DE112007002356T5

DE112007002356T5 - Automatische Spielabschätzung

Info

Publication number: DE112007002356T5
Application number: DE112007002356T
Authority: DE
Inventors: Tore HÄGGLUND
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: WO2008040728A1; CN101523314B; SE530380C2; SE0602059L; US8265779B2; CN101523314A; DE112007002356B4; US20090248180A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Abschätzung von Spiel (backlash) in einem Kontrollsystem, das einen Regler (C) und einen zu regelnden Prozess (P) umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt; und
Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf das Detektieren und die Abschätzung von Spiel (backlash) in einem Kontrollsystem. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur automatischen Abschätzung von Spiel in einem Kontrollsystem, das einen Regler und einen zu regelnden Prozess umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert davon zu regeln. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine dazugehörige Vorrichtung, ein Kontrollsystem und ein Computerprogrammprodukt für eine solche Abschätzung des Spiels.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Jedes Kontrollsystem umfasst ein oder mehrere kontrollierbare Glieder, durch die ein Prozess geregelt wird. Ein Regelventil ist vielleicht das einfachste Beispiel eines solchen kontrollierbaren Gliedes. Regelventile neigen zu Abnutzung, wie es jedem gut bekannt ist, der mit industrieller Regelung zu tun hatte. Nach einiger Zeit in Betrieb, resultiert diese Abnutzung in Reibung und Spiel, die die Regelleistung verschlechtern. Deshalb wurden Ventile als die Hauptquelle von Problemen auf dem Regelkreislevel in der Prozesskontrolle erkannt.
Ventile mit einem hohen Level an statischer Reibung (Haftreibung) resultieren in einer Haft-Reib-Bewegung, die verursacht, dass die Regelkreise oszillieren. Wenn der Betrag der Reibung ansteigt, steigt auch das Spiel in dem Verbindungsmechanismus in dem Positionierer und dem Aktuator des Ventils. Das Spiel fügt dem Regelkreis eine Zeitverzögerung hinzu, die die Kontrolle verschlechtert. Da Regelkreise in Prozesskontrollanwendungen oft an umgebende Regelkreise gekoppelt sind, gibt es auch das Risiko, dass sich die Störungen, die von dem Spiel in einem Regelkreis verursacht werden, auf andere Regelkreise ausbreiten.
Wenn die Haftreibung oder das Spiel groß werden, sollte das Ventil natürlich repariert oder ausgetauscht werden. Das kann allerdings normalerweise nicht gemacht werden, ohne den Prozess zu unterbrechen. Aus diesem Grund, und anderen, ökonomischen Gründen, ist es von Interesse, zu versuchen, dass das Ventil so lang wie möglich am Laufen gehalten wird. Haftreibung und Spiel können durch die Verwendung verfügbarer Verfahren kompensiert werden, vorausgesetzt dass ein Ausmaß oder ein Betrag der Haftreibung oder des Spiels dem verwendeten Kompensationsverfahren bekannt ist.
Obwohl die Probleme, die durch Haftreibung und Spiel verursacht werden, schwerwiegend sind, werden sie oft nicht von Bedienern in Prozesskontrollanlagen entdeckt. Der Hauptgrund ist, dass die Reduzierung des Personals in eine Situation resultiert, in der jeder Bediener einfach zu viele Regelkreise zu überwachen hat. Deshalb war die Forschung über Prozeduren für automatische Leistungsüberwachung sehr aktiv in der letzten Dekade. Auch der industrielle Nutzen solcher Prozeduren ist rapide angestiegen in den letzten Jahren. Was die Haftreibung betrifft, ist eine Vielzahl von automatischen Verfahren bekannt, um Regelkreise mit Haftreibung zu detektieren. Wenn andererseits Spiel auftaucht, ist keine effiziente, automatische Detektion oder Abschätzungsprozedur im Stand der Technik bekannt. Stattdessen war eine manuelle Untersuchung durch den Prozesskontrollbediener erforderlich. Ein Beispiel einer solchen manuellen Untersuchung nach dem Stand der Technik wird nun kurz beschrieben werden.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelkreises mit Spiel, wobei der Regelkreis einen Regler C und einen zu regelnden Prozess P umfasst. Der Regler C erhält ein Sollwertsignal y_sp und ein Prozessausgangssignal y als Eingänge, und produziert ein Kontrollsignal u als Ausgang. Der Reglerausgang u wird nicht direkt als Eingang zum Prozess P verwendet, sondern er geht durch ein Spiel, das den wahren Prozesseingang u_b liefert. 2 illustriert die Funktion des Spiels, wo der Totzeitbereich, der von dem Siel verursacht wird, mit d bezeichnet ist. Wenn das Kontrollsignal u umgedreht wird, bleibt der Prozesseingang u_b konstant, bis u den Totzeitbereich d passiert hat.
Der Betrag des Spiels im Regelkreis von 1 kann leicht manuell durch die in 3 gezeigte Prozedur bestimmt werden. In 3 zeigt das obere Diagramm das Prozessausgangssignal y und das untere Diagramm zeigt das Kontrollsignal u. Das Experiment beginnt mit zwei Schrittänderungen in der gleichen Richtung im Kontrollsignal u. Wenn der erste Schritt ausreichend groß ist, ist der Effekt des Spiels im zweiten Schritt nicht vorhanden. Der dritte Schritt wird dann in der entgegengesetzten Richtung ausgeführt. Jetzt muss das Kontrollsignal u das ganze Spiel passieren, bevor sich das Ventil bewegt. Wenn die letzten zwei Schritte dieselbe Größe haben, ist das Spiel d = Δy/K_p, wobei Δy der Unterschied zwischen den Prozessausgängen nach dem zweiten und dem dritten Schritt ist (siehe 3) und Kp die statische Prozessverstärkung ist (auch einfach von 3 zu erhalten). Diese manuelle Prozedur kann jedes Mal verwendet werden, wenn ein Kontrollsystembediener den Regelkreis inspiziert.
Jedoch, wie bereits erklärt, gibt es einen anhaltenden Trend in verschiedenen Industriebereichen, das Personal in Prozesskontrollanlagen zu reduzieren. Infolgedessen können die Zeiten zwischen den manuellen Inspektionen der Regelkreise oftmals lang sein.
Deshalb wäre es in verschiedenen Industriebereichen günstig, imstande zu sein, den Betrag des Spiels automatisch zu detektieren und abzuschätzen, d. h. ohne das Eingreifen eines menschlichen Bedieners.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das obige, ist es ein Ziel der Erfindung, die oben diskutierten Probleme zu lösen oder zumindest zu reduzieren. Insbesondere richten sich Ausführungsformen der Erfindung darauf, eine automatische Detektion und Abschätzung des Spiels in einem Regelkreis bereit zu stellen. Außerdem ist es ein Ziel, es zu erreichen, dass eine solche automatische Spielabschätzung in existierenden, aktuellen Prozesskontrollanwendungen leicht zu implementieren ist. Daher hat der gegenwärtige Erfinder realisiert, dass eine solche automatische Spielabschätzung auf normalen Betriebsdaten des Kontrollsystems basieren sollte, d. h. kein Benutzerinput in Form von Parameter oder eine andere Leitung soll von dem Kontrollsystembediener bereit gestellt werden müssen.
Allgemein werden die obigen Ziele durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Kontrollsystem und ein Computerprogrammprodukt nach den beigefügten, unabhängigen Patentansprüchen erreicht.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Abschätzung von Spiel in einem Kontrollsystem, das einen Regler und einen zu regelnden Prozess umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert davon zu regeln. Das Verfahren umfasst:
Überwachen des Prozessausgangssignals, um einen Wert zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals während eines Zeitintervalls wiedergibt; und
Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert und dem einen oder mehreren Reglerparametern.
Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst Integrieren eines Regelfehlers des Prozesses während des Zeitintervalls und Bestimmen des Wertes als
wobei Δt = t_i+1 – t_i und e = y_sp – y = [Sollwert des Prozessausgangssignals] – [Ist-Wert des Prozessausgangssignals].
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Startzeit des Zeitintervalls durch Detektieren eines ersten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals in Bezug auf seinen Sollwert bestimmt, und eine Endzeit des Zeitintervalls wird durch Detektieren eines zweiten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals in Bezug auf seinen Sollwert bestimmt. Vorteilhafterweise wird das Spiel geschätzt als
wobei
d ^ eine Abschätzung eines durch das Spiel verursachten Totzeitbereiches ist,
K und T_i Reglerparameter sind, die von dem Regler benutzt werden, um eine integrierende Kontrolle des Prozesses durchzuführen,
Δt das Zeitintervall ist,
Δy der Wert ist, der momentane Differenzen zwischen Sollwert und Ist-Wert des Prozessausgangssignals wiedergibt; und
K_p eine statische Prozessverstärkung des Prozesses ist.
Eine Ausführungsform umfasst das Setzen von Kp zu einer vorbestimmten Konstanten, wie zum Beispiel im Wesentlichen gleich 1.
Typischerweise wird das Spiel verursacht von einem kontrollierbaren Glied, wie zum Beispiel ein mechanisches, magnetisches, elektrisches, pneumatisches oder hydraulisches Ventil in dem Kontrollsystem. In einem solchen Fall kann das Verfahren Verifizieren umfassen, dass sowohl ein Kontrollsignal des Reglers an das kontrollierbare Glied als auch das Prozessausgangssignal langsam veränderliche Signale sind, wobei der Schritt des Schätzens des Spiels nur bei erfolgreicher Verifikation durchgeführt wird.
Insbesondere kann die Verifikation von langsam veränderlichen Signalen durchgeführt werden durch Testen, ob das Zeitintervall lang ist im Vergleich zu einer Regelkreiszeitkonstanten des Kontrollsystems.
In einer Ausführungsform wird das Testen durchgeführt durch Annähern der Regelkreiszeitkonstanten mit einer Zeitkonstanten unter dem einen oder mehreren Reglerparametern und Prüfen, ob das Zeitintervall einen Schwellwert, der durch Multiplizieren der Zeitkonstanten mit einer vorbestimmten Konstanten berechnet wird, überschreitet. In anderen Worten wird in dieser Ausführungsform der Test durchgeführt durch Prüfen ob Δt ≥ N·T_i ist, wobei N eine positive Zahl ist, die angemessen in Betracht der aktuellen Implementation gewählt wird. Nur wenn der Test erfolgreich ist, wird die Spielabschätzung bestimmt werden oder sich darauf verlassen werden. In einer Ausführungsform wird N gleich fünf gesetzt.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren weiterhin Laststörungsprävention durch Finden einer maximalen, absoluten Differenz zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals während des Zeitintervalls, Verifizieren, dass die maximale, absolute Differenz nicht einen Schwellwert überschreitet, der eine Funktion des bestimmten Wertes ist, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals wiedergibt, und Durchführen des Schrittes des Schätzens des Spiels nur bei erfolgreicher Verifikation.
Der Schwellwert kann berechnet werden durch Multiplizieren des bestimmten Wertes mit einer vorbestimmten Konstanten. Deshalb ist in dieser Ausführungsform die Laststörungsprävention gesichert durch Prüfen, ob die maximale absolute Differenz e_max ≤ M·Δy ist, wobei M eine positive Zahl ist, die angemessen in Betracht der aktuellen Implementation gewählt wird, und Bestimmen und Verlassen auf die Spielabschätzung nur wenn die Prüfung erfolgreich ist. In einer Ausführungsform wird M gleich 2 gesetzt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur automatischen Abschätzung von Spiel in einem Kontrollsystem, das einen Regler und einen zu regelnden Prozess umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert davon zu regeln. Die Vorrichtung umfasst:
Mittel zum Überwachen des Prozessausgangssignals, um einen Wert zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals während eines Zeitintervalls wiedergibt; und
Mittel zum Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert und dem einen oder mehreren Reglerparametern.
Vorteilhafterweise sind die Mittel zum Überwachen und die Mittel zum Schätzen durch einen Prozessor des Reglers implementiert. Alternativ können diese Mittel durch ein Bearbeitungsgerät (wie zum Beispiel eine CPU(Central Processing Unit)-Einheit oder einen DSP (Digital Signal Processor)) oder jedes andere, elektronische, programmierbare und/oder Logikgerät oder durch eine Kombination in jeder angemessenen, elektronischen Einrichtung, umfassend, aber nicht beschränkt auf irgendeinen Computer, oder ein oder mehrere integrierte Schaltkreise, implementiert werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Kontrollsystem mit Regler und einem zu regelnden Prozess, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert davon zu regeln. Das Kontrollsystem besitzt:
Mittel zum Überwachen des Prozessausgangssignals, um einen Wert zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals während eines Zeitintervalls wiedergibt; und
Mittel zum Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert und dem einen oder mehreren Reglerparametern.
Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, das Programmcodemittel umfasst, die ausgelegt sind, die Schritte jedes Verfahrens nach dem ersten Aspekt durchzuführen, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden.
Der zweite und der vierte Aspekt können im Allgemeinen dieselben Ziele und Vorteile haben, und dieselben oder direkt entsprechende Merkmale wie der erste Aspekt.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich sowohl von der folgenden, detaillierten Offenbarung, von den beigefügten, abhängigen Ansprüchen als auch von den Zeichnungen ergeben.
Im Allgemeinen sollen alle Ausdrücke, die in den Ansprüchen verwendet werden, nach ihrer gebräuchlichen Bedeutung in dem technischen Feld interpretiert werden, wenn es nicht explizit anders hierin definiert ist. Jeder Bezug auf „ein/eines/einer/der/die/das [Element, Gerät, Komponente, Mittel, Schritt etc.]" sollen offen interpretiert werden, als Bezug auf zumindest ein Beispiel des Elements, des Geräts, der Komponente, der Mittel, des Schrittes etc., wenn es nicht explizit anders definiert ist. Die Schritte jedes hierin offenbarten Verfahrens müssen nicht in der exakten, offenbarten Reihenfolge ausgeführt werden, wenn es nicht explizit anders angegeben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter beschrieben werden, wobei Bezug genommen wird auf die angefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines Regelkreises mit Spiel ist;
2 die Funktion des Spiels in dem in 1 gezeigten Regelkreis zeigt;
3 die manuelle Spielabschätzung zeigt;
4 die negative Inverse der beschreibenden Funktion eines Spiels zeigt;
5 die Kontrolle eines integrierenden Prozesses mit Spiel zeigt;
6 die Kontrolle eines stabilen Prozesses mit Spiel zeigt;
7 den Kontrollleistungsrückgang zeigt, der auftritt, wenn ein stabiler Prozess mit Spiel kontrolliert wird;
8 einen Teil der in 6 gezeigten Diagramme zeigt;
9 ein Flussdiagramm eines automatischen Spielabschätzungsverfahrens nach einer Ausführungsform zeigt;
10 ein Gerüst eines Programmcodes für das in 9 gezeigte automatische Spielabschätzungsverfahren zeigt;
11 eine schematische Illustration eines Kontrollsystems zeigt als ein Beispiel für eine Umgebung, in der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann;
12–14 Diagramme von industriellen Tests zeigen, die in der Umgebung der 11 durchgeführt werden; und
15–17 Diagramme zeigen, die die Effekte von Spielausgleich illustrieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun detaillierter beschrieben werden. Davor wird allerdings eine theoretische Einführung in das Thema „Spiel" gegeben. Nach der Beschreibung der automatischen Spielabschätzung der offenbarten Ausführungsform, wird kurz Bezug genommen auf bestimmte, industrielle Tests. Am Schluss wird der Spielausgleich – der auf vorteilhafte Weise basierend auf dem abgeschätzten Spiel, wie es durch die vorliegende Erfindung verfügbar gemacht wurde, durchgeführt werden kann – diskutiert.
Theoretische Einführung in das Thema „Spiel"
Wieder wird Bezug genommen auf den Regelkreis und die Totzeitbereichillustration aus 1 und 2. Die beschreibende Funktion Y_N eines Spiels ist:
wobei a die Eingangsamplitude und d das in 2 gegebene Spiel ist. Die negative Inverse der beschreibenden Funktion des Spiels ist in 4 gezeigt (durchgezogene Linie). 4 zeigt auch die Nyquist-Ortskurve von zwei Regelkreistransferfunktionen, die erhalten werden, wenn der integrierende Prozess P₁ = e^–0.2s/(s(1 + 0.8s)) (gestrichelte Linie) beziehungsweise der stabile Prozess P₂ = 1/(1 + s)⁴ (strichpunktierte Linie) von PID Reglern kontrolliert werden.
Von dieser Figur kann geschlossen werden, dass integrierende Prozesse, die von Reglern mit Integrator kontrolliert werden, in einen Grenzzyklus resultieren. Andererseits werden stabile Prozesse, die vernünftig abgestimmt sind, nicht in einem Grenzzyklus resultieren.
Da d durch a in jeder Position, an der es in (1) auftaucht, geteilt wird, ist die Form der beschreibenden Funktion unabhängig von d. Dies hat eine interessante Konsequenz. Es heißt, dass die Größe d des Spiels die Oszillationsamplituden beeinflussen wird, aber da der Schnittpunkt mit der Nyquist-Ortskurve an der gleichen Position auftritt, wird die Oszillationsperiode gleich bleiben, unabhängig von der Größe des Spiels.
Überall in diesem Dokument wird angenommen, dass der Regler C in 1 ein PID Regler ist. Dies ist in der Praxis meistens der Fall. Dennoch können die Ergebnisse, die hierin präsentiert werden, leicht für andere Regler mit Integraleinfluss modifiziert werden.
Der PID Regler, der in den folgenden Beispielen verwendet wird, hat die Struktur
wobei u der Reglerausgang, y_sp der Sollwert, y_f der gefilterte Prozessausgang ist und die Reglerparameter sind Verstärkung K, Integralzeit T_i, und Differentialzeit T_d. Der Regler hat die Sollwertgewichtung gleich null, sowohl im Proportionalterm als auch im Differentialterm. Dies ist gebräuchlich in industriellen Reglern. Der Prozessausgang ist gefiltert durch einen Tiefpassfilter zweiter Ordnung
wobei Y und Y_f die Laplace-Transformierten des Prozessausgangs, beziehungsweise des gefilterten Prozessausgangs sind. Ein Filter zweiter Ordnung wird verwendet, um Hochfrequenz-Roll-Off im Regler zu gewährleisten, und die Filterzeitkonstante ist T_f = T_d/5. Wenn ein PI Regler verwendet wird, wird vorgeschlagen, die Filterzeitkonstante T_f = T_i/10 zu verwenden.
Die folgenden zwei Beispiele illustrieren die Probleme, die durch Spiel in dem Feedbackregelkreis verursacht werden.
Beispiel 1 – Kontrolle eines integrierenden Prozesses mit Spiel
Ein integrierender Prozess mit Transferfunktion
wird durch einen PID Regler der Form (2) mit den Parametern
K = 1.9; T_i = 2.4, T_d = 0.67
geregelt.
Die Reglerparameter stammen von der Verwendung eines Entwicklungsverfahrens, das als MIGO bekannt ist. Ein Spiel von 5% (d = 0.05) wird in den Regelkreis eingebracht.
4 zeigt die Nyquist-Ortskurve der Regelkreistransferfunktion und die negative, inverse, beschreibende Funktion des Spiels. Die Kurven schneiden sich, was darauf hinweist, dass ein Grenzzyklus auftauchen wird. Die Analyse der beschreibenden Funktion sagt einen Grenzzyklus mit einer Amplitude in dem Ausgangssignal von 4.4% und eine Oszillationsperiode von 7.7 s voraus.
5 zeigt die Ergebnisse der Simulationen, wobei ein Sollwertwechsel bei t = 0 durchgeführt und eine Laststörung an den Prozesseingang bei t = 100 angelegt wird. Wie in der Figur gesehen werden kann, oszilliert der Regelkreis. Die Amplitude des Prozessausgangs beträgt 3.2%, und die Oszillationsperiode ist 5.7 s. Dies ist ziemlich nahe an dem, was von der Analyse der beschreibenden Funktion vorausgesagt wurde.
Beispiel 2 – Kontrolle eines stabilen Prozesses mit Spiel
Ein Prozess mit der Transferfunktion
wird durch einen PID Regler der Form (2) mit den Parametern
K = 1.2; T_i = 2.2, T_d = 1.2
geregelt.
Die Reglerparameter stammen von der Verwendung des Entwicklungsverfahrens MIGO. Ein Spiel von 5% (d = 0.05) wird in den Regelkreis eingebracht.
4 zeigt die Nyquist-Ortskurve der Regelkreistransferfunktion und die negative, inverse, beschreibende Funktion des Spiels. Die Kurven schneiden sich nicht, was darauf hinweist, dass kein Grenzzyklus auftauchen wird.
6 zeigt die Ergebnisse der Simulationen, wobei ein Sollwertwechsel bei t = 0 durchgeführt und eine Laststörung an den Prozesseingang bei t = 100 angelegt wird. Weiterhin ist ein Rauschen mit einer Standardabweichung von 1% dem Prozessausgang hinzugefügt. Die Figur zeigt, dass, obwohl es keinen Grenzzyklus wie in dem vorherigen Beispiel gibt, eine schwerwiegende Verschlechterung der Kontrolle aufgrund des Spiels auftaucht. Wegen des Rauschens wird sich der Regelfehler niemals einstellen. Das Kontrollsignal muss den Totzeitbereich jedes Mal passieren, wenn die Änderungsrate des Prozesseingangs umgekehrt werden soll. Das heißt, dass es niederfrequente Störungen des Prozessausgangs geben wird.
Die Analyse der beschreibenden Funktion und die Beispiele zeigen die Kontrollprobleme, die auftauchen, wenn Spiel in den Regelkreis eingebracht wird. Regelkreise, in denen integrierende Prozesse mit Reglern mit Integraleinfluss kontrolliert werden, werden in eine Grenzzyklusoszillation übergehen. Diese Oszillationen können von Oszillationsdetektionsprozeduren detektiert werden, die per se bekannt sind.
Außer für sehr Verzögerungs-dominante Prozesse, werden Regelkreise für stabile Prozesse normalerweise nicht in Grenzzyklusoszillationen übergehen. Dennoch wird die Kontrollleistung sogar in diesen Fällen verschlechtert. Dies ist in 7 gezeigt. Die Figur zeigt, wie der IAE-(„Integrated Absolute Error" = Integrierter, absoluter Fehler)-Wert (linkes Diagramm) und der Maximum-Fehler e_max (rechtes Diagramm) bei Laststörungen steigen, die von dem Spiel verursacht werden, das in dem oben in Beispiel 2 gezeigten Regelkreis auftaucht. Die durchgezogene Linie entspricht einem Lastwechsel von 10% und die gestrichelte Linie einem Lastwechsel von 20%. Sowohl der IAE-Wert als auch e_max steigen mit steigendem Spiel, auch wenn e_max sehr empfindlich gegenüber Rauschen ist. Der Anstieg ist abhängig von der Größe der Laststörung. Die Ergebnisse stimmen gut mit denen überein, die im Vorfeld bekannt waren.
Das Spiel bringt eine Totzeit in den Regelkreis ein. Die Länge dieser Totzeit hängt von einigen Zuständen und Parametern ab. Die Totzeit taucht nur auf, wenn der Kontrollsignaleinfluss umgekehrt wird. Die Totzeit ist die Zeit, die vom Kontrollsignal benötigt wird, um den Totzeitbereich zu passieren. Eine niedrige Integralverstärkung K/T_i resultiert in einer langen Totzeit. Die Totzeit wird kurz, wenn der Regelfehler groß ist. Das heißt, dass die Totzeit für große Laststörungen kürzer ist als für kürzere. Dies erklärt die Ergebnisse, die in 7 gezeigt sind.
Stabile Regelkreise mit Spiel werden normalerweise nicht von Oszillationsdetektionsprozeduren detektiert, da die Oszillationsamplitude ziemlich klein ist.
Eine neue, automatische Detektions- und Abschätzungsprozedur wird nun für diese Prozesse gezeigt werden.
Automatische Spielabschätzung
Ein Verfahren zur automatischen Spielabschätzung nach einer Ausführungsform wird nun beschrieben werden. Das Verfahren behandelt nur stabile Prozesse. Wie vorhin erwähnt, werden integrierende Prozesse mit Spiel in einem oszillierenden Regelkreis resultieren, der von Prozeduren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, detektiert wird.
Die automatische Spielabschätzung funktioniert im Allgemeinen bei einem Regelkreis, wie in 1 gezeigt. Der Regler C ist ein PID Regler (oder jeder andere Reglertyp mit Integraleinfluss), der betriebsfähig ist, ein Kontrollsignal
8 zeigt einen Teil der Simulation, die in 6 gezeigt ist. Das Prozessausgangssignal y wurde durch den Filter (3) gefiltert. Das heißt, dass das in 8 gezeigte Prozessausgangssignal das Signal ist, das in den PID Algorithmus eintritt. Das Signal zeigt das typische Muster, das erhalten wird, wenn ein stabiler Prozess mit einem Regler kontrolliert wird, der einen Integraleinfluss aufweist und wenn es ein Spiel in dem Regelkreis gibt. Das Prozessausgangssignal y ist eine Distanz Δy von dem Sollwert, während das Kontrollsignal u durch den Totzeitbereich driftet, der von dem Spiel verursacht wird. Wenn das Kontrollsignal sich um einen Betrag Δu geändert hat, wird das Prozessausgangssignal in Richtung des Sollwertes y bewegt. Die Zeitfälle, wenn das Prozessausgangssignal y den Sollwert schneidet, sind bei t = 40 und t = 60 in 8 markiert. Die Zeit zwischen diesen Nulldurchgängen ist Δt = t_i+1 – t_i.
Die Änderung Δu des Kontrollsignals wird hauptsächlich durch den integralen Teil des Reglers C verursacht. Das heißt, dass
wobei
siehe 8.
Wenn die Signale sich langsam andern, kann die Prozessdynamik vernachlässigt werden, und die Relation zwischen dem Prozessausgangssignal y und dem Kontrollsignal u wird hauptsächlich durch die statische Prozessverstärkung K_p bestimmt. Genauer gesagt, ist K_p die Relation nach den Transienten zwischen einer Änderung in y und einer Änderung in u, wobei die Änderung im ersteren verursacht wird durch eine Änderung des letzteren. Daher ist die Relation Δy = KpΔutrue, (9)wobei u_true der Teil von Δu ist, in dem das Spiel geschlossen ist und sich das Ventil bewegt. Das heißt dass Δu = Δutrue + d, (10)
Von den Gleichungen (7) bis (10) wird die folgende Gleichung zur Abschätzung des Spiels erhalten:
Der Spielabschätzer (11) setzt voraus, dass sich die Signale langsam ändern. Eine geeignete Art, das zu prüfen, ist zu sehen, ob Δt lang ist im Vergleich zu der Regelkreiszeitkonstanten des gesamten Kontrollsystems (beinhaltend den Regler C und den geregelten Prozess P). Da die Regelkreiszeitkonstante des gesamten Kontrollsystems typischerweise nicht bekannt ist, wird aus der Tatsache Nutzen gezogen, dass T_i, das einer der Reglerparameter des PID Reglers C und daher bekannt ist, einen nahen Bezug zu der Regelkreiszeitkonstanten hat. Deshalb umfasst die offenbarte Ausführungsform einen Schritt des Verifizierens, dass sowohl das Kontrollsignal u als auch das Prozessausgangssignal y langsam veränderliche Signale sind, durch Testen, ob Δt ≥ 5T_i. Die Abschätzung wird nur durchgeführt, wenn dieses Kriterium erfüllt ist.
Die Information, die benötigt wird, um das Spiel on-line zu bestimmen, sind die Reglerparameter K und T_i, und die statische Prozessverstärkung K_p. Weiterhin ist es notwendig, Δy von (8) zu messen, d. h. den Regelfehler e zwischen Nulldurchgängen zu integrieren, und die Zeit Δt zwischen diesen Nulldurchgängen zu messen.
Die Tatsache, dass die Prozessverstärkung K_p in dem Algorithmus verwendet wird, benötigt einige Betrachtung, da diese Verstärkung typischerweise nicht bekannt ist.
Andererseits ist die Abschätzung d ^ ziemlich unempfindlich gegenüber Fehlern in der Abschätzung von Kp. Um dies zu sehen, wird (11) zu
umgeschrieben.
Der erste Term innerhalb der Klammern ist immer größer als 5, da angenommen wird, dass Δt ≥ 5T_i ist. Für gut eingestellte Regler, die an Prozessen angewendet werden, die nicht Verzögerungs-dominiert sind, ist das Produkt KK_p normalerweise größer als 0.5. Das heißt, dass der erste Term in (12) dominiert und dass die Spielabschätzung (11) unempfindlich ist in Bezug auf Fehler in K_P. Da industrielle Regler normalerweise mit normierten Signalen arbeiten, wird K_p = 1 zweckmäßig als ein Standardwert verwendet.
Es ist wichtig, dass das Rauschen keine Nulldurchgänge verursacht. Deshalb wird das Prozessausgangssignal y nicht nur durch den Filter zweiter Ordnung (3) gefiltert, sondern es wird ein zusätzlicher Filter zweiter Ordnung angewendet, bevor das Signal in der Abschätzungsprozedur behandelt wird. In den Beispielen, die in diesem Dokument präsentiert werden, ist die Zeitkonstante dieses letzteren Filters T_i/2.
On-line Prozeduren wie diese sollten ein Sicherheitsnetz haben. In der offenbarten Ausführungsform ist ein Element eines solchen Sicherheitsnetzes die Laststörungsprävention, da solche Störungen die Spielabschätzung verschlechtern können. Um zu prüfen, dass das Prozessausgangssignal eine ähnliche Form hat, wie das in 8, wird die Abschätzung nur durchgeführt wenn e_max ≤ 2Δy ist, wobei e_max der absolute Wert des größten Regelfehlers in dem Intervall [t_i, t_i+1] ist.
Andere Elemente dieses Sicherheitsnetzes können während industrieller Feldtests zu entwickeln sein.
Daher umfasst das Spielabschätzungsverfahren nach dieser Ausführungsform die folgenden Schritte, die auch in dem Flussdiagramm von 9 gezeigt sind:
In einem ersten Schritt 100 werden die notwendigen Variablen und Zähler initialisiert. Dann wird das Prozessausgangssignal y (gefiltert, wie oben beschrieben) in Schritt 110 für einen ersten Nulldurchgang in Bezug auf den Sollwert y überwacht. Sobald der erste Nulldurchgang detektiert wurde, schreitet die Ausführung zu Schritt 120 vor, wo der Regelfehler e integriert wird, bis ein zweiter Nulldurchgang in Schritt 130 detektiert wird.
Dann wird in Schritt 140 das Zeitintervall Δt zwischen dem ersten und dem zweiten Nulldurchgang bestimmt. Der vorher beschriebene Test auf langsam veränderliche Signale y, u wird in dem folgenden Schritt 150 durchgeführt. Die Ausführung endet, wenn der Test negativ ist; andernfalls schreitet die Ausführung zu Schritt 160 vor, wo Δy berechnet wird, wie in (8) erklärt.
Schritt 170 ist der Laststörungspräventionsschritt, der oben erklärt wurde. Wenn die Laststörung als klein genug befunden wurde, d. h. wenn e_max ≤ 2Δy ist, wird die Spielabschätzung d ^ in Schritt 180 berechnet, andernfalls endet die Ausführung.
Ein Codegerüst, das den Spielabschätzer beschreibt, ist in 10 gezeigt.
Die Funktionalität des automatischen Spielabschätzungsverfahrens kann durch jede geeignete Einrichtung durchgeführt werden, die bei einer aktuellen Implementation verfügbar ist. Zum Beispiel, wie später mit Bezug auf die industriellen Test und auf 11 gesehen wird, kann die Funktionalität durch geeignetes Programmieren eines Prozessors oder eines anderen Logik-Geräts in der Hardware-Ausstattung durchgeführt werden, die den PID Regler implementiert (wie in einem PID1 Regler 32 eines Regelkreises 30 in 11 realisiert, wobei der PID1 Regler eine programmierbare CPU mit zugehörigem Speicher 34 aufweist, der fähig ist, Programmcode und Arbeitsdaten zu speichern). Alternativ, wie wieder in 11 gesehen werden kann, kann die Funktionalität des automatischen Spielabschätzungsverfahrens durch einen konventionellen Computer 50 durchgeführt werden (wie zum Beispiel ein PC, ein Arbeitsplatzrechner, ein Laptop Computer oder ein tragbarer Computer), wenn er geeignet programmiert ist und an den Regler C (PID1 Regler 32) des kontrollierten Prozesses P angeschlossen ist.
Das Ergebnis des automatischen Spielabschätzungsverfahrens, d. h. die Spielabschätzung d ^ kann in jeder geeigneten Weise einem Kontrollsystembediener (siehe 52 in 11) vorgelegt werden, zum Beispiel durch eine Software, die auf dem Computer 50 läuft und/oder durch eine Bediener-Schnittstelle des Reglers C (PID1 Regler 32 in 11). Das Ergebnis kann auf verschiedene Weisen verwendet werden, wie in einer aktuellen Implementation gewünscht. Es kann für eine einfache Indikation des detektierten Spiels verwendet werden (zum Beispiel wenn d ^ einen Schwellwert überschreitet, der bezeichnend ist für ein deutliches Spiel) oder für eine Abschätzung des Betrags des vorhandenen Spiels, oder als ein Alarmauslöser an das Service-/Wartungspersonal, dass das kontrollierbare Glied (z. B. Ventil 38 in 11) Service, Reparatur oder Ersatz benötigt, oder als Eingangsdaten für Kompensationsschritte eines Spielausgleichsverfahrens, das zusammen mit dem Spielabschätzungsverfahren durchgeführt wird. Siehe den letzten Teil dieser Beschreibung für weitere Informationen über Spielausgleich.
Daher, um das obige zusammenzufassen, wurde ein neues automatisches Verfahren (on-line Prozedur) für die Spielabschätzung präsentiert. Dies ist gegeben durch Gleichung (12), und einige weitere Merkmale sind in den 9 und 10 zusammengefasst. Das Abschätzungsverfahren ist automatisch, wodurch angenommen wird, dass es für seine Akzeptanz in der Prozesskontrollindustrie vorteilhaft ist. Das Abschätzungsverfahren kann auf viele Arten verwendet werden. Zuerst kann es als eine Detektionsprozedur auf eine ähnliche Art verwendet werden, wie Oszillaionsdetektionsprozeduren, die per se bekannt sind. Nach dem Verfahren wird die Kontrollleistung zwischen Nulldurchgängen untersucht. Es kann darauf geschlossen werden, dass Spiel im Regelkreis vorhanden ist, wenn die Rate der Spieldetektion hoch wird.
Wenn Spiel detektiert wird, und wenn die abgeschätzten Spielwerte nahe aneinander sind, dann kann man auch eine Schlussfolgerung über den Betrag des Spiels ziehen. Dies ist notwendig, wenn das Ziel nicht nur die Detektion des Spiels, sondern auch die Kompensation desselben ist.
Wenn Haftreibung in dem Regelkreis vorhanden ist, ist das durch das Abschätzungsverfahren abgeschätzte Spiel die Summe des Spiels und des Totzeitbereiches, der durch die Haftreibung verursacht wird. Es wird angenommen, dass dies ein gutes Merkmal ist, da ein Spielkompensator dann nicht nur das Spiel kompensieren wird, sondern auch die Haftreibung.
In der Herleitung des Spielabschätzers oben wurde angenommen, dass ein PID Regler verwendet werden sollte. Indessen ist es einfach für einen Fachmann, das Verfahren für andere Regler mit integralem Einfluss zu modifizieren.
Industrietests
Das Spielabschätzungsverfahren wurde an einem Flussregelkreis in einer Papiermühle getestet. Diese Umgebung ist schematisch in 11 gezeigt, zu der oben schon Bezug genommen wurde. Der Prozessabschnitt ist eine Leitung 12, worin Pulpe (Papierbrei) von einem Pulperecycling-Turm 10 zu einem Tank 60 transportiert wird. Ein PID Regler (PID1) 32 kontrolliert den Pulpenfluss durch ein Ventil 38 und formt daher einen Regelkreis 30. Der Prozessausgang y ist der Pulpenfluss, der in dem Bereich von 0–900 m³/h von einem Flussdetektor (F) 36 gemessen wird und der Reglerausgang u ist in dem Bereich von 0–100%.
Der Sollwert y_sp ist extern und wird von einem Level-Regler (PID2) 42 am Tank 60 stromabwärts gegeben. Das bedeutet, dass der Flussregler 42 einen Slave-Regelkreis 40 in einer Kaskadenkonfiguration bildet. Der Pulpenfluss wird von einer Pumpe 28 angetrieben, die durch einen Druckregler (PID0) 22 kontrolliert wird, der in einem anderen Regelkreis 20 involviert ist und der einen Druckdetektor 26 verwendet.
Die Fluss- und Druckregler weisen eine Wechselwirkung auf. Um diese Wechselwirkung zu reduzieren, wurde die Bandbreite des Flussregelkreises, die normalerweise ziemlich beständig ist, durch Einführen eines Tiefpassfilters mit einer Zeitkonstanten von 20 s in den Regelkreis reduziert.
Ein manueller Test wurde durchgeführt, um den Betrag des Spiels in dem Ventil zu prüfen. Das Ergebnis ist in 12 gezeigt. Der Reglerausgang wird zuerst erhöht, um sicherzustellen, dass der Spalt geschlossen ist. Da der Fluss ansteigt, ist der Spalt geschlossen, wenn das Kontrollsignal den finalen Wert u = 39% erreicht. Der Reglerausgang ist dann umgekehrt und in Schritten von 1% vermindert. Die ersten Schritte resultieren in keiner Minderung des Flusses, was anzeigt, dass das Kontrollsignal innerhalb des Totzeitbereiches ist. Jedoch ergibt der Schritt, der von dem Wert u = 36% gemacht wird, eine Minderung des Flusses, was zeigt, dass der Spalt in der Nähe dieses Werts des Kontrollsignals geschlossen ist. Der Test zeigt, dass das Spiel ungefähr d = 3% beträgt.
Der Flussregler ist ein PI Regler mit den Parametern K = 0.6 und T_i = 28 s. Die Signale, die in den Reglern verwendet werden, sind auf den Bereich [0,1] normiert. Die statische Prozessverstärkung war zu K_p = 1.3 geschätzt.
13 zeigt das Ergebnis einer Aufnahme, die während ungefähr 4000 s gemacht wurde. Der obere Graph zeigt den externen Sollwert (rauschbehaftetes Signal) und den Prozessausgang (Fluss). Der untere Graph zeigt das Kontrollsignal. Die geschätzten Spielwerte sind in dem oberen Graphen eingezeichnet. Der Regelkreis oszilliert wegen dem oszillierenden Sollwert. Die Sollwertoszillationen werden wahrscheinlich von den Flussvariationen generiert, die von dem Spiel verursacht werden. 13 zeigt, dass Spiel fünfmal während des Tests detektiert wurde, mit Spielabschätzungen von 2.5% bis 3.1%. Diese Abschätzungen sind nahe an denen, die von den manuellen Tests in 12 erhalten wurden.
Sollwertvariationen können den Spielabschätzer stören. Wenn der Test e_max ≤ 2Δy nicht vorhanden wäre, wären 15 Detektionen während des Tests erhalten worden, und vor allem die beiden letzten Sollwertänderungen hätten zu Spielabschätzungen geführt, die viel zu groß sind.
Um die Störungen zu beseitigen, die von dem externen Sollwert verursacht werden, wurden auch Experimente mit festgesetzten, internen Sollwert durchgeführt. 14 zeigt die Ergebnisse eines solchen Tests. Der obere Graph zeigt den konstanten, internen Sollwert und den Prozessausgang (Fluss). Der untere Graph zeigt das Kontrollsignal. Die abgeschätzten Spielwerte sind in dem oberen Graphen angezeigt.
Bei einem Vergleich der 13 und 14 wird klar, dass die von dem externen Sollwert verursachten Oszillationen verschwunden sind. 14 zeigt, dass einige niederfrequente Störungen auftauchen. Diese werden wahrscheinlich durch die Interaktion des Druckregelkreises verursacht.
Drei Spieldetektionen wurden während der Experimente gemacht, mit den jeweiligen Abschätzungen 1.6%, 2.4% und 2.4%. Diese Werte sind ein wenig niedriger als die, die in 13 erhalten wurden. Dies war zu erwarten, da die Sollwertvariationen in dem vorangehenden Beispiel den Effekt des Spiels verstärken. Außerdem haben schon die Herleitung des Verfahrens und die ausgeführten Simulationsbeispiele gezeigt, dass die Spielabschätzung voraussichtlich konservativ sein wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die industriellen Tests gezeigt haben, dass das Spielabschätzungsverfahren auch in einem industriellen Umfeld mit schwierigen, niederfrequenten Störungen funktioniert. Um ein robustes Verfahren für eine tatsächliche Implementation zu erhalten, das automatisch ist in dem Sinne, dass keine Bedienerinteraktion benötigt wird, können zusätzliche Elemente des Sicherheitsnetzes hinzugefügt werden müssen, was leicht für den Fachmannes erreichbar ist.
Spielausgleich
Wenn entdeckt wurde, dass ein Kontrollventil soviel Spiel aufweist, dass die Kontrolle verschlechtert wird, ist die beste Maßnahme natürlich der Ersatz oder die Reparatur des Ventils. Die Tatsache, dass der Betrag des Spiels normalerweise mit der Zeit ansteigt, macht dies sogar noch wichtiger.
Allerdings bedeutet der Ersatz oder die Reparatur eines Ventils normalerweise, dass die Produktion gestoppt werden muss. Aus diesem Grund, und aus dem ökonomischen Grund, dass es von Interesse ist, dass ein Ventil so lang wie möglich genutzt wird, ist es von Interesse, das Spiel auszugleichen.
Ein Kontrollventil wird sich normalerweise nicht von selbst oder wenn das Kontrollsignal konstant ist, bewegen, wenn der Antrieb nicht unterdimensioniert ist oder der Positionierer unstabil ist. Deshalb ist die Position des Kontrollsignals in Bezug auf das Spiel durch das Kontrollsignal und dessen Verlauf gegeben. Das heißt, dass das Spiel eine invertierbare Nichtlinearität ist.
Eine Art, das Spiel auszugleichen, ist, das Kontrollsignal jedes Mal durch das Spiel springen zu lassen, wenn die Kontrollmaßnahme umgekehrt ist. Der Ausgleich kann als Feedforward-Ausgleich gesehen werden u = uFB + uFF, (13)wobei u der Kontrollerausgang, u_FB der Feedbackterm, zum Beispiel der Ausgang des PID-Reglers (2), und u_FF der Ausgleichsterm für das Spiel ist.
Ein idealer Spielausgleich wäre
Dieser Ausgleich ist in einer gestörten Umgebung nicht realisierbar. Eine mögliche Modifikation ist, das Kontrollsignal vor der Ableitung zu filtern. Das ergibt den folgenden Ausgleich
wobei u_f das gefilterte Kontrollsignal ist. Zu bemerken ist, dass sich die Verstärkung des Ausgleichs von dem wahren Wert d zu einem Wert δ geändert hat, wobei δ ≤ d ist. Die Filterung des Kontrollsignals wird eine Verzögerung in die Detektion der Vorzeichenwechsel der Kontrollsignalrate einbringen. Das heißt dass das Kontrollsignal schon seinen Weg durch das Spiel begonnen hat. Deshalb muss der Ausgleich kleiner als im Idealfall sein.
Es gibt andere Möglichkeiten, den Spielausgleich durchzuführen. In (15) hat das Kontrollsignal u einen Tiefpassfilter durchlaufen, um das Rauschen zu reduzieren, das in den Regler durch den Prozessausgang y eingefügt wurde. Innerhalb des Reglers wird das Messsignal wegen des Ableitungsterms durch einen Hochpassfilter geführt. So wird das Rauschlevel zuerst verstärkt und dann durch den Tiefpassfilter reduziert. Ein direkterer Weg ist, das Feedforward direkt auf dem Messsignal basieren zu lassen. Eine Vorgehensweise, die in diesem Dokument gebraucht werden wird, ist
wobei der Regelfehler e = y_sp – y_f ist und y_f ist der durch (3) erhaltene, gefilterte Prozessausgang. Wenn der Regelfehler das Vorzeichen wechselt, tut dies auch der Anteil des Integralterms in dem Regler. Deshalb kann das Feedforward (16) als eine Vorgehensweise angesehen werden, bei der nur der rauschunempfindliche Integralteil des Reglers betrachtet wird und die rauschempfindlichen Proportional- und Ableitungsterme von dem Ausgleich ausgeschlossen werden.
Beispiel 3 – Spielabschätzung für einen integrierenden Prozess
Zu betrachten ist das Kontrollproblem in Beispiel 1. Ein Spielkompnsator der Form (15) wird dem Regler hinzugefügt. Das gefilterte Kontrollsignal wird erzeugt als
Dies ist ein Filter mit relativ breiter Bandbreite. Andererseits ist der Prozessausgang in diesem Beispiel rauschfrei. Deswegen wurde die Verstärkung des Kompensators gleich dem Spiel gewählt, das heißt δ = d = 0.05, damit fällt der Kompensator mit dem idealen Kompensator (14) zusammen.
Die Ergebnisse der Simulationen sind in 15 gegeben. Bei einem Vergleich der 5 und 15 wird deutlich, dass der Spielkompensator einen nahezu idealen Ausgleich in diesem rauschfreien Fall liefert.
Beispiel 4 – Spielabschätzung für einen stabilen Prozess
Zu betrachten ist das Kontrollproblem in Beispiel 2. Ein Spielkompensator der Form (16) wird dem Regler hinzugefügt. In diesem Beispiel ist der Ausgleich komplizierter als in dem vorherigen Beispiel, da der Prozessausgang mit Rauschen verdorben ist.
16 zeigt das Ergebnis, wenn ein Kompensator mit δ = d = 0.05 verwendet wird. Es ist von der Figur klar, dass die Verstärkung des Kompensators zu hoch ist und dass der Kompensator eine Oszillation des Regelkreises verursacht. Eine Reduktion der Kompensatorverstärkung zu δ = 0.4 liefert die in 17 gezeigten Ergebnisse. Dieser Kompensator liefert einen Prozessausgang, der nahezu vom Spiel unbeeinflusst ist. Das Kontrollsignal hat einige Hochfrequenzverschiebungen bei bestimmten Perioden. Dies hätte durch eine Einstellung des Filters des Prozessausgangs verhindert werden können. Andererseits verursachen diese Variationen wegen des Spiels keine Ventilbewegungen.
7 zeigt, dass ein Spiel von 5% einen erhöhten IAE Wert von ungefähr 45% liefert, wenn sich die Last um 20% ändert. Mit dem Kompensator wird dieser Anstieg auf ungefähr 15% reduziert.
Abschließende Bemerkungen
Spiel (und Haftreibung) in Kontrollventilen ist ein Hauptproblem im Regelkreislevel in Prozesskontrollanlagen. Es gibt zwei Aspekte des Problems. Zuerst verschlechtern die Nichtlinearitäten die Kontrollleistung. Aber ein zusätzliches Problem ist, dass die Regelkreise, die diesen Problemen begegnen, oft vom Personal in Prozesskontrollanlagen unentdeckt bleiben.
Prozeduren zur Detektion von Haftreibung und zum Ausgleich für Haftreibung waren seit vielen Jahren verfügbar und sie werden in vielen industriellen Anlagen heute verwendet. Spielkompensation als solches ist einfach, aber die bekannten Prozeduren werden selten in Prozesskontrollanlagen verwendet. Der Hauptgrund dafür ist, dass keine Spieldetektion und kein on-line Spielabschätzungsverfahren präsentiert wurden.
Dieses Dokument hat ein on-line Verfahren zur Detektion und Abschätzung von Spiel in Regelkreisen präsentiert. Das Verfahren ist automatisch in dem Sinn, dass keine Information von dem Bediener bereit gestellt werden muss. Die einzige, benötigte Information außer der Signale in dem Kontrollsystem sind die Kontrollparameter. Die Effektivität des Verfahrens wurde durch Simulationen und industrielle Feldtests demonstriert.
Die Erfindung wurde hauptsächlich in Bezug auf wenige Ausführungsformen beschrieben. Andererseits, wie vom Fachmann ohne Weiteres verstanden werden kann, sind andere Ausführungsformen als die oben beschriebenen gleichermaßen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich, wie er von den angehängten Ansprüchen definiert wird.
Kurzzusammenfassung
Ein Verfahren wird offenbart zur automatischen Abschätzung von Spiel in einem Kontrollsystem, das einen Regler (C) und einen zu regelnden Prozess (P) umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln. Das Verfahren umfasst Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen Sollwert (y_sp) und Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt; und Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).

Claims

Verfahren zur automatischen Abschätzung von Spiel (backlash) in einem Kontrollsystem, das einen Regler (C) und einen zu regelnden Prozess (P) umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt; und Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend Integrieren eines Regelfehlers (e) des Prozesses während des Zeitintervalls (Δt) und Bestimmen des Wertes (Δy) als
wobei Δt = t_i+1 – t1 und e = y_sp – y = [Sollwert des Prozessausgangssignals] – [Ist-Wert des Prozessausgangssignals].
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Startzeit (t_i) des Zeitintervalls (Δt) durch Detektieren eines ersten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals (y) in Bezug auf seinen Sollwert (y_sp) bestimmt wird, und eine Endzeit (t_i+1) des Zeitintervalls (Δt) durch Detektieren eines zweiten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals (y) in Bezug auf seinen Sollwert (y_sp) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spiel geschätzt wird als
wobei d ^ eine Abschätzung eines durch das Spiel verursachten Totzeitbereiches ist, K und T_i Reglerparameter sind, die von dem Regler benutzt werden, um eine integrierende Kontrolle des Prozesses durchzuführen, Δt das Zeitintervall ist, Δy der Wert ist, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) wiedergibt; und K_p eine statische Prozessverstärkung des Prozesses ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend Setzen von K_p zu einer vorbestimmten Konstanten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Konstante im Wesentlichen 1 ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei das Spiel durch ein kontrollierbares Glied (38) im Kontrollsystem verursacht wird, und wobei das Verfahren Verifizieren umfasst, dass sowohl ein Kontrollsignal (u) des Reglers (C; 32) an das kontrollierbare Glied (38) als auch das Prozessausgangssignal (y) langsam veränderliche Signale sind, wobei der Schritt des Schätzens des Spiels nur bei erfolgreicher Verifikation durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verifikation von langsam veränderlichen Signalen (u, y) durch Testen, ob das Zeitintervall (Δt) lang ist im Vergleich zu einer Regelkreiszeitkonstanten des Kontrollsystems, durchgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Testen durchgeführt wird durch Annähern der Regelkreiszeitkonstanten mit einer Zeitkonstanten (T_i) unter dem einen oder mehreren Reglerparametem (K, T_i) und Prüfen, ob das Zeitintervall (Δt) einen Schwellwert, der durch Multiplizieren der Zeitkonstanten mit einer vorbestimmten Konstanten (N) berechnet wird, überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 und 4, weiterhin umfassend Laststörungsprävention durch Finden einer maximalen, absoluten Differenz (e_max) zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während des Zeitintervalls (Δt), Verifizieren, dass die maximale, absolute Differenz (e_max) nicht einen Schwellwert überschreitet, der eine Funktion des bestimmten Wertes (Δy) ist, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) wiedergibt, und Durchführen des Schrittes des Schätzens des Spiels nur bei erfolgreicher Verifikation.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schwellwert durch Multiplizieren des bestimmten Wertes (Δy) mit einer vorbestimmten Konstanten (M) berechnet wird.
Vorrichtung zur automatischen Abschätzung von Spiel in einem Kontrollsystem (30), das einen Regler (C; 32) und einen zu regelnden Prozess (P) umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: Mittel (33; 50) zum Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt; und Mittel (33; 50) zum Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Mittel zum Überwachen und die Mittel zum Schätzen durch einen Prozessor (33) des Reglers (C; 32) implementiert sind.
Kontrollsystem mit Regler (C; 32) und einem zu regelnden Prozess (P), wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln, wobei das Kontrollsystem gekennzeichnet ist durch: Mittel (33; 50) zum Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt; und Mittel (33; 50) zum Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).
Computerprogramm, das Programmcodemittel umfasst, die ausgelegt sind, die Schritte der Ansprüche 1–11 durchzuführen, wenn sie von einem Prozessor (33; 50) ausgeführt werden.
Verfahren zur automatischen Abschätzung von Spiel in einem Kontrollsystem, das einen Regler (C) und einen zu regelnden Prozess (P) umfasst, wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen Sollwert (y_sp) und Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt, wobei eine Startzeit (t_i) des Zeitintervalls (Δt) durch Detektieren eines ersten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals (y) in Bezug auf seinen Sollwert (y_sp) bestimmt wird, und eine Endzeit (t_i+1) des Zeitintervalls (Δt) durch Detektieren eines zweiten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals (y) in Bezug auf seinen Sollwert (y_sp) bestimmt wird, und Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).
Kontrollsystem mit Regler (C; 32) und einem zu regelnden Prozess (P), wobei der Regler fähig ist, eine integrierende Kontrolle des Prozesses durch die Verwendung eines oder mehrerer Reglerparameter (K, T_i) durchzuführen, um ein Prozessausgangssignal (y) des Prozesses in Bezug auf einen Sollwert (y_sp) davon zu regeln, wobei das Kontrollsystem gekennzeichnet ist durch: Mittel (33; 50) zum Überwachen des Prozessausgangssignals (y), um einen Wert (Δy) zu bestimmen, der momentane Differenzen zwischen dem Sollwert (y_sp) und dem Ist-Wert des Prozessausgangssignals (y) während eines Zeitintervalls (Δt) wiedergibt, wobei eine Startzeit (t_i) des Zeitintervalls (Δt) durch Detektieren eines ersten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals (y) in Bezug auf seinen Sollwert (y_sp) bestimmt wird, und eine Endzeit (t_i+1) des Zeitintervalls (Δt) durch Detektieren eines zweiten Nulldurchgangs des Prozessausgangssignals (y) in Bezug auf seinen Sollwert (y_sp) bestimmt wird; und Mittel (33; 50) zum Schätzen des Spiels von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i).
Kontrollsystem nach Anspruch 17, wobei die Mittel (33; 50) mit zugehörigem Speicher angeordnet sind, der fähig ist, Programmcode und Arbeitsdaten zu speichern, um das Spiel von dem bestimmten Wert (Δy) und dem einen oder mehreren Reglerparametern (K, T_i) zu schätzen.