[發明專利]量化控制法

無效

• 申請號: 200610106729.2
• 申請日: 2006-07-24
• 公開（公告）號: CN101290507A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發明（設計）人: 楊玉棟
• 申請（專利權）人: 楊玉棟
• 主分類號: G05B19/00
• 分類號: G05B19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一發明名稱：量化控制法。

二所屬領域：本發明方法屬自動控制的技術領域。

三主要用途：適用于如水輪發電機組、火車等具有機械慣性的機械、機器、裝置的速度、 轉速的自動控制以及需自動控制溫度的電爐等的溫度控制。

四主要特點：與其它同類控制要求和控制對象的控制方法相比，是一種閉環反饋的、易 于使用電子計算機進行自動控制的特殊方法。具有可克服機械慣性或溫度惰性，可防止過調， 縮短調速時間的控制方法。通過設計計算機控制軟件或程序，可很容易地設定和調整控制參 數。可很容易地與現有控制系統的其它部件、機構、裝置配套應用。是自動控制領域的新方 法。具有顯著的新穎性，創造性和實用性。

五請求保護的范圍：

(一)請求保護本發明方法主體量化控制法的構思、設計的發明權、專利權、有賞轉讓權。

本發明由幾部分組成：

1.量化控制法。

2.量化控制法軟件程序。

3.論文：《量化控制法的基本規律原理及其計算機軟件》

六權利要求：

請求中國國家知識產權局專利局、國家有關部門、有關司法機關、有關按權利與義務要 求應盡保護義務的單位和公民，以及聯合國和全世界應盡保護義務的組織、國家與個人，尊 重、承認和保護本發明專利技術的和平、合理、公正、高效的利用、使用及屬于中國和我個 人的發現、發明的榮譽權，我個人的著作權和專利權。

七要求保護的技術技術特征及內容：

(一)概述

量化控制法是我在水輪發電機調節中發現的閉環控制新方法，新理論。于一九七一年發 現的。之前此發曾在1992年6月北京全國工業控制自動化學術交流會議上采用公開過，并于 當時入編到一部工業自動化類的論文集。現在經我考慮使其應用于實際祖國經濟建設中。起 初用于水輪發電機組的調節的設想中。但其不僅適用于水輪發電機調節，還適用于車船、電 機、火箭、導彈等具有機械慣性的對象的頻率和速度的控制。還可適用于電冶爐等需自動控 制溫度的電爐等的自動控溫技術中。這一方法易使控制方法計算機化和軟件化。其控制性能 預計良好可用。可減少超調量，縮短控制過程的動態過程或時間。靜差小，控制質量高。應 用之一如“說明書附圖”中的水輪發電機組的轉速(或電頻)調節的系統原理框圖圖1。

(二)量化控制法的基本原理

量化控制，顧名思義就是把被調量或模擬量(如頻率、速度及其導數和偏差)量化為運 用數字計算機運算的離散脈沖數。其控制性能類似于閉環負反饋微分自動控制原理。從被調 物理量及其導數著眼.如圖1：由傳感器檢測出被控對象的被調參量(如速度、頻率等)的電 訊號，然后由A/D(模擬/數字)轉換器轉變為適合于數字計算機運算的電脈沖數，輸入“輸 入通道設備”。在輸入通道設備中置一脈沖頻率計數器和寄存器。頻率計數器的選通脈沖的基 準周期的長短視被檢對象的具體要求而定。寄存器用以寄存前后相臨兩基準周期脈沖中前一 脈沖選通時的脈沖數。此寄存器亦可由計算機中內存儲器的一個存儲單元代替。在需要時， 由計算機發出取數信號，將被調量脈沖頻率值取至計算機參加運算。由計算機在控制程序的 (見后)的控制下解算出被調量脈沖頻率的導數和偏差。然后將被調量脈沖頻率導數及其偏 差一起根據某時即時值的大小和極性(即正負號)，鑒別出控制信號，如“增速信號”或“減 速信號”。，輸出至“輸出通道”寄存器寄存并送至D/A(數字/模擬)轉換器轉換成控制要求 的信號，而且其值亦隨要求而變化。這個信號可以是信號持續時間的長短及其幅值的高低。 控制信號被計算、鑒別、分離出后由功率放大器放大并轉換為機械能或電能量通過執行機構 (如電動機)對被控制對象進行控制，使其恢復到給定狀態。即使被控參數恢復到給定值。 這個給定值依對象不同，可以是常量，也可以是變量。所算得的被調量頻率偏差轉變為模擬 信號。其幅值同偏差成正比。這樣偏差大時執行速度較快，以縮短調速時間；偏差小時執行 速度較慢，以減小超調量。對水輪發電機組轉速(或電頻)的調節方法見“說明書附圖”圖 2。

計算機可用專用機，亦可用分時系統計算機同其它過程(如檢測，其它控速過程等)分 時運用。除計算機，輸入，輸出通道及軟件外，其余設備如傳感器，功率放大器以及執行設 備等，均需按具體控制對象要求設計制造。

(三)具體過程分析

被控對象的過程或給定狀態變化時，被調參量S偏離給定值S0增加或減少，其值輸入計 算機解算出其偏差和導數(包括量值及正負極性)。將這些偏差和導數按其值大小和極性，在 程序控制下，被即時區分為不同的數字區間P1、P2……Pn和b1，b2……bn，然后由程序將 其鑒別為“增速信號”或“減速信號”對外輸出，控制被調對象恢復到給定值狀態。具體分析 如圖2。

過程(1)：此為靜態區.即被調量的即時值在給定區附近的允許偏差范圍內，在此區內，執 行機構不動作，使被調量穩定在給定值。靜態區偏差大小可按被控制對象技術要求通過程序調 整。

過程(2)：圖2中的“不調區”(即執行機構不動作，無控制信號時)，此區域內，是被調量 在該偏差時的允許值。此時被調量雖已允許導數值向其給定值(靜態區)過渡，但沒有控制 信號，執行機構不動作。

過程(3)：當被控對象受擾動時，被調量S偏離給定值減小。偏差增大時，計算機就即 時產生“增速信號”，從而使偏差增大的趨勢減緩，使過程即時得到恢復。這樣，可減少超調 量，縮短動態過程。

過程(4)：當被調量小于給定值或給定值增大時的恢復狀態時，偏差大時給定較大的導 數，使恢復過程較快，可縮短恢復時間。偏差小時給定較小的導數值可使過程減少過調。當 導數大于某偏差時的給定值時，計算機即時產生“減速信號”使執行機構動作，減少導數值， 以防過調。當導數小于該偏差時的給定值時，計算機即時產生“增速信號”使執行機構動作， 增大導數值，以加快恢復過程。

過程(5)：當被控制對象受擾動被調量增大，偏差增大時，計算機就即時產生“減速信 號”，從而使偏差增大的趨勢減緩，使過程即時恢復。這樣也可減少超調量，縮短動態過程。

過程(6)：當被調量大于給定值或給定值減小的恢復狀態時，偏差大時給定較大的導數， 使恢復過程較快，可縮短動態時間。偏差較小時給定較小的導數，可減小超調量。當導數大 于其偏差時的給定值，計算機即產生“增速信號”，使執機構動作，減小導數值，以減少超調 量。當導數小于某偏差時的給定值時，計算機即產生“減速信號”，使執行機構動作，增大導 數值，以加快恢復過程。

被調量給定值在過程控制中，隨對象不同，有的屬恒定值，有的是隨時間而變化的。因 而控制信號的產生有的是由擾動引起的，有的是因對象工作過程變化化給定值變化引起的。 由擾動引起被調量變化時，，有以上過程(3)、(5)。因對象被調量給定值變化時，沒有以上 過程(3)和(5)。以上過程(1)~(6)中，過程(1)為靜態過程，其余(2)~(6)均為 動態過程。

圖2“量化控制法坐標圖”的象限次序與初等數學中的直角坐標系的相同。過程(5)在 第一象限。此象限內，偏差和導數均為正值。過程(3)在第三象限內。此象限內，偏差和導 數均為負值。過程(4)在第二象限。此象限內，偏差為負。導數為正。過程(6)在第四象 限。此象限內，偏差為正，導數為負。過程(2)在第二、第四象限，為“不調區”。過程(1) 即靜態區在橫軸上。圖2中縱橫坐標軸的箭頭均指正方向。P軸為偏差軸，b軸為導數軸。偏 差和導數“0”值均在坐標原點o上。靜態區即在原點上。

(四)表達″量化控制法″的邏緝代式

按照圖2″量化控制法坐標圖″可寫出表達控制信號的邏輯代數式如下：

增速信號：(圖2中的″增速區″即為產生增速信號的區域)

ZS＝CD+CD〔Q₁(R₂+R₃+…+Rn)+Q₂(R₃+R₄+…+R_n)+…+Q_n-1(R_n+ R_n+1+…)〕+CD〔Q₃(R₁+R₂)+Q₄(R₁+R₂+R₃)+…+Q_n(R₁+ R₂+…+R_n-1)〕

減速信號：(圖2中的“減速區”即為產生減速信號的區域)

ZJ＝CD+CD〔Q₁(R₂+R₃+…+R_n)+Q₂(R₃+R₄+…+R_n)+… +Q_n-1(R_n+R_n+1+…)〕+CD〔Q₃(R₁+R₂)+Q₄(R₁+R₂+R₃)+…+ Q_n(R₁+R₂+…+R_n-1)]

不調信號：(圖2中的″不調區″，即沒有控制信號的區域)

BT＝(CD+CD)(Q₁R₁+Q₂R₂+…+Q_nR_n)

以上為量化控制法的布爾代數式。

以上三邏輯式中的符號的意義如下：

C____偏差為正。C——偏差為負。D——導數為正。D——導數為負。Q_i____P_i-1～P_i(偏差區間)。R_i____R_i-1～R_i(導數區間)。P_i、R_i——為偏差及導數的界值。b_i＝0 ——為導數值為0，在坐標原點上。P₀＝0——為偏差值為0，也在坐標原點上。

(五)量化控制法的計算機程序

根據圖2“量化控制法坐標圖”和上面的布爾代數式，可寫出實現量化控制法的計算機 PASCAL程序

如下：

PROGRAM?Digitcontrol(inchl，outchl)Var

ZS，JS，C，d：boolean

A，e，s，b，SO，P：integer

Begin

1：Read(S，SO，e，P₁，P₂......P_n，b₁，b₂......b_m)

a：＝s，b：＝e-a，p：＝so-a.

if?b＞0?then?d：＝true；

if?b＜0?then?d：＝false；

if?p＞0?then?c：＝true；

if?p＜0?then?c：＝false；

e：＝a；

if?c＝True??and?d＝true?then?ZS：＝true；

?????????????????????????????ZJ：＝false；

If?c＝false?and?d＝false?then?ZJ：＝true；

??????????????????????????????ZS：＝false；

While?c＝false?and?d＝true

If?p＞po?and?p＜＝p1?and?b＞b1；

Or?p＞p1?and?p＜＝p2?and?b＜b2；

……

or?p＞＝p(n-1)?and?p＜＝pn?and?b＞bm?then?ZS：＝true；

??????????????????????????????????????????ZJ：＝false；

If?p＞p1?and?p＜＝p2?and?b＝b1

Or?p＞＝p2?and?p＜＝p3?and?b＜b2

……

or?p＞＝pn?and?b＜bm

then?ZJ：＝true，ZS＝false；

if?p＞＝p0?and?p＜＝p1?and?b＝b1

or?p＞＝p1?and?p＜＝p2?and?b＞＝b1?and?b＜＝b2

……

or?p＞＝p(n-1)and?p＜＝pn?and?b＞＝b(m-1)and?b＜＝bm

then?ZS：＝false?and?ZJ＝false

While?c＝true?and?d＝false

If?p＞＝p0?and?p＜＝p1?and?b＞b1

Or?p＞＝p1?and?p＜＝p2?and?b＞b2

……

or?p＞＝p(n-1)and?p＜＝pn?and?b＞bm

then?ZJ＝true，ZS：＝false；

if?p＞＝p1?and?p＜＝p2?and?b＝b1

or?p＞＝p1?and?p＜＝p3?and?b＜b2

……

or?p＞＝pn?and?b＜bm；

then?ZS：＝true?and?ZJ：＝false?if?p＞＝p0?and?p＜＝p1?and?b＝b1

or?p＞＝p1?and?p＜＝p2?and?b＞＝b1?and?b＜＝b2

……

or?p＞＝p(n-1)and?p＜＝pn?and?b＞＝b(m-1)and

b＜＝bm

then?ZS：＝false?and?ZJ：＝false；

While(ZS：＝false，ZJ：＝false)；

GOTO?1；

END.

以上用PASCAL語言編寫的的程序，對“量化控制法”來說是一種嘗試，因為這一控制法 屬于首創，因而程序在編寫過程中有些內容沒有國家標準可依。

有關程序及符號的意義的說明如下：

Digitcontrol：為程序名“量化控制法”。

Inchl：為自定義輸入文件，亦為輸入通道。

Outchl：為自定義輸出文件，亦即輸出通道。

Gotol：語句實現控制對象的整個實時過程控制的循環。其意義是執行完整個程序段后 轉

代表沒向標號為“1”的語句，有重返下一循環的程序執行工作。如此往復不已，實現整個控 制功能。

Read語句實現將輸入通道中控制對象的被調量脈沖的即時頻率S及其該時的給定值S0 以及前選相鄰脈頻e輸入計算機。

While語句實現將運行以上程序一個循環后的結果，即偏差p＝s₀-a的絕對值，控制信號 ZS＝true或ZJ＝true，輸出至輸出通道中，然后經變換放大后由執行機構控制對象的被 調量恢復至給定值。

程序中的p0、p1、p2……pn和b0、b1、b2……bm分別為頻率偏差及頻率導數區間的界 值。在試驗或調試中可根據控制對象要求通過修改程序輸入值而定。方法簡單容易。

以上程序的循環周期可按控制對象的要求而定。不同對象循環周期不同。

導數b＝e-Aui以頻率計數器的選通脈沖周期為時間單位的脈頻變化值。若換算為為通 常的以秒為單位時則b＝(e-a)/Δt。ΔTji5選通周期的秒數。

變量s、b、p、e、so均以脈沖個數為單位，因而其類型均為整型integer。

程序中的C＝true代表偏差偽正，C＝false代表偏差為負。d＝true代表導數為正，d＝false 代表導數為負。ZS＝true代表有增速信號，ZJ＝true代表有減速信號。ZS＝false和ZJ＝false 都有控制信號(即既沒增速信號，也沒減速信號)。S為被調量即時脈頻(變量)，Ewz前選 時相鄰脈頻(變量)。So為某時被調量對應脈頻給定值。B為某時即時導數絕對值。P為某時 即時偏差絕對值。

“量化控制法”這一名稱一方面是因為控制對象的被調參量經變換后變為適合計算機解 算及精度要求的離散脈沖數，另一方面是在計算機內解算時偏差和導數被區分為離散的區間 Qi和Ri(Qi、Ri意義見前面邏輯代數式)。