DE10302585A1

DE10302585A1 - Verfahren zum Einstellen eines Reglers

Info

Publication number: DE10302585A1
Application number: DE2003102585
Authority: DE
Inventors: Hartmut Breithaupt
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: DE10302585B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung von PID-Reglerparametern eines PID-Reglers (3) für eine Prozessanlage, die ein Medium in einer Durchlaufzeit (D) durchläuft, wobei die Regelgröße (R) des Mediums in der Prozessanlage gemessen wird, wobei der PID-Regler (3) mindestens folgende PID-Reglerparameter aufweist: einen Verstärkungsfaktor (Kp), einen Proportionalitätsbereich (P) mit einem minimalen (pmin) Wert, eine Nachstellzeit (Tn) und eine Vorhaltezeit (Tv), und wobei der PID-Regler (3) auf eine Regelabweichung (DR) der Regelgröße (R) von einem Sollwert (S) mit einer Stellgrößenänderung reagiert, die durch die PID-Reglerparameter bestimmt ist. Der Zeitverlauf der Regelgröße (R) wird gespeichert und aus ihm wird die minimale Regelgröße (Rmin) bestimmt. Ist der minimale Wert (pmin) des Proportionalitätsbereichs (P) von der minimalen Regelgröße (Rmin) verschieden, so wird der minimale Wert (pmin) des Proportionalitätsbereichs (P) auf die minimale Regelgröße (Rmin) gesetzt. Der Verstärkungsfaktor (Kp) wird dann neu berechnet. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung von PID-Reglerparametern eines PID-Reglers für eine Prozessanlage, die ein Medium in einer Durchlaufzeit (D) durchläuft, wobei die Regelgröße (R) des Mediums in der Prozessanlage gemessen wird, wobei der PID-Regler mindestens folgende PID-Reglerparameter aufweist: einen Verstärkungsfaktor (Kp), einen Proportionalitätsbereich (P) mit einem minimalen (pmin) Wert, eine Nachstellzeit (Tn) und eine Vorhaltezeit (Tv), und wobei der PID-Regler auf eine Regelabweichung (DR) der Regelgröße (R) von einem Sollwert (S) mit einer Stellgrößenänderung reagiert, die durch die PID-Reglerparameter bestimmt ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung, um das Verfahren auszuführen.
Von der Anmelderin werden Registriergeräte produziert und vertrieben. Diese dienen z.B. dazu, den Temperaturverlauf während eines Durchlaufs eines zu pasteurisierenden Mediums, z.B. Milch, durch einen Pasteur zu registrieren und ggf. zu protokollieren. In solchen Pasteureinheiten oder Erhitzern ist es erforderlich, den Temperaturverlauf durch einen Regler zu steuern. Durch den Regler wird eine Regelgröße (R) des Systems, z.B. die Temperatur gemessen und mit einem Sollwert (S) verglichen. Weichen die beiden Werte voneinander ab, so wird durch den Regler eine Stellgröße verändert, z.B. die Stromstärke des Heizstroms, um die Regelgröße (R) dem Sollwert (S) anzupassen. Aufgabe des Reglers ist es somit, die Regelabweichung (DR = R – S) möglichst stets gegen Null zu regeln. Besonders finden sogenannte Proportional-Integral-Differential-Steuereinrichtungen (PID-Regler) Verwendung. Eine detaillierte und mathematische Beschreibung eines solchen PID-Reglers findet sich z.B. in der Schrift DE 694 08 034 . Die Stellgröße wird über eine mathematische Gleichung mit für den Prozess und das Medium optimierten Parametern berechnet. Der Proportional-Anteil (P-Anteil) weist einen Verstärkungsfaktor (Kp) auf, der mit der Regelabweichung (DR) multipliziert wird, um die Stellgrößenänderung zu erhalten. Dieser Verstärkungsfaktor (Kp) bezieht sich dabei auf einem Proportionalbereich (P), innerhalb dessen die Regelabweichung (DR) und die Stellgröße (S) linear miteinander verknüpft sind. Der Proportionalbereich (P) ist beschränkt von einem minimalen (pmin) und einem maximalen Wert (pmax), die jeweils die minimalen bzw. maximalen Regelgrößen (R) angeben. In Richtung der Stellgröße wird der Proportionalbereich (P) üblicherweise von 0% und 100% eingefasst. Der mathematische Zusammenhang ist: Kp = 100/P. Der Integral-Anteil (1-Anteil) bringt eine Nachstellzeit (Tn) mit sich, die die Zeit beschreibt, bis ein Stellglied die notwendige Stellgröße erreicht hat. Im Differential-Anteil (D-Anteil) findet sich die Vorhaltezeit (Tv). Dies ist die Zeit, um die mit der Stellgröße bereits einer Regelabweichung (DR) vorgegriffen wird, die also der Regler schneller reagiert als das System. Diese Parameter gilt es zu optimieren, um den Durchlauf eines Mediums durch eine Prozessanlage möglichst effektiv zu gestalten. Dafür gibt es bereits ausgefeilte mathematische Überlegungen (z.B. DE 694 08 034 ). Diese sind jedoch meist sehr komplex und auch aufwendig zu implementieren, d.h. die Anforderungen an die Einheit zur Optimierung der Reglerparameter und auch an die Programmierung selbst sind dementsprechend hoch.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches und günstiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, um die PID-Reglerparameter zu optimieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zeitverlauf der Regelgröße (R) gespeichert wird, dass aus dem Zeitverlauf die minimale Regelgröße (Rmin) bestimmt wird, dass in dem Fall, dass der minimale Wert (pmin) des Proportionalitätsbereichs (P) von der minimalen Regelgröße (Rmin) abweicht, der minimale Wert (pmin) des Proportionalbereichs (P) auf die minimale Regelgröße (Rmin) gesetzt wird, und dass der Verstärkungsfaktor (Kp) mit dem neuen Proportionalbereich (P) berechnet wird. Der Verstärkungsfaktor (Kp) wird also dadurch optimiert, dass der Proportionalbereich (P) optimiert wird, indem überprüft wird, ob der vorgegebene Proportionalbereich (P) den Anforderungen des Mediums entspricht. Somit kann gewährleistet werden, dass der gegebene Bereich der Stellgröße (S) optimal genutzt wird.
Eine nützliche Ausgestaltung sieht vor, dass für den Zeitverlauf der Sollwerte (S) ein Idealverlauf eingegeben wird. Dies kann z.B. darüber geschehen, dass angegeben wird, innerhalb welches Zeitraums nach der Einbringung des Mediums eine konstante Temperatur erreicht werden soll, welche Größe diese konstante Temperatur haben soll und innerhalb welchen Zeitraums die Temperatur wieder sinken soll. Es kann jedoch z.B. auch nur die einzuhaltende konstante Temperatur vorgegeben werden.
Eine nützliche Ausgestaltung sieht vor, dass ein erster Relativfaktor (rf1) vorgegeben ist, dass aus dem Zeitverlauf der Regelgröße (R) die maximale Regelabweichung (Dmax) bestimmt wird, dass aus dem Zeitverlauf der Regelgröße (R) die Einregelzeit (Txw) bestimmt wird, die die Zeit ist, die benötigt wird, damit die Regelgröße (R) von der maximalen Regelabweichung (Dmax) zum Sollwert (S) gelangt, und dass in dem Fall, dass die Einregelzeit (Txw) größer ist als das Produkt aus dem ersten Relativfaktor (rf1) und der Durchlaufzeit (D), eine Aufforderung zur manuellen Optimierung der Nachstellzeit (Tn) ausgegeben wird. Der Benutzer gibt also über den ersten Relativfaktor (rf1) ein, welchen Bruchteil der gesamten Durchlaufzeit (D) es maximal dauern darf, bis die Regelgröße (R) nach der größten Regelabweichung (Dmax) auf den Sollwert (S) zurückgegangen ist. Die größte Regelabweichung (Dmax) bedeutet, dass dies im Durchlauf des Prozesses die größte Abweichung war und dass damit auch der längste Zeitraum verbunden gewesen sein muss, um die Regelgröße (R) auf den Sollwert (S) zu bringen. Ist diese Zeit (Txw) zu groß, so muss das Einregeln beschleunigt werden, was dadurch möglich ist, dass die Nachstellzeit (Tn) vermindert wird. Somit ist die Zeit (Txw) in Verbindung mit dem ersten Relativfaktor (rf1) und der Durchlaufzeit (D) ein gutes Kriterium, um die Nachstellzeit (Tn) beurteilen. Die Optimierung der Nachstellzeit (Tn) wird dann nach einer entsprechenden Aufforderung an den Benutzer manuell optimiert. Somit ist dieses Verfahren teil-automatisch, da nicht alle Regelgrößen automatisch optimiert werden, sondern da ein Parameter vom Benutzer manuell optimiert werden muss. Die maximale Regelabweichung (Dmax) kann dabei über eine Spitzenerkennung relativ einfach erkannt werden. Die Beziehung auf die Durchlaufzeit (D) hat auch den Vorteil, dass diese Definition unabhängig vom eigentlichen Prozess wird und somit auch auf Prozesse mit anderen Laufzeiten anwendbar ist.
Eine nützliche Umsetzung sieht vor, dass ein zweiter Relativfaktor (rf2) vorgegeben ist, und dass die Vorhaltezeit (Tv) und die Nachstellzeit (Tn) über den zweiten Relativfaktor (rf2) miteinander verknüpft sind. Benutzt man z.B. die Gleichungen von Ziegler und Nichols, so ergibt sich, dass die Nachstellzeit (Tn) ungefähr viermal die Vorhaltezeit (Tv) beträgt. Dieser zweite Relativfaktor (rf2) erlaubt es, dass letztendlich nur eine Zeit – Vorhaltezeit (Tv) oder Nachstellzeit (Tn) – optimiert werden muss, weil sich die andere Zeit über den zweiten Relativfaktor (rf2) ergibt.
Dieses teil-automatische Verfahren dient der Anpassung der Reglerparameter ausgehend vom Durchlauf z.B. einer ersten Charge, um den Prozess für die nachfolgende Charge zu verbessern. Dieses teil-automatische Verfahren bezieht sich besonders auf Prozessanlagen, bei denen große Instabilitäten auftreten können, z.B. unterschiedliche Energiebereitstellungen, stark unterschiedliche Anfangstemperaturen der Medien/Chargen oder z.B. sehrunterschiedliche Umgebungsbedingungen. Es handelt sich also primär um instabil laufende Prozessanlage, bei denen dieses teil-automatische Verfahren vorzuziehen ist.
Die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird dadurch erfindungsgemäß gelöst, dass mindestens ein Sensor vorgesehen ist, der die Regelgröße (R) misst, dass mindestens eine Speichereinheit vorgesehen ist, die den Zeitverlauf der Regelgröße (R) speichert, dass mindestens ein PID-Regler vorgesehen ist, dass mindestens eine Steuereinheit vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet ist, dass sie die PID-Reglerparameter aufgrund des Zeitverlaufs der Regelgröße (R) optimiert, dass mindestens eine Signaleinheit vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet ist, dass über sie von der Steuereinheit Signale an den Anwender gegeben werden, und dass mindestens eine Eingabeeinheit vorhanden ist, die derartig ausgestaltet ist, dass über sie Einstellungen an den PID-Reglerparametern vorgenommen werden, und/oder dass über sie ein Idealverlauf des Zeitverlaufs der Sollwerte (S) eingegeben wird. Der Sensor misst also die Regelgröße (R), z.B. die Temperatur und gibt sie an die Speichereinheit. Nach dem Durchlauf wird der Zeitverlauf der Regelgröße (R) von der Steuereinheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet und von ihr werden die PID-Reglerparameter teil-optimiert, bzw. wird eine Meldung an den Benutzer ausgegeben, wenn eine manuelle Optimierung erforderlich ist. Mit der Eingabeeinheit ist es dann möglich, die einzelnen Parameter und z.B. den Idealverlauf einzugeben, bzw. zu verändern. Aufgrund der Spezifikationen und der Art des Verfahrens lässt sich ein möglichst einfacher PID-Regler (z.B. der Reglerbaustein einer SPS) verwenden. Gleichzeitig ist auch der mathematische und programmiertechnische Aufwand gering.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der PID-Regler in der Registriereinheit befindlich. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau und hat gleichzeitig auch den Vorteil, dass alle Veränderungen und Einstellungen mitprotokolliert werden können. Daher ließe sich auch der PID-Regler als Untereinheit einer Chargeneinheit einsetzen, so dass für jedes unterschiedliche Medium ein spezieller Satz an PID-Reglerparametern gefunden und abgespeichert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei der Prozessanlage um einen Pasteur oder einen Erhitzer. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dementsprechend auch vorgesehen, dass es sich bei der Regelgröße (R) um die Temperatur handelt.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: Blockschaltbildung der Vorrichtung der Erfindung; und
2: ein Flussdiagramm zur Optimierung der Reglerparameter.
1 zeigt die Registriereinheit 1, die die Werte der Regelgröße R vom Sensor 2 bekommt. Dort wird der Zeitverlauf in der Speichereinheit 4 abgelegt. Die Steuereinheit 5 wertet nach dem Durchlauf die Daten aus. Dies kann ggf. auch teilweise schon während des Prozesses stattfinden. Die Steuereinheit 5 bekommt einige Parameter von der Eingabeeinheit 7, bzw. schickt eine Aufforderung zur manuellen Optimierung an die Signaleinheit 6. Weiterhin ändert die Steuereinheit 5 auch die Parameter des PID-Reglers 3.
2 zeigt ein Flussdiagramm, um die Reglerparameter zu optimieren. Eingegeben werden folgende Größen: Nachstellzeit Tn, ein erster rf1 und ein zweiter Relativfaktor rf2, und der minimale Wert pmin des Proportionalitätsbereichs P. Die Vorhaltezeit Tv ergibt sich dann aus dem zweiten Relativfaktor und der Nachstellzeit. Eine Möglichkeit wäre, dass rf2 = 1/4 ist. Dies würde den Gleichungen von Ziegler und Nichols entsprechen, d.h. Tv = Tn/4. Anschließend wird die Regelgröße R gemessen und der Zeitverlauf wird in der Speichereinheit 4 abgelegt. Aus dem Zeitverlauf werden dann folgende Werte bestimmt: die minimale Regelgröße Rmin, die maximale Regelabweichung Dmax, die Einregelzeit Txw für diese maximale Regelabweichung Dmax und die Durchlaufzeit D. Unterscheidet sich die minimale Regelgröße Rmin vom minimalen Wert pmin des Proportionalitätsbereichs P, so wird dieser minimale Wert pmin auf die minimale Regelgröße Rmin gesetzt und mit dem neuen Proportionalitätsbereich P wird dann der Verstärkungsfaktor Kp berechnet. Ist die Einregelzeit Txw größer als das Produkt aus dem ersten Relativfaktor rf1 und der Durchlaufzeit D, so wird an den Benutzer eine Aufforderung gegeben, die Nachstellzeit Tn manuell einzustellen, vornehmlich zu verkürzen. Dann wird z.B. mit der nächsten Charge der Prozess erneut durchlaufen.

1: Registriergerät
2: Sensor
3: PID-Regler
4: Speichereinheit
5: Steuereinheit
6: Signaleinheit
7: Eingabeeinheit

Claims

Verfahren zur Optimierung von PID-Reglerparametern eines PID-Reglers (3) für eine Prozessanlage, die ein Medium in einer Durchlaufzeit (D) durchläuft, wobei die Regelgröße (R) des Mediums in der Prozessanlage gemessen wird, wobei der PID-Regler (3) mindestens folgende PID-Reglerparameter aufweist: einen Verstärkungsfaktor (Kp), einen Proportionalitätsbereich (P) mit einem minimalen (pmin) Wert, eine Nachstellzeit (Tn) und eine Vorhaltezeit (Tv), und wobei der PID-Regler (3) auf eine Regelabweichung (DR) der Regelgröße (R) von einem Sollwert (S) mit einer Stellgrößenänderung reagiert, die durch die PID-Reglerparameter bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitverlauf der Regelgröße (R) gespeichert wird, dass aus dem Zeitverlauf die minimale Regelgröße (Rmin) bestimmt wird, dass in dem Fall, dass der minimale Wert (pmin) des Proportionalitätsbereichs (P) von der minimalen Regelgröße (Rmin) abweicht, der minimale Wert (pmin) des Proportionalbereichs (P) auf die minimale Regelgröße (Rmin) gesetzt wird, und dass der Verstärkungsfaktor (Kp) mit dem neuen Proportionalbereich (P) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Zeitverlauf der Sollwerte (S) ein Idealverlauf eingegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Relativfaktor (rf1) vorgegeben wird, dass aus dem Zeitverlauf der Regelgröße (R) die maximale Regelabweichung (Dmax) bestimmt wird, dass aus dem Zeitverlauf der Regelgröße (R) die Einregelzeit (Txw) bestimmt wird, die die Zeit ist, die benötigt wird, damit die Regelgröße (R) von der maximalen Regelabweichung (Dmax) zum Sollwert (S) gelangt, und dass in dem Fall, dass die Einregelzeit (Txw) größer ist als das Produkt aus dem ersten Relativfaktor (rf1) und der Durchlaufzeit (D), eine Aufforderung zur manuellen Optimierung der Nachstellzeit (Tn) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Relativfaktor (rf2) vorgegeben wird, und dass die Vorhaltezeit (Tv) und die Nachstellzeit (Tn) über den zweiten Relativfaktor (rf2) miteinander verknüpft werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (2) vorgesehen ist, der die Regelgröße (R) misst, dass mindestens eine Speichereinheit (4) vorgesehen ist, die den Zeitverlauf der Regelgröße (R) speichert, dass mindestens ein PID-Regler (3) vorgesehen ist, dass mindestens eine Steuereinheit (5) vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet ist, dass sie die PID-Reglerparameter aufgrund des Zeitverlaufs der Regelgröße (R) optimiert, dass mindestens eine Signaleinheit (6) vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet ist, dass über sie von der Steuereinheit (5) Signale an den Anwender gegeben werden, und dass mindestens eine Eingabeeinheit (7) vorhanden ist, die derartig ausgestaltet ist, dass über sie Einstellungen an den PID-Reglerparametern vorgenommen werden, und/oder dass über sie ein Idealverlauf des Zeitverlaufs der Sollwerte (S) eingegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der PID-Regler (3) in der Registriereinheit (1) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessanlage um einen Pasteur oder einen Erhitzer handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Regelgröße (R) um die Temperatur handelt.