含有可调式时延补偿之控制器及其设计方法

摘要

本发明系提供一种含有可调式时延补偿的比例积分微分(PID)控制器(SP-PID)，它利用一个简单的调谐参数(Ksp)，可将此控制器转换成传统 PID控制器或是Smith预测器。SP-PID控制器结合了两种控制器的各项优点，本发明不但探讨这新型控制器的特性，也提供控制器设计的步骤，并充分说明此控制器的强韧自由度。除此外，本发明对于处理程序模式误差，可以有效的切换成传统的PID控制器，有效的减少模式误差对于控制器的影响。不过本发明最重要的工作，就是对于程序上现有的控制系统作改善，而不需加入额外的控制设备，直接利用所提出的控制方式改善控制效果。

主权项

1.一种含有可调式时延补偿之控制器,用以调整一 系统之控制效能与强韧度,该控制器系接收一程序 设定点并输出一闭环路转移函数,其包含: 一回馈控制器,用以因应该程序设定点与一回馈函 数之差而产生一第一函数; 一程序,用以因应该第一函数与该系统之负载变数 之和而产生一第二函数;以及 一时延补偿器,连结于该回馈控制器,用以因应该 第一函数而产生一第三函数,而该回馈函数系为该 第二函数与该第三函数之差; 其中,该时延补偿器包含一转移函数,藉由控制该 转移函数之一调谐参数来调整该系统之回馈时延 常数,进而调整该系统之控制效能与强韧度。 2.如申请专利范围第1项所述之控制器,其中该程序 包含一转移函数: ,其中G*系为不包含时延部分之 模式,而D系为模式之时延时间。 3.如申请专利范围第1项所述之控制器,其中该时延 补偿器包含一转移函数: ,其中G*系为不包含时延 部分之模式,D系为模式之时延时间、而KSp系为该 调谐参数。 4.如申请专利范围第3项所述之控制器,其中该系统 之回馈时延常数系为(1-Ksp)D。 5.如申请专利范围第1项所述之控制器,其中该闭环 路转移函数系为 其中,K系为该回馈控制器,G系为该程序,C*系为不包 含时延部分之模式,D系为模式之时延时间、KSp系 为该调谐参数、yset系为该程序设定点、而L系为 该系统之负载变数。 6.如申请专利范围第5项所述之控制器,当该系统为 完美模式时,该闭环路转移函数可简化为 其中,K系为该回馈控制器,G系为该程序,G*系为不包 含时延部分之模式,D系为模式之时延时间、KSp系 为该调谐参数、yset系为该程序设定点、而L系为 该系统之负载变数。 7.如申请专利范围第1项所述之控制器,其中当该调 谐参数为1时,该控制器系转换成一史密斯(Smith)预 测器。 8.如申请专利范围第1项所述之控制器,其中当该调 谐参数为0时,该控制器系转换成一比例积分微分( PID)控制器。 9.一种含有可调式时延补偿之控制器之设计方法, 其步骤包含: 选择一第一调谐因子; 决定一最小之可容忍时延常数误差; 从一第一方程式建立一第二调谐因子,并从一第二 方程式求得一调谐参数之一切换点;以及 根据该调谐参数、该第一调谐因子、该调谐参数 之该切换点、及该第二调谐因子而建立一闭环路 时间常数。 10.如申请专利范围第9项所述之设计方法,其中典 型之该最小之可容忍时延常数误差系为20%。 11.如申请专利范围第9项所述之设计方法,其中该 第一方程式系为 ,其中系为程序开环路之时间常数,系为多重 时延常数误差,D系为模式之时延时间。 12.如申请专利范围第9项所述之设计方法,其中该 第二方程式系为 ,其中系为程序闭环路之时间常数,系为多重 时延常数误差,D系为模式之时延时间。 13.如申请专利范围第9项所述之设计方法,其中该 闭环路时间常数系为 其中,KSp系为该调谐参数,PI系为该第一调谐因子 ,Ksw系为该调谐参数之该切换点,而SP系为该第二 调谐因子。 图式简单说明: 第一图(a):其系比例积分控制器之结构示意图。 第一图(b):其系smith预测控制器之结构示意图。 第一图(c):其系本案一较佳实施例之含有可调式时 延补偿之控制器之结构示意图。 第二图(a):其系比例积分控制器之可容忍时延误差 与绝对积分误差之模拟数据图。 第二图(b):其系Smith预测控制器之可容忍时延误差 与绝对积分误差之模拟数据图。 第二图(c):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 之可容忍时延误差与绝对积分误差之模拟数据图 。 第三图(a):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 之闭环路时间常数之模拟数据图。 第三图(b):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 之绝对积分误差之模拟数据图。 第三图(c):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 之可容忍时延误差之模拟数据图。 第四图(a):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 于设定点扰动时之绝对积分误差(IAE)之模拟数据 图。 第四图(b):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 于负载变数扰动时之绝对积分误差(IAE)之模拟数 据图。 第四图(c):其系本案含有可调式时延补偿之控制器 之可容忍时延常数误差之模拟数据图。 第五图(a):其系当D/=1时,不同调谐参数(Ksp)对于 设定点扰动动态响应之影响之模拟数据图。 第五图(b):其系当D/=5时,不同调谐参数(Ksp)对于 设定点扰动动态响应之影响之模拟数据图。 第六图(a):其系对于0%、5%、10%、20%时延误差系统, Smith预测器(左)与本案含有可调式时延补偿之控制 器(右)于设定点扰动时之绝对积分误差与可容忍 时延常数误差之关系。 第六图(b):其系对于0%、5%、10%、20%时延误差系统, Smith预测器(左)与本案含有可调式时延补偿之控制 器(右)于负载变数扰动时之绝对积分误差与可容 忍时延常数误差之关系。 第七图(a):其系对于D /= 5系统,其时延误差+10%(左 )与+20%(右)时,采用Smith预测器之动态响应情形。 第七图(b):其系对于D /= 5系统,其时延误差+10%(左 )与+20%(右)时,采用本案含有可调式时延补偿之控 制器之动态响应情形。