DE10041439A1 - Automatic tuning facility for a control loop based on non-linear estimators of the tuning rules - Google Patents

Automatic tuning facility for a control loop based on non-linear estimators of the tuning rules

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DE10041439A1 DE2000141439 DE10041439A DE10041439A1 DE 10041439 A1 DE10041439 A1 DE 10041439A1 DE 2000141439 DE2000141439 DE 2000141439 DE 10041439 A DE10041439 A DE 10041439A DE 10041439 A1 DE10041439 A1 DE 10041439A1
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Abstract

Ein System zur Abstimmung eines Prozessregelkreises enthält ein Abstimmungsmodul zum Empfangen eines Fehlersignals, das für die Differenz zwischen einem Sollwert und einer Prozessvariablen repräsentativ ist, wobei das Modul ein erstes Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses erzeugt. Das System enthält weiterhin ein Reglermodul zum Empfangen des Fehlersignals und eines Parametersignals von einem nicht linearen Modul, um ein zweites Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses zu erzeugen, wobei das nicht lineare Modul eine nicht lineare Prozedur zur Erzeugung des Parametersignals anwendet. Das System enthält des Weiteren eine Schalteinrichtung, die mit dem Abstimmungsmodul und dem Reglermodul gekoppelt ist, um das geeignete Prozessteuersignal zur Regelung des Prozesses zu wählen. Das bereitgestellte System verwendet nicht lineare Ansätze im nicht linearen Modul, um die gewünschten Abstimmungsparameter des Reglers anzunähern. Die nicht linearen Ansätze umfassen die Abstimmung mittels neuronaler Netzwerke, die Abstimmung mittels Fuzzy-Logik und nicht linearen Funktionen, einschließlich der sigmoiden Abstimmung. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das nicht lineare Modul ein Modul zur Bestimmung eines Prozessmoduls und ein Abstimmungsmodul für den Regler, das Reglerparameter und Modellbestimmungsparameter unter Verwendung neuronaler Netze, Fuzzy-Logik und nicht linearer Funktionen, einschließlich sigmoider Abstimmung bereitgestellt.A system for tuning a process control loop includes a tuning module for receiving an error signal representative of the difference between a setpoint and a process variable, the module generating a first process control signal to control the process. The system further includes a controller module for receiving the error signal and a parameter signal from a non-linear module to generate a second process control signal for controlling the process, the non-linear module using a non-linear procedure to generate the parameter signal. The system further includes a switching device that is coupled to the tuning module and the controller module in order to select the appropriate process control signal for controlling the process. The system provided uses non-linear approaches in the non-linear module to approximate the desired tuning parameters of the controller. The non-linear approaches include neural network tuning, fuzzy logic tuning, and non-linear functions, including sigmoid tuning. According to one embodiment of the present invention, the non-linear module includes a module for determining a process module and a tuning module for the controller, which provides controller parameters and model determination parameters using neural networks, fuzzy logic and non-linear functions, including sigmoid tuning.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION Anwendungsbereich der ErfindungScope of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Abstimmung eines Prozessreglers basierend auf nicht linearen Schätzern der Abstimmungsregeln einschließlich neu­ ronaler Netzwerke und Fuzzy-Logik.The present invention relates to a system and a method for tuning a process controller based on not linear estimates of voting rules including new ronal networks and fuzzy logic.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the prior art

Ein Proportional-, Integral-, Differential-(PID)-Regler ist ein Regler, der allgemein für industrielle Prozesse, einschließlich computergesteuerter industrieller Prozesse, verwendet wird. Derartige PID-Regler und ihre Variationen und Kombinationen, beispielsweise P, PI, PD, erfreuen sich breiter Anwendung in der Regelung industrieller Prozesse. Typische industrielle Prozesse werden von einem oder mehreren Regelkreisen mit PID- Reglern geregelt.A proportional, integral, differential (PID) controller is a Regulator that is common for industrial processes, including computer-controlled industrial processes. Such PID controllers and their variations and combinations, for example P, PI, PD, enjoy wide application in the regulation of industrial processes. Typical industrial Processes are controlled by one or more control loops with PID Controllers regulated.

Ein Fuzzy-Logik-Regler (Fuzzy Logic Controller - FLC) ist ebenfalls ein bekannter Prozessregler, der zur Regelung von Prozessparametern dient, indem Prozessvariablen innerhalb von mit gewünschten Sollwerten in Beziehung stehenden Parametern gehalten werden. FLC's sind nicht lineare Regler und werden in industriellen Umgebungen in verstärktem Maße eingesetzt.A fuzzy logic controller (FLC) is also a well-known process controller that is used to control Process parameters serves by adding process variables within with desired setpoints related parameters  being held. FLC's are non-linear controllers and are used in industrial environments are increasingly used.

Ein Typ bekannter Verfahren zur Abstimmung von Parametern eines PID-Reglers ist die Ziegler-Nichols-Methode. Die automatische Abstimmung basierend auf von einem Relais angeregten Schwingungen ist ebenfalls eine hinreichend bekannte und aner­ kannte Technik der automatischen Abstimmung. Die automatische Relaisschwingungsabstimmung bestimmt die Grenzverstärkung (Ultimate Gain) und die Grenzperiodendauer eines Prozesses an der Stabilitätsgrenze (Ultimate Period). Die Einstellungen des PID-Reglers können aus diesen Parametern mittels der Regeln von Ziegler-Nichols und Modifikationen davon bestimmt werden. Eine Weiterführung der Relaisschwingungsabstimmung, die über die Bestimmung der Grenzverstärkung und Grenzperiodendauer hinausgeht, wird in "System and Method for Automatically Tuning a Process Controller", U.S.-Patent Nr. 5,453,925, erteilt im September 1995 an Wilhelm K. Wojsznis and Terrance L. Blevins (im Folgenden Wojsznis) bereitgestellt, das hiermit in seiner Gesamtheit einbezogen wird.A type of known method for tuning parameters of a PID controller is the Ziegler-Nichols method. The automatic Tuning based on that excited by a relay Vibration is also a well known and other known technique of automatic tuning. The automatic Relay vibration tuning determines the limit gain (Ultimate Gain) and the limit period of a process the Ultimate Period. The settings of the PID controllers can use these parameters using the rules of Ziegler-Nichols and modifications thereof can be determined. A Continuation of the relay oscillation vote, which over the Determination of the limit gain and limit period "System and Method for Automatically Tuning a Process Controller ", U.S. Patent No. 5,453,925, issued in September 1995 to Wilhelm K. Wojsznis and Terrance L. Blevins (hereinafter Wojsznis) provided, hereby in his Whole is included.

In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der modellbasierten Abstimmung, insbesondere mit der Internal Model Control - (IMC) und Lambda-Abstimmung erzielt. Beide Ansätze resultieren in einer Antwort eines geschlossenen Regelkreises erster Ordnung entsprechend den Änderungen der Sollwerte. Ein mit der Antwortgeschwindigkeit in Beziehung stehender Abstimmungsparameter wird verwendet, um den Kom­ promiss zwischen Leistung und Robustheit einzustellen. Mit beiden Verfahren werden der Integralzeitparameter des PID- Reglers (oder der Integralzeitparameter und der Differential­ zeitparameter) angepasst, um die Polstelle(n) des Prozesses zu eliminieren und die Reglerverstärkung so einzustellen, dass die gewünschte Antwort des geschlossenen Regelkreises erzielt wird. IMC- und Lambda-Abstimmung haben sich durchgesetzt, da Schwingungen und Übersteuern vermieden werden und das Regel­ verhalten über die Zeitkonstante des geschlossenen Regelkreises auf eine intuitive Weise vorgegeben werden kann.Significant progress has been made in the past few years Field of model-based coordination, especially with the Internal Model Control - (IMC) and Lambda tuning achieved. Both approaches result in a closed answer First order control loop according to the changes in the Setpoints. One related to the speed of response standing tuning parameter is used to the com to set promiss between performance and robustness. With both methods, the integral time parameter of the PID Controller (or the integral time parameter and the differential time parameters) adapted to the pole point (s) of the process eliminate and adjust the controller gain so that the desired response of the closed loop is achieved. IMC and lambda tuning have prevailed since  Vibrations and oversteer are avoided and the rule behave over the time constant of the closed control loop can be specified in an intuitive manner.

Eine der Grenzen der modellbasierten Abstimmung ist die Notwen­ digkeit der Bestimmung eines Prozessmodells. Ein äquivalentes Prozessmodell erster Ordnung plus Totzeit mit den Parametern statische Verstärkung, scheinbare Totzeit und scheinbare Zeit­ konstante wird normalerweise für selbstregelnde Prozesse be­ stimmt. Für Prozesse mit integrierendem Verhalten werden Modellparameter der Integralverstärkung des Prozesses und der Totzeit bestimmt. Die Bestimmung des Modells erfolgt typischer­ weise mittels eines Sprungtests des offenen Regelkreises. Verglichen mit dem Verfahren der von einem Relais angeregten Schwingung lassen sich Verfahren für offene Regelkreise nicht leicht automatisieren. Bei Verfahren mit offenem Regelkreis sind aufgrund von Nichtlinearitäten des Prozesses, Ventil­ hysterese und Laststörungen häufig Eingriffe seitens eines Menschen erforderlich, um die Genauigkeit eines Modells sicher­ zustellen. Für selbstregelnde und Prozesse mit integrierendem Verhalten ist eine andere Technik erforderlich.One of the limits of model-based tuning is the need determination of a process model. An equivalent First-order process model plus dead time with the parameters static gain, apparent dead time and apparent time constant is usually used for self-regulating processes Right. For processes with integrating behavior Model parameters of the integral gain of the process and the Dead time determined. The model is typically determined wise by means of a jump test of the open control loop. Compared to the method of that excited by a relay Vibration methods cannot be used for open control loops easily automate. For procedures with an open control loop are due to non-linearities of the process, valve hysteresis and load disturbances are often interventions by one People required to ensure the accuracy of a model to deliver. For self-regulating and processes with integrating Behavior requires a different technique.

Erforderlich sind ein System und ein Verfahren für die Abstim­ mung in einer Relaisschwingungsumgebung, die die erforderlichen PID-Abstimmungsparameter über alle Bereiche der Modellparameter bereitstellen und Modellparameter eines Prozesses bestimmen.A system and procedure for voting is required in a relay vibration environment that has the required PID tuning parameters across all areas of the model parameters provide and determine model parameters of a process.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Demzufolge wird ein System zur Abstimmung eines Prozessregel­ kreises bereitgestellt. Das System enthält ein Abstimmungsmodul zum Empfangen eines Fehlersignals, das für die Differenz zwischen einem Sollwert und einer Prozessvariablen repräsentiv ist, wobei das Modul ein erstes Prozesssteuersignal zur Rege­ lung des Prozesses erzeugt. Das System enthält weiterhin ein Reglermodul zum Empfangen des Fehlersignals und eines Para­ metersignals von einem nicht linearen Modul, um ein zweites Prozessteuersignal zur Regelung des Prozesses zu erzeugen, wo­ bei das nicht lineare Modul eine nicht lineare Prozedur zur Erzeugung des Parametersignals anwendet. Das System enthält des weiteren eine Schalteinrichtung, die mit dem Abstimmungsmodul und dem Reglermodul gekoppelt ist, um das geeignete Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses zu wählen.As a result, a system is used to coordinate a process rule circle provided. The system contains a voting module for receiving an error signal that is for the difference between a setpoint and a process variable is, wherein the module a first process control signal to Rege process. The system still contains one  Controller module for receiving the error signal and a para metersignals from a non-linear module to a second Process control signal to regulate the process where to generate a non-linear procedure for the non-linear module Generation of the parameter signal applies. The system contains the further a switching device that with the voting module and the controller module is coupled to the appropriate Process control signal to control the process.

Das bereitgestellte System verwendet nicht lineare Ansätze im nicht linearen Modul zur Annäherung der gewünschten Abstim­ mungsparameter des Reglers. Die nicht linearen Ansätze umfassen die Abstimmung mittels neuronaler Netzwerke, die Abstimmung mittels Fuzzy-Logik und nicht linearen Funktionen, einschließ­ lich der sigmoiden Abstimmung.The system provided uses non-linear approaches in the non-linear module to approximate the desired tuning control parameters. The non-linear approaches include voting using neural networks, voting using fuzzy logic and non-linear functions Lich sigmoid tuning.

Ein System sieht außerdem vor, dass das nicht lineare Modul nicht lineare Ansätze verwendet, um die gewünschten Parameter des Prozessmodells anzunähern. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bestimmung eines Prozessmodells mittels neuronaler Netzwerke, Fuzzy-Logik und nicht linearen Funktionen einschließlich sigmoider Abstimmung erreicht, womit auf vorteilhafte Weise bessere Modellparameter erreicht werden können als mit den dem Stand der Technik entsprechenden analy­ tischen Formeln für die Bestimmung auf Basis von durch ein Relais angeregten Schwingungen.A system also provides that the non-linear module non-linear approaches used to get the parameters you want to approximate the process model. According to one embodiment of the The present invention is the determination of a process model using neural networks, fuzzy logic and non-linear Features including sigmoid tuning achieved with what better model parameters can be achieved in an advantageous manner can as with the state of the art analy formulas for the determination based on a Relay excited vibrations.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die vorliegende Erfindung und ihre zahlreichen Aufgaben, Merkmale und Vorteile wird für den Fachmann anhand der Be­ schreibung der beiliegenden Zeichnungen noch deutlicher. The present invention and its numerous objects Features and advantages for the expert on the basis of the Be writing of the accompanying drawings even more clearly.  

Fig. 1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines auf Relais­ schwingungen basierenden Abstimmungssystems gemäß der vorlie­ genden Erfindung. Fig. 1A is a schematic block diagram of a relay system based tuning system according to the vorlie invention.

Fig. 1B ist eine graphische Darstellung der Abstimmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1B is a graphic representation of the tuning according to an embodiment of the present invention.

Fig. 1C ist eine graphische Darstellung der nicht linearen Ko­ effizientenfunktionen zur Berechnung der Integralzeit und der Verstärkung des Reglers. Fig. 1C is a graphical representation of the non-linear co-efficient functions for calculating the integral time and the gain of the controller.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Abstimmung und Sprungantworten für den Prozess mit L/T ≈ 0,2 und Abtastung des Regelkreises = 0,1 s. Fig. 2 is a graphical representation of the vote and step responses for the process with L / T ≈ 0.2 and scanning of the loop = 0.1 s.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Abstimmung und Sprungantworten für den Prozess mit L/T ≈ 0,5 und Abtastung des Regelkreises = 0,1 s. Fig. 3 is a graphical representation of the vote and step responses for the process with L / T ≈ 0.5 and scanning of the loop = 0.1 s.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Abstimmung und Sprungantworten für den Prozess mit L/T ≈ 0,7 und Abtastung des Regelkreises = 0,1 s. Fig. 4 is a graphical representation of the tuning and step responses for the process with L / T ≈ 0.7 and sampling the control loop = 0.1 s.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Abstimmung und Sprungantworten für den Prozess mit L/T ≈ 0,7, Abtastung des Regelkreises = 0,1 s mit schnellem Antwortverhalten. Fig. 5 is a graphical representation of the vote and step responses for the process with L / T ≈ 0.7, sampling of the control loop = 0.1 s with a fast response.

Fig. 6 ist ein Diagramm einer von einem neuronalen Netzwerk unterstützten Abstimmungseinrichtung. Figure 6 is a diagram of a tuner supported by a neural network.

Fig. 7 ist ein Flussdiagramm der erforderlichen Schritte zur Entwicklung des neuronalen Netzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 7 is a flowchart of steps required for the development of the neural network according to an embodiment of the present invention.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der vom neuronalen Netz­ werk vorhergesagten Ergebnisse Integralzeit - tatsächlicher/­ erforderlicher Integralzeit unter Anwendung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 8 is a graphical representation of the neural network predicted results factory integral time - the actual / required integration time using the method according to an embodiment of the present invention.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse: vom neuronalen Netzwerkmodell vorhergesagte Integralzeit - tat­ sächliche Integralzeit/erforderliche Integralzeit unter Anwendung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung. Fig. 9 is a graphical representation of the results from the neural network model predicted integral time - did neuter integral time / required integration time using the method according to an embodiment of the front lying invention.

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der vom neuronalen Netzwerkmodell für den Unterbereich der Ti-Werte 15 bis 33 vorhergesagten Ergebnisse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 10 is a graphical representation of the neural network model for the sub-region of the T i values 15 to 33 predicted results according to an embodiment of the present invention.

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der Zugehörigkeits­ funktionen der Eingangsgrößen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 11 is a graphical representation of the functions of belonging of the input variables in an embodiment of the present invention.

Durch die Verwendung identischer Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen werden ähnliche oder identische Elemente ge­ kennzeichnet.By using identical reference numbers in different Drawings are made of similar or identical elements indicates.

BESCHREIBUNG DES (DER) BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT (S)

Nunmehr sei auf Fig. 1A verwiesen, die ein schematisches Block­ diagramm eines Abstimmungssystems basierend auf von einem Relais angeregten Schwingungen 100 darstellt, das gemäß den neuen nicht linearen Ansätzen geregelt werden kann. Ein Prozess 190 kann jeder beliebige regelbare Prozess sein. Ein als Prozessvariable (PV) dargestelltes Ausgangssignal 130 wird vom Prozess 190 bereitgestellt und in einem Summierer 120 addiert, in dem PV mit einem Sollwert (SP) 110 verglichen wird. Die Dif­ ferenz zwischen PV und SP, die für die Bestimmung des Ab­ stimmungssystems basierend auf Relaisschwingungen 100 heran­ gezogen wird, liefert die Grenzverstärkung Ku und die Grenz­ periodendauer Tu für einen Prozess. Wie dargestellt enthält das Abstimmungssystem basierend auf Relaisschwingungen 100 einen Summierer 120, ein Relais 150 und Abstimmungsregeln 160. Der Sollwert (SP) 110 wird zusammen mit der Prozessvariablen (PV) 130 an den Summierer 120 geliefert. Der Summierer 120 subtrahiert PV von SP und liefert das Ergebnis an das Relais 150, die Abstimmungsregeln 160 und einen Regler 170. Die Ab­ stimmung des Prozesses erfolgt entweder automatisch oder unter der Kontrolle eines Anwenders. Wahlweise kann die Abstimmung des Prozesses 190 eine automatisch gesteuerte Abstimmungsproze­ dur basierend auf der Eigenschwingung enthalten, wie die bei Wojsznis beschriebene Prozedur. Die Eigenschwingungsprozedur beinhaltet, einen Schalter 180 so zu steuern, dass entweder der Ausgang des Reglers 170 mit dem Prozess 190 oder der Ausgang des Relais 150 mit dem Prozess 190 gekoppelt wird. Bei einer Ausführungsform führt das Relais 150 die Eigenschwingungs­ prozedur mit den Abstimmungsregeln 160 aus, indem es den Schal­ ter 180 steuert. Der Schalter 180 koppelt entweder den Regler 140 oder die Abstimmungsregeln 160 und das Relais 150 mit dem Prozess 190. Die Prozedur ist eine Schwingungsprozedur, die die Zeitverzögerung, die Grenzverstärkung und die Grenzperiodendauer bestimmt.Reference is now made to FIG. 1A, which is a schematic block diagram of a tuning system based on vibrations 100 excited by a relay that can be controlled in accordance with the new non-linear approaches. A process 190 can be any controllable process. An output signal 130 represented as a process variable (PV) is provided by the process 190 and added in a summer 120 , in which the PV is compared with a target value (SP) 110 . The difference between PV and SP, which is used for the determination of the tuning system based on relay vibrations 100 , provides the limit gain K u and the limit period T u for a process. As shown, based on relay vibrations 100 , the voting system includes a summer 120 , a relay 150, and voting rules 160 . The setpoint (SP) 110 is supplied to the summer 120 together with the process variable (PV) 130 . Summer 120 subtracts PV from SP and provides the result to relay 150 , tuning rules 160, and controller 170 . The process is coordinated either automatically or under the control of a user. Optionally, the process 190 tuning may include an automatically controlled tuning process based on the natural vibration, such as the procedure described in Wojsznis. The natural vibration procedure includes controlling a switch 180 so that either the output of controller 170 is coupled to process 190 or the output of relay 150 is coupled to process 190 . In one embodiment, the relay 150 executes the natural vibration procedure with the tuning rules 160 by controlling the switch 180 . Switch 180 couples either controller 140 or voting rules 160 and relay 150 to process 190 . The procedure is an oscillation procedure which determines the time delay, the limit gain and the limit period.

Die scheinbare Totzeit Td wird bei der Initialisierung der Abstimmung bestimmt. Die scheinbare Totzeit Td wird bestimmt, indem eine Tangente als Neigung des Prozessausgangs PV 130 während der Initialisierung der Abstimmung angewendet wird. Die Tangente wird extrapoliert, um die Sollwert- (SP)- oder die Mittelwertlinie des Prozessausgangs vor dem Abstimmen zu schneiden. Die Zeit zwischen dem ersten Relaissprung und diesem Schnitt ist die scheinbare Totzeit. Andere Verfahren zur Bestimmung von Td liegen ebenfalls im Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung. Solche anderen Verfahren beinhalten die von Wojsznis bereitgestellten.The apparent dead time Td is determined when the tuning is initialized. The apparent dead time Td is determined by using a tangent as the slope of the process output PV 130 during the initialization of the tuning. The tangent is extrapolated to intersect the process output setpoint (SP) or mean line before tuning. The time between the first relay jump and this cut is the apparent dead time. Other methods of determining Td are also within the scope of the present invention. Such other procedures include those provided by Wojsznis.

Fig. 1B zeigt eine graphische Darstellung der Prozesseingangs- und -ausgangssignale während Teilen der Schwingungsprozedur. Die zeitliche Dauer zwischen der Zeit t1 (10), Schalten des Relais 150, und der Zeit t2 (20), bei der der Prozessausgang das Maximum erreicht, entspricht näherungsweise der Totzeit. Die Totzeit wird sonst als Differenz zwischen der Zeit des |SP- PV|-Inkrements und der Zeit des |SP-PV|-Dekrements berechnet. Die Dauer der Auswertung bei diesem Ansatz entspricht der Dauer einer oder mehrerer Grenzperioden (Tu). Die scheinbare Totzeit kann als Durchschnitt von zwei oder drei Ergebnissen berechnet werden. Figure 1B shows a graphical representation of the process input and output signals during parts of the oscillation procedure. The time duration between the time t1 ( 10 ), switching of the relay 150 , and the time t2 ( 20 ) at which the process output reaches the maximum approximately corresponds to the dead time. Otherwise the dead time is calculated as the difference between the time of the | SP-PV | increment and the time of the | SP-PV | decrement. The duration of the evaluation with this approach corresponds to the duration of one or more limit periods (Tu). Apparent dead time can be calculated as an average of two or three results.

Totzeit, Grenzverstärkung und Grenzperiodendauer sind zur Be­ rechnung eines Prozessmodells erster Ordnung plus Totzeit aus­ reichend. Gleichungen (1) und (2) zur Berechnung der ersten Ordnung plus Totzeit lauten:
Dead time, limit amplification and limit period are sufficient to calculate a first-order process model plus dead time. Equations (1) and (2) for calculating the first order plus dead time are:

wobei:
Tc = Zeitkonstante des Prozesses
Tu = Grenzperiodendauer
Td = scheinbare Totzeit des Prozesses
Ks = statische Verstärkung des Prozesses
Ku = Grenzverstärkung.
in which:
T c = time constant of the process
T u = limit period
T d = apparent dead time of the process
K s = static reinforcement of the process
K u = limit gain.

Die Zeitkonstante des Prozesses in Gleichung (1) wird von einer Tangensfunktion ausgedrückt, die eine gute Näherung für die Argumente kleiner als π/3 liefert, wenn die Totzeit im Vergleich zur Zeitkonstanten relativ groß ist. Für Prozesse mit unerheblicher Totzeit ergibt sich bei der Berechnung der Zeitkonstanten ein großer Fehler, selbst bei einem kleinen Fehler in der Angabe der Totzeit (das Tangensargument ist an­ nähernd gleich π/2, und ein kleiner Fehler im Argument führt zu einem großen Fehler des Tangenswertes). Eine gewisse Ver­ besserung ergibt sich durch die Verwendung einer linearen Funktion wie in Gleichung (3) dargestellt für Argumente größer als π/3:
The time constant of the process in equation (1) is expressed by a tangent function that provides a good approximation for the arguments smaller than π / 3 when the dead time is relatively large compared to the time constant. For processes with insignificant dead time, there is a large error in the calculation of the time constant, even with a small error in the specification of the dead time (the tangent argument is approximately equal to π / 2, and a small error in the argument leads to a large error in the tangent value ). A certain improvement results from using a linear function as shown in equation (3) for arguments larger than π / 3:

Ziegler-Nichols-(ZN)-Regeln für die Abstimmung eines PID- ReglersZiegler-Nichols (ZN) rules for tuning a PID Controller

Die Abstimmung basierend auf von einem Relais angeregten Schwingungen entspricht auf natürliche Weise den ZN-Regeln und liefert die Grenzverstärkung Ku und die Grenzperiodendauer Tu. Die ursprünglichen ZN-Formeln für PI-Regler lauten wie folgt:
The tuning based on vibrations excited by a relay naturally corresponds to the ZN rules and provides the limit gain K u and the limit period T u . The original ZN formulas for PI controllers are as follows:

K = 0,4 Ku; und Ti = 0,8 Tu.K = 0.4 K u ; and T i = 0.8 T u .

Diese Formeln ergeben eine Phasenreserve, die zwischen etwa 20° und 90° stark schwankt, je nach dem Verhältnis τ der Totzeit L des Prozesses zur Zeitkonstanten T des Prozesses. Folglich variiert auch das Verhalten erheblich, nämlich von einer extrem schwingenden Antwort bei einem Prozess mit einem Verhältnis nahe 0,1 zu einer extrem trägen Antwort bei einem Prozess mit einem Verhältnis nahe 1,0. These formulas result in a phase reserve that is between about 20 ° and fluctuates strongly by 90 °, depending on the ratio τ of the dead time L. of the process at the time constant T of the process. Hence the behavior also varies considerably, namely from an extreme vibrating response in a process with a ratio close to 0.1 to an extremely sluggish response in a process a ratio close to 1.0.  

Ein PID-Regler, der mit den ursprünglichen ZN-Regeln
A PID controller that complies with the original ZN rules

K = 0,6 Ku; Ti = 0,5 Tu und Td = 0,125 Tu
K = 0.6 K u ; T i = 0.5 T u and T d = 0.125 T u

abgestimmt wurde, zeigt ein ähnliches Verhalten. Um diesem Problem beizukommen, sind verschiedene Modifikationen der ur­ sprünglichen Formel vorgeschlagen worden. Eine Tendenz ist, die Verstärkung zu verringern und die Integralzeit zu verkürzen, wie aus folgenden Formeln ersichtlich:
matched behavior shows similar behavior. In order to solve this problem, various modifications of the original formula have been proposed. There is a tendency to decrease the gain and shorten the integral time, as can be seen from the following formulas:

K = 0,4 Ku; Ti = 1/3 Tu und Td = 1/12 Tu.K = 0.4 K u ; T i = 1/3 T u and T d = 1/12 T u .

Die obige Modifikation verbessert das Verhalten von Regel­ kreisen mit τ nahe 0,5; Regelkreise mit kleinen Werten von τ werden jedoch sogar noch stärker schwingend.The above modification improves the behavior of the rule circle with τ close to 0.5; Control loops with small values of τ however, are swinging even more strongly.

Andere, flexiblere Formeln (4), (5) und (6) liefern für den Entwurf der Phasen-/Verstärkungsreserve folgendes:
Other, more flexible formulas (4), (5) and (6) provide the following for the design of the phase / gain reserve:

Td = αTi (5)
T d = αT i (5)

K = Kucosϕ/Gm (6)
K = K u cosϕ / G m (6)

wobei:
α Entwurfsauswahl des Verhältnisses Td : Ti mit dem Stan­ dardwert 0,15.
Gm gewünschte Verstärkungsreserve mit dem Standardwert 2,0.
ϕ Phasenreserve.
K, Td und Ti sind die Parameter des Reglers.
in which:
α Design selection of the ratio T d : T i with the standard value 0.15.
G m desired gain reserve with the standard value 2.0.
ϕ phase reserve.
K, T d and T i are the parameters of the controller.

Mit einer vorgegebenen Phasen- und Verstärkungsreserve liefert die Formel (7) konstante Koeffizienten, um Ti, Td und K aus Tu und Ku zu berechen. Ein typischer Entwurf mit ϕ = 45° ergibt folgende Koeffizienten:
With a given phase and gain reserve, the formula (7) provides constant coefficients to calculate T i , T d and K from T u and K u . A typical design with ϕ = 45 ° gives the following coefficients:

K = 0,38 Ku; Ti = 1,2 Tu und Td = 0,18 Tu (7)K = 0.38 K u ; T i = 1.2 T u and T d = 0.18 T u (7)

Dieser Entwurf eignet sich für kleine τ, ergibt aber ein extrem träges Antwortverhalten für τ größer als 0,2.This design is suitable for small τ, but results in an extreme sluggish response behavior for τ greater than 0.2.

Wird angenommen, dass die Phasenreserve ϕ = 33° und die Ver­ stärkungsreserve = 3,0 betragen, dann resultieren folgende Koeffizienten in Formel (8):
If it is assumed that the phase reserve ϕ = 33 ° and the amplification reserve = 3.0, the following coefficients result in formula (8):

K = 0,27 Ku; Ti = 0,87 Tu und Td = 0,13 Tu; (8)K = 0.27 K u ; T i = 0.87 T u and T d = 0.13 T u ; (8th)

Diese Koeffizienten eignen sich für den Entwurf eines schmalen τ-Bereichs in der Nähe von 0,25.These coefficients are suitable for the design of a narrow one τ range close to 0.25.

Eine weitere bekannte Modifikation sieht die Definition von Reglerparametern als Funktionen der normalisierten Totzeit
Another known modification sees the definition of controller parameters as functions of the normalized dead time

oder der normalisierten Verstärkung k = 1/KpKu vor, wobei Kp die statische Verstärkung des Prozesses ist. Der obige An­ satz verwendet jedoch sowohl die Totzeit als auch die Zeitkon­ stante oder die statische Verstärkung des Prozesses. Er kann deshalb nicht unmittelbar für die Abstimmung basierend auf Relaisschwingungen verwendet werden.or the normalized gain k = 1 / K p K u , where K p is the static gain of the process. However, the above approach uses both the dead time and the time constant or the static gain of the process. It cannot therefore be used directly for tuning based on relay vibrations.

Nicht lineare Schätzer der AbstimmungsregelnNon-linear estimators of the voting rules

Bei der Entwicklung nicht linearer Schätzer von Abstimmungsre­ geln sind bestimmte Annahmen und Überlegungen zu berücksichti­ gen. Erstens werden sämtliche Eingangsparameter während des Relais-Schwingungstests gewonnen (d. h. die Grenzverstärkung, die Grenzperiodendauer und die Totzeit). Zweitens besteht der größte Mangel der Ziegler-Nichols-Regel in einer unangepassten Integralzeit des Reglers bei Prozessen mit geringer Totzeit und einer übermäßigen Integralzeit bei Prozessen mit erheblicher Totzeit. Drittens sollten die Abstimmungsregeln Abstim­ mungsparameter und Antworten des Reglers erbringen, die denen der modellgestützten Abstimmung (IMC oder Lambda) nahe kommen.When developing non-linear estimators of voting re certain assumptions and considerations must be taken into account First, all input parameters during the Relay vibration tests obtained (i.e. the limit gain, the limit period and the dead time). Second, there is  biggest shortcoming of the Ziegler-Nichols rule in an unadjusted one Integral time of the controller in processes with low dead time and an excessive integral time in processes with significant Dead time. Third, the voting rules should vote provide parameters and responses from the controller that correspond to those come close to model-based tuning (IMC or Lambda).

Der in Fig. 1A und 1B dargestellte und in der entsprechenden Diskussion beschrieben Relais-Schwingungstest für die Abstim­ mung liefert die Grenzverstärkung Ku und die Grenzperiodendauer Tu. Zur Überwindung der Mängel der ZN-Regeln haben sich nicht lineare Schätzer als Verbesserung bei der Definition von Abstimmungsparametern erwiesen.The relay vibration test for the tuning shown in FIGS . 1A and 1B and described in the corresponding discussion provides the limit gain K u and the limit period T u . In order to overcome the shortcomings of the CN rules, non-linear estimators have proven to be an improvement in the definition of voting parameters.

Ein sigmoider Ausdruck liefert einen glatten Übergang zwischen zwei verschiedenen Werten und dient zur Entwicklung nicht line­ arer Schätzer. Die folgenden Formeln erfüllen die obigen An­ forderungen:
A sigmoid expression provides a smooth transition between two different values and is used to develop non-linear estimators. The following formulas meet the above requirements:

Ti = f1(Tu, L)Tu; K = f2(Tu, L)Ku; Td = d1Ti; (9)
T i = f 1 (T u , L) T u ; K = f 2 (T u , L) K u ; T d = d 1 T i ; (9)

f2 = (Tu, L) = a2 + (b2 - f1(Tu, L)/c2; (11)
f 2 = (T u , L) = a2 + (b2 - f 1 (T u , L) / c2; (11)

dabei sind a1, a2, b1, b2, c1, c2 heuristische Koeffizienten und
a1 liegt zwischen 0,3 und 0,4;
b1 liegt zwischen 0,25 und 0,4;
b1 ≈ 0,6; b2 ≈ 1,0; c1 ≈ 7,0; c2 ≈ 4,0; d1 ≈ 0,125; d2 ≈ 1,0.
where a1, a2, b1, b2, c1, c2 are heuristic coefficients and
a1 is between 0.3 and 0.4;
b1 is between 0.25 and 0.4;
b1 ≈ 0.6; b2 ≈ 1.0; c1 ≈ 7.0; c2 ≈ 4.0; d1 ≈ 0.125; d2 ≈ 1.0.

Formel (10) ergibt den Wert des zur Berechnung von Ti verwende­ ten Koeffizienten, der zwischen einem Minimalwert von a1 und einem Maximalwert a1 + b1 schwankt, wie in Fig. 1C dargestellt. Formel (11) liefert die Anpassung des Koeffizienten für die Berechnung von K im Bereich:
Formula (10) gives the value of the coefficient used to calculate T i , which fluctuates between a minimum value of a1 and a maximum value a1 + b1, as shown in FIG. 1C. Formula (11) provides the adjustment of the coefficient for the calculation of K in the range:

[a2 + (b2 - a1 - b1), a2 + (b2 - a1)].[a2 + (b2 - a1 - b1), a2 + (b2 - a1)].

Dieser Ansatz resultiert in deutlich verbesserten Abstimmungs­ antworten, die denen der IMC- oder Lambda-Abstimmung nahe kom­ men (anders als dem Abklingen von ZN-Viertelamplituden). Einige typische Sprungantworten für verschiedene L/T sind in Fig. 2 bis 6 dargestellt. Ein Beispiel einer Regelkreis-Abstimmung und einer Sprungantwort für einen Prozess zweiter Ordnung mit Verstärkung = 1; T1 = 10 s; T2 = 3 s; L = 2 s ist in Fig. 2 dargestellt.This approach results in significantly improved tuning responses that are close to IMC or lambda tuning (other than the decay of ZN quarter amplitudes). Some typical step responses for different L / T are shown in FIGS. 2 to 6. An example of a loop tuning and a step response for a second order process with gain = 1; T1 = 10 s; T2 = 3 s; L = 2 s is shown in Fig. 2.

Das Abstimmungssystem basierend auf Relaisschwingungen 100 erzeugte folgende Reglereinstellung: K = 1,65; Ti = 12,36 und Td = 1,97 im Vergleich zu den IMC-Berechnungen: K = 1,0; Ti = 12,5 und Td = 1,97. Fig. 3 zeigt einen Graphen mit L erhöht auf bis zu 5 s, und Fig. 4 zeigt einen Graphen mit L erhöht auf bis zu oder 8 s. Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 sind die Sprungantworten denen der modellbasierten Abstimmung ähnlich, obwohl das integrierende Verhalten etwas schwächer ist als für die IMC-Antwort erforderlich (die Abstimmungseinrichtung ergab Ti = 15,7 und 18,37 im Vergleich zu 14,0 und 15,5 gemäß den IMC-Berechnungen).The tuning system based on relay vibrations 100 produced the following controller setting: K = 1.65; T i = 12.36 and T d = 1.97 compared to the IMC calculations: K = 1.0; T i = 12.5 and T d = 1.97. FIG. 3 shows a graph with L increased up to 5 s and FIG. 4 shows a graph with L increased up to or 8 s. In both FIG. 3 and FIG. 4, the step responses are similar to that of model-based voting, although the integrating behavior is somewhat weaker than that required for the IMC response (the voting device gave T i = 15.7 and 18.37 in comparison 14.0 and 15.5 according to IMC calculations).

Ein Entwurf der Abstimmeinrichtung gemäß den neuen nicht line­ aren Ansätzen der vorliegenden Erfindung gestattet es einem Anwender, das Abstimmungsverhalten anzupassen, indem die Wahl­ möglichkeiten Slow (langsam), Normal (normal) und Fast (schnell) vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt z. B. die Sprungant­ wort des Regelkreises für den Prozess L/T ≈ 0,7 mit der Wahl 'Schnell'. Die Verwendung der Geschwindigkeitswahl erhöht die allgemeine Flexibilität des Entwurfs, indem die Abstimmungs­ antwort besser an spezifische Bedingungen und Anforderungen angepasst wird. Für den Durchschnittsfachmann dürfte es auf der Hand liegen, dass ein DeltaVTM-System, hergestellt von Fisher- Rosemont Systems, Inc., implementiert in einem Windows NT- Anwendungsprogramm, oder ein anderes geeignetes Programm die neuen anpassbaren Wahlmöglichkeiten der Antworten imple­ mentieren kann.A design of the tuner in accordance with the new non-linear approaches of the present invention allows a user to adjust the voting behavior by providing the options Slow (normal) and Fast (fast). Fig. 5 shows e.g. B. the step response of the control loop for the process L / T ≈ 0.7 with the choice 'Fast'. The use of speed selection increases the overall flexibility of the design by better adapting the voting response to specific conditions and requirements. It should be obvious to one of ordinary skill in the art that a DeltaV system manufactured by Fisher-Rosemont Systems, Inc. implemented in a Windows NT application program or other suitable program can implement the new customizable choice of responses.

Nunmehr sei auf Fig. 6 verwiesen, in der eine Abstimmungsein­ richtung basierend auf Relaisschwingungen in einem schemati­ schen Blockdiagramm dargestellt ist, die die neuen nicht li­ nearen Ansätze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung opti­ onal anwendet. Das dargestellte Regelkreissystem kann sowohl nicht lineare Abstimmungstechniken als auch nicht lineare Pro­ zessmodellierungtechniken beinhalten. Wahlweise kann das System lineare Abstimmungstechniken und nicht lineare Prozess­ modellierungstechniken oder nicht lineare Abstimmungs- und lineare Prozessmodellierungstechniken beinhalten.Reference is now made to FIG. 6, in which a tuning device based on relay vibrations is shown in a schematic block diagram, which uses the new non-linear approaches according to an embodiment of the invention opti onally. The control loop system shown can include both non-linear tuning techniques and non-linear process modeling techniques. Optionally, the system can include linear tuning techniques and non-linear process modeling techniques or non-linear tuning and linear process modeling techniques.

Wie die Ausführungsform nach Fig. 6 zeigt, wird ein Prozess 630 über einen Schalter 670 entweder mit einer Abstimmungs­ einrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 oder einem Regler 610 gekoppelt. Der Regler 610 wird über einen zweiten Schalter 690 so gekoppelt, dass er entweder ein erstes Para­ metersignal 651 vom Reglerentwurf 650 oder ein zweites Para­ metersignal 641, das vom analytischen Reglerentwurf 620 und vom Prozessmodell 640 ausgegeben wird, empfängt. Der Regler 610 liefert einen Ausgang, wenn er schaltbar mit dem Prozess 630 gekoppelt ist. Die Abstimmungseinrichtung basierend auf Relais­ schwingungen 600, das Prozessmodell 640, der Reglerentwurf 650, der Regler 610, der Prozess 630 und der analytische Reglerentwurf 620 können sämtlich als Softwaremodule, Hardware oder als eine Kombination aus beiden implementiert werden. As the embodiment according to FIG. 6 shows, a process 630 is coupled via a switch 670 either to a tuning device based on relay vibrations 600 or to a controller 610 . The controller 610 is coupled via a second switch 690 in such a way that it receives either a first parameter signal 651 from the controller design 650 or a second parameter signal 641 , which is output by the analytical controller design 620 and the process model 640 . Controller 610 provides an output when it is switchably coupled to process 630 . The tuner based on relay vibrations 600 , process model 640 , controller design 650 , controller 610 , process 630, and analytical controller design 620 can all be implemented as software modules, hardware, or a combination of both.

Wie später beschrieben wird, ist der Schalter 670 auf das ent­ sprechende Prozesssteuersignal eingestellt, um den Prozess 630 zu regeln. Die Abstimmungseinrichtung basierend auf Relais­ schwingungen 600 ist außerdem so gekoppelt, dass sie Signale an ein nicht lineares Modul 660 liefert, das das Prozessmodell 640 und des Reglerentwurf 650 enthält. Sowohl der Reglerentwurf 650 als auch das Prozessmodell 640 verwenden neuronale Netzwerke, Fuzzy-Logik, nicht lineare Funktionen oder andere nicht lineare oder lineare Techniken, wie weiter unten beschrieben. Die Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 und der Regler 610 empfangen ein Fehlersignal 680, das für die Differenz zwischen einem Sollwert und einer Prozessvariablen repräsentativ ist, und generieren ein erstes Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses 630. Die Abstim­ mungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 liefert außerdem Signale an das nicht lineare Modul 660.As will be described later, the switch 670 is set to the corresponding process control signal to regulate the process 630 . The tuner based on relay vibrations 600 is also coupled to provide signals to a non-linear module 660 that includes process model 640 and controller design 650 . Both controller design 650 and process model 640 use neural networks, fuzzy logic, non-linear functions, or other non-linear or linear techniques, as described below. The tuner based on relay vibrations 600 and controller 610 receive an error signal 680 representative of the difference between a setpoint and a process variable and generate a first process control signal to control process 630 . The tuner based on relay vibrations 600 also provides signals to the non-linear module 660 .

Das erste Parametersignal und das zweite Parametersignal werden über einen Schalter 690 mit dem Regler 610 gekoppelt. Der Ausgang des Prozessmodells 640 ist mit dem analytischen Regler­ modell 620 gekoppelt dargestellt. Ein Parametersignal 641 enthält Prozessmodellparameter, die in einem Parametersignal 642 enthalten sind, das mittels nicht linearer Techniken im Prozessmodellmodul 640 berechnet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Parametersignal 641 des weiteren Reglerparameter; die im analytischen Reglerentwurf 620 mittels der im Prozessmodellmodul 640 bestimmten und im Signal 642 ausgegebenen Prozessmodellparameter berechnet werden. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass Reglerparameter aus Prozessmodellparametern erzeugt werden können. Dementspre­ chend wendet der analytische Reglerentwurf 620 optional lineare Techniken zur Bestimmung der Reglerparameter an.The first parameter signal and the second parameter signal are coupled to the controller 610 via a switch 690 . The output of the process model 640 is shown coupled to the analytical controller model 620 . A parameter signal 641 contains process model parameters that are contained in a parameter signal 642 that is calculated using non-linear techniques in the process model module 640 . In a preferred embodiment, the parameter signal 641 further contains controller parameters; that are calculated in the analytical controller design 620 using the process model parameters determined in the process model module 640 and output in the signal 642 . For the average person skilled in the art, it goes without saying that controller parameters can be generated from process model parameters. Accordingly, the analytical controller design 620 optionally uses linear techniques to determine the controller parameters.

Das vom Reglerentwurf 650 ausgegebene Parametersignal 651 ent­ hält Reglerparameter, die mittels nicht linearer Techniken berechnet werden. Der mit dem Regler 610 gekoppelte Schalter 690 stellt die Option bereit, (1) die Reglerparameter zu wäh­ len, die zusammen mit den mittels nicht linearer Techniken im Prozessmodell 640 erzeugten Prozessmodellparametern im analy­ tischen Reglerentwurf 620 berechnet werden; oder (2) die Reg­ lerparameter zu wählen, die mittels nicht linearer Techniken im Reglerentwurf 650 berechnet werden.The parameter signal 651 output by the controller design 650 contains controller parameters that are calculated using non-linear techniques. The switch 690 coupled to the controller 610 provides the option to (1) select the controller parameters that are calculated in the analytical controller design 620 along with the process model parameters generated using non-linear techniques in the process model 640 ; or (2) choose the controller parameters that are calculated using non-linear techniques in controller design 650 .

Alternativ ist der analytische Reglerentwurf 620 bei einer Aus­ führungsform aus der Systemimplementierung herausgenommen. Ohne den analytischen Reglerentwurf 620 kann der Schalter 690 sowohl mit dem Parametersignal 651 als auch mit dem Parametersignal 642 gekoppelt werden. Dementsprechend ist der Schalter 690 bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich. Der Regler 610 erhält also sowohl die Reglerparameter im Parametersignal 651 als auch die Prozessmodellparameter im Parametersignal 642. Beide Parametersignale 651 und 642 werden im nicht linearen Modul 660 mittels nicht linearer Techniken wie beispielsweise neuronale Netzwerke, Fuzzy-Logik, nicht lineare Funk­ tionsansätze oder andere nicht lineare oder lineare Techniken, die nachstehend beschrieben werden, erzeugt.Alternatively, the analytical controller design 620 is removed from the system implementation in one embodiment. Without the analytical controller design 620 , switch 690 can be coupled to both parameter signal 651 and parameter signal 642 . Accordingly, the switch 690 is not required in this embodiment. The controller 610 thus receives both the controller parameters in the parameter signal 651 and the process model parameters in the parameter signal 642 . Both parameter signals 651 and 642 are generated in the non-linear module 660 using non-linear techniques such as neural networks, fuzzy logic, non-linear function approaches or other non-linear or linear techniques, which are described below.

Auf neuronale Netzwerke gestützte AbstimmungTuning based on neural networks

Unter Bezugnahme auf Fig. 6, Reglerentwurf 650, werden die Reglerparameter wahlweise mittels eines Ansatzes der neuronalen Netzmodellierung bestimmt. Ein derartiger Ansatz mit der neu­ ronalen Netzmodellierung verbessert die Anpassung der drei PID- Reglerparameter über einen weiten Bereich von Änderungen der Modellparameter. Regelungskonzepte mittels neuronaler Netze werden im allgemeinen in zwei weitgefasste Kategorien unterteilt. Ein Ansatz sieht den Austausch eines Reglers durch ein neuronales Netzwerk vor. Das neuronale Netzwerk wird ge­ schult, indem es einen Regler oder einen menschlichen Experten nachahmt. Bei diesem Ansatz muss jeder Regelkreis getrennt ge­ schult werden, so dass er kein guter Kandidat für ein Abstim­ mungsmodell ist, das Abstimmungsergebnisse in einer einfachen und standardisierten Abstimmungsprozedur verlangt. Ein alterna­ tiver Ansatz verwendet neuronale Netzwerke als Unterstützung bei der Modellierung, der Implementierung der Regelgesetze oder zur Überwachung. Ein spezifischer Entwurf einer Abstim­ mungseinrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Abstimmungs­ einrichtung verwendet wahlweise neuronale Netzwerke oder andere nachstehend beschriebene nicht lineare Techniken, um das Prozessmodell und die Parameter des PID-Reglers zu berechnen.Referring to Fig. 6, the controller design 650, the controller parameters are determined either by means of an approach of neural network modeling. Such an approach with the neural network modeling improves the adaptation of the three PID controller parameters over a wide range of changes in the model parameters. Control concepts using neural networks are generally divided into two broad categories. One approach involves replacing a controller with a neural network. The neural network is trained by mimicking a controller or a human expert. With this approach, each control loop must be trained separately so that it is not a good candidate for a voting model that requires voting results in a simple and standardized voting procedure. An alternative approach uses neural networks as support for modeling, the implementation of the rule laws or for monitoring. A specific design of a tuning device is shown in FIG. 6. The tuner optionally uses neural networks or other non-linear techniques described below to calculate the process model and parameters of the PID controller.

Ähnlich der Eigenschwingungsprozedur, die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, verwendet die Abstimmungseinrichtung von Fig. 6 ebenfalls eine Eigenschwingungsprozedur. Die Eigen­ schwingungsprozedur sieht eine Steuerung des Schalters 670 in der Weise vor, dass entweder der Ausgang des Reglers 610 mit dem Prozess 630 oder der Ausgang der Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 mit dem Prozess 630 ge­ koppelt wird. Gemäß einer Ausführungsform empfängt der Regler 610 über den Schalter 690 die Reglerparameter entweder vom Reglermodell 650 oder vom analytischen Reglermodell 620. Bei dieser Ausführungsform erhält der analytische Reglerentwurf 620 Parameter zur Bestimmung des Prozessmodells vom Prozessmodell 640. Bei einer anderen Ausführungsform ist der analytische Reglerentwurf 620 aus der Prozessregelschleife herausgenommen. Demzufolge empfängt der Regler 610 Parameter zur Bestimmung des Prozessmodells vom Prozessmodell 640 und Reglerparameter vom analytischen Reglerentwurf 620. Der Schalter 670 koppelt ent­ weder den Regler 610 oder die Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 mit dem Prozess 630. Der Reglerent­ wurf 650 verwendet nicht lineare Techniken, um die Reglerpara­ meter zu bestimmen. Eine nachstehend beschriebene Technik be­ dient sich neuronaler Netzwerke. Similar to the natural vibration procedure described in connection with FIG. 1, the tuner of FIG. 6 also uses a natural vibration procedure. The natural vibration procedure provides control of the switch 670 in such a way that either the output of the controller 610 is coupled to the process 630 or the output of the tuning device is coupled to the process 630 based on relay vibrations 600 . In one embodiment, the controller 610 receives the controller parameters from the controller model 650 or the analytical controller model 620 via the switch 690 . In this embodiment, the analytical controller design 620 receives parameters for determining the process model from the process model 640 . In another embodiment, analytical controller design 620 is removed from the process control loop. Accordingly, controller 610 receives parameters for determining the process model from process model 640 and controller parameters from analytical controller design 620 . The switch 670 decouples either the controller 610 or the tuner based on relay vibrations 600 with the process 630 . The controller design 650 uses non-linear techniques to determine the controller parameters. One technique described below uses neural networks.

Die Prozedur zur Entwicklung neuronaler Netzwerktechniken be­ inhaltet einige grundlegende Schritte, die in Fig. 7 darge­ stellt sind. Fig. 7 ist ein Flussdiagramm der Schritte bei der Erstellung neuronaler Netzwerke. Schritt 700 zeigt den ersten Schritt, in dem simulierte Regelkreiskonfigurationen unter der Einbeziehung künftiger Anwendungen der Abstimmungseinrichtung entwickelt werden. Normalerweise wird ein Prozessmodul entweder zweiter oder dritter Ordnung plus Totzeit verwendet. Schritt 710 gibt einen angenommenen Bereich für die Änderungen der Prozessparameter vor. Schritt 720 gibt vor, dass der Entwickler die PID-Reglereinstellungen für jede Menge Modellparameter unter Anwendung der IMC-Regeln, Lambda-Abstimmung oder eines anderen bevorzugten Reglerkonzepts berechnet. Schritt 730 sieht vor, dass der Entwickler die automatische Abstimmungseinrichtung für die gleichen Mengen Modellparameter ablaufen lässt und die Abstimmungsergebnisse, Tu, Ku und L, aufzeichnet. Schritt 740 sieht vor, dass der Entwickler das Verhalten des Regelkreises mit den berechneten Parametern überprüft und die Parameter wie erforderlich anpasst. Schritt 750 sieht vor, dass der Entwickler das neuronale Netzwerk unter Verwendung der simulierten Abstimmungsgebnisse als Eingänge für das neuronale Netz sowie der Modell- und Reglerparameter als Ausgänge des neuronalen Netzes schult. Schritt 760 sieht vor, dass der Entwickler das geschulte neuronale Netzwerk in der Abstimmungseinrichtung implementiert.The procedure for developing neural network techniques includes several basic steps, which are shown in FIG. 7. Figure 7 is a flow diagram of the steps in creating neural networks. Step 700 shows the first step in which simulated control loop configurations are developed including future applications of the tuner. Usually a process module of either second or third order plus dead time is used. Step 710 specifies an assumed range for the changes in the process parameters. Step 720 dictates that the developer calculate the PID controller settings for any set of model parameters using IMC rules, lambda tuning, or another preferred controller concept. Step 730 provides that the developer runs the automatic voting facility for the same set of model parameters and records the voting results, T u , K u, and L. Step 740 provides that the developer checks the behavior of the control loop with the calculated parameters and adjusts the parameters as necessary. Step 750 provides that the developer trains the neural network using the simulated voting results as inputs to the neural network and the model and controller parameters as outputs of the neural network. Step 760 provides that the developer implements the trained neural network in the tuner.

Das oben unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschriebene neuronale Netzwerk kann von jedem beliebigem Typ sein (sigmoide oder radiale Basisfunktionen). Bei einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung wird das neuronale Netzwerk mit der Neu­ ronenübertragungsfunktion verwendet, die gegeben ist durch:
The neural network described above with reference to Figure 6 can be of any type (sigmoid or radial basis functions). In one embodiment of the present invention, the neural network is used with the neuron transfer function, which is given by:

als neuronaler Eingang. In ist eine gewichtete Summe externer Eingänge.
as a neural input. In is a weighted sum of external inputs.

In = ΣwiIni.
In = Σw i In i .

Das neuronale Netzwerk wird selektiv mit mehreren Ausgängen (Ausgänge K und Ti für das neuronale Netzwerk des Reglers und Kp und T für das neuronale Netzwerk des Modells) oder als mehrere neuronale Netzwerke mit einem einzigen Ausgang ange­ wendet. Der Vorteil des neuronalen Netzwerks mit einem Ausgang ist die raschere Schulung. Aus diesem Grund implementiert eine Ausführungsform ein neuronales Netzwerk mit einem einzigen Aus­ gang. Bei einem beispielhaften Konzept für eine Abstimmungs­ einrichtung sind folgende Ein- und Ausgänge des neuronalen Netzwerks definiert:
Eingänge: Tu, Ku, L, Rauschpegel, Relaishysterese und Ab­ tastgeschwindigkeit.
Tu, Ku, L und der Rauschpegel werden während des Abstim­ mungstests definiert.
Die Relaishysterese und die Abtastgeschwindigkeit sind Parameter der Abstimmungseinrichtung.
Ausgänge: K, Ti, Td, Kp und T.
K, Ti und Td sind Parameter des PID-Reglers.
Kp und T gemeinsam mit L sind Parameter des Prozessmodells erster Ordnung plus Totzeit.
The neural network is selectively used with multiple outputs (outputs K and T i for the neural network of the controller and K p and T for the neural network of the model) or as multiple neural networks with a single output. The advantage of the single-output neural network is faster training. For this reason, one embodiment implements a single output neural network. The following inputs and outputs of the neural network are defined in an exemplary concept for a voting device:
Inputs: T u , K u , L, noise level, relay hysteresis and scanning speed.
T u , K u , L and the noise level are defined during the tuning test.
The relay hysteresis and the scanning speed are parameters of the tuning device.
Outputs: K, T i , T d , K p and T.
K, T i and T d are parameters of the PID controller.
K p and T together with L are parameters of the process model of the first order plus dead time.

Fragen der Implementierung und TestergebnisseImplementation issues and test results

Bei einem Beispiel der neuen nicht linearen Verfahren werden neuronale Netzwerkmodelle implementiert, um die automatische Abstimmungseinrichtung (Autotuner) auf Basis von durch ein Relais angeregten Schwingungen in einem skalierbaren Regler­ system für industrielle Zwecke zu verbessern. Der Autotuner weist zwei Blöcke auf: den Tunerfunktionsblock, der im Regler implementiert ist, und die Anwendung der Abstimmungseinrich­ tung. Die Anwendung der Abstimmungseinrichtung ist in einer Windows-NT-Konsole oder einer anderen geeigneten Konsole im­ plementiert. Die neuronalen Netzmodelle werden zur Anwendung der Abstimmungseinrichtung hinzugefügt. Bei einer Ausführungs­ form sind die neuronalen Netzwerkmodelle für den Anwender der Abstimmungseinrichtung transparent, wobei der Autotuner keine zu neuronalen Netzwerken gehörigen Wahlmöglichkeiten oder Einstellungen aufweist.An example of the new non-linear methods will be neural network models implemented to automatic Voting device (autotuner) based on a Relay excited vibrations in a scalable controller improve system for industrial purposes. The car tuner has two blocks: the tuner function block, the one in the controller is implemented, and the application of the voting facility tung. The application of the voting facility is in one Windows NT console or another suitable console in the implemented. The neural network models are used added to the voting facility. With an execution form are the neural network models for the user of the Voting device transparent, the autotuner none options belonging to neural networks or Settings.

Gemäß des hier beschriebenen Verfahrens wird das neuronale Netzwerk für das Prozessmodell zweiter Ordnung plus Totzeit geschult. Die nachstehende Spezifikation definiert die ver­ fügbaren Eingangs- und Ausgangsdaten zur Schulung neuronaler Netzmodelle:According to the method described here, the neural Network for the second-order process model plus dead time trained. The following specification defines the ver available input and output data for training neural Network models:

Prozessmodell auf Basis eines neuronalen NetzesProcess model based on a neural network

Eingänge: Grenzverstärkung Ku, Grenzperiodendauer Tu und Tot­ zeit L, definiert während des relaisbasierten Abstimmungs­ experiments.Inputs: limit gain K u , limit period T u and dead time L, defined during the relay-based tuning experiment.

Ausgänge: Prozessverstärkung: 0,5; 1,0; 1,5; Zeitkonstante 1 des Prozesses in Sekunden: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 50,0; 100,0; 200,0; Zeitkonstante 2 des Prozesses in Sekunden: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; Totzeit in Sekunden: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 50,0; 100,0; 200,0. Outputs: process gain: 0.5; 1.0; 1.5; Time constant 1 of the process in seconds: 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; 20.0; 50.0; 100.0; 200.0; Time constant 2 of the process in seconds: 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; Dead time in seconds: 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; 20.0; 50.0; 100.0; 200.0.  

Reglermodell auf Basis eines neuronalen NetzesController model based on a neural network

Eingänge: wie für das Prozessmodel auf Basis eines neuronalen Netzwerkes.Inputs: as for the process model based on a neural Network.

Ausgänge: Verstärkung K des PID-Reglers, Integralzeit Ti und Differentialzeit Td, berechnet aus den oben angegebenen Pro­ zessmodellparametern für die Ausgänge, d. h. Prozessverstärkung 0,5; 1,0; 1,5; Zeitkonstante 1 des Prozesses in Sekunden: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 50,0; 100,0; 200,0; Zeitkonstante 2 des Prozesses in Sekunden: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; Totzeit in Sekun­ den: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 50,0; 100,0; 200,0.Outputs: Gain K of the PID controller, integral time T i and differential time T d , calculated from the process model parameters given above for the outputs, ie process gain 0.5; 1.0; 1.5; Process time constant 1 in seconds: 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; 20.0; 50.0; 100.0; 200.0; Time constant 2 of the process in seconds: 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; Dead time in seconds: 1.0; 2.0; 5.0; 10.0; 20.0; 50.0; 100.0; 200.0.

Experimentelle ErprobungExperimental testing

Eine experimentelle Erprobung der Abstimmungssimulierung wurde 142 mal durchlaufen, wobei es sich in etwa um die Mindestanzahl von Abtastungen handelt, die zur Schulung eines einfachen neuronalen Netzes geeignet sind. Die Abtastungen ergaben einen guten Korrelationskoeffizienten und im allgemeinen Werte des vorhergesagten Ausgangs, die den des erforderlichen Ausgangs nahe kamen. Die Graphen der Ergebnisse für Ti sind in Fig. 8 und 9 dargestellt.An experimental test of the voting simulation was carried out 142 times, which is approximately the minimum number of scans that are suitable for training a simple neural network. The samples gave a good correlation coefficient and generally values of the predicted output that came close to that of the required output. The graphs of the results for T i are shown in FIGS. 8 and 9.

Bei manchen Intervallen des vorhergesagten Parameterbereichs war der Vorhersagefehler nicht akzeptabel. Diesbezüglich gibt es zwei spezifische Fälle. In einem Fall handelt es sich um kleine Werte der vorhergesagten Reglerparameter (relativ zum Vorhersagefehler). In diesem Fall ergibt sogar ein vorhergesag­ ter Parameter von nur 1% des maximalen Wertes nicht akzeptable Parameter. Wie insbesondere aus Fig. 8 ersichtlich ist, kann Ti null oder sogar negativ sein, wenn der tatsächliche Wert nahe dem Vorhersagefehler liegt. At some intervals of the predicted parameter range, the prediction error was not acceptable. There are two specific cases in this regard. In one case, these are small values of the predicted controller parameters (relative to the prediction error). In this case, even a predicted parameter of only 1% of the maximum value gives unacceptable parameters. As can be seen in particular from Fig. 8, T i is zero or even negative if the actual value is close to the prediction error can.

Eine andere Fehlersituation tritt ein, wenn im Unterbereich zu wenig Abtastungen enthalten sind. Möchte beispielsweise ein Anwender den Bereich der neuronalen Netzmodellierung erweitern, indem für einen erweiterten Unterbereich, z. B. Ti < 50,0 in Fig. 8, nur wenige Simulierungen durchgeführt werden, könnte ein Fehler auftreten.Another error situation occurs if the sub-area contains too few samples. For example, if a user wants to expand the area of neural network modeling, for an extended sub-area, e.g. B. T i <50.0 in Fig. 8, only a few simulations are performed, an error could occur.

Auf einem neuronalen Netzwerk basierende AbstimmungsregelnVoting rules based on a neural network

Um Anomalien zu zu vermeiden, wenden die Abstimmungsmodelle auf Basis neuronaler Netze gemäß den beispielhaften, nicht linearen Techniken folgende Regeln bzw. Schritte an. Erstens sind so viele Abtastungen wie möglich zu erfassen. Es ist zumindest die Mindestanzahl Abtastungen zu erfassen, die für ein einfaches Modell erforderlich sind. Zweitens ist der Bereich für den vorhergesagten Parameter so zu wählen, dass sich ein innerhalb des Bereichs liegender Parameter nur wenige Male (ca. 5) än­ dert. Ändern sich die vorhergesagten Werte öfters (ca. 15 mal), ist der Bereich der Parameteränderungen auf mehrere Unterbereiche aufzuteilen, und es sind mehrere neuronale Netz­ modelle zu entwickeln. Drittens sind kleine vorhergesagte Werte mit besonderer Aufmerksamkeit zu behandeln. Sind die vorherge­ sagten Werte im Vergleich zum Vorhersagefehler klein, ist für die kleinen Werte ein getrenntes neuronales Netzmodell zu er­ stellen.To avoid anomalies, the voting models apply Basis of neural networks according to the exemplary, non-linear Techniques following rules or steps. First are like that capture as many samples as possible. At least that's it Capture minimum number of samples for a simple Model are required. Second, the area for the choose predicted parameters so that there is an inside of the range of the parameters only a few times (approx. 5) different. The predicted values change frequently (approx. 15 times), is the range of parameter changes to several Subdivide and there are several neural networks to develop models. Third, are small predicted values to be treated with special attention. Are the previous ones said values compared to the prediction error is small for the small values to a separate neural network model put.

Beispielsweise wurde ein Modell mit einem eingeengten Unter­ bereich von 15 bis 33 (anstelle von 1 bis 320 des vollen Be­ reich) entwickelt. Obwohl die Anzahl der Abtastungen unter der Mindestanzahl lag, war die Vorhersage viel besser als beim ursprünglichen Modell für den gesamten Bereich. Ein Graph der Vorhersage des neuronalen Netzmodells für den Unterbereich von Ti ist in Fig. 10 dargestellt. Der Vorhersagefehler relativ zu den IMC-Parametern liegt unter 5%, während der Fehler des nicht linearen Funktionsschätzers für die Testfälle L/T < 0,5 12,0% übersteigt.For example, a model with a narrowed sub-range from 15 to 33 (instead of 1 to 320 of the full range) was developed. Although the number of samples was below the minimum number, the prediction was much better than the original model for the whole area. A graph of the prediction of the neural network model for the subrange of T i is shown in FIG. 10. The prediction error relative to the IMC parameters is less than 5%, while the error of the non-linear function estimator for the test cases L / T <0.5 exceeds 12.0%.

Lineare und nicht lineare Korrekturfunktionen zur Bestimmung des ProzessmodellsLinear and non-linear correction functions for determination of the process model

Nunmehr sei erneut auf Fig. 6 verwiesen, wonach zusammen mit den Formeln (1) und (3) (nachstehend wiederholt) die Verwendung linearer und nicht linearer Korrekturfunktionen zur Angabe des Prozessmodells beschrieben wird. Wie oben beschrieben liefert das Prozessmodell 640 Parameter des Prozessmodells, indem wahlweise lineare Funktionen oder lineare Korrekturfunktionen angewendet werden. Die unten beschriebenen Techniken wenden lineare, nicht lineare Funktionen, neuronale Netze und Fuzzy- Logik als Korrekturfunktionen zur Bestimmung des Prozessmodells an, die im Prozessmodell 640 ausgeführt werden.Reference is now made again to FIG. 6, according to which the use of linear and non-linear correction functions for specifying the process model is described together with formulas (1) and (3) (repeated below). As described above, the process model 640 provides parameters of the process model using either linear functions or linear correction functions. The techniques described below use linear, non-linear functions, neural networks, and fuzzy logic as correction functions to determine the process model that are executed in process model 640 .

Die aus Formeln (1) und (3) erzeugte Zeitkonstante (Tc) ist erheblich kleiner für kleinere Verhältnisse scheinbarer Totzeit des Prozesses zur Grenzverstärkung
The time constant (T c ) generated from formulas (1) and (3) is considerably smaller for smaller ratios of apparent dead time of the process for limit amplification

und eine übermäßig hohe Zeitkonstante (Tc) im Verhältnis scheinbarer Totzeit des Prozesses zur Grenzverstärkung
and an excessively high time constant (T c ) in relation to the apparent dead time of the process for limit amplification

größer als 0,25, wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist.greater than 0.25 as from Table 1 can be seen.

Eine Korrekturfunktion f(Tu/Td), angewendet auf die angegebene Zeitkonstante des Prozesses
A correction function f (T u / T d ) applied to the specified time constant of the process

Tc(korr.) = Tc(angegeben)f(Tu/Td),
T c (corr.) = T c (given) f (T u / T d ),

sollte f(Tu/Td)-Werte größer als 1 für ein kleines Td/Tu und kleiner als 1 für Td/Tu größer als 0,25 haben.should have f (T u / T d ) values greater than 1 for a small T d / T u and less than 1 for T d / T u greater than 0.25.

Eine einfache lineare Funktion mit Koeffizienten, die aus simulierten Tests entwickelt wurden, korrigiert die Zeitkon­ stante des Prozesses gemäß Gleichung (12):
A simple linear function with coefficients developed from simulated tests corrects the time constant of the process according to equation (12):

Bei einer nicht linearen Funktion sorgt ein sigmoider Ausdruck für einen glatten Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Werten. Eine sigmoide Korrekturfunktion ist hinreichend gut definiert, wenn die minimalen und maximalen Werte bekannt sind. Die folgende Formel (13) für die Schätzung der Zeitkonstanten des Prozesses wurde auf Basis einer kleiner Menge simulierter Daten entwickelt:
For a non-linear function, a sigmoid expression ensures a smooth transition between two different values. A sigmoid correction function is well defined if the minimum and maximum values are known. The following formula (13) for estimating the time constant of the process was developed based on a small amount of simulated data:

Formel 12 ergibt den Wert des für die Berechnung von Tc ver­ wendeten Koeffizienten, der zwischen einem minimalen Wert von 0,8 und einem maximalen Wert von 2,2 variiert. Nach der Kor­ rektur der Zeitkonstanten wird die statische Verstärkung des Prozesses erneut unter Anwendung der Formel (2) berechnet, die nachstehend wiederholt wird:
Formula 12 gives the value of the coefficient used for the calculation of T c , which varies between a minimum value of 0.8 and a maximum value of 2.2. After correcting the time constant, the static gain of the process is calculated again using formula (2), which is repeated below:

Die Abstimmungs- und Berechnungsergebnisse für den Prozess mit der statischen Verstärkung 1,0 sind in Tabelle 1 und mit der sta­ tischen Verstärkung 2,0 in Tabelle 2 zusammengestellt. In bei­ den Fällen ist der Prozess als Modell zweiter Ordnung mit T1 = 10 s; T2 = 2 s plus Totzeit gemäß Spalte Td modelliert. Der Bezeichner näherte das Modell um ein Modell erster Ordnung plus Totzeit an (Td bestimmt). Die dargestellten Modellparameter werden zunächst angegeben (Td, Kp und Tc) und mittels linearer und nicht linearer Schätzungsformeln (Kp und Tc) korrigiert.The coordination and calculation results for the process with the static gain 1.0 are in Table 1 and with the sta table gain 2.0 compiled in Table 2. In at In the cases, the process is a second order model with T1 = 10 s; T2 = 2 s plus dead time modeled according to column Td. The Identifier approached the model by a first order plus model Dead time on (Td determined). The model parameters shown are given first (Td, Kp and Tc) and by means of linear and nonlinear estimation formulas (Kp and Tc) corrected.

Tabelle 1 Table 1

Ergebnisse der Angabe des Prozessmodells mit Kp = 1,0 Results of specifying the process model with Kp = 1.0

Tabelle 2 Table 2

Ergebnisse der Angabe des Prozessmodells mit Kp = 0,5 Results of specifying the process model with Kp = 0.5

Die Anwendung beider Korrekturfunktionen verbesserte die Be­ stimmung des Prozessmodells erheblich.The application of both correction functions improved the loading process model considerably.

Fuzzy-Logik-gestützte BestimmungFuzzy logic-based determination

Ein typischer Fuzzy-Logik-Regler ist ein nicht linearer Reg­ lertyp. Einzigartige Merkmale eines Fuzzy-Logik-Reglers sind die Funktionsweise und die Entwicklung des Reglers. Ein Fuzzy- Regelalgorithmus wird durch linguistische Regeln definiert. Die Reglereingangsparameter werden durch Fuzzy-Mengen repräsen­ tiert. Die Funktionsweise des Reglers wird durch die Regel­ oberfläche, insbesondere bei Reglern, die Eingangsparameter verwenden, gut dargestellt. A typical fuzzy logic controller is a non-linear controller type. Unique features of a fuzzy logic controller are the functioning and development of the controller. A fuzzy Control algorithm is defined by linguistic rules. The Controller input parameters are represented by fuzzy sets animals. The functioning of the controller is determined by the rule surface, especially for controllers, the input parameters use, well presented.  

Die Prozedur zur Entwicklung von Fuzzy-Logik-(FL)-Funktionen ist ähnlich der Prozedur zur Entwicklung eines Fuzzy-Logik- Reglers. Das nachstehende Verfahren dient zur Bestimmung einer FL-Korrekturfunktion.The procedure for developing fuzzy logic (FL) functions is similar to the procedure for developing a fuzzy logic Controller. The following procedure is used to determine a FL correction function.

Erstens wird angenommen, dass die Korrekturfunktion für die Zeitkonstante des Prozessmodells folgende Form hat:
First, it is assumed that the correction function for the time constant of the process model has the following form:

Tc(korr.) = Tc[1 + ΔF]; (14)
Tc (corr.) = Tc [1 + ΔF]; (14)

dabei ist ΔF eine Fuzzy-logische Korrekturfunktion. Der Wert der Funktion entspricht dem inkrementalen Ausgang des Fuzzy- Logik-Reglers. Der potentielle Vorteil, den die Verwendung einer Fuzzy-Logik-Funktion gegenüber einer normalen nicht linearen Funktion hat, besteht darin, dass die Fuzzy-Logik- Funktion eine flexiblere Struktur hat und auf einfache Weise zwei oder mehr Argumente aufnehmen kann.ΔF is a fuzzy logic correction function. The value the function corresponds to the incremental output of the fuzzy Logic controller. The potential benefit of using it a fuzzy logic function compared to a normal one linear function is that the fuzzy logic Function has a more flexible structure and in a simple way can take two or more arguments.

Zweitens ist die Funktion mit zwei Argumenten zu verwenden, wobei das Verhältnis Tu/Td das erste und die Grenzverstärkung das zweite Argument ist.Second, the function has two arguments to use where the ratio Tu / Td is the first and the limit gain the second argument is.

Es ist möglich, verschieden viele und verschiedene Typen Zuge­ hörigkeitsfunktionen zu verwenden. Der einfachen Implementie­ rung wegen sind einfache Dreieck-Zugehörigkeitsfunktionen für die Eingangsparameter und Singleton-Funktionen für die Aus­ gangssignale zu verwenden. Fig. 11 und Tabelle 3 zeigen Einzel­ heiten der Struktur einer Fuzzy-Logik-Korrekturfunktion. Bezüglich Tabelle 3 gilt, dass P positiv und N negativ bedeu­ tet. It is possible to use different numbers and different types of membership functions. For the simple implementation, simple triangle membership functions for the input parameters and singleton functions for the output signals are to be used. Fig. 11 and Table 3 show details of the structure of a fuzzy logic correction function. Regarding Table 3, P means positive and N means negative.

Negativ: N = -0,4; negativ klein: NS = -0,2; positiv: P = 0,5; positiv groß: PL = 1,2Negative: N = -0.4; negative small: NS = -0.2; positive: P = 0.5; positive large: PL = 1.2

Tabelle 3Table 3 Inferenzregeln für die KorrekturfunktionInference rules for the correction function

Eine Defuzzifizierung des Ausgangssignals ist für Singleton- Zugehörigkeitsfunktionen zutreffend.Defuzzification of the output signal is for singleton Membership roles apply.

Tabelle 4 Table 4

Vergleich zwischen angegebener Zeitkonstante und Prozessverstärkung aus verschiedenen Korrektur­ funktionen Comparison between the specified time constant and process gain from various correction functions

Experimentelle Ergebnisse der Fuzzy-Logik-SimulierungExperimental results of fuzzy logic simulation

Die Fuzzy-logische Korrekturfunktion ergab Zeitkonstanten und Verstärkungsschätzungen, die vergleichbar mit den Schätzungen mittels linearer und nicht linearer Korrekturfunktionen sind.The fuzzy logic correction function resulted in time constants and Gain estimates that are comparable to the estimates using linear and non-linear correction functions.

Gemäß Tabelle 4 liefert ein auf Relaisschwingungen basierender Bezeichner mit hinzugefügten Korrekturfunktionen ein Modell erster Ordnung plus Totzeit, das für modellgestützte Abstim­ mungsberechnungen eines PID-Reglers verwendet werden kann.According to Table 4, one based on relay vibrations Identifier with added correction functions a model first order plus dead time, for model-based tuning calculation of a PID controller can be used.

Sowohl nicht lineare Funktionen als auch neuronale Netzmodelle verbessern die Abstimmungsregeln auf Basis von durch ein Relais angeregten Schwingungen erheblich. Unter Einhaltung der vorgegebenen Grundsätze in der Entwicklung der Abstimmung ba­ sierend auf neuronalen Netzen liefert die Modellierung neuro­ naler Netzwerke eine Reihe von Vorteilen. Ein Anwender kann beliebige Abstimmungsregeln (nicht notwendigerweise Lambda oder IMC) implementieren und zur Entwicklung von auf neuronalen Netzen basierenden Abstimmungsmodellen die gleiche Methodik anwenden. Ein in der Simulierung entwickeltes neuronales Netzmodell kann bestimmte Merkmale des Abstimmungsentwurfs aufnehmen. Abtastgeschwindigkeit und Rauschpegel, die den Entwurf des Reglers beeinflussen, lassen sich auf einfache Weise als Eingangsparameter zur Vorhersage hinzufügen.Both non-linear functions and neural network models improve the voting rules based on by a relay excited vibrations considerably. In compliance with the predetermined principles in the development of the vote ba Modeling on neuronal networks provides neuro networks a number of advantages. A user can any voting rules (not necessarily lambda or IMC) implement and develop on neural Network-based voting models use the same methodology apply. A neural developed in the simulation Network model may have certain features of the voting draft take up. Sampling speed and noise level that the The design of the controller can be influenced in a simple manner Add way as an input parameter to the prediction.

Andere AusführungsformenOther embodiments

Obwohl die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren eine Abstimmungseinrichtung verwenden, die die Grenzperiodendauer und die Grenzverstärkung eines Prozesses berechnet, um Informa­ tionen zu entwickeln, kann jeder andere Typ Abstimmungs­ einrichtung, der Prozesskennwerte misst, verwendet werden, einschließlich Abstimmungseinrichtungen mit offenem Regelkreis und andere Abstimmungseinrichtungen mit geschlossenem Regel­ kreis. Des weiteren können die mittels der offenbarten Systeme und Verfahren bestimmten Faktoren und Steuerparameter entweder von einem Anwender oder automatisch eingegeben werden.Although the systems and methods described herein are one Use the voting facility, the limit period and the limit gain of a process calculated to informa  Any other type of voting can develop facility that measures process parameters, including open loop voting facilities and other closed rule voting facilities circle. Furthermore, by means of the disclosed systems and method certain factors and control parameters either be entered by a user or automatically.

Des weiteren können die in allen schematischen Blockdiagrammen hierin bezeichneten Elemente hardwaremäßig verwirklicht oder in einem geeignet programmierten digitalen Rechner oder Prozessor, der mit Software - entweder in Form getrennter Programme oder als Module eines gemeinsamen Programmes - programmiert ist, implementiert werden.Furthermore, you can in all schematic block diagrams elements referred to herein implemented in hardware or in a suitably programmed digital computer or processor, that with software - either in the form of separate programs or as modules of a common program - is programmed, be implemented.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Beispiele, die als erklärend aber nicht als die Erfindung einschränkend beabsichtigt sind, beschrieben worden ist, liegt es für den Fachmann auf der Hand, dass Änderungen, Hinzufügun­ gen und/oder Streichungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.Although the present invention is by reference to certain Examples that are illustrative but not as the invention intended to be restrictive, has been described it is obvious to the professional that changes, additions gene and / or deletions of the disclosed embodiments can be made without devoid of spirit and scope to deviate from the invention.

Claims (18)

1. System zur Abstimmung eines Prozessregelkreises, wobei das System folgendes aufweist:
ein Abstimmungsmodul (600) zum Empfangen eines Fehlersignals (680), das für die Differenz zwischen einem Sollwert und einer Prozessvariablen repräsentativ ist, um mindestens ein Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses (630) zu erzeugen;
ein nicht lineares Modul (660) zur Anwendung einer nicht linearen Prozedur, um mindestens ein Parametersignal zu erzeugen;
ein Reglermodul (610) zum Empfangen des Fehlersignals und des mindestens einen Parametersignals vom nicht linearen Modul (660), wobei das Reglermodul (610) ein zweites Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses erzeugt; und
eine Schalteinrichtung (670), die mit dem Prozess gekoppelt ist, um entweder das Abstimmungsmodul oder das Reglermodul mit dem Prozess zu koppeln, um das geeignete Steuersignal zur Regelung des Prozesses zu wählen.
1. System for coordinating a process control loop, the system comprising the following:
a tuning module ( 600 ) for receiving an error signal ( 680 ) representative of the difference between a setpoint and a process variable to generate at least one process control signal for controlling the process ( 630 );
a non-linear module ( 660 ) for applying a non-linear procedure to generate at least one parameter signal;
a controller module ( 610 ) for receiving the error signal and the at least one parameter signal from the non-linear module ( 660 ), the controller module ( 610 ) generating a second process control signal for controlling the process; and
a switch ( 670 ) coupled to the process to couple either the tuning module or the controller module to the process to select the appropriate control signal to control the process.
2. System nach Anspruch 1, bei dem das nicht-lineare Modul (660) folgendes enthält:
ein nicht lineares Modul (640) zur Bestimmung des Prozesses für die Anwendung einer nicht linearen Prozedur zum Erzeugen von Parametern zur Bestimmung des Prozessmodells.
2. The system of claim 1, wherein the non-linear module ( 660 ) includes:
a non-linear module ( 640 ) for determining the process for applying a non-linear procedure for generating parameters for determining the process model.
3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem das nicht lineare Modul (660) folgendes enthält:
ein nicht lineares Reglerentwurfsmodul (650) zur Bereitstellung einer nicht linearen Schätzung einer Vielzahl Parameter für die Reglerabstimmung.
3. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, wherein the non-linear module ( 660 ) contains the following:
a non-linear controller design module ( 650 ) for providing a non-linear estimate of a variety of parameters for controller tuning.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, bei dem der Regler des weiteren so gekoppelt ist, dass er die Schätzung der Abstimmungsparameter für den Regler vom nicht linearen Reglerentwurfsmodul empfängt.4. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 3, wherein the controller of the further coupled so that it can estimate the Tuning parameters for the controller from the non-linear Controller design module receives. 5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, bei dem ein nicht lineares Reglerentwurfsmodul Anpassungen des Reglermoduls gestattet, wobei die Anpassungen die Antwortgeschwindigkeit des Reglers ändern.5. System according to one of the preceding claims, especially according to claim 3, wherein a non-linear Controller design module Adjustments to the controller module allowed, the adjustments the Change controller response speed. 6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, das des weiteren aufweist:
ein analytisches Reglerentwurfsmodul (620), das mit dem nicht linearen Modul gekoppelt ist, wobei das analytische Reglerentwurfsmodul (620) in der Lage ist, dem Regler eine Vielzahl Reglerparameter auf Basis einer vom nicht linearen Modul empfangenen Vielzahl von Parametern zur Bestimmung eines Modells zu liefern.
6. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, further comprising:
an analytical controller design module ( 620 ) coupled to the non-linear module, the analytical controller design module ( 620 ) being able to provide the controller with a variety of controller parameters based on a variety of parameters received from the non-linear module to determine a model .
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem der Regler ein Pro­ portional-, Integral- und Differentialregler ist. 7. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, wherein the controller is a pro proportional, integral and differential controller.   8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem das nach lineare Modul (660) mindestens ein neuronales Netzmodul enthält.8. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, wherein the linear module ( 660 ) contains at least one neural network module. 9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem das nicht lineare Modul (660) ein nicht lineares Modul (640) zur Bestimmung eines Prozesses und ein nicht lineares Reglerentwurfsmodul (650) enthält, wobei ein Ausgang des nicht linearen Moduls (640) zur Bestimmung des Prozesses und ein Ausgang vom nicht linearen Reglerentwurfsmodul (650) mit dem Reglermodul gekoppelt sind.The system of any preceding claim, particularly claim 1, wherein the non-linear module ( 660 ) includes a non-linear module ( 640 ) for determining a process and a non-linear controller design module ( 650 ), an output of the non-linear Module ( 640 ) for determining the process and an output from the non-linear controller design module ( 650 ) are coupled to the controller module. 10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, bei dem das neuronale Netzwerk entweder eine sigmoide Funktion oder eine radiale Basisfunktion verwendet.10. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 8, wherein the neural Network either a sigmoid function or a radial one Basic function used. 11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, bei dem das neuronale Netzmodul eine sigmoide Funktion verwendet, in der eine Neuronenübertragungsfunktion gegeben ist zu:
wobei In eine gewichtete Summe externer Eingänge ist, die die Form In = ΣwiIni hat.
11. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 8, in which the neural network module uses a sigmoid function in which a neuron transmission function is given to:
where In is a weighted sum of external inputs, which has the form In = Σw i In i .
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem das nicht lineare Modul ein Fuzzy-Logik-Modul enthält.12. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, wherein the non-linear Module contains a fuzzy logic module. 13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem das Parametersignal eine Vielzahl Steuerparameter enthält, die nicht lineare Schätzer für ein Vielzahl von Abstimmungsparametern für die Abstimmung des Prozessregelkreises verwenden.13. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, wherein the parameter signal contains a variety of control parameters that are non-linear  Estimator for a variety of tuning parameters for use the coordination of the process control loop. 14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, bei dem das nicht lineare Modul die Vielzahl der Steuerparameter unter Verwendung nicht linearer Schätzer mit nicht linearen Funktionen berechnet, um nicht lineare Schätzer für die Vielzahl der Abstimmungsparameter zu erzeugen.14. System according to one of the preceding claims, especially according to claim 13, wherein the non-linear Module using the variety of control parameters non-linear estimator with non-linear functions calculated to nonlinear estimators for the multitude of Generate voting parameters. 15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, bei dem das nicht lineare Modul die Vielzahl der Steuerparameter unter Verwendung nicht linearer Schätzer mit neuronalen Netzen berechnet, um die auf den von einem Relais angeregten Schwingungen basierenden Abstimmungsparameter zu erzeugen.15. System according to one of the preceding claims, especially according to claim 13, wherein the non-linear Module using the variety of control parameters nonlinear estimator calculated with neural networks, around the vibrations excited by a relay based tuning parameters. 16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, bei dem das nicht lineare Modul die Vielzahl der Steuerparameter unter Verwendung nicht linearer Schätzer mit Fuzzy-Logik berechnet, um die auf den von einem Relais angeregten Schwingungen basierenden Abstimmungsparameter zu erzeugen.16. System according to one of the preceding claims, especially according to claim 13, wherein the non-linear Module using the variety of control parameters non-linear estimator with fuzzy logic calculated to the on the vibrations excited by a relay based tuning parameters. 17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14, bei dem die nicht lineare Funktion eine sigmoide Funktion ist.17. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 14, wherein the non-linear Function is a sigmoid function. 18. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, bei dem heuristische Koeffizienten mit der sigmoiden Funktion verwendet werden, um Parameter, einschließlich einer Integralzeitkonstanten, eines Verstärkungsfaktors und einer Differenzialzeitkonstanten bereitzustellen.18. System according to one of the preceding claims, in particular according to claim 17, in which the heuristic Coefficients can be used with the sigmoid function around parameters, including an integral time constant, a gain factor and one To provide differential time constants.
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