工序B13、B14、B15和B16中被处理。特别是在工序B14中，特征值选择器5选择能够根据SW的值来确定的特征值。
在工序B17中，判定器4也可实用于判定是否误差e（i）被设定。用下述事实，即误差e（i）在一预定时间保持在一预定的范围内，就可判定误差e（i）被设定。如果e（i）的设定被确定了，则在工序B18和随后的几个工序中进行模糊推理处理。如果e（i）的设定未被确定，则波形观测继续进行。
在判定误差设定的工序结束后，知识处理选择器6根据SW值而传送知识库和组成函数的常数至模糊推理单元9。更详细地说，若在工序B18中判定SW＝0，则对应于扰动的（组成函数的）常数被取出并供给单元9（工序B19），而若在工序B18中判定出SW＝1，则对应于设定点变化的常数被取出并供给单元9（工序B20）。模糊推理单元9查寻知识库以通过模糊推理估计特征值并确定PID常数的修正系数KPR、KTI和KTD（工序B21）。接着，模糊推理单元9用所确定的修正系数乘以当前的PID常数（工序B22）而得到新的PID常数并把新的PID常数设定到PID运算器1中（工序B23）。在调整了PID常数之后，波形观测状态的变量Wr被置“0”，变量SW也被置“0”，当前设定点r（i）被置于r（i-1）中（工序B24），这就完成了波形观测和PID常数推导。在工序B24中参数的再设定和修改是利用模糊推理单元9来完成的。
在另一方案中，上面所说明的实用的PID控制器可用一个微型计算机来实现。
参照图8，其中说明了根据本发明的自校正PID控制器的另一个实例。
在图1的实施例中，特征值采集器2采集超调量OV、幅值衰减比DP、振荡周期比DR和调整时间比SR作为特征值。对方式转换信号选择进行响应的特征值选择器5在设定点变化方式期间输出超调量OV、幅值衰减比DP和调整时间比SR作为特征值;而在施加扰动方式期间它输出超调量OV、幅值衰减比DP和振荡周期比DR作为特征值。然而，在图8的第二个实例中，用波峰数来代替调整时间比SR和振荡周期比DR。由于在这第二个实施例中是用与设定点变化方式和施加扰动方式无关的相同的特征值来设定PID常数，在图1实施例中要求的特征值选择器5可以被省掉。因此，按照图8的实施例，特征值采集器2采集超调量OV、幅值衰减比DP和波峰数作为特征值，这些特征值被直接地传送给模糊推理单元9。
除上述不同点之外，第2个实施例的结构是与图1的实施例是相同的，在此将不再进行说明。
如上所述，根据本发明的实施例，设置判定器4的目的是用来判定设定点变化方式或施加的扰动方式中的哪一种方式的，在判定结果的基础上PID常数对于设定点变化和扰动的抑制二者之中的任一因素都能够被设定到合适的值。
有利的是，本发明能够实现一种自校正控制器，这种控制器能够这样地控制过程，以使在设定点变化和施加扰动或过程特性变化期间能够从过程获得恰当的控制响应特性。