用于改变比例积分微分控制器的模式的装置

摘要

本发明公开了一种用于改变比例积分微分(PID)控制器模式的装置，当PID控制器的操作模式从手动模式改变到自动模式或者从自动模式改变到手动模式时，所述装置能够消除由模式改变产生的影响并稳定地实施模式改变。该装置包括：PID运算器，其被配置为通过基于手动模式改变信号或者自动模式改变信号在自动模式或者手动模式中实施PID操作来生成驱动信号；手动模式缓冲器，其被配置为当生成了手动模式改变信号时对生成的驱动信号进行处理，并将经过处理的驱动信号输出给负载驱动器；以及速度差积分计算器，其被配置为当生成了自动模式改变信号时分析生成的驱动信号并将经过分析的驱动信号输出给PID运算器。

说明书

技术领域

本发明涉及用于改变比例积分微分控制器(下文中，称为PID控制器) 的模式的装置和方法。更加具体地，本发明涉及用于改变PID控制器模式的 装置和方法，当PID控制器的操作模式从手动模式改变到自动模式或者从自 动模式改变到手动模式时，其能够消除在模式改变中产生的影响以及稳定地 实施模式改变。

背景技术

总的来说，PID控制器被广泛用于控制包括电动机等各种类型的负载的 驱动。驱动负载的PID控制器的操作模式被分成自动模式和手动模式。

在自动模式中，PID控制器通过将速度检测信号输入至负载来确定负载 的当前状态，并且通过PID控制负载的已确定状态和由用户设定的速度命令 信号来生成用于驱动负载的驱动信号。然后，PID控制器基于生成的驱动信 号驱动负载。

因此，自动模式被用于根据负载的当前操作状态驱动处于用户所期望状 态中的负载，而且PID控制器能够通过重复地实施操作而不中止来稳定地驱 动负载。

在手动模式中，PID控制器通过基于用户设定的速度命令信号生成驱动 信号来驱动负载，而不管从系统反馈的负载的状态。

当用户期望时，PID控制器的自动模式和手动模式能够改变。但是，在 模式改变是在基于PID控制器的输出信号驱动复杂的状态中被实施的情形 中，过载被施加到系统中，并且由于模式改变产生了影响。

例如，在PID控制器的操作模式从自动模式改变到手动模式的情形中， 在PID控制器根据速度检测信号和速度命令信号之间的差值输出驱动信号的 状态中PID控制器仅仅基于速度命令信号输出驱动信号。

如果从PID控制器输出的驱动信号的值改变很大，那么负载的驱动状态 就会被极大地改变，而且负载的驱动状态的改变会被照原样传递至系统。因 此，过载被施加到系统上。

因此，在PID控制器的操作模式从自动模式改变到手动模式的情形中， 通过限制由PID控制器输出的驱动信号的变化来限制模式改变中所产生的影 响的产生，因此避免了系统的过载。

但是，如果在模式改变中限制了由PID控制器输出的驱动信号的变化， 那么响应速度就会被延缓。

此外，在PID控制器的操作模式从手动模式改变到自动模式的情形中， PID控制器根据初始值实施PID控制，因此PID控制器需要很多时间来以稳 定的状态驱动负载。因此，负载的驱动速度不是恒定稳定的，并且所以，系 统会波动。

发明内容

本发明的实施例提供了一种当PID控制器的操作模式从自动模式改变到 手动模式时，能够减小在模式改变中产生的影响同时不会限制驱动信号的变 化的用于改变PID控制器中的模式的装置。

本发明的实施例还提供了一种当PID控制器的操作模式从自动模式改变 到手动模式时，能够稳定地改变模式的同时限制时间延迟、波动或者类似现 象的发生的用于改变PID控制器中的模式的装置。

应当理解的是本发明要解决的技术问题并不限于上述技术问题，而且从 以下的说明中，对于本发明所属的技术领域中的普通技术人员而言，没有提 及的其他技术问题将是显而易见的。

根据本发明的一个普通方案，提供了一种用于改变PID控制器中的模式 的装置，该装置包括：PID运算器，所述PID运算器被配置为通过基于手动 模式改变信号或者自动模式改变信号在自动模式或者手动模式中实施PID操 作来生成驱动信号；手动模式缓冲器，所述手动模式缓冲器配置为当生成了 手动模式改变信号时对由所述PID运算器生成的所述驱动信号进行处理，并 将经过处理的驱动信号输出给负载驱动器；以及速度差积分计算器，所述速 度差积分计算器配置为当生成了自动模式改变信号时分析由所述PID运算器 生成的所述驱动信号，并将经过分析的驱动信号输出给所述PID运算器。

手动模式缓冲器可以包括：定时器，所述定时器被配置为当生成了手动 模式改变信号时在预定时间内生成开关信号；过滤器，所述过滤器被配置为 对由所述PID运算器生成的所述驱动信号进行缓冲；以及多个开关，所述开 关被配置为基于所述开关信号，将由所述PID运算器生成的所述驱动信号输 入到所述过滤器中，或者使得由所述PID运算器生成的所述驱动信号绕道到 所述负载驱动器。

过滤器可以是在由所述PID运算器输出的所述驱动信号上实施高频过滤 的滞后过滤器。

当生成了自动模式改变信号时，速度差积分计算器可以计算包括在由所 述PID运算器生成的所述驱动信号中的速度差积分信号。在生成自动模式改 变信号的初始阶段，PID运算器可以通过以由所述速度差积分计算器计算出 的所述速度差积分信号替换所述待生成的驱动信号的所述速度差积分信号来 生成驱动信号。

根据本发明的一个方案，提供了一种用于改变比例积分微分(PID)控 制器中的模式的方法，所述方法包括：通过基于手动模式改变信号或者自动 模式改变信号在自动模式或者手动模式中实施PID操作来生成驱动信号；当 生成了手动模式改变信号时，对所述驱动信号进行处理并将经过处理的驱动 信号输出给负载驱动器；以及当生成了自动模式改变信号时，分析所述驱动 信号以及输出经过分析的驱动信号。

附图说明

从结合附图对实施例的以下描述中，本发明的这些和/或其他方案和优点 将变得显而易见并更易于理解。在附图中：

图1是示出使用PID控制的电动机的速度控制装置的配置的框图；

图2和图3是示出当图1的速度控制装置的模式改变时PID控制器的输 出信号的改变的图；

图4是示出根据本发明的实施例的用于改变PID控制器的模式的装置的 配置的框图；

图5和图6是示出当在装置中模式改变时输出信号的改变的图。

具体实施方式

在下文中将参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的 各个实施例。但是本发明可以实施为多种不同的形式并且不应当被理解为限 定到此处阐释的实施例上。相反地，这些实施例的提供使得本公开是完全的， 并且对本领域技术人员而言将充分地覆盖本发明的范围。

图1是示出使用PID控制的电动机的速度控制装置的配置的框图。速度 控制装置可以包括PID控制器120、负载驱动器130、负载100、速度计110 等类似元件。负载100可以包括例如电动机。速度计110通过检测负载100 的旋转速度生成速度检测信号PV。PID控制器120通过对在用户的操作下输 入的速度命令信号SV和电动机100的速度检测信号PV进行PID控制来生 成用于驱动负载100的驱动信号MV。负载驱动器130通过基于PID控制器 120输出的驱动信号MV生成驱动动力来驱动负载100。

在电动机即负载100是在如上文描述所配置的速度控制装置中被驱动的 情形中，将在用户的操作下设定的速度命令信号SV输入至PID控制器120。

速度计110通过检测负载100的旋转速度生成速度检测信号PV，而且将 生成的速度检测信号PV输入至PID控制器120。

在PID控制器120的当前设定的操作模式是自动模式的情形中，PID控 制器120确定速度命令信号SV和速度检测信号PV之间的差值，并且基于 确定的差值生成用于驱动负载100的驱动信号MV。将生成的驱动信号MV 输入至负载驱动器130。

然后，负载驱动器130生成对应于驱动信号MV的驱动动力，而且电动 机100由生成的驱动动力驱动和旋转。

在PID控制器120的当前设定的操作模式是手动模式的情形中，PID控 制器120基于速度命令信号SV而不管从速度计110反馈的速度检测信号PV 的振幅生成驱动信号MV，并且将生成的驱动信号MV输入至负载驱动器 130。

然后，负载驱动器130生成对应于驱动信号MV的驱动动力，而且电动 机100由生成的驱动动力驱动和旋转。

也即是说，如果如图2和图3所示PID控制器120在时间t10和t20处 以自动模式被操作，那么PID控制器120初始地生成波动驱动信号MV。随 着时间经过，PID控制器120生成状态稳定的驱动信号MV，以使得负载驱 动器130稳定地驱动负载100。

如果在时间t11和t21处在PID控制器120以自动模式被操作的状态中 PID控制器120的操作模式变成手动模式，那么由PID控制器120输出的驱 动信号MV的值可以如图2所示被快速地减小或者可以如图3所示被快速地 增加。

也即是说，在自动模式中，PID控制器120计算从速度计110反馈的速 度检测信号PV和用户设定的速度命令信号SV之间的差值，并且基于计算 出的差值生成驱动信号MV。

如果PID控制器120的操作模式在上文所述的状态中变成手动模式，那 么PID控制器120基于由用户设定的速度命令信号SV生成驱动信号MV而 不管速度检测信号PV。因此，由PID控制器120输出的驱动信号MV的值 可以被快速地减小或者可以被快速地增加。

如果如上文所述驱动信号MV的值被快速地减小，那么产生了允许负载 驱动器130快速地减小负载100的驱动速度的低负载影响。如果如上文所述 驱动信号MV的值被快速地增加，那么产生了允许负载驱动器130快速地增 加负载100的驱动速度的高负载影响。

如果产生了低负载影响或者高负载影响，那么重的负担被强加到负载 100上。在长时间重复低负载影响或者高负载影响中，负载100的使用期限 被缩短了。

如果在时间t12和t22处在PID控制器120以手动模式被操作的状态中 PID控制器120的操作模式变成自动模式，那么PID控制器120通过根据初 始值实施PID控制来生成驱动信号MV，因此，在负载100以稳定的速度被 驱动之前需要许多时间。此外，在负载100以稳定的速度被驱动之前PID控 制器120生成波动驱动信号MV，并且负载驱动器130基于波动驱动信号MV 驱动负载100。因此，负载100的驱动速度是波动的，并且根据负载100的 驱动而被操作的系统也是波动的。

图4是示出根据本发明的实施例的用于改变PID控制器的模式的装置的 配置的框图。上述装置可以包括PID运算器400、手动模式缓冲器410、滞 后过滤器412、定时器414和速度差积分计算器420。

PID运算器400是基于手动模式改变信号或者自动模式改变信号在手动 模式或者自动模式中被操作的。在自动模式中，PID运算器400通过根据速 度检测信号PV和速度命令信号SV之间的差值实施PID控制来生成驱动信 号MV1。在手动模式中，PID运算器400通过根据速度命令信号SV实施PID 控制来生成驱动信号MV1。在PID运算器400的操作模式从手动模式变成自 动模式的初始阶段，PID运算器400还基于从速度差积分计算器420反馈的 速度差积分信号MVi生成驱动信号MV1。

在PID运算器400的操作模式从自动模式变成手动模式的初始阶段预定 的时间内，手动模式缓冲器410使用高频过滤器对PID运算器400输出的驱 动信号MV1进行缓冲，并且将经过缓冲的驱动信号MV2输出给负载驱动器。

手动模式缓冲器410包括滞后过滤器412(即，高频过滤器)、定时器414 和开关416、开关418。

滞后过滤器412使用高频过滤对PID运算器400输出的驱动信号MV1 进行缓冲。

基于手动模式改变信号触发定时器414，从而在预定时间内生成开关信 号。

开关416和开关418基于定时器414输出的开关信号被开关，以使得PID 运算器400的输出信号通过滞后过滤器412被缓冲，然后在定时器414的预 定时间内被输出给负载驱动器。在经过了定时器414的预定时间的情形中， PID运算器400的输出信号立即被输出给负载驱动器。

在PID运算器400的操作模式从手动模式变成自动模式的初始阶段，速 度差积分计算器420基于输出给负载驱动器的驱动信号MV2、速度检测信号 PV和速度命令信号SV计算出速度差积分信号MVi，并且将计算出的速度差 积分信号MVi反馈给PID运算器400。

根据如上文描述所配置的装置，在自动模式中，PID运算器400通过基 于用户设定的速度命令信号SV和反馈回的速度检测信号PV实施PID控制 来生成驱动信号MV1，并且通过开关416和开关418将生成的驱动信号MV1 输出给负载驱动器。因此，负载驱动器基于驱动信号MV1驱动负载。

在手动模式改变信号在这种状态中被输入的情形中，PID运算器400在 手动模式中被操作。也即是说，PID运算器400通过基于用户设定的速度命 令信号SV实施PID控制来生成驱动信号MV1。

手动模式改变信号被输入到手动模式缓冲器410的定时器414。然后， 定时器414被触发以生成开关信号同时对预定时间进行计数，以使得开关416 和开关418的操作端子分别连接到一个固定端子a1和a2上。在预定时间之 后，开关416和开关418的操作端子分别连接到另一个固定的端子b1和b2 上。

然后，PID运算器400输出的驱动信号MV1通过开关416被输入至滞后 过滤器412，从而使用高频过滤对驱动信号MV1的变化进行缓冲。通过对驱 动信号MV1的变化进行缓冲获得的驱动信号MV2通过开关418被输出至负 载驱动器，以使得负载驱动器基于驱动信号MV2驱动负载。

也即是说，如图5和图6所示在PID运算器400在时间t30和t40处以 自动模式被操作的状态中，在时间t31和t41处将手动模式改变信号输入至 定时器414，以使得在PID运算器400的手动模式被启动的初始阶段定时器 414操作并在预定时间内生成开关信号。

因此，如图5和图6所示，通过滞后过滤器412使用高频过滤对PID运 算器400输出的驱动信号MV1的变化进行缓冲，并且将通过对驱动信号MV1 的变化进行缓冲获得的驱动信号MV2输出至负载驱动器。

因此，虽然当PID运算器400的操作模式从自动模式变成手动模式时PID 运算器400输出的驱动信号MV1的值被极大地改变，但是驱动信号MV1的 值被缓冲了，从而负载驱动器缓慢地改变负载的驱动速度。其结果是，没有 产生模式改变所造成的影响。

在PID运算器400以手动模式操作的状态中在时间t32和t42处输入自 动模式改变信号的情形中，PID运算器400在自动模式中被操作。

在这个状态中，速度差积分计算器420计算出速度差积分信号MVi，并 且将计算出的速度差积分信号MVi输入至PID运算器400。

然后，在自动模式中操作的PID运算器400以速度差积分计算器420输 出的速度差积分信号MVi替换待生成的驱动信号MV1的速度差积分信号， 从而生成驱动信号MV。

因此，如图5和图6所示，在PID运算器400的操作模式从手动模式变 成自动模式的初始阶段由PID运算器400输出的驱动信号MV从在手动模式 中已经被输出的驱动信号MV的值开始改变。因此，PID运算器400输出的 驱动信号MV的值不会波动。

在下文中，将详细地描述所述操作，在上述操作中因为PID运算器400 通过替换速度差积分计算器420输出的速度差积分信号MVi来生成驱动信号 MV，所以PID运算器400输出的驱动信号MV的值从在手动模式中已经被 输出的驱动信号MV的值开始改变。

通过实施PID操作由PID运算器400输出的驱动信号MV包括比例运算 成分、积分运算成分和微分运算成分。在包含在驱动信号MV中的成分中发 生了误差变化的情形中，通过排除即时出现和消失的微分运算成分仅保留比 例运算成分和积分运算成分。

当仅考虑比例运算成分和积分运算成分时，能够使用PID运算器400输 出的驱动信号MV恢复比例运算成分和积分运算成分。

可以通过以下等式1限定PID运算器400输出的驱动信号MV的值。

等式1

MV＝MVp+MVi+MVd

在等式1中，MVp表示经过比例运算的速度差信号，MVi表示经过积分 运算的速度差积分信号，以及MVd表示经过微分运算的速度差微分信号。 MVp、MVi和MVd分别通过以下等式2至等式4限定。

等式2

MVp＝Kp(SV-PV)

等式3

$\mathrm{MVi}={\mathrm{Ti}}_A^{}(\mathrm{SV}-\mathrm{PV})\mathrm{dt}$

等式4

$\mathrm{MVd}=\mathrm{Td}\frac{d}{\mathrm{dt}}(\mathrm{SV}-\mathrm{PV})$

这里，Kp、Ti和Td分别表示预定的增益值。

在等式2中，增益值Kp、速度命令信号SV和速度检测信号PV是预先 已知的值，而且能够使用这些值计算出速度差信号。

当将速度差微分信号MVd的值假定为“0”时，可能计算出包含在PID 运算器400输出的驱动信号MV中的速度差积分信号MVi。

在这个实施例中，如上文所述速度差积分计算器420计算出包含在PID 运算器400输出的驱动信号MV中的速度差积分信号MVi，并且将计算出的 速度差积分信号MVi输入给PID运算器400以被包含在驱动信号MV中。

因此，根据这个实施例，在PID运算器400的操作模式从手动模式变成 自动模式的情形中，PID控制不是根据PID运算器400的初始操作实施以在 自动模式中获得驱动信号MV，而是能够根据最终在手动模式中已经输出的 驱动信号MV的值实施PID控制。

此外，通过PID运算器400的PID运算将PID运算器400的操作模式顺 畅地从手动模式改变成自动模式而不发生诸如响应延迟的误差，因此可能避 免驱动信号MV的波动。

在根据本发明的用于改变PID控制器的模式的装置中，当PID控制器的 操作模式从自动模式变成手动模式时使用高频过滤器对PID控制器输出的驱 动信号进行过滤，因此可能通过稳定地将自动模式变成手动模式来减小模式 改变造成的影响并驱动负载。

此外，当PID控制器的操作模式从手动模式改变成自动模式时，从包含 在PID控制信号中的成分提取速度差积分信号，然后将其包含在驱动信号中， 因此可能顺畅地从手动模式改变成自动模式，以通过避免快速低负载或者快 速高负载的状况稳定地驱动负载，并且减小速度以接近理想的速度。

虽然已经示出并描述了本发明的一些实施例，但是本领域技术人员应当 理解的是可以不偏离本发明的原则和精神而对本实施例做出改变，本发明的 范围由权利要求及其等同方案所限定。