DE102004032050A1

DE102004032050A1 - Adaptiver Regler mit verbesserter Mustererkennung

Info

Publication number: DE102004032050A1
Application number: DE102004032050A
Authority: DE
Inventors: John E. Glendale Seem
Original assignee: Johnson Controls Technology Co
Current assignee: Johnson Controls Technology Co
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2005-03-31
Also published as: JP2005044349A; US6937909B2; US20050004685A1

Abstract

Ein adaptiver Regler mit Mustererkennung ist so konfiguriert, daß er auf der Basis von Mustern, die das Ansprechverhalten in geschlossener Schleife charakterisieren, dynamisch Proportional-Verstärkungs- und Integralzeitregelparameter einstellt. Der adaptive Regler mit Mustererkennung empfängt ein die geregelte Variable repräsentierendes abgetastetes Signal und bestimmt auf der Basis des abgetasteten Signals ein geglättetes Signal. Der Regler bestimmt einen geschätzten Rauschpegel des abgetasteten Signals und bestimmt auf der Basis vordefinierter Kriterien, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren. Der Regler stellt die von dem Regler verwendete Verstärkung ein, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren. Wenn Regelausgangssignal und Prozeßausgangssignal nicht schnell oszillieren, bestimmt der Regler, ob eine signifikante Laststörung aufgetreten ist, ein insignifikantes Muster besteht und/oder das Regelausgangssignal gesättigt ist. Auf der Basis der Ergebnisse dieser Bestimmungen läßt der Regler die Verstärkung und Integralzeit entweder unverändert oder bestimmt eine neue Verstärkung und Integralzeit. Mit den eingestellten Regelparametern wird dann das Betätigungsglied geregelt, so daß sich der Regler dadurch auf den Prozeß auswirkt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einstellung der Verstärkungs- und Integralzeitparameter eines Proportional-Integral-Reglers und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einstellung der Verstärkungs- und Integralzeitparameter eines Proportional-Integral-Reglers als Reaktion auf Muster in einem eine gesteuerte Variable repräsentierenden Rückkopplungssignal.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Rückkopplungsregler („Regler") mit einer einzigen Schleife werden häufig zur Aufrechterhaltung der Temperatur, der Feuchtigkeit, des Drucks und von Strömungsraten für Heiz-, Ventilations- und Klimatisierungsgeräte verwendet. Zum Beispiel kann man in einer Klimaanlage mit einem Regler den Fluß von gekühltem Wasser durch eine Kühlspule regeln. Bei einem solchen System stellt der Regler die Wasserströmungsrate auf der Basis eines Rückkopplungssignals ein, das die Temperatur der von der Spule abgegebenen Luft („geregelte Variable") angibt. Das Rückkopplungssignal wird durch einen Sensor erzeugt, der so angeordnet ist, daß er die geregelte Variable überwacht.
Die Aufgabe solcher Regler ist die Regelung des Systems dergestalt, daß die geregelte Variable, so wie sie durch das Rückkopplungssignal gemessen wird, auf einem gewünschten Wert (dem „Sollwert") gehalten wird. Zum Beispiel versucht der Regler einer Klimaanlage, die Temperatur der von dem System abgegebenen Luft auf einem spezifischen Wert zu halten. Wenn die tatsächliche Temperatur der abgegebenen Luft von der gewünschten Temperatur abweicht, muß der Regler den Fluß des gekühlten Wassers entsprechend einstellen, um die tatsächliche Lufttemperatur wieder in Übereinstimmung mit der gewünschten Lufttemperatur zu bringen. Wenn also das Rückkopplungssignal anzeigt, daß die tatsächliche Lufttemperatur kälter als die gewünschte Temperatur ist, bewirkt der Regler, daß die Strömungsrate von gekühltem Wasser abnimmt, so daß die tatsächliche Temperatur der abgegebenen Luft zunimmt. Wenn das Rückkopplungssignal anzeigt, daß die tatsächliche Lufttemperatur wärmer als die gewünschte Temperatur ist, bewirkt der Regler ähnlich, daß die Strömungsrate von gekühltem Wasser zunimmt, so daß die tatsächliche Temperatur der abgegebenen Luft abnimmt.
Ein ideales Regelsystem wäre in der Lage, die geregelte Variable lediglich auf der Basis des Rückkopplungssignals auf dem Sollwert zu halten. Tatsächliche Regelsysteme erfordern jedoch als Regelparameter bekannte zusätzliche Eingaben. Regelparameter sind Werte, die ein Regler verwendet, um zu bestimmen, wie ein System auf der Basis des Rückkopplungssignals und des Sollwerts geregelt werden soll.
Ein häufig verwendetes Verfahren zur Regelung eines Systems mit geschlossener Schleife, das als Proportional-plus-Integral-Regelung (PI) bekannt ist, erfordert zwei Regelparameter: Porportional-Verstärkung und Integralzeit. Da sich diese beiden Regelparameter direkt auf die Leistungsfähigkeit und Stabilität eines PI-Reglers auswirken, ist es wichtig, die angemessenen Werte dieser Parameter zu bestimmen. Die angemessenen Werte für diese Parameter können sich jedoch während der Benutzung des Systems mit der Zeit ändern. Zum Beispiel kann sich die Dynamik eines Prozesses durch folgendes ändern: Verkrustung des Wärmetauschers, naturgemäßes nicht lineares Verhalten, Umgebungsvariationen, Flußratenänderungen, große und häufige Störungen und einen ungewöhnlichen Betriebsstatus, wie zum Beispiel Ausfälle, Herauffahren und Herunterfahren. Der Prozeß des Einstellens der Regelparameter eines Reglers zur Kompensation solcher Systemänderungen wird als Neuabstimmung bezeichnet. Wenn ein Regler nicht neu abgestimmt wird, kann das Regelansprechverhalten ungünstig sein. Zum Beispiel kann die geregelte Variable unstabil werden oder in bezug auf den Sollwert stark oszillieren. Um eine angemessene Leistungsfähigkeit sicherzustellen, sollten Regler also periodisch mit neuen Regelparameterwerten neu abgestimmt werden.
Die verschiedenen Abstimmverfahren, die entwickelt wurden, um die angemessenen Werte der Regelparameter für PI-Regler zu bestimmen, fallen in drei allgemeine Kategorien. Diese Kategorien lauten: Manuelle Abstimmung, Auto-Abstimmung und adaptive Regelung. Manuelle Abstimmverfahren erfordern, daß ein Bediener verschiedene Test- oder Versuchs- und Fehlerprozeduren ausführt, um die entsprechenden Regelparameter zu bestimmen. Manuelle Abstimmverfahren haben den offensichtichen Nachteil, daß sie sehr viel Bedienerzeit und -expertise erfordern. Auto-Abstimmverfahren erfordern, daß ein Bediener periodisch Abstimmprozeduren einleitet, während derer der Regler automatisch die entsprechenden Regelparameter bestimmt. Die so eingestellten Regelparameter bleiben bis zur nächsten Abstimmprozedur unverändert. Obwohl Auto-Abstimmung weniger Bedienerzeit als manuelle Abstimmverfahren erfordert, erfordert sie weiterhin Bedienerintervention. Außerdem kann der Regler während des Zeitraums zwischen Abstimmungen stark verstimmt werden und schlecht arbeiten. Bei adaptiven Regelverfahren werden die Regelparameter automatisch während des normalen Betriebes eingestellt, um eine Anpassung an Änderungen der Prozeßdynamik zu erreichen. Somit ist keine Bedienerintervention erforderlich. Außerdem werden die Regelparameter kontinuierlich aktualisiert, um die verschlechterte Leistungsfähigkeit zu verhindern, die zwischen Abstimmungen der anderen Verfahren auftreten kann.
Es gibt drei Hauptansätze für die adaptive Regelung: Adaptive Regelung mit Modellreferenz („MRAC"), Selbstabstimmregelung und adaptive Regelung mit Mustererkennung („PRAC"). Die ersten beiden Ansätze, MRAC und Selbstabstimmung, verwenden Systemmodelle, die im allgemeinen relativ komplex sind. Die Komplexität der Modelle ist erforderlich durch die Notwendigkeit, ungewöhnlichen oder abnormen Betriebsbedingungen zuvorzukommen. Genauer gesagt werden bei MRAC die Regelparameter eingestellt, bis die Antwort des Systems auf ein Befehlssignal der Antwort eines Referenzmodells folgt. Bei selbstabstimmender Regelung werden die Parameter eines Prozeßmodells online bestimmt und die Regelparameter auf der Basis der Parameter des Prozeßmodells eingestellt.
Bei PRAC werden Parameter, die das Muster des Ansprechens in geschlossener Schleife charakterisieren, bestimmt, nachdem signifikante Sollwertänderungen oder Laststörungen aufgetreten sind. Die Regelparameter werden dann auf der Basis der charakteristischen Parameter des Ansprechverhaltens in geschlossener Schleife eingestellt. Bestimmte bekannte adaptive Regler mit Mustererkennung erfordern, daß ein Bediener zahlreiche Regelparameter eingibt, bevor der normale Betrieb beginnen kann. Je zahlreicher die vom Bediener gewählten Regelparameter sind, desto schwieriger ist es, den adaptiven Regler mit Mustererkennung für optimale Leistung einzustellen, und desto länger dauert es, den adaptiven Regler mit Mustererkennung für den Betrieb vorzubereiten.
Signifikante Fortschritte in der Technik sind aus den eigenen US-Patenten Nr. 5,355,305 und 5,506,768 bekannt, auf deren gesamten Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die US-Patente Nr. 5,355,305 und ,5,506,768 (die Patente Nr. '305 und '768) liefern einen adaptiven Regler mit Mustererkennung mit weniger vom Bediener spezifizierten Regelvariablen als bei anderen adaptiven Reglern mit Mustererkennung erforderlich sind. Die Patente Nr. '305 und '768 liefern ferner einen adaptiven Regler mit Mustererkennung mit verbesserter Leistungsfähigkeit und insbesondere einen Regler, der unter sehr viel Rauschen auf nahezu optimale Weise arbeitet. Ferner liefern die Patente Nr. '305 und '768 einen adaptiven Regler mit Mustererkennung mit variablem Abstimmrauschband, das sich automatisch auf verschiedene Rauschpegel in dem Prozeß einstellt. Die Patente Nr. '305 und '768 liefern außerdem einen adaptiven Regler mit Mustererkennung, der einen Prozeß effizient mit einer verringerten Anzahl von Betätigungsgliedeinstellungen und damit verringerten Energiekosten regelt, indem Oszillationen für das Signal der geregelten Variablen vermindert werden. Außerdem liefern die Patente Nr. '305 und '768 einen robusten adaptiven Regler mit Mustererkennung, der eine relativ sichere Regelung durchführt, ohne die werte seiner Parameter auf einen vorbestimmten Bereich einzuschränken. Außerdem liefern die Patente Nr. '305 und '768 einen adaptiven Regler mit Mustererkennung mit verringerten Betriebsmittelanforderungen, der insbesondere weniger Speicher und weniger Rechenleistung als bisherige adaptive Regler mit Mustererkennung erfordert.
Obwohl die in den US-Patenten Nr. 5,355,305 und 5,506,768 offengelegten Erfindungen signifikante Fortschritte in der Technik darstellen, ist es wünschenswert, ein weiter verbessertes Verfahren zur automatischen Einstellung der Verstärkung und Integralzeit von Proportional-Integral-Reglern auf der Basis von das Ansprechverhalten in geschlossener Schleife charakterisierenden Mustern bereitzustellen. Insbesondere ist es wünschenswert, einen adaptiven Regler mit Mustererkennung bereitzustellen, der sich nicht verstimmt, wenn periodische Laststörungen auftreten. Außerdem ist es wünschenswert, einen adaptiven Regler mit Mustererkennung bereitzustellen, der sich nicht verstimmt, wenn die Reglerverstärkung im Vergleich zu einem Optimalwert extrem groß ist. Schließlich ist es wünschenswert, einen adaptiven Regler mit Mustererkennung bereitzustellen, der zu klein bemessene Systeme, die wiederholt gestartet werden, nicht verstimmt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Einstellung der Verstärkungs- und Integralzeitparameter eines PI-Reglers als Reaktion auf Muster in einem eine geregelte Variable repräsentierenden Rückkopplungssignal. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum dynamischen Einstellen der Regelparameter eines Proportional-Verstärkungs- und Integralzeit-Reglers, der so angeordnet ist, daß er ein Betätigungsglied regelt, das sich auf einen Prozeß auswirkt. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Abtasten eines Rückkopplungssignals, das eine geregelte Variable des Prozesses repräsentiert, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen, Erzeugen eines geglätteten Signals auf der Basis des abgetasteten Signals, Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels des abgetasteten Signals, Bestimmen, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, auf der Basis von vordefinierten Kriterien, Einstellen der von dem Regler verwendeten Verstärkung, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, und Verwenden der eingestellten Regelparameter zur Regelung des Betätigungsgliedes, wodurch bewirkt wird, daß der Regler den Prozeß beeinflußt.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert eine Vorrichtung zur dynamischen Einstellung von Regelparametern eines Proportional-Verstärkungs- und Integralzeit-Reglers, der so angeordnet ist, daß er ein Betätigungsglied regelt, das sich auf einen Prozeß auswirkt. Die Vorrichtung umfaßt ein Mittel zum Abtasten eines Rückkopplungssignals, das eine geregelte Variable des Prozesses repräsentiert, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen, ein Mittel zum Erzeugen eines geglätteten Signals auf der Basis des abgetasteten Signals, ein Mittel zum Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels des abgetasteten Signals, ein Mittel zum Bestimmen, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, auf der Basis von vordefinierten Kriterien, ein Mittel zum Einstellen der von dem Regler verwendeten Verstärkung, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, und ein Mittel zum Verwenden der eingestellten Regelparameter zur Regelung des Betätigungsgliedes, wodurch bewirkt wird, daß der Regler den Prozeß beeinflußt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum dynamischen Einstellen der Regelparameter eines Proportional-Verstärkungs- und Integralzeit-Reglers, der so angeordnet ist, daß er ein Betätigungsglied regelt, das sich auf einen Prozeß auswirkt. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Abtasten eines Rückkopplungssignals, das eine geregelte Variable des Prozesses repräsentiert, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen, Erzeugen eines geglätteten Signals auf der Basis des abgetasteten Signals und Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels des abgetasteten Signals. Zusätzlich umfaßt das Verfahren die folgenden Schritte: Bestimmen, ob ein Muster insignifikant ist auf der Basis eines Sollwerts und eines Abstimmbands und ob das Regelausgangssignal gesättigt ist, Bestimmen einer neuen Verstärkung und einer neuen Integralzeit und Setzen der Verstärkung und Integralzeit des Reglers auf die neue Verstärkung und die neue Integralzeit, wenn das Muster nicht insignifikant ist und das Regelausgangssignal nicht gesättigt ist, und Verwenden der eingestellten Regelparameter zur Regelung des Betätigungsgliedes, wodurch bewirkt wird, daß sich der Regler auf den Prozeß auswirkt.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin verschiedene Merkmale und Kombinationen von Merkmalen, die in den offengelegten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben werden. Andere Möglichkeiten zur Erreichung der Aufgaben und Merkmale der offengelegten Ausführungsformen werden in der folgenden Beschreibung beschrieben oder werden für Fachleute erkennbar, nachdem sie die vorliegende Beschreibung gelesen haben. Solche anderen Möglichkeiten sollen in den Schutzumfang der offengelegten Ausführungsformen fallen, wenn sie in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Blockschaltbild der Komponenten eines Rückkopplungssystems mit geschlossener Schleife gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2A ist ein Blockschaltbild eines adaptiven Reglers mit Mustererkennung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
2B ist ein Blockschaltbild eines adaptiven Reglers mit Mustererkennung gemäß einer alternativen Ausführungsform.
3 ist ein Flußdiagramm der Art und Weise der Implementierung des Reglers von 1 zur dynamischen Einstellung von Regelparametern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4A, 4B und 4C zeigen Signale zur Bestimmung von Merkmalen für Sollwertänderungen mit Überschwingen gemäß dem Flußdiagramm von 3.
5A, 5B und 5C zeigen Signale zur Bestimmung von Merkmalen für Laststörungen gemäß dem Flußdiagramm von 3.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Vor der Erläuterung einer Anzahl bevorzugter, beispielhafter und alternativer Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Konfiguration und die Anordnung der Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen dargestellt werden, beschränkt ist. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen fähig oder kann auf verschiedene Weise ausgeübt oder ausgeführt werden. Außerdem versteht sich, daß die hier verwendeten Ausdrucksweisen und Terminologien der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend aufgefaßt werden sollten.
1 zeigt die Hardwarekonfiguration eines PI-Regelsystems 10 mit geschlossener Schleife, das die vorliegende Erfindung realisiert. Das System 10 enthält allgemein einen PI-Regler 20, ein Betätigungsglied 28, ein Subsystem 32, das einen Prozeß regelt, und einen Sensor 36. Der Regler 20 ist durch einen Digital/Analog-Umsetzer 24 an das Betätigungsglied 28 und durch einen Analog/Digital-Umsetzer 40 an den Sensor 36 angekoppelt.
Das Betätigungsglied 28 ist so angeordnet, daß es sich auf den Betrieb des Subsystems 32 auswirkt. Zum Beispiel kann das Subsystem 32 ein Klimatisierungssubsystem sein, für das das Betätigungsglied 28 ein Ventil steuert, durch das gekühltes Wasser geleitet wird. Der Sensor 36 ist so angeordnet, daß er die geregelte Variable des Subsystems 32, die durch das Betätigungsglied 28 beeinflußt wird, überwacht. Zum Beispiel kann der Sensor 36 ein Thermometer sein, das so angeordnet ist, daß es die Temperatur von aus dem Subsystem 32 abgegebener Luft überwacht. Der Sensor 36 sendet ein die geregelte Variable (Temperatur) repräsentierendes Signal zu dem Analog/Digital-Umsetzer 40. Dieses Signal der geregelten Variablen wird vorzugsweise durch ein Anti-Aliasfilter gefiltert, um hochfrequente Signale zu entfernen, wie Fachleuten bekannt ist. Der Analog/Digital-Umsetzer 40 tastet das gefilterte Signal der geregelten Variablen ab und sendet ein abgetastetes Rückkopplungssignal zu dem Regler 20. Der Regler 20 vergleicht das abgetastete Rückkopplungssignal mit einem Sollwert 46, der den gewünschten Wert der geregelten Variablen repräsentiert, um zu bestimmen, zu welchen Grad die geregelte Variable von dem Sollwert 46 abgewichen ist. Solche Abweichungen können durch Sollwertänderungen oder Laststörungen verursacht werden. Auf der Basis dieses Vergleichs bestimmt der Regler 20, wie das Betätigungsglied 28 reagieren soll, um zu bewirken, daß die geregelte Variable zu dem Sollwert 46 zurückkehrt. Nachdem das entsprechende Ansprechverhalten bestimmt wurde, erzeugt der Regler 20 ein Regelsignal durch den Digital/Analog-Umsetzer 24 zu dem Betätigungsglied 28. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann anstelle der Verwendung des Digital/Analog-Umsetzers 24 jede andere Art von Ausgabeeinrichtung verwendet werden. Zum Beispiel kann ein adaptiver Regler mit Impulsmodulation den Digital/Analog-Umsetzer 24 ersetzen. Als Reaktion auf das Regelsignal verändert das Betätigungsglied 28 die Funktionsweise des Subsystems 32 entsprechend. Während dieser Prozedur werden die Regelparameter des Reglers 20 neu abgestimmt, um etwaige Änderungen in dem Prozeß zu kompensieren. Vorzugsweise werden die neuen PI-Werte so gewählt, daß die integrierten Absolutfehler zwischen dem Sollwert 46 und der geregelten Variablen minimiert werden.
Ein entscheidender Faktor bei der Effizienz und Leistungsfähigkeit des Systems 10 ist die Genauigkeit, mit der der Regler 20 die neuen PI-Werte nach einer etwaigen gegebenen Störung bestimmt. Ein gemäß der vorliegenden Erfindung implementierter adaptiver Regler mit Mustererkennung führt diese Bestimmung durch Charakterisierung des Ansprechverhaltens in geschlossener Schleife durch, während sich das Ansprechverhalten in dem abgetasteten Rückkopplungssignal widerspiegelt.
2A zeigt den adaptiven Regler 20 mit Mustererkennung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform enthält der Regler 20 intern die erforderliche Hardware und Software zur Implementierung des adaptiven Regelprozesses mit Mustererkennung. Die Hardware kann einen Mikroprozessor 42 und Speicher 48 umfassen. Der Mikroprozessor 42 enthält einen Addierer 44 und einen Komparator 46 und arbeitet gemäß im Speicher 48 gespeicherten Programmanweisungen. Der Speicher 48 kann ROM, EPROM, EEPROM, RAM oder Flash, geladen mit entsprechenden Anweisungen, oder ein beliebiges anderes digitales Informationsspeichermittel sein.
2B zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Prozeß des Bestimmens optimaler Regelparameterwerte durch eine externe Verarbeitungseinheit 62 implementiert, wie zum Beispiel einen PC. Die Verarbeitungseinheit 62 ist durch eine Schnittstelle 64, wie zum Beispiel einen seriellen Port, mit einem PI-Regler 60 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 62 empfängt das durch den Regler 60 erzeugte Regelsignal über eine Leitung 66 und das Rückkopplungssignal von dem Sensor 36 über eine Leitung 68. Auf der Basis dieser Signale bestimmt die Verarbeitungseinheit 62 die optimalen Regelparameter für den Regler 60. Diese Parameter werden dann durch die Schnittstelle 64 zu dem Regler 60 gesendet. Die externe Verarbeitungseinheit 62 kann mit dem Regler 60 verbunden sein, um eine kontinuierliche Parameterneuabstimmung bereitzustellen, oder kann von Zeit zu Zeit mit diesem verbunden werden, um eine periodische Neuabstimmung bereitzustellen. Wenn die Verarbeitungseinheit 62 nicht mit dem Regler 60 verbunden ist, bleiben die Betriebsparameter des Reglers 60 konstant auf den Werten, die von der Verarbeitungseinheit 62 während der letzten Neuabstimmoperation erzeugt wurden. Eine ausführlichere Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt nun mit Bezug auf 3.
3 ist ein Blockschaltbild für ein System 100 (bekannt als „PRAC+") gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Implementierung des Systems 100 umfaßt im allgemeinen einen Block 101 zum Glätten des abgetasteten Rückkopplungssignals und zum Schätzen eines Rauschpegels, einen Block 103 zum Bestimmen, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, einen Block 105 zum Bestimmen, ob eine signifikante Laststörung aufgetreten ist, einen Block 107 zum Charakterisieren eines Ansprechverhaltens in geschlossener Schleife, einen Block 109 zum Bestimmen, ob ein Muster insignifikant ist und ob das Betätigungsglied gesättigt ist, einen Block 111 zum Bestimmen einer neuen Verstärkung und einer neuen Integralzeit und einen Block 104 zum Verkleinern der Verstärkung.
Im Block 101 wird aus dem von dem A/D-Umsetzer 40 gelieferten abgetasteten Rückkopplungssignal 102 ein geglättetes Signal geschätzt. Das geglättete Prozeßausgangssignal wird aus dem folgenden Ausdruck bestimmt
wobei yy ^_t–2 die Schätzung des Prozeßausgangssignals zum Zeitpunkt t–2, y_t das Prozeßausgangssignal zum Zeitpunkt t, y_t–1 das Prozeßausgangssignal eine Zeitperiode vor dem Zeitpunkt t, y_t–2 das Prozeßausgangssignal zwei Zeitperioden vor dem Zeitpunkt t, y_t–3 das Prozeßausgangssignal drei Zeitperioden vor dem Zeitpunkt t und y_t– ₄ das Prozeßausgangssignal vier Zeitperioden vor dem Zeitpunkt t ist. Gleichung (1) basiert auf dem Anpassen einer quadratischen Funktion durch fünf gleichmäßig beabstandete Punkte. Die geglättete Schätzung der Steigung s ^_t– ₃ eines Signal drei Zeitperioden vor dem Zeitpunkt t wird mit dem folgenden Ausdruck bestimmt:
wobei T die Abtastperiode für den PI-Regler, y_t– ₅ das Prozeßausgangssignal fünf Zeitperioden vor dem Zeitpunkt t und y_t– ₆ das Prozeßausgangssignal sechs Zeitperioden vor dem Zeitpunkt t ist. Gleichung (2) basiert auf dem Anpassen einer quadratischen Funktion durch sieben Punkte. Block 101 verwendet eine Schätzung des Prozeßrauschens zur Bestimmung eines Abstimmbands und eines Signal/Rausch-Verhältnisses. Die Schätzung des Prozeßrauschens zum Zeitpunkt t wird aus dem exponentiellen gewichteten gleitenden Mittelwert („EWMA") bestimmt n t = n t–1 + λ(|y ^t – yt| – n t–1) (3) wobei n _t–1 die vorherige Rauschschätzung und λ eine Glättungskonstante gleich 0,001 ist. Ein zweckmäßiges Verfahren zum Herauffahren des EWMA besteht darin, rekursiv den Mittelwert n _t für die ersten 1/λ Abtastwerte mit dem folgenden Ausdruck zu berechnen:
wobei r ein laufender Index an der Anzahl von bei der Rauschschätzung verwendeten Abtastperioden ist.
Im Block 103 wird bestimmt, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangsisignal schnell oszillieren. Große und schnelle Oszillationen in dem Regelausgangssignal und dem Prozeßausgangssignal können durch übermäßige Werte für die Reglerverstärkung verursacht werden. Um zu bestimmen, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, bestimmt Block 103 die folgenden Merkmale (z.B. vordefinierten Kriterien) aus 12 Abtastwerten des Fehler- und Regelausgangssignals: Anzahl der Extreme für Regelsignal und Fehler, Maximalwert der niedrigen Extreme für Regelsignal und Fehler und Minimalwert hoher Extreme für Regelsignal und Fehler. Der Fehler e ist gleich der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Prozeßausgangssignal und wird folgendermaßen bestimmt: e = yset – y (5)wobei y_set der Sollwert ist. Extreme in dem Fehler werden mit den folgenden Regeln identifiziert: IF et–1 > et und et–1 ≥ et–2 THEN et–1 ist hohes Extrem IF et–1 < et und et–1 ≤ et–2 THEN et–1 ist niedriges Extrem (6)wobei et der Fehler zum Zeitpunkt t, e_t–1 der Fehler eine Abtastperiode vor dem Zeitpunkt t und e_t–2 der Fehler zwei Abtastperioden vor dem Zeitpunkt t ist. Zur Bestimmung von Extremen in dem Regelsignal werden ähnliche Regeln verwendet.
Block 103 verwendet die folgende Regel, um zu bestimmen, ob das Fehler- und Regelsignal schnelle Oszillationen aufweisen: IF [nexreme,error ≥ 4 und nexreme,u ≥ 4 und max{elow,1, elow,2, ...} < 0 und min{ehigh,1, ehigh,2, ...} > 0 und min{uhigh,1, uhigh,2, ...} – max{ulow,1, ulow,2, ...}) > 0,1(umax, umin)] THEN schnelle Oszillationen im Fehler- und Regelsignal (7)wobei n_{extreme,error} die Anzahl von Extremen in dem Fehler, n_extreme,u die Anzahl von Extremen in dem Regelsignal, e_low,1 das erste niedrige Extrem in dem Fehler, e_low,2 das zweite niedrige Extrem in dem Fehler, e_high,1 das erste hohe Extrem in dem Fehler, u_high,1 das erste hohe Extrem in dem Regelsignal, u_high,2 das zweite hohe Extrem in dem Regelsignal, u_low,1 das erste niedrige Extrem in dem Regelsignal, u_low,2 das zweite niedrige Extrem in dem Regelsignal, u_max der Maximalwert des Regelsignals und u_min der Minimalwert des Regelsignals ist.
Wenn das Prozeßausgangs- und Regelsignal schnell oszillieren, wie aus Regel (7) bestimmt wird, dann wird das Verhältnis der neuen Reglerverstärkung (K_new) zu der derzeitigen Reglerverstärkung (K) aus dem folgenden Ausdruck bestimmt:
Manchmal kann zufälliges Rauschen bewirken, daß eine schnelle Oszillation falsch identifiziert wird. Um die Einstellung der Verstärkung bei Anwesenheit von zufälligem Rauschen zu verlangsamen, werden die 11 Vorwerte für den Fehler auf Null gesetzt, nachdem schnelle Oszillationen in dem Prozeßausgangssignal und dem Regelsignal identifiziert wurden. Wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal nicht schnell oszillieren, schreitet das System 100 zum Block 105 voran. Wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, wird im Block 104 gemäß der obigen Gleichung (8) ein neuer Verstärkungswert bestimmt.
Im Block 105 charakterisiert das System 100 das Ansprechverhalten in geschlossener Schleife, nachdem eine große Sollwertänderung oder Laststörung aufgetreten ist. Eine Sollwertänderung, die größer als das Abstimmband ist, wird als groß betrachtet. Wenn das Muster für eine Sollwertänderung nicht gerade charakterisiert wird, sucht Block 105 nach großen Laststörungen. Eine Laststörung wird als groß betrachtet, wenn das geglättete Prozeßausgangssignal für zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte größer als der Sollwert plus Abstimmband ist oder das geglättete Prozeßausgangssignal für zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte kleiner als der Sollwert minus Abstimmband ist. Das Abstimmband T_band wird aus dem folgenden Ausdruck bestimmt Tband = max{5,33n t,Tband,min} (9)wobei n _t der aus den Gleichungen (3) und (4) bestimmte mittlere Rauschpegel und T_band,min ein minimales Abstimmband ist. Die Konstante 5,33 wurde aus Optimierungen bestimmt, die so ausgelegt waren, daß der integrierte Absolutwert des Fehlers für eine große Vielfalt von Systemen minimiert wird, wie in der Technik bekannt ist. Das minimale Abstimmband T_band,min kann folgendermaßen abgeschätzt werden: Tband,min = max{4PrangeRD–A,4SrangeRA–D} (10)wobei P_range der maximale erwartete Umfang des Prozeßausgangssignals, R_D–A die Auflösung des Digital/Analog-Umsetzers, S_range der Sensorumfang und R_A–D die Auflösung des Analog/Digital-Umsetzers ist. Das Minimum-Abstimmband verhindert, daß sich das System 100 auf durch Quantisierung verursachte Limit-Cycle-Oszillationen abstimmt. Wenn keine große Sollwertänderung oder Last störung auftritt, bleiben die Verstärkung und Integralzeit gleich. Wenn eine große Sollwertänderung oder Laststörung auftritt, schreitet das System 100 zum Block 107 voran.
Im Block 107 charakterisiert das System 100 das Ansprechverhalten in geschlossener Schleife durch Bestimmung der folgenden sieben Merkmale aus dem Regelsignal, dem geglätteten Prozeßausgangssignal und der Steigung des Prozeßausgangssignals: niedriges Reglerausgangssignal (u_low), hohes Reglerausgangssignal (u_high), niedriges geglättetes Prozeßausgangssignal (y ^_low), hohes geglättetes Prozeßausgangssignal (y ^_high), Oszillationsverhältnis (ϕ), Ansprechzeit in geschlossener Schleife (θ) und eine Anzeige des Überschwingens. Das Oszillationsverhältnis ist ein Maß des Grads an Oszillation; die Ansprechzeit in geschlossener Schleife ist ein Maß für die Ansprechgeschwindigkeit; und eine Überschwinganzeige dient zur Anzeige des Vorhandenseins von Überschwingen. Regeln und Gleichungen werden benötigt, um die Merkmale sowohl für Laststörungen als auch für Sollwertänderungen und für verschiedene Arten von Ansprechverhalten, z.B. zu wenig gedämpft, zu viel gedämpft und unstabile Ansprechtypen, zu bestimmen. Als nächstes wird ein Verfahren zur Bestimmung von Schlüsselsignalen und -merkmalen im Anschluß an eine Sollwertänderung und Laststörung beschrieben. Die Prozedur zum Erzeugen des Oszillationsverhältnisses, der Ansprechzeit in geschlossener Schleife und des Überschwinganzeigers aus den Schlüsselsignalen wird dann beschrieben.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Extrahieren von Schlüsselsignalen und -merkmalen im Anschluß an Sollwertänderung im Block 107 wird nun mit Bezug auf 4A–4C beschrieben. Das Verfahren beginnt mit einer Suche nach dem niedrigen 201 und dem hohen 203 Regelsignal (u_low und u_high). Die Suche wird zum Zeitpunkt der Sollwertänderung 205 eingeleitet. Die Anfangswerte für den niedrigen und den hohen Wert des geglätteten Prozeßausgangssignals (y ^_low, y ^_high) werden gleich dem alten Sollwert (y_set,old) gesetzt. Außerdem werden die zugeordneten Zeiten
gleich der Zeit der Sollwertänderung gesetzt. Das Verfahren sucht weiter nach den Signalen
nachdem das geglättete Prozeßausgangssignal eine obere Schwelle übersteigt, die gleich dem geglätteten Prozeßausgangssignal zum Zeitpunkt der Sollwertänderung plus das Abstimmband ist. Außerdem beginnt die Suche nach niedrigen und hohen Werten der Steigung
und Vorzeichenänderungen in der Steigung, nachdem das geglättete Prozeßausgangssignal die obere Schwelle übersteigt. Das Verfahren hört auf, nach Signalen zu suchen, nachdem die Steigung das Vorzeichen zweimal wechselt oder wenn die Zeit seit der Sollwertänderung gleich 60mal der Abtastperiode für den PI-Regler ist, je nachdem, was zuerst eintritt.
Aufgrund der begrenzten Auflösung des Analog/Digital-Umsetzers kann die Steigungsschätzung für eine Anzahl von Abtastwerten gleich Null sein. Es ist wichtig, eine einzelne Vorzeichenänderung zu erkennen, wenn die Steigung von einem positiven Wert auf Null und dann von Null auf einen negativen Wert geht. Ein Vorzeichenwechsel in der Steigung wird mit der folgenden Regel identifiziert:
wobei s ^_t und s ^_t–1, die aktuelle bzw. vorherige Schätzung der Steigung sind.
Wenn die Suche nach den Signalen und Vorzeichenwechseln in der Steigung begänne, bevor das geglättete Prozeßausgangssignal die obere Schwelle übersteigt, würde der erste Vorzeichenwechsel falsch identifiziert, und das Oszillationsverhältnis hätte einen falschen Wert. Um somit eine falsche Bestimmung von Merkmalen nach einer Zunahme des Sollwerts zu verhindern, sollte die Suche nach Signalen aus dem Prozeßausgangssignal und der Steigung beginnen, nachdem das geglättete Prozeßausgangssignal eine obere Schwelle übersteigt. Nach einer Abnahme des Sollwerts beginnt die Suche nach Signalen, nachdem das geglättete Prozeßausgangssignal kleiner als eine untere Schwelle ist, die gleich dem geglätteten Prozeßausgangssignal zum Zeitpunkt der Sollwertänderung minus dem Abstimmband ist. Die sieben Merkmale werden bestimmt, wenn der zweite Vorzeichenwechsel identifiziert wird, oder wenn die Zeit seit der Sollwertänderung gleich 60 T ist.
Nunmehr mit Bezug auf 5A–5C wird ein beispielhaftes Verfahren zur Suche nach Laststörungen, wenn nicht Merkmale für eine große Sollwertänderung bestimmt werden, beschrieben. Eine Laststörung wird als groß betrachtet, wenn zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte des geglätteten Prozeßausgangssignals größer als der Sollwert plus Abstimmband sind oder zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte kleiner als der Sollwert minus dem Abstimmband sind. Zum Zeitpunkt der Laststörung beginnt das Verfahren mit der Suche nach niedrigen und hohen Regelsignalen und Vorzeichenwechseln in der Steigung. Nachdem der erste Vorzeichenwechsel identifiziert wurde, beginnt die Suche nach den folgenden Signalen:
Die Suche nach diesen Signalen hört auf, nachdem die Steigung dreimal das Vorzeichen wechselt, oder wenn die Zeit seit der Laststörungsänderung 75mal die Abtastperiode beträgt, je nachdem, was zuerst kommt.
Wenn die Steigung nicht das Vorzeichen wechselt und die Zeit seit der Laststörungsänderung 75mal die Abtastperiode beträgt, dann werden der niedrige und hohe Wert für das geglättete Prozeßausgangssignal mit den folgenden Gleichungen bestimmt:
wobei
das geglättete Prozeßsignal 74 bzw. 75 Zeitperioden nach der Identifizierung der Laststörung sind. Die Anzeige des Überschwingens, das Oszillationsverhältnis (ϕ) und die Ansprechzeit in geschlossener Schleife (θ) werden aus dem Sollwert (y_set) und den folgenden Signalen bestimmt:
Ein Überschwingen wird durch Vergleichen des niedrigen und des hohen Werts für das geglättete Prozeßausgangssignal mit dem Sollwert (y_set) bestimmt. Es besteht kein Überschwingen, wenn der niedrige Wert größer als der Sollwert ist (y ^_low > y_set) oder wenn der hohe Wert kleiner als der Sollwert ist (y ^_high < y_set) Das Oszillationsverhältnis wird auf Null gesetzt, wenn beliebige der Bedingungen in Tabelle 1 (siehe unten) erfüllt sind. Die ersten drei Bedingungen sind so ausgelegt, daß für ein System mit wenig Rauschen ein träges Ansprechen in geschlossener Schleife detektiert wird. Die vierte Bedingung ist so ausgelegt, daß für ein System mit viel Rauschen ein träges Ansprechen detektiert wird. Die letzten drei Bedingungen sind so ausgelegt, daß für Systeme mit periodischen Laststörungen ein träges Ansprechen detektiert wird.
Tabelle 1 Bedingungen, bei denen das Oszillationsverhältnis gleich Null ist.
Wenn keine der Bedingungen in Tabelle 1 erfüllt ist, dann werden das Oszillationsverhältnis und die Ansprechzeit in geschlossener Schleife aus dem folgenden Ausdruck bestimmt:
wobei ϕ das Oszillationsverhältnis, θ die Ansprechzeit in geschlossener Schleife, s ^_low und s ^_high die niedrige beziehungsweise hohe Abschätzung der Steigung und y ^_low und y ^_high die niedrige beziehungsweise hohe Abschätzung des Prozeßausgangssignals ist.
Nachdem Block 107 das Ansprechverhalten in geschlossener Schleife charakterisiert hat, bestimmt Block 109, ob ein insignifikantes Muster besteht oder ob das Reglerausgangssignal gesättigt ist. Um eine Verstimmung des Regelsystems zu verhindern, werden die Reglerparameter nicht aktualisiert, wenn ein insignifi kantes Muster vorliegt. Block 109 betrachtet ein Muster als insignifikant, wenn das Reglerausgangssignal eine kleine Änderung unternimmt und das geglättete Prozeßausgangssignal mindestens einmal während der Zeit, in der das Muster charakterisiert wird, zwischen den Sollwert plus Abstimmband und den Sollwert minus Abstimmband geht. Die Änderung des Reglerausgangssignals wird bestimmt durch Subtrahieren des niedrigen Reglerausgangssignals von dem hohen Reglerausgangssignal. Eine Änderung des Reglerausgangssignals wird als klein (oder insignifikant) betrachtet, wenn bei ihr eine Bewegung von weniger als fünf Prozent des Umfangs des Reglerausgangssignals stattfindet. Der Umfang des Reglerausgangssignals ist gleich der Obergrenze für das Regelsignal minus der Untergrenze für das Regelsignal. Somit wird mit der folgenden Regel bestimmt, ob ein Muster als insignifikant betrachtet wird IF y ^high ≥ (yset – Tband) und y ^low ≤ (yset + Tband) und (uhigh – ulow) < 0,05(umax – umin) THEN Muster ist insignifikant (16)
Wie bereits erwähnt, kann das Ausgangssignal des PI-Reglers gesättigt werden (z.B. ein kontinuierliches Ausgangssignal von 0% oder 100% aufweisen), nachdem eine große Störung aufgetreten ist, bei der die Last den Umfang des Prozesses übersteigt. Außerdem kann sich das Reglerausgangssignal sättigen, wenn das System 100 nicht weiß, daß sich der PI-Regler in einer manuellen Betriebsart befindet. Wenn sich das Reglerausgangssignal sättigt und die Last nicht erfüllt werden kann, werden die Verstärkung und die Integralzeit des PI-Reglers nicht aktualisiert, weil der Regler alles in seinem Fähigkeitsbereich tut, um das Prozeßausgangssignal in Richtung des Sollwerts zu bewegen. Die Strategie, die Reglerparameter nicht zu aktualisieren, wenn das Reglerausgangssignal gesättigt ist, ist analog zu Anti-Rücksetz-Wind-Up-Strategien für Regler mit Integralwirkung.
Block 109 detektiert mit der folgenden Prozedur ein gesättigtes Reglerausgangssignal. Als erstes wird das niedrige und das hohe Signal für das Reglerausgangssignal während der Zeitperiode, in der die Muster charakterisiert werden, aufgezeichnet. Zweitens wird mit der folgenden Regel bestimmt, ob das Reglerausgangssignal als gesättigt betrachtet wird: IF Ke > 0 und ulow > (0,05umin + 0,95umax) OR Ke < 0 und uhigh < (0,95umin + 0,05umax) THEN Reglerausgangssignal ist gesättigt (17)wobei K die Reglerverstärkung und e der Fehler ist.
Die folgende Regel in Block 109 verhindert, daß das System 100 Systeme mit zu klein bemessener Kapazität, die häufig neu gestartet werden, verstimmt: Setzen von u_high und u_low in Regel (17) gleich dem letzten Ausgangssignal des Reglers für die erste Aktualisierung der Verstärkung und Integralzeit nach dem anfänglichen Start des Systems 100 oder einem Neustart des Systems 100. Wenn das Reglerausgangssignal gesättigt ist, bleiben Verstärkung und Integralzeitwert gleich. Andernfalls schreitet das System 100 zum Block 111 voran.
Im Block 111 bestimmt das System 100 eine neue Verstärkung und Integralzeit. Der neue Wert für die Reglerverstärkung wird aus dem folgenden Ausdruck bestimmt Knew = K + λsnλss(K ^opt – K) (18)wobei K_new der neue Wert für die Reglerverstärkung, K der derzeitige Wert für die Reglerverstärkung, K ^_opt die Schätzung der optimalen Verstärkung, λ_sn eine Glättungskonstante auf der Basis der Größe des derzeitigen Musters relativ zu dem Abstimmband und λ_ss die Glättungskonstante auf der Basis der Größe des derzeitigen Musters relativ zu der Größe vorheriger Muster ist.
Die optimale Verstärkung wird im Block 111 mit dem folgenden Ausdruck aus dem Oszillationsverhältnis (ϕ) bestimmt: K ^opt = K(1,2922 – 2,494ϕ + 4,3174ϕ2 – 4,4524ϕ3 + 1,8233ϕ4 (19)
Die Glättungskonstante für das Signal/Rausch-Verhältnis wird aus dem folgenden Ausdruck bestimmt:
wobei σ die Signalgröße für das vorliegende Muster ist. Die Glättungskonstante für das Signalgrößenverhältnis ist bei den ersten vier Benutzungen des Blocks 111 zur Aktualisierung der Verstärkung und Integralzeit Eins. Dadurch kann das System 100 schnell die Reglerparameter einstellen, wenn es zum ersten Mal heraufgefahren wird. Wenn Block 111 die Reglerparameter fünf oder mehr Male aktualisiert hat, dann wird die Glättungskonstante für die Signalgröße aus dem folgenden Ausdruck bestimmt:
wobei σ ein exponentiell gewichteter gleitender Mittelwert vergangener Signalgrößen ist.
Wenn in irgendeinem der letzten drei Muster ein Überschwingen stattgefunden hat (d.h. das geglättete Prozeßausgangssignal hat den Sollwert überschritten), dann wird die Signalgröße aus dem folgenden Ausdruck bestimmt σ = max{y ^high, yset} – min{y ^low, yset} (22)
Wenn in den letzten drei Mustern kein Überschwingen stattgefunden hat, dann wird die Signalgröße aus dem folgenden Ausdruck bestimmt: σ = max{σ, Tband, (max{y ^high, yset} – min{y ^low, yset})} (23)
Die mittlere Signalgröße wird aus dem folgenden Ausdruck bestimmt: σ p = σ p–1 + λ(σp – σ p–1)dabei ist σ _p die mittlere Signalgröße auf der Basis von p Mustern, λ eine exponentielle Glättungskonstante, die auf 0,05 gesetzt wurde, und σ_p wird aus Gleichung (22) für das Muster p bestimmt. Für die ersten 1/λ Muster wird die mittlere Signalgröße aus dem folgenden Ausdruck bestimmt:
wobei p ein laufender Index für die Anzahl von Mustern ist, die charakterisiert worden sind.
Wenn das Oszillationsverhältnis größer als 0,02 ist, dann ist das Ansprechen nicht träge und es wird ein neuer Wert für die Integralzeit aus dem folgenden Ausdruck bestimmt: Ti,new = Ti + λsnλss(T ^i,opt – Ti) (26)mit T ^i,opt = T min{30, max{2,(–3,429 + 1,285θ)}} (27)wobei λ_sn und λ_ss aus Gleichung (20) bzw. (21) bestimmt werden.
Es sollte beachtet werden, daß die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung dienen. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute erkennbar, daß zahlreiche Modifikationen möglich sind, ohne wesentlich von den neuartigen Lehren und den Vorteilen des hier beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Folglich sollen diese und alle anderen solchen Modifikationen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist. Die Reihenfolge oder Sequenz jeglicher Prozeß- oder Verfahrensschritte kann gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder umgeordnet werden. In den Ansprüchen soll jede Klausel der Form Mittel-plus-Funktion die hier beschriebenen Strukturen als die angeführte Funktion durchführend und nicht nur strukturelle Äquivalente, sondern auch äquivalente Strukturen abdecken. Andere Substitutionen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können an dem Entwurf, an den Betriebsbedingungen und an der Anordnung der bevorzugten und anderer beispielhafter Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum dynamischen Einstellen der Regelparameter eines Proportional-Verstärkungs- und Integralzeit-Reglers, der so angeordnet ist, daß er ein Betätigungsglied regelt, das sich auf einen Prozeß auswirkt, mit den folgenden Schritten: Abtasten eines Rückkopplungssignals, das eine geregelte Variable des Prozesses repräsentiert, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen; Erzeugen eines geglätteten Signals auf der Basis des abgetasteten Signals; Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels des abgetasteten Signals; Bestimmen, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, auf der Basis vorbestimmter Kriterien; Einstellen der von dem Regler verwendeten Verstärkung, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren; und Verwenden der eingestellten Regelparameter zur Regelung des Betätigungsgliedes, wodurch bewirkt wird, daß sich der Regler auf den Prozeß aufwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der Verstärkung ein Verkleinern der Verstärkung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem weiterhin bestimmt wird, ob eine signifikante Laststörung aufgetreten ist, indem ein Abstimmrauschband mit der Differenz zwischen einem aktuellen Sollwert und dem geglätteten Signal verglichen wird, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal nicht schnell oszillieren.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Verstärkung und die Integralzeit gleich bleiben, wenn keine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem weiterhin ein Ansprechverhalten in geschlossener Schleife charakterisiert wird, indem Merkmale aus einem Regelsignal, einem geglätteten Prozeßausgangssignal und der Steigung des Prozeßausgangssignals überwacht werden, wenn eine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem weiterhin auf der Basis eines Sollwerts und eines Abstimmbands bestimmt wird, ob ein Muster insignifikant ist, oder ob das Regelausgangssignal gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Verstärkung und Integralzeit gleich bleiben, wenn das Muster insignifikant oder das Regelausgangssignal gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine neue Verstärkung und eine neue Integralzeit bestimmt werden, wenn das Muster nicht insignifikant ist und das Regelausgangssignal nicht gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die neue Verstärkung und die neue Integralzeit auf der Basis einer geschätzten optimalen Verstärkung, einer geschätzten optimalen Integralzeit, von in dem Regler verwendeten aktuellen Werten der Verstärkung und der Integralzeit, eines Signal/Rausch-Verhältnisses des abgetasteten Signal und der Größe einer aktuellen Laststörung oder Sollwertänderung relativ zu der mittleren Störungsgröße bestimmt werden.
Vorrichtung zum dynamischen Einstellen der Regelparameter eines Proportional-Verstärkungs- und Integralzeit-Reglers, der so angeordnet ist, daß er ein Betätigungsglied regelt, das sich auf einen Prozeß auswirkt, mit den folgenden Schritten: Mittel zum Abtasten eines Rückkopplungssignals, das eine geregelte Variable des Prozesses repräsentiert, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen; Mittel zum Erzeugen eines geglätteten Signals auf der Basis des abgetasteten Signals; Mittel zum Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels des abgetasteten Signals; Mittel zum Bestimmen, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, auf der Basis vorbestimmter Kriterien; Mittel zum Einstellen der von dem Regler verwendeten Verstärkung, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren; und Mittel zum Verwenden der eingestellten Regelparameter zur Regelung des Betätigungsgliedes, wodurch bewirkt wird, daß sich der Regler auf den Prozeß aufwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Einstellen der Verstärkung ein Verkleinern der Verstärkung umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, weiterhin mit einem Mittel zum Bestimmen, ob eine signifikante Laststörung aufgetreten ist, indem ein Abstimmrauschband mit der Differenz zwischen einem aktuellen Sollwert und dem geglätteten Signal verglichen wird, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal nicht schnell oszillieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin mit einem Mittel zum Nichtändern der Verstärkungs- und Integralzeitwerte, wenn keine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin mit einem Mittel zum Charakterisieren eines Ansprechverhaltens in geschlossener Schleife, indem Merkmale aus einem Regelsignal, einem geglätteten Prozeßausgangssignal und der Steigung des Prozeßausgangssignals überwacht werden, wenn eine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, weiterhin mit einem Mittel zum Bestimmen, ob ein Muster insignifikant ist, auf der Basis eines Sollwerts und eines Abstimmbands, oder ob das Regelausgangssignal gesättigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, weiterhin mit einem Mittel zum Nichtändern der Verstärkungs- und Integralzeitwerte, wenn das Muster insignifikant ist oder das Regelausgangssignal gesättigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, weiterhin mit einem Mittel zum Bestimmen einer neuen Verstärkung und einer neuen Integralzeit, wenn das Muster nicht insignifikant ist und das Regelausgangssignal nicht gesättigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, weiterhin mit einem Mittel zum Bestimmen einer neuen Verstärkung und einer neuen Integralzeit auf der Basis einer geschätzten optimalen Verstärkung, einer geschätzten optimalen Integralzeit, in dem Regler verwendeter aktueller Verstärkungs- und Integralzeitwerte, eines Signal/Rausch-Verhältnisses des abgetasteten Signals und der Größe einer aktuellen Laststörung oder Sollwertänderung relativ zu einer mittleren Störungsgröße.
Verfahren zum dynamischen Einstellen der Regelparameter eines Proportional-Verstärkungs- und Integralzeit-Reglers, der so angeordnet ist, daß er ein Betätigungsglied regelt, das sich auf einen Prozeß auswirkt, mit den folgenden Schritten: Abtasten eines Rückkopplungssignals, das eine geregelte Variable des Prozesses repräsentiert, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen; Erzeugen eines geglätteten Signals auf der Basis des abgetasteten Signals; Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels des abgetasteten Signals; Bestimmen, ob ein Muster insignifikant ist, auf der Basis eines Sollwerts und eines Abstimmbandes, und ob das Regelausgangssignal gesättigt ist; Bestimmen einer neuer Verstärkung und einer neuen Integralzeit und Setzen der Verstärkung und Integralzeit des Reglers auf die neue Verstärkung und die neue Integralzeit, wenn das Muster nicht insignifikant ist und das Regelausgangssignal nicht gesättigt ist; und Verwenden der eingestellten Regelparameter zur Regelung des Betätigungsglieds, wodurch bewirkt wird, daß sich der Regler auf den Prozeß auswirkt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die neue Verstärkung und die neue Integralzeit auf der Basis einer geschätzten optimalen Verstärkung, einer geschätzten optimalen Integralzeit, von in dem Regler verwendeten aktuellen Werten der Verstärkung und der Integralzeit, eines Signal/Rausch-Verhältnisses des abgetasteten Signal und der Größe einer aktuellen Laststörung oder Sollwertänderung relativ zu der mittleren Störungsgröße bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem weiterhin auf der Basis vordefinierter Kriterien bestimmt wird, ob das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem weiterhin die von dem Regler verwendete Verstärkung eingestellt wird, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal schnell oszillieren, wobei das Einstellen der Verstärkung ein Verkleinern der Verstärkung umfaßt.
Verfahren nach 21, bei dem weiterhin bestimmt wird, ob eine signifikante Laststörung aufgetreten ist, indem ein Abstimmrauschband mit der Differenz zwischen einem aktuellen Sollwert und dem geglätteten Signal verglichen wird, wenn das Regelausgangssignal und das Prozeßausgangssignal nicht schnell oszillieren.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Verstärkung und die Integralzeit gleich bleiben, wenn keine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem weiterhin ein Ansprechverhalten in geschlossener Schleife charakterisiert wird, indem Merkmale aus einem Regelsignal, einem geglätteten Prozeßausgangssignal und der Steigung des Prozeßausgangssignals überwacht werden, wenn eine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verstärkung und Integralzeit gleich bleiben, wenn das Muster insignifikant oder das Regelausgangssignal gesättigt ist.