DE10041439B4 - Automatic tuning device for a loop based on non-linear estimators of tuning rules - Google Patents

Automatic tuning device for a loop based on non-linear estimators of tuning rules Download PDF

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Abstract

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 erstes Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses (630) zu erzeugen; – ein nicht lineares Modul (660) zur Erzeugung mindestens eines Parametersignals (651); – 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 (600) oder das Reglermodul (610) mit dem Prozess zu koppeln, um das erste oder zweite Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses auszuwählen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmungsmodul (600) anhand des Fehlersignals (680) einen Satz charakteristischer Signale der wenigstens eine Grenzverstärkung Ku, Grenzperiodendauer Tu, Totzeit L...A system for tuning a process control loop, the system comprising: - a tuning module (600) for receiving an error signal (680), which is representative of the difference between a setpoint value and a process variable, for at least a first process control signal for regulating the process (630 ) to create; - A non-linear module (660) for generating at least one parameter signal (651); - a regulator module (610) for receiving the error signal and the at least one parameter signal from the non-linear module (660), the regulator module (610) generating a second process control signal for regulating the process; and - switching means (670) coupled to the process for coupling either the tuning module (600) or the controller module (610) to the process to select the first or second process control signal for regulating the process, characterized in that the tuning module (600) based on the error signal (680) a set of characteristic signals of the at least one limit gain Ku, limit period Tu, dead time L ...

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 neuronaler Netzwerke und Fuzzy-Logik.The present invention relates to a system and method for tuning a process controller based on non-linear estimators of voting rules including neural 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, derivative (PID) controller is a controller commonly used in industrial processes, including computer-controlled industrial processes. Such PID controllers and their variations and combinations, for example P, PI, PD, are widely used in the control of industrial processes. Typical industrial processes are governed by one or more control loops with PID controllers.

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 used to control process parameters by keeping process variables within parameters related to desired setpoints. FLCs are not linear regulators and are increasingly used in industrial environments.

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 anerkannte 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. Es ist bekannt, dass die Ziegler-Nichols-Methode verschiedene Nachteile aufweist (vgl. HANG C. C.; ASTRÖM, K. J.; HO, W. K.: Refinements of the Ziegler-Nichols tuning formula. In: IEE Proceedings-D, Vol. 138, Nr. 2, 1991, S. 111–118).One type of known method for tuning parameters of a PID controller is the Ziegler-Nichols method. The automatic tuning based on vibrations excited by a relay is also a well-known and accepted technique of automatic tuning. The automatic relay vibration tuning determines the limit gain (Ultimate Gain) and the limit period of a process at the stability limit (Ultimate Period). The settings of the PID controller can be determined from these parameters using the rules of Ziegler-Nichols and modifications thereof. A continuation of the relay vibration tuning beyond the determination of the limit gain and limit period is described in "System and Method for Automatically Tuning a Process Controller", U.S. Patent No. 5,453,925 , granted in September 1995 to Wilhelm K. Wojsznis and Terrance L. Blevins (hereinafter Wojsznis). It is known that the Ziegler-Nichols method has several disadvantages (see HANG CC, ASTRÖM, KJ, HO, WK: Refinements of the Ziegler-Nichols tuning formula. In: IEE Proceedings-D, Vol. 2, 1991, pp. 111-118).

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 Kompromiss zwischen Leistung und Robustheit einzustellen. Mit beiden Verfahren werden der Integralzeitparameter des PID Reglers (oder der Integralzeitparameter und der Differentialzeitparameter) 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 Regelverhalten über die Zeitkonstante des geschlossenen Regelkreises auf eine intuitive Weise vorgegeben werden kann.Significant progress has been made in recent years in the field of model-based tuning, in particular with Internal Model Control (IMC) and Lambda tuning. Both approaches result in a closed loop response of the first order corresponding to the changes in the setpoints. An answer speed related tuning parameter is used to set the trade-off between performance and robustness. Both methods adjust the integral time parameter of the PID controller (or the integral time parameter and the derivative time parameter) to eliminate the pole (s) of the process and adjust the controller gain to achieve the desired closed loop response. IMC and lambda tuning have prevailed as oscillations and oversteer are avoided and the control behavior can be preset in an intuitive way via the closed-loop time constant.

Eine der Grenzen der modellbasierten Abstimmung ist die Notwendigkeit der Bestimmung eines Prozessmodells. Ein äquivalentes Prozessmodell erster Ordnung plus Totzeit mit den Parametern statische Verstärkung, scheinbare Totzeit und scheinbare Zeitkonstante wird normalerweise für selbstregelnde Prozesse bestimmt. Für Prozesse mit integrierendem Verhalten werden Modellparameter der Integralverstärkung des Prozesses und der Totzeit bestimmt. Die Bestimmung des Modells erfolgt typischerweise 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, Ventilhysterese und Laststörungen häufig Eingriffe seitens eines Menschen erforderlich, um die Genauigkeit eines Modells sicherzustellen. Für selbstregelnde und Prozesse mit integrierendem Verhalten ist eine andere Technik erforderlich.One of the limitations of model-based tuning is the need to determine a process model. An equivalent first order process plus dead time with the parameters static gain, apparent dead time and apparent time constant is normally determined for self-regulating processes. For processes with integrating behavior, model parameters of the integral gain of the process and the dead time are determined. The determination of the model is typically done by means of a jump test of the open loop. Compared to the method of oscillation excited by a relay, open loop methods are not easily automated. In open-loop methods, non-linearities of the process, valve hysteresis, and load disturbances often require human intervention to ensure the accuracy of a model. Self-regulating and integrating behavior processes require a different technique.

Aus einem Aufsatz von Swinarzky (SWINIARSKI, R. W.: Novel Neural Network based Self-Tuning PID Controller Which Uses Pattern Recognition Technique. IN: American Control Conference, 1990, S. 3023–3024) ist es bekannt, ein neuronales Netz zu verwenden, um Parameter für die Ziegler-Nichols-Methode zu erzeugen. Des Weiteren geht es aus dieser Druckschrift hervor, dass man ein künstliches neuronales Netz, insbesondere ein aufgeschaltetes neuronales Netz, verwenden kann, um die Parameter für einen PID-Regler zu berechnen. Hierbei wird ein Prozess über einen längeren Zeitraum überwacht und daraus entsprechende Parameter für den PID-Regler abgeleitet. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig.From an article by Swinarzky (SWINIARSKI, RW: Novel Neural Network-based Self-Tuning PID Controller Which Uses Pattern Recognition Technique., IN: American Control Conference, 1990, pp. 3023- 3024), it is known to use a neural network to generate parameters for the Ziegler-Nichols method. Furthermore, it is apparent from this document that one can use an artificial neural network, in particular a switched neural network, to calculate the parameters for a PID controller. Here, a process is monitored over a longer period of time and derived corresponding parameters for the PID controller. This process is very complicated.

Erforderlich sind ein System und ein Verfahren für die Abstimmung in einer Relaisschwingungsumgebung, die die erforderlichen PID-Abstimmungsparameter über alle Bereiche der Modellparameter bereitstellen und Modellparameter eines Prozesses bestimmen.What is needed is a system and method for tuning in a relay vibration environment that provide the required PID tuning parameters across all ranges of model parameters and determine model parameters of a process.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a system according to claim 1. Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims.

Das bereitgestellte System verwendet nicht lineare Ansätze im nicht linearen Modul zur Annäherung der gewünschten Abstimmungsparameter des Reglers. Die nicht linearen Ansätze umfassen die Abstimmung mittels neuronaler Netzwerke, die Abstimmung mittels Fuzzy-Logik und nicht linearen Funktionen, einschließlich der sigmoiden Abstimmung.The provided system 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 tuning, including 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 analytischen Formeln für die Bestimmung auf Basis von durch ein Relais angeregten Schwingungen.One system also provides that the non-linear module uses nonlinear approaches to approximate the desired parameters of the process model. According to an embodiment of the present invention, the determination of a process model is achieved by means of neural networks, fuzzy logic and non-linear functions including sigmoid tuning, which can advantageously achieve better model parameters than the state-of-the-art analytical formulas for the determination Base of vibrations excited by a relay.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die vorliegende Erfindung und ihre zahlreichen Aufgaben, Merkmale und Vorteile wird für den Fachmann anhand der Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen noch deutlicher.The present invention and its numerous objects, features and advantages will become more apparent to those skilled in the art from the description of the accompanying drawings.

1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines auf Relaisschwingungen basierenden Abstimmungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. 1A FIG. 10 is a schematic block diagram of a relay vibration based voting system according to the present invention. FIG.

1B ist eine graphische Darstellung der Abstimmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1B Fig. 10 is a diagram of the tuning according to an embodiment of the present invention.

1C ist eine graphische Darstellung der nicht linearen Koeffizientenfunktionen zur Berechnung der Integralzeit und der Verstärkung des Reglers. 1C Figure 12 is a graphical representation of the non-linear coefficient functions for calculating the integral time and gain of the controller.

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

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

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

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. 5 is a plot of the vote and step responses for the process with L / T ≈ 0.7, loop sampling = 0.1 s with fast response.

6 ist ein Diagramm einer von einem neuronalen Netzwerk unterstützten Abstimmungseinrichtung. 6 Figure 13 is a diagram of a neural network assisted voting device.

7 ist ein Flussdiagramm der erforderlichen Schritte zur Entwicklung des neuronalen Netzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 FIG. 10 is a flow chart of the neural network development steps required according to an embodiment of the present invention. FIG.

8 ist eine graphische Darstellung der vom neuronalen Netzwerk vorhergesagten Ergebnisse Integralzeit – tatsächlicher/erforderlicher Integralzeit unter Anwendung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8th FIG. 12 is a graphical representation of the neural network predicted results of integral time-actual / required integral 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 – tatsächliche Integralzeit/erforderliche Integralzeit unter Anwendung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 FIG. 12 is a graphical representation of the results: integral time predicted by the neural network model - actual integral time / required integral time using the method according to an embodiment of the present invention.

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. 10 Figure 4 is a graphical representation of the results predicted by the neural network model for the subrange of the T i values 15 to 33 according to an embodiment of the present invention.

11 ist eine graphische Darstellung der Zugehörigkeitsfunktionen der Eingangsgrößen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 11 FIG. 12 is a graphical representation of the membership functions of the inputs in an embodiment of the present invention. FIG.

Durch die Verwendung identischer Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen werden ähnliche oder identische Elemente gekennzeichnet.By using identical reference numerals in different drawings, similar or identical elements are identified.

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

Nunmehr sei auf 1A verwiesen, die ein schematisches Blockdiagramm 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. in als Prozessvariable (PV) dargestelltes Ausgangssignal 130 wird vom Prozess 190 bereitgestellt und in einem Summierer 120 addiert, in dem die PV mit einem Sollwert (S2) 110 verglichen wird. Die Differenz zwischen PV und SP, die für die Bestimmung des Abstimmungssystems basierend auf Relaisschwingungen 100 herangezogen wird, liefert die Grenzverstärkung Ku und die Grenzperiodendauer 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 Abstimmung des Prozesses erfolgt entweder automatisch oder unter der Kontrolle eines Anwenders. Wahlweise kann die Abstimmung des Prozesses 190 eine automatisch gesteuerte Abstimmungsprozedur 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 Eigenschwingungsprozedur mit den Abstimmungsregeln 160 aus, indem es den Schalter 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.Now be on 1A which is a schematic block diagram of a voting system based on vibrations excited by a relay 100 which can be fixed according to the new non-linear approaches. A process 190 can be any controllable process. in as process variable (PV) represented output signal 130 is from the process 190 provided and in a summer 120 added, in which the PV with a setpoint (S2) 110 is compared. The difference between PV and SP, which determines the tuning system based on relay vibrations 100 is used, the limit gain K u supplies and the intrinsic period T u for a process. As shown, the voting system contains based on relay vibrations 100 a summer 120 , a relay 150 and voting rules 160 , The setpoint (SP) 110 is used together with the process variable (PV) 130 to the summer 120 delivered. The summer 120 subtracts PV from SP and delivers the result to the relay 150 , the voting rules 160 and a regulator 170 , The process is tuned either automatically or under the control of a user. Optionally, the vote of the process 190 include an automatically controlled voting procedure based on the natural vibration, such as the procedure described in Wojsznis. The natural vibration procedure involves a switch 180 to control that either the output of the regulator 170 with the process 190 or the output of the relay 150 with the process 190 is coupled. In one embodiment, the relay performs 150 the natural vibration procedure with the voting rules 160 off by the switch 180 controls. The desk 180 either couples the controller 140 or the voting rules 160 and the relay 150 with the process 190 , The procedure is a vibration procedure that 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 upon initialization of the tuning. The apparent dead time Td is determined by a tangent as the slope of the process output PV 130 during the initialization of the vote is applied. The tangent is extrapolated to intersect the setpoint (SP) or median line of the process output 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 methods include those provided by Wojsznis.

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. 1B shows a graphical representation of the process input and output signals during parts of the vibration procedure. The time duration between the time t1 ( 10 ), Switching the relay 150 , and time t2 ( 20 ), at which the process output reaches the maximum, corresponds approximately 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 in this approach corresponds to the duration of one or more boundary periods (Tu). The apparent dead time can be calculated as an average of two or three results.

Totzeit, Grenzverstärkung und Grenzperiodendauer sind zur Berechnung eines Prozessmodells erster Ordnung plus Totzeit ausreichend. Gleichungen (1) und (2) zur Berechnung der ersten Ordnung plus Totzeit lauten:

Figure 00100001
wobei:

Tc
= Zeitkonstante des Prozesses
Tu
= Grenzperiodendauer
Td
= scheinbare Totzeit des Prozesses
Ks
= statische Verstärkung des Prozesses
Ku
= Grenzverstärkung.
Dead time, limit gain, and limit period are sufficient to calculate a first order process plus dead time. Equations (1) and (2) for calculating the first order plus dead time are:
Figure 00100001
in which:
T c
= Time constant of the process
T u
= Boundary period
T d
= apparent dead time of the process
K s
= static amplification 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 annähernd gleich π/2, und ein kleiner Fehler im Argument führt zu einem großen Fehler des Tangenswertes). Eine gewisse Verbesserung ergibt sich durch die Verwendung einer linearen Funktion wie in Gleichung (3) dargestellt für Argumente größer als π/3:

Figure 00110001
The time constant of the process in equation (1) is expressed by a tangent function which gives a good approximation to the arguments smaller than π / 3 when the dead time is relatively large compared to the time constant. For processes with negligible dead time, the calculation of the time constant results in a large error, 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 of the tangent value) , Some improvement results from the use of a linear function as shown in equation (3) for arguments greater than π / 3:
Figure 00110001

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: K = 0,4 Ku; und Ti = 0,8 Tu. The tuning based on vibrations excited by a relay naturally conforms to the ZN rules and provides the threshold gain K u and the threshold period T u . The original ZN formulas for PI controllers are as follows: 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 yield a phase margin that varies widely between about 20 ° and 90 °, depending on the ratio τ of the dead time L of the process to the time constant T of the process. Consequently, the behavior also varies considerably, from an extremely oscillatory response in a process with a ratio close to 0.1 to an extremely sluggish response in a process with a ratio near 1.0.

Ein PID-Regler, der mit den ursprünglichen ZN-Regeln K = 0,6 Ku; Ti = 0,5 Tu und Td = 0,125 Tu abgestimmt wurde, zeigt ein ähnliches Verhalten. Um diesem Problem beizukommen, sind verschiedene Modifikationen der ursprünglichen Formel vorgeschlagen worden. Eine Tendenz ist, die Verstärkung zu verringern und die Integralzeit zu verkürzen, wie aus folgenden Formeln ersichtlich: K = 0,4 Ku; Ti = 1/3 Tu und Td = 1/12 Tu. A PID controller that works with the original ZN rules K = 0.6 K u ; T i = 0.5 T u and T d = 0.125 T u was matched, shows a similar behavior. To overcome this problem, various modifications of the original formula have been proposed. A tendency is to reduce the gain and shorten the integral time, as shown by the following formulas: 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 Regelkreisen mit τ nahe 0,5; Regelkreise mit kleinen Werten von τ werden jedoch sogar noch stärker schwingend.The above modification improves the behavior of control loops with τ close to 0.5; However, control loops with small values of τ become even more vibrating.

Andere, flexiblere Formeln (4), (5) und (6) liefern für den Entwurf der Phasen-/Verstärkungsreserve folgendes:

Figure 00120001
Td = αTi (5) K = Kucosϕ/Gm (6) wobei:

α
Entwurfsauswahl des Verhältnisses Td:Ti mit dem Standardwert 0,15.
Gm
gewünschte Verstärkungsreserve mit dem Standardwert 2,0.
ϕ
Phasenreserve.
K, Td und Ti
sind die Parameter des Reglers.
Other, more flexible formulas (4), (5), and (6) provide the following for the phase / gain reserve design:
Figure 00120001
T d = alphat i (5) K = K u cosφ / G m (6) in which:
α
Draft selection of the ratio T d : T i with the default value 0.15.
G m
desired gain reserve with default 2.0.
φ
Phase margin.
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: K = 0,38 Ku; Ti = 1,2 Tu und Td = 0,18 Tu (7) With a given phase and gain margin, formula (7) provides constant coefficients to compute 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 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 gives an extremely sluggish response for τ greater than 0.2.

Wird angenommen, dass die Phasenreserve ϕ = 33° und die Verstärkungsreserve = 3,0 betragen, dann resultieren folgende Koeffizienten in Formel (8): K = 0,27 Ku; Ti = 0,87 Tu und Td = 0,13 Tu; (8) If it is assumed that the phase reserve φ = 33 ° and the gain reserve = 3.0, then the following coefficients result in formula (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 designing a narrow τ region near 0.25.

Eine weitere bekannte Modifikation sieht die Definition von Reglerparametern als Funktionen der normalisierten Totzeit L / L+T oder der normalisierten Verstärkung k = 1/KpKu vor, wobei Kp die statische Verstärkung des Prozesses ist. Der obige Ansatz verwendet jedoch sowohl die Totzeit als auch die Zeitkonstante oder die statische Verstärkung des Prozesses. Er kann deshalb nicht unmittelbar für die Abstimmung basierend auf Relaisschwingungen verwendet werden.Another known modification sees the definition of controller parameters as functions of the normalized dead time L / L + T 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 therefore can not be used directly for tuning based on relay vibrations.

Nicht lineare Schätzer der AbstimmungsregelnNon-linear estimator of voting rules

Bei der Entwicklung nicht linearer Schätzer von Abstimmungsregeln sind bestimmte Annahmen und Überlegungen zu berücksichtigen. 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 Abstimmungsparameter und Antworten des Reglers erbringen, die denen der modellgestützten Abstimmung (IMC oder Lambda) nahe kommen.When developing non-linear estimators of voting rules, certain assumptions and considerations should be considered. First, all input parameters are obtained during the relay oscillation test (i.e., the threshold gain, the threshold period, and the dead time). Second, the major shortcoming of the Ziegler-Nichols rule is an unadjusted integral time of the controller in processes of low dead time and excessive integral time in processes of significant dead time. Third, the voting rules should provide controller tuning parameters and responses that are close to those of model-based voting (IMC or lambda).

Der in 1A und 1B dargestellte und in der entsprechenden Diskussion beschrieben Relais-Schwingungstest für die Abstimmung 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 in 1A and 1B illustrated and discussed in the appropriate discussion relay vibration test for the vote provides the limit gain K u and the boundary period T u . To overcome the shortcomings of the ZN 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 linearer Schätzer. Die folgenden Formeln erfüllen die obigen Anforderungen: Ti = f1(Tu, L)Tu; K = f2(Tu, L)Ku; Td = d1Ti; (9)

Figure 00140001
f2 = (Tu, L) = a2 + (b2 – f1(Tu, L)/c2; (11) dabei sind a1, a2, b1, b2, c1, c2 heuristische Koeffizienten und
a1 liegt zwischen 0,3 und 0,4;
b1 ≈ 0,6; b2 ≈ 1,0; c1 ≈ 7,0; c2 ≈ 4,0; d1 ≈ 0,125; d2 ≈ 1,0.A sigmoid expression provides a smooth transition between two different values and serves to develop non-linear estimators. The following formulas meet the above requirements: T i = f 1 (T u , L) T u ; K = f 2 (T u, L) K u; T d = D1T i; (9)
Figure 00140001
f 2 = (T u , L) = a 2 + (b 2 -f 1 (T u , L) / c 2 ; (11) a1, a2, b1, b2, c1, c2 are heuristic coefficients and
a1 is between 0.3 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 verwendeten Koeffizienten, der zwischen einem Minimalwert von a1 und einem Maximalwert a1 + b1 schwankt, wie in 1C dargestellt. Formel (11) liefert die Anpassung des Koeffizienten für die Berechnung von K im Bereich: [a2 + (b2 – a1 – b1), a2 + (b2 – a1)]. Formula (10) gives the value of the coefficient used to calculate T i , which varies between a minimum value of a1 and a maximum value a1 + b1, as in FIG 1C shown. Formula (11) provides the adaptation of the coefficient for the calculation of K in the range: [a2 + (b2 - a1 - b1), a2 + (b2 - a1)].

Dieser Ansatz resultiert in deutlich verbesserten Abstimmungsantworten, die denen der IMC- oder Lambda-Abstimmung nahe kommen (anders als dem Abklingen von ZN-Viertelamplituden). Einige typische Sprungantworten für verschiedene L/T sind in 2 bis 5 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 2 dargestellt.This approach results in significantly improved voting responses that approximate those of IMC or lambda tuning (unlike the decay of quarter-wave amplitudes). Some typical step responses for different L / T are in 2 to 5 shown. An example of a closed loop tuning and a step response for a second order process with Gain = 1; T1 = 10 s; T2 = 3 s; L = 2 s is in 2 shown.

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. 3 zeigt einen Graphen mit L erhöht auf bis zu 5 s, und 4 zeigt einen Graphen mit L erhöht auf bis zu 8 s. Sowohl in 3 als auch in 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 voting system based on relay vibrations 100 generated 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. 3 shows a graph with L increased up to 5 s, and 4 shows a graph with L increased up to 8 s. As well in 3 as well as in 4 For example, the step responses are similar to the model-based voting, although the integrating behavior is somewhat weaker than required for the IMC response (the tuner gave T i = 15.7 and 18.37 compared to 14.0 and 15.5 according to the IMC calculations).

Ein Entwurf der Abstimmeinrichtung gemäß den neuen nicht linearen Ansätzen der vorliegenden Erfindung gestattet es einem Anwender, das Abstimmungsverhalten anzupassen, indem die Wahlmöglichkeiten Slow (langsam), Normal (normal) und Fast (schnell) vorgesehen werden. 5 zeigt z. B. die Sprungantwort 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 Abstimmungsantwort besser an spezifische Bedingungen und Anforderungen angepasst wird.A design of the tuner according to the new non-linear approaches of the present invention allows a user to adjust the tuning behavior by providing the choices of slow, normal, and fast. 5 shows z. For example, the step response of the control loop for the process L / T ≈ 0.7 with the option 'Fast'. Using speed selection increases the overall flexibility of the design by better tailoring the tuning response to specific conditions and requirements.

Nunmehr sei auf 6 verwiesen, in der eine Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen in einem schematischen Blockdiagramm dargestellt ist, die die neuen nicht linearen Ansätze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung optional anwendet. Das dargestellte Regelkreissystem kann sowohl nicht lineare Abstimmungstechniken als auch nicht lineare Prozessmodellierungstechniken beinhalten. Wahlweise kann das System lineare Abstimmungstechniken und nicht lineare Prozessmodellierungstechniken oder nicht lineare Abstimmungs- und lineare Prozessmodellierungstechniken beinhalten.Now be on 6 in which a voting device based on relay vibrations is shown in a schematic block diagram which optionally applies the novel non-linear approaches according to an embodiment of the invention. The illustrated closed loop system may include both non-linear tuning techniques and nonlinear process modeling techniques. Optionally, the system may include linear tuning techniques and non-linear process modeling techniques or non-linear tuning and linear process modeling techniques.

Wie die Ausführungsform nach 6 zeigt, wird ein Prozess 630 über einen Schalter 670 entweder mit einer Abstimmungseinrichtung 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 Parametersignal 651 vom Reglerentwurf 650 oder ein zweites Parametersignal 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 Relaisschwingungen 600, das Prozessmodell 640, der Reglerentwurf 650, der Regler 610, der Prozess 630 und der analytische 15151515 Reglerentwurf 620 können sämtlich als Softwaremodule, Hardware oder als eine Kombination aus beiden implementiert werden.As the embodiment according to 6 shows, becomes a process 630 via a switch 670 either with a voting device based on relay vibrations 600 or a controller 610 coupled. The regulator 610 is via a second switch 690 coupled so that it either a first parameter signal 651 from the regulator design 650 or a second parameter signal 641 that from the analytical regulator design 620 and the process model 640 is issued, receives. The regulator 610 provides an output when it is switchable with the process 630 is coupled. The tuning device based on relay vibrations 600 , the process model 640 , the regulator design 650 , the regulator 610 , the process 630 and the analytical 15151515 regulator 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 entsprechende Prozesssteuersignal eingestellt, um den Prozess 630 zu regeln. Die Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 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 Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 liefert außerdem Signale an das nicht lineare Modul 660.As will be described later, the switch is 670 set to the appropriate process control signal to the process 630 to regulate. The tuning device based on relay vibrations 600 is also coupled to send signals to a non-linear module 660 that delivers the process model 640 and the regulator design 650 contains. Both the controller design 650 as well as the process model 640 use neural networks, fuzzy logic, non-linear functions, or other nonlinear or linear techniques, as described below. The tuning device based on relay vibrations 600 and the regulator 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 the process 630 , The tuning device based on relay vibrations 600 also provides signals to the non-linear module 660 ,

Das erste Parametersignal 651 und das zweite Parametersignal 641 werden über einen Schalter 690 mit dem Regler 610 gekoppelt. Der Ausgang des Prozessmodells 640 ist mit dem analytischen Reglermodell 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. Dementsprechend wendet der analytische Reglerentwurf 620 optional lineare Techniken zur Bestimmung der Reglerparameter an. The first parameter signal 651 and the second parameter signal 641 be through a switch 690 with the regulator 610 coupled. The output of the process model 640 is with the analytical controller model 620 shown coupled. A parameter signal 641 Contains process model parameters contained in a parameter signal 642 contained by means of non-linear techniques in the process model module 640 is calculated. In a preferred embodiment, the parameter signal includes 641 Furthermore, controller parameters used in the analytical controller design 620 by means of the in the process model module 640 certain and in the signal 642 calculated process model parameters are calculated. One of ordinary skill in the art will appreciate that controller parameters can be generated from process model parameters. Accordingly, the analytical controller design applies 620 optional linear techniques for determining the controller parameters.

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

Alternativ ist der analytische Reglerentwurf 620 bei einer Ausführungsform 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 Funktionsansätze oder andere nicht lineare oder lineare Techniken, die nachstehend beschrieben werden, erzeugt.Alternatively, the analytical controller design is 620 removed from the system implementation in one embodiment. Without the analytical regulator design 620 can the switch 690 both with the parameter signal 651 as well as with the parameter signal 642 be coupled. Accordingly, the switch 690 not required in this embodiment. The regulator 610 So receives both the controller parameters in the parameter signal 651 as well as the process model parameters in the parameter signal 642 , Both parameter signals 651 and 642 become in the non-linear module 660 by non-linear techniques such as neural networks, fuzzy logic, non-linear functional approaches, or other non-linear or linear techniques described below.

Auf neuronale Netzwerke gestützte AbstimmungNeural network based voting

Unter Bezugnahme auf 6, Reglerentwurf 650, werden die Reglerparameter wahlweise mittels eines Ansatzes der neuronalen Netzmodellierung bestimmt. Ein derartiger Ansatz mit der neuronalen 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 geschult, indem es einen Regler oder einen menschlichen Experten nachahmt. Bei diesem Ansatz muss jeder Regelkreis getrennt geschult werden, so dass er kein guter Kandidat für ein Abstimmungsmodell ist, das Abstimmungsergebnisse in einer einfachen und standardisierten Abstimmungsprozedur verlangt. Ein alternativer Ansatz verwendet neuronale Netzwerke als Unterstützung bei der Modellierung, der Implementierung der Regelgesetze oder zur Überwachung. Ein spezifischer Entwurf einer Abstimmungseinrichtung ist in 6 dargestellt. Die Abstimmungseinrichtung verwendet wahlweise neuronale Netzwerke oder andere nachstehend beschriebene nicht lineare Techniken, um das Prozessmodell und die Parameter des PID-Reglers zu berechnen.With reference to 6 , Regulator design 650 , the controller parameters are optionally determined by means of a neural network modeling approach. Such a neural network modeling approach improves adaptation of the three PID controller parameters over a wide range of model parameter changes. Control concepts using neural networks are generally divided into two broad categories. One approach involves replacing a regulator with a neural network. The neural network is trained by mimicking a controller or a human expert. In this approach, each 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 in modeling, implementing rule laws, or monitoring. A specific design of a voting device is in 6 shown. The tuner selectively uses neural networks or other non-linear techniques described below to compute the process model and parameters of the PID controller.

Ähnlich der Eigenschwingungsprozedur, die in Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde, verwendet die Abstimmungseinrichtung von 6 ebenfalls eine Eigenschwingungsprozedur. Die Eigenschwingungsprozedur 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 gekoppelt 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. Der Schalter 670 koppelt entweder den Regler 610 oder die Abstimmungseinrichtung basierend auf Relaisschwingungen 600 mit dem Prozess 630. Der Reglerentwurf 650 verwendet nicht lineare Techniken, um die Reglerparameter zu bestimmen. Eine nachstehend beschriebene Technik bedient sich neuronaler Netzwerke.Similar to the natural vibration procedure associated with 1 described uses the voting device of 6 also a natural vibration procedure. The natural vibration procedure provides control of the switch 670 in the way that either the output of the regulator 610 with the process 630 or the output of the tuner based on relay vibrations 600 with the process 630 is coupled. In one embodiment, the controller receives 610 over the switch 690 the controller parameters either from the controller model 650 or from the analytical controller model 620 , In this embodiment, the analytical controller design is obtained 620 Parameter for determining the process model from the process model 640 , In another embodiment, the analytical controller design is 620 taken out of the process control loop. The desk 670 either couples the controller 610 or the voting means based on relay vibrations 600 with the process 630 , The regulator design 650 uses non-linear techniques to determine the controller parameters. A technique described below uses neural networks.

Die Prozedur zur Entwicklung neuronaler Netzwerktechniken beinhaltet einige grundlegende Schritte, die in 7 dargestellt sind. 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 Abstimmungsergebnisse 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 involves some basic steps that are described in US Pat 7 are shown. 7 is a flow chart of the steps in creating neural networks. step 700 shows the first step in which simulated loop configurations are developed with the inclusion of future applications of the tuner. Normally a process module of either second or third order plus dead time is used. step 710 gives an assumed area for the changes of the process parameters. step 720 indicates that the designer computes the PID controller settings for each set of model parameters using IMC rules, lambda tuning, or another preferred controller scheme. step 730 provides that the developer can run the auto-tuner for the same amounts of model parameters and the results of voting, T u, u K and L records. step 740 provides that the developer checks the behavior of the loop with the calculated parameters and adjusts the parameters as needed. step 750 For example, 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 For example, the developer implements the trained neural network in the voting engine.

Das oben unter Bezugnahme auf 6 beschriebene neuronale Netzwerk kann von jedem beliebigem Typ sein (sigmoide oder radiale Basisfunktionen). Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das neuronale Netzwerk mit der Neuronenübertragungsfunktion verwendet, die gegeben ist durch:

Figure 00200001
als neuronaler Ausgang. In ist eine gewichtete Summe externer Eingänge. In = ΣwiIni. The above with reference to 6 described neural network 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 given by:
Figure 00200001
as neuronal output. In is a weighted sum of external inputs. 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 angewendet. Der Vorteil des neuronalen Netzwerks mit einem Ausgang ist die raschere Schulung. Aus diesem Grund implementiert eine Ausführungsform ein neuronales Netzwerk mit einem einzigen Ausgang. Bei einem beispielhaften Konzept für eine Abstimmungseinrichtung sind folgende Ein- und Ausgänge des neuronalen Netzwerks definiert:

Eingänge: Tu, Ku, L, Rauschpegel, Relaishysterese und Abtastgeschwindigkeit.
The neural network is selectively applied 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 benefit of the single-output neural network is faster training. For this reason, one embodiment implements a neural network with a single output. In an exemplary concept for a voting device, the following inputs and outputs of the neural network are defined:

Inputs: T u , K u , L, noise level, relay hysteresis and sampling speed.

Tu, Ku, L und der Rauschpegel werden während des Abstimmungstests definiert.T u, u K, L, and the noise level are defined during the tuning test.

Die Relaishysterese und die Abtastgeschwindigkeit sind Parameter der Abstimmungseinrichtung.

Ausgänge: K, Ti, Td, Kp und T.
The relay hysteresis and the sampling rate are parameters of the tuner.

Outputs: K, T i , T d , K p and T.

K, Ti und Td sind Parameter des PID-Reglers.K, T i and T d are parameters of the PID controller.

Kp und T gemeinsam mit L sind Parameter des Prozessmodells erster Ordnung plus Totzeit.K p and T together with L are parameters of the first order process model plus dead time.

Fragen der Implementierung und TestergebnisseQuestions of implementation 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 Reglersystem für industrielle Zwecke zu verbessern. Der Autotuner weist zwei Blöcke auf: den Tunerfunktionsblock, der im Regler implementiert ist, und die Anwendung der Abstimmungseinrichtung. Die Anwendung der Abstimmungseinrichtung ist in einer geeigneten Konsole implementiert. Die neuronalen Netzmodelle werden zur Anwendung der Abstimmungseinrichtung hinzugefügt. Bei einer Ausführungsform sind die neuronalen Netzwerkmodelle für den Anwender der Abstimmungseinrichtung transparent, wobei der Autotuner keine zu neuronalen Netzwerken gehörigen Wahlmöglichkeiten oder Einstellungen aufweist.In one example of the new non-linear techniques, neural network models are implemented to enhance the autotuner based on relay-excited oscillations in a scalable controller system for industrial purposes. The autotuner has two blocks: the tuner function block implemented in the controller and the tuner application. The application of the voting device is implemented in a suitable console. The neural network models are added to the voting device application. In one embodiment, the neural network models are transparent to the user of the tuner, the autotuner having no choices or settings associated with neural networks.

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

Prozessmodell auf Basis eines neuronalen Netzes Process model based on a neural network

  • Eingänge: Grenzverstärkung Ku, Grenzperiodendauer Tu und Totzeit L, definiert während des relaisbasierten Abstimmungsexperiments.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 Prozessmodellparametern 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 Sekunden: 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 derivative time T d , calculated from the process model parameters given above for the outputs, ie 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.

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 8 und 9 dargestellt.An experimental trial of voting simulations has been run 142 times, which is about the minimum number of scans suitable for training a simple neural network. The samples gave a good correlation coefficient and, in general, predicted output values approaching that of the required output. The graphs of the results for T i are in 8th and 9 shown.

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 vorhergesagter Parameter von nur 1% des maximalen Wertes nicht akzeptable Parameter. Wie insbesondere aus 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 unacceptable. 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 in particular from 8th T i can be zero or even negative if the actual value is close to the prediction error.

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 8, nur wenige Simulierungen durchgeführt werden, könnte ein Fehler auftreten.Another error situation occurs when there are too few samples in the subrange. For example, a user would like to extend the field of neural network modeling by looking for an extended sub-range, e.g. B. T i > 50.0 in 8th If only a few simulations are performed, an error could occur.

Auf einem neuronalen Netzwerk basierende AbstimmungsregelnNeural network based voting rules

Um Anomalien 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) ändert. Ändern sich die vorhergesagten Werte öfters (ca. 15 mal), ist der Bereich der Parameteränderungen auf mehrere Unterbereiche aufzuteilen, und es sind mehrere neuronale Netzmodelle zu entwickeln. Drittens sind kleine vorhergesagte Werte mit besonderer Aufmerksamkeit zu behandeln. Sind die vorhergesagten Werte im Vergleich zum Vorhersagefehler klein, ist für die kleinen Werte ein getrenntes neuronales Netzmodell zu erstellen.To avoid anomalies, the neural network tuning models employ the following rules, in accordance with the example non-linear techniques. First, as many samples as possible should be captured. At a minimum, it is necessary to capture the minimum number of samples required for a simple model. Second, the range for the predicted parameter should be chosen such that an in-range parameter changes only a few times (about 5). If the predicted values change more frequently (about 15 times), the range of parameter changes has to be divided into several subregions, and several neural network models have to be developed. Third, small predicted values should be given special attention. If the predicted values are small compared to the prediction error, a separate neural network model has to be created for the small values.

Beispielsweise wurde ein Modell mit einem eingeengten Unterbereich von 15 bis 33 (anstelle von 1 bis 320 des vollen Bereich) 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 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 subrange of 15 to 33 (instead of 1 to 320 of the full range) has been developed. Although the number of scans was below the minimum number, the prediction was much better than the original model for the entire range. A graph of the prediction of the neural network model for the subregion of T i is in 10 shown. 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 determining the process model

Nunmehr sei erneut auf 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.Now be up again 6 which, together with Formulas (1) and (3) (hereafter repeated), describes the use of linear and non-linear correction functions to indicate the process model. As described above, the process model provides 640 Parameters of the process model by using either linear functions or linear correction functions. The ones described below Techniques apply linear, non-linear functions, neural networks, and fuzzy logic as correction functions to determine the process model that is in the process model 640 be executed.

Die aus Formeln (1) und (3) erzeugte Zeitkonstante (Tc) ist erheblich kleiner für kleinere Verhältnisse scheinbarer Totzeit des Prozesses zur Grenzverstärkung

Figure 00250001
und eine übermäßig hohe Zeitkonstante (Tc) im Verhältnis scheinbarer Totzeit des Prozesses zur Grenzverstärkung
Figure 00250002
größer als 0,25, wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist.Consisting of formulas (1) and (3) generated time constant (T c) is considerably smaller for smaller ratios apparent deadtime of the process to limit gain
Figure 00250001
and an excessively high time constant (T c ) in the apparent dead time ratio of the boundary enhancement process
Figure 00250002
greater than 0.25, as shown in Table 1.

Figure 00250003
Figure 00250003

Eine Korrekturfunktion f(Tu/Td), angewendet auf die angegebene Zeitkonstante des Prozesses Tc(korr.) = Tc(angegeben)f(Tu/Td), 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.A correction function f (T u / T d ) applied to the specified time constant of the process T c (corr.) = T c (given) f (T u / T d ), 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 Zeitkonstante des Prozesses gemäß Gleichung (12):

Figure 00260001
A simple linear function with coefficients developed from simulated tests corrects the time constant of the process according to equation (12):
Figure 00260001

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:

Figure 00260002
In a non-linear function, a sigmoidal expression provides 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 constants of the process has been developed on the basis of a small amount of simulated data:
Figure 00260002

Formel 12 ergibt den Wert des für die Berechnung von Tc verwendeten Koeffizienten, der zwischen einem minimalen Wert von 0,8 und einem maximalen Wert von 2,2 variiert Nach der Korrektur der Zeitkonstanten wird die statische Verstärkung des Prozesses erneut unter Anwendung der Formel (2) berechnet, die nachstehend wiederholt wird:

Figure 00270001
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 the correction of the time constant, the static amplification of the process is repeated using the formula ( 2), which is repeated below:
Figure 00270001

Die Abstimmungs- und Berechnungsergebnisse für den Prozess mit der statischen Verstärkung 1,0 sind in Tab. 1 und mit der statischen Verstärkung 2,0 in Tabelle 2 zusammengestellt. In beiden 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. Grenzverstärkung Grenzperiodendauer Td Modell Td Bezeichner Tc Bezeichner Kp Bezeichner Tc korr. lineare Funktion Kp korr. lineare Funktion Tc korr. sigmoide Funktion Kp Korr. Sigmoide Funktion 7,812 9,55 1 1,24 4,921 0,434 9,374 0,799 10,42 0,887 5,65 13,4 2 2,2 6,77 0,589 9,728 0,826 10,57 0,895 3,7 19,85 4 4,2 9,7 0, 879 10, 65 0,949 8,92 0,809 2,85 25,5 6 6,2 12,28 1,11 10,35 0,960 10,38 0,963 2,08 35,5 10 10,0 14,4 1,319 9,72 0,956 11,9 1,12 Tabelle 1: Ergebnisse der Angabe des Prozessmodells mit Kp = 1,0 Grenzverstärkung Grenzperiodendauer Td Modell Td Bezeichner Tc Bezeichner Kp Bezeichner Tc korr. lineare Funktion Kp korr. lineare Funktion Tc korr. sigmoide Funktion Kp Korr. Sigmoide Funktion 12,84 9,75 1 1,142 5,064 0,266 10,99 0,55 10,95 0,55 8,78 13,4 2 1,838 6,879 0,384 12,36 0,66 14,34 0,77 6,43 19,9 4 3,53 10,0 0,514 12,99 0,65 11,69 0,59 5,24 25,45 6 5,748 12,388 0,614 11,59 0,57 10,68 0,53 3,96 35,7 10 9,735 15,315 0,725 10,84 0,54 12,70 0,61 Tabelle 2: Ergebnisse der Angabe des Prozessmodells mit Kp = 0,5 The tuning and calculation results for the Static Gain 1.0 process are summarized in Table 1 and the Static Gain 2.0 in Table 2. In both cases the process is a second order model with T1 = 10 s; T2 = 2 s plus dead time according to column Td. The identifier approximated the model by a first order model plus dead time (Td determined). The presented model parameters are first given (Td, Kp and Tc) and corrected by means of linear and non-linear estimation formulas (Kp and Tc). limit gain Cross period Td model Td identifier Tc identifier Kp identifier Tc corr. linear function Kp corr. linear function Tc corr. sigmoide function Kp Corr. Sigmoide function 7,812 9.55 1 1.24 4,921 0.434 9.374 0.799 10.42 0.887 5.65 13.4 2 2.2 6.77 0.589 9,728 0.826 10.57 0.895 3.7 19.85 4 4.2 9.7 0, 879 10, 65 0.949 8.92 0.809 2.85 25.5 6 6.2 12.28 1.11 10.35 0.960 10.38 0.963 2.08 35.5 10 10.0 14.4 1,319 9.72 0.956 11.9 1.12 Table 1: Results of the specification of the process model with Kp = 1.0 limit gain Cross period Td model Td identifier Tc identifier Kp identifier Tc corr. linear function Kp corr. linear function Tc corr. sigmoide function Kp Corr. Sigmoide function 12.84 9.75 1 1,142 5,064 0.266 10.99 0.55 10,95 0.55 8.78 13.4 2 1,838 6,879 0.384 12.36 0.66 14.34 0.77 6.43 19.9 4 3.53 10.0 0.514 12,99 0.65 11.69 0.59 5.24 25.45 6 5,748 12,388 0,614 11.59 0.57 10.68 0.53 3.96 35.7 10 9,735 15.315 0.725 10.84 0.54 12.70 0.61 Table 2: Results of the specification of the process model with Kp = 0.5

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

Fuzzy-Logik-gestützte BestimmungFuzzy logic-based determination

Ein typischer Fuzzy-Logik-Regler ist ein nicht linearer Reglertyp. 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 repräsentiert. Die Funktionsweise des Reglers wird durch die Regeloberfläche, 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 operation and development of the controller. A fuzzy rule algorithm is defined by linguistic rules. The controller input parameters are represented by fuzzy sets. The operation of the controller is well represented by the control surface, especially with controllers that use input parameters.

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. Die Regelung von Prozessen mittels Fuzzy-Logik ist allgemein bekannt (vgl. Kahlert, Jörg: Fuzzy-Control für Ingenieure, ISBN 3-528-05460-3).The procedure for developing fuzzy logic (FL) functions is similar to the procedure for developing a fuzzy logic controller. The following procedure is for determining a FL correction function. The regulation of processes by means of fuzzy logic is generally known (see Kahlert, Jörg: Fuzzy Control for Engineers, ISBN 3-528-05460-3).

Erstens wird angenommen, dass die Korrekturfunktion für die Zeitkonstante des Prozessmodells folgende Form hat: Tc(korr.) = 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.First, it is assumed that the correction function for the time constant of the process model has the following form: Tc (corr.) = Tc [1 + ΔF]; (14) where ΔF is a fuzzy logical correction function. The value of the function corresponds to the incremental output of the fuzzy logic controller. The potential advantage of using a fuzzy logic function over a normal non-linear function is that the fuzzy logic function has a more flexible structure and can easily accommodate 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 is to use two arguments, where the ratio Tu / Td is the first and the bounds gain is the second argument.

Figure 00290001
Figure 00290001

Es ist möglich, verschieden viele und verschiedene Typen Zugehörigkeitsfunktionen zu verwenden. Der einfachen Implementierung wegen sind einfache Dreieck-Zugehörigkeitsfunktionen für die Eingangsparameter und Singleton-Funktionen für die Ausgangssignale zu verwenden. 11 und Tabelle 3 zeigen Einzelheiten der Struktur einer Fuzzy-Logik-Korrekturfunktion. Bezüglich Tabelle 3 gilt, dass P positiv und N negativ bedeutet. UG oder UP/L N P N N P P NS PL Tabelle 3: Inferenzregeln für die Korrekturfunktion Negativ: N = –0,4; negativ klein: NS = –0,2; positiv: P = 0,5; positiv groß: PL = 1,2It is possible to use many different and different types of membership functions. For ease of implementation, simple triangle membership functions are to be used for the input parameters and singleton functions for the output signals. 11 and Table 3 show details of the structure of a fuzzy logic correction function. With respect to Table 3, P is positive and N is negative. UG or UP / L N P N N P P NS PL Table 3: Inference rules for the correction function Negative: N = -0.4; negative small: NS = -0,2; positive: P = 0.5; positive large: PL = 1.2

Eine Defuzzifizierung des Ausgangssignals ist für Singleton-Zugehörigkeitsfunktionen zutreffend. Tc Modell Kp Modell Tc korr. lineare Funktion Tc korr. sigmoide Funktion Tc korr. FL Kp korr. lineare Funktion Kp korr. sigmoide Funktion Kp Korr. FL ≈ 11 1 9,374 10,42 10,13 0,799 0,887 0,86 ≈ 11 1 9,728 10,57 9,55 0,826 0,895 0,81 ≈ 11 1 10,65 8,92 10,00 0,949 0,809 0,89 ≈ 11 1 10,35 10,38 10,29 0,960 0,963 0,95 ≈ 11 1 9,72 11,9 10,30 0,956 1,12 0,99 ≈ 11 0,5 10,99 10,95 11,14 0,55 0,55 0,56 ≈ 11 0,5 12,36 14,34 13,54 0,66 0,77 0,73 ≈ 11 0,5 12,99 11,69 13,53 0,65 0,59 0,68 ≈ 11 0,5 11,59 10,68 12,38 0,57 0,53 0,61 ≈ 11 0,5 10,84 12,70 12,16 0,54 0,61 0,59 Tabelle 4: Vergleich zwischen angegebener Zeitkonstante und Prozessverstärkung aus verschiedenen Korrekturfunktionen A defuzzification of the output signal is true for singleton membership functions. TC model Kp model Tc corr. linear function Tc corr. sigmoide function Tc corr. FL Kp corr. linear function Kp corr. sigmoide function Kp Corr. FL ≈ 11 1 9.374 10.42 10.13 0.799 0.887 0.86 ≈ 11 1 9,728 10.57 9.55 0.826 0.895 0.81 ≈ 11 1 10.65 8.92 10.00 0.949 0.809 0.89 ≈ 11 1 10.35 10.38 10.29 0.960 0.963 0.95 ≈ 11 1 9.72 11.9 10.30 0.956 1.12 0.99 ≈ 11 0.5 10.99 10,95 11.14 0.55 0.55 0.56 ≈ 11 0.5 12.36 14.34 13.54 0.66 0.77 0.73 ≈ 11 0.5 12,99 11.69 13.53 0.65 0.59 0.68 ≈ 11 0.5 11.59 10.68 12.38 0.57 0.53 0.61 ≈ 11 0.5 10.84 12.70 12.16 0.54 0.61 0.59 Table 4: Comparison between 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 yielded time constants and gain estimates 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 Abstimmungsberechnungen eines PID-Reglers verwendet werden kann.According to Table 4, a relay vibration based identifier with added correction functions provides a first order model. plus dead time, which can be used for model-based tuning calculations of a PID controller.

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 basierend auf neuronalen Netzen liefert die Modellierung neuronaler 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 significantly improve voting rules based on relay-excited oscillations. Adhering to the established principles in the development of neural network tuning, neural network modeling provides a number of advantages. A user may implement arbitrary voting rules (not necessarily lambda or IMC) and apply the same methodology to develop neural network based voting models. A neural network model developed in the simulation can accommodate certain features of the voting design. Sampling speed and noise levels, which influence the design of the controller, can be easily added as input parameters 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 Informationen zu entwickeln, kann jeder andere Typ Abstimmungseinrichtung, der Prozesskennwerte misst, verwendet werden, einschließlich Abstimmungseinrichtungen mit offenem Regelkreis und andere Abstimmungseinrichtungen mit geschlossenem Regelkreis. 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 employ a tuner that calculates the cutoff period and limit gain of a process to develop information, any other type of tuner that measures process characteristics may be used, including closed loop tuners and other closed loop tuners , Furthermore, the factors and control parameters determined by the disclosed systems and methods may be input either 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, the elements referred to in all of the schematic block diagrams herein may be implemented in hardware or implemented in a suitably programmed digital computer or processor programmed with software, either in the form of separate programs or as modules of a common program.

Claims (9)

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 erstes Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses (630) zu erzeugen; – ein nicht lineares Modul (660) zur Erzeugung mindestens eines Parametersignals (651); – 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 (600) oder das Reglermodul (610) mit dem Prozess zu koppeln, um das erste oder zweite Prozesssteuersignal zur Regelung des Prozesses auszuwählen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmungsmodul (600) anhand des Fehlersignals (680) einen Satz charakteristischer Signale der wenigstens eine Grenzverstärkung Ku, Grenzperiodendauer Tu, Totzeit L angibt, erzeugt, die den Prozess kennzeichnen, und das nicht lineare Modul (660) eine nicht lineare Prozedur anwendet, um das mindestens eine Parametersignal mittels mindestens eines neuronalen Netzes und/oder Fuzzy-Logik und/oder sigmoider Abstimmung zu erzeugen, wobei der Satz charakteristischer Signale als Eingang verwendet wird, wobei das nicht lineare Modul (660) ein nicht lineares Prozessbestimmungsmodul (640) und ein nicht lineares Reglerentwurfsmodul (650) enthält, wobei ein Ausgang des nicht linearen Prozessbestimmungsmoduls (640) und ein Ausgang vom nicht linearen Reglerentwurfsmodul (650) mit dem Reglermodul (610) gekoppelt sind.System for tuning a process control loop, the system comprising: - a voting module ( 600 ) for receiving an error signal ( 680 ) representative of the difference between a setpoint and a process variable, for generating at least a first process control signal for controlling the process ( 630 ) to create; A nonlinear module ( 660 ) for generating at least one parameter signal ( 651 ); A controller module ( 610 ) for receiving the error signal and the at least one parameter signal from the non-linear module ( 660 ), wherein the controller module ( 610 ) generates a second process control signal for controlling the process; and - a switching device ( 670 ), which is coupled with the process to either the voting module ( 600 ) or the controller module ( 610 ) with the process to select the first or second process control signal to control the process, characterized in that the voting module ( 600 ) based on the error signal ( 680 ) generates a set of characteristic signals indicative of the at least one limit gain Ku, limit period duration Tu, dead time L, which characterize the process, and the nonlinear modulus ( 660 ) applies a non-linear procedure to generate the at least one parameter signal by means of at least one neural network and / or fuzzy logic and / or sigmoidal tuning, using the set of characteristic signals as input, the nonlinear module ( 660 ) a non-linear process determination module ( 640 ) and a nonlinear controller design module ( 650 ), wherein an output of the non-linear process determination module ( 640 ) and an output from the non-linear regulator design module ( 650 ) with the controller module ( 610 ) are coupled. System nach Anspruch 1, bei dem das Reglermodul (610) des Weiteren so gekoppelt ist, dass es das mindestens eine Parametersignal (651) vom nicht linearen Reglerentwurfsmodul empfängt.System according to claim 1, wherein the controller module ( 610 ) is further coupled such that it receives the at least one parameter signal ( 651 ) from the non-linear regulator design module. System nach Anspruch 1, das des Weiteren aufweist: ein analytisches Reglerentwurfsmodul (620), das mit dem nicht linearen Modul (660) gekoppelt ist, wobei das analytische Reglerentwurfsmodul (620) in der Lage ist, dem Reglermodul (610) eine Vielzahl Reglerparameter auf Basis einer vom nicht linearen Modul (660) empfangenen Vielzahl von Parametern des Modells zu liefern.The system of claim 1, further comprising: an analytical controller design module ( 620 ), which works with the nonlinear module ( 660 ), the analytical controller design module ( 620 ) is able to supply the regulator module ( 610 ) a plurality of controller parameters based on a non-linear module ( 660 ) to provide received plurality of parameters of the model. System nach Anspruch 1, bei dem das Reglermodul (610) einen Proportional-, Integral- und Differentialregler umfasst. System according to claim 1, wherein the controller module ( 610 ) comprises a proportional, integral and differential controller. System nach Anspruch 1, bei dem das neuronale Netzwerk entweder eine sigmoide Funktion oder eine radiale Basisfunktion verwendet.The system of claim 1, wherein the neural network uses either a sigmoidal function or a radial basis function. System nach Anspruch 1, bei dem das neuronale Netzmodul eine sigmoide Funktion verwendet, in der eine Neuronenübertragungsfunktion gegeben ist zu,
Figure 00340001
wobei In eine gewichtete Summe externer Eingänge ist, die die Form In = ΣwiIni hat.
A system according to claim 1, wherein the neural network module uses a sigmoid function in which a neuron transfer function is given,
Figure 00340001
where In is a weighted sum of external inputs that has the form In = Σw i In i .
System nach Anspruch 1, bei dem das nicht lineare Modul (660) die Parametersignale unter Verwendung nicht linearer Schätzer mit nicht linearen Funktionen berechnet.System according to claim 1, wherein the non-linear module ( 660 ) calculates the parameter signals using non-linear estimators with non-linear functions. System nach Anspruch 1, bei dem das Abstimmungsmodul die charakteristischen Signale anhand von von einem Relais angeregten Schwingungen bestimmt.The system of claim 1, wherein the tuning module determines the characteristic signals based on vibrations excited by a relay. System nach Anspruch 1, bei dem heuristische Koeffizienten mit der sigmoiden Funktion verwendet werden, um Parameter, einschließlich einer Integralzeitkonstanten, eines Verstärkungsfaktors und einer Differenzialzeitkonstanten bereitzustellen.The system of claim 1, wherein sigmoid function heuristic coefficients are used to provide parameters including an integral time constant, a gain factor, and a derivative time constant.
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