DE19748718A1 - Self-adjusting device for process control system - Google Patents

Self-adjusting device for process control system

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DE19748718A1
DE19748718A1 DE1997148718 DE19748718A DE19748718A1 DE 19748718 A1 DE19748718 A1 DE 19748718A1 DE 1997148718 DE1997148718 DE 1997148718 DE 19748718 A DE19748718 A DE 19748718A DE 19748718 A1 DE19748718 A1 DE 19748718A1
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Hans Werner Dr Ing Philippsen
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Hans Werner Dr Ing Philippsen
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Abstract

The device includes a neural network (3) which derives parameters for the control system based on a control parameter (x). As a basis for the neural self-adjustment, a test function is used as an adjustment parameter when the control system is switched off, or as a guide parameter when the control system is switched on. The detected response of the control parameter to the test function is fed directly or in converted form to the neural network.

Description

Die nachfolgende Beschreibung erfolgt für eine konkrete industrietypische Regeleinrichtung, dem PID-Regler und für eine sprungförmige Testfunktion, die als Stellgröße bei ausgeschalteter Regeleinrichtung verwendet wird. The following description is made for a specific industrial-type control device, the PID controller and for a jump-like test function, which is used as a manipulated variable when switched control device. Darüber hinaus findet ein Reglerentwurf nach dem Betragsoptimum statt. In addition, find a controller design rather than according to the optimum.

Voraussetzung für einen optimalen Reglerentwurf ist die Streckenkenntnis in Form eines ausreichend genauen mathematischen Modells. Prerequisite for an optimal controller design is the track knowledge in the form of a sufficiently accurate mathematical model. Die Erarbeitung eines mathematischen Streckenmodells und der systematische Reglerentwurf sind zeitaufwendige Tätigkeiten mit großen Anforderungen an das Personal und daher finanziell nur selten vertretbar. The development of a mathematical system model and the systematic controller design are time-consuming activities with large demands on the staff and therefore rarely financially viable. Die Inbetriebnahme von Regelkreisen erfolgt daher meistens nicht auf der Grundlage eines mathematischen Modells und eines systematischen Reglerentwurfes. The commission loops therefore not usually made on the basis of a mathematical model and a systematic controller design. Einstellregeln sind sicherlich häufiger im Gebrauch, jedoch haben die Reglereinstellung auf Basis von Erfahrungen und Probierverfahren die größte Einsatzhäufigkeit. Setting rules are certainly more common in use, however, the regulator setting based on experience and tasting procedures have the greatest frequency of use. Die Folge sind unter Umständen schlecht eingestellte Regler oder eine zeitaufwendige Inbetriebnahme. The consequences are poorly controlled may regulator or a time-consuming operation. In beiden Fällen entstehen unnötige Kosten. In both cases, unnecessary costs. Es besteht aus diesen Gründen in der Industrie ein aktueller Bedarf an einfachen und leistungsfähigen Einstellverfahren, die ein rasches, kostengünstiges Inbetriebnahme von PID-Reglern ermöglichen [4][5][3]. It is for these reasons in the industry, a current need for simple and efficient adjustment, to permit a rapid, cost-effective commissioning of PID controllers [4] [5] [3].

Neben den Einstellverfahren sind in der Vergangenheit neue Regelungskonzepte entwickelt worden, die eine Selbsteinstellung beinhalten. In addition to setting new control concepts have been developed in the past, which include a self-adjustment.

Adaptive Regler, die selbsttätig ein mathematisches Abbild der Strecke erzeugen, haben sich jedoch trotz großer Anstrengungen nicht in der industriellen Praxis etablieren können. Adaptive control, automatically generate a mathematical image of the route have, but can not establish in industrial practice despite much effort. Gründe für die geringe Verbreitung adaptiver Regler sind ua die Inbetriebnahme, Stabilitätsprobleme im Regelkreis und die Kompliziertheit der Bedienung [12]. Reasons for the poor circulation of adaptive controller include commissioning, stability problems in the control loop and the complexity of the operation. [12]

Auch neuere Ansätze, wie z. More recent approaches such. B. Fuzzy oder Neuronale Regler, entbinden den Regelungstechniker nicht von der Aufgabe, ein qualitatives Prozeßmodell zu erstellen bzw. genügend Datenmaterial zusammenzustellen. B. fuzzy or neural control, do not release the control engineer from the task to create a qualitative process model or enough to compile data. Die Erarbeitung von Regeln und Zugehörigkeitsfunktionen für den Fuzzy Regler ist im Vergleich mit dem konventionellen Reglerentwurf nicht schneller durchführbar und führt grundsätzlich nicht zu besseren Betriebsergebnissen [13]. The development of rules and membership functions for the fuzzy controller is not carried out more quickly in comparison with the conventional controller design and generally does not lead to better business results. [13] Der zeitliche Aufwand, geeignete Trainingsdaten für einen Neuronalen Regler zusammenzustellen, die garantiert jeden Betriebsfall wiedergeben, sollte nicht unterschätzt werden. compile the time required, appropriate training data for a neural regulator play that guarantees every operating case, should not be underestimated. Die Vielzahl Neuronaler Netze und Regler sowie die dazugehörigen Trainingsverfahren stellen größere Anforderungen an Inbetriebnehmer und Bedienpersonal. The plurality of neural networks and controllers as well as the corresponding training methods provide greater demands on commissioning and operating personnel.

Der Funktionsumfang eines modernen digitalen PID-Reglers beinhaltet häufig eine Inbetriebnahmehilfe in Form einer Adapt-Taste. The functionality of a modern digital PID controller often includes engineering assistance in the form of Adapt button. Die Anwender von PID-Reglern profitieren also von den Arbeiten zur adaptiven Regelung, wobei der PID-Regler weiterhin einfach bedienbar bleibt und seine bewährten Eigenschaften behält. The users of PID controllers thus benefit from the work on the adaptive control, the PID controller continues to be easy to use and retains its proven properties.

Das Inbetriebnahmewerkzeug SIEPID [12] verwendet ein praxisnahes Selbst einstellungsverfahren. The start-up tool SIEPID [12] used setting process a practical self. Dort werden mit einem robusten Identifikationsverfahren, ein Ersatzstreckenmodell anhand der Übergangsfunktion der Strecke bestimmt und mittels Betragsoptimum die Reglerparameter berechnet. There is an equivalent system model be a robust identification method, determined on the basis of the transfer function of the route and calculates the controller parameters using absolute optimum. Dieses Verfahren ist auch für Kompaktregler geeignet [11]. This method is also suitable for compact controller [11].

Einen prinzipiell ähnlichen Ansatz, einen PI-Regler mit Hilfe einer modernen Methode zu ergänzen, wird von Pfeiffer [8] vorgeschlagen. to supplement a principle similar approach, a PI controller using a modern method, proposed by Pfeiffer [8]. Die Reglerparameter werden - ausgehend von der Übergangsfunktion des geschlossenen - Regelkreises von einem Fuzzy System schrittweise ermittelt. The controller parameters are - determined control loop of a fuzzy system progressively - starting from the transfer function of the closed. Eingangsgrößen des Fuzzy Systems sind lediglich die Überschwingweite und das Verhältnis von An- und Ausregelzeit. Input variables of the fuzzy system are only the overshoot and the ratio of arrival and settling time. Ausgangsgrößen sind die vorgeschlagenen Änderungen der Reglerparameter. are outputs of the proposed changes to the controller parameters. Nach ca. 5 Sprungversuchen ist der PI-Regler eingestellt. After about five jumping trials of PI controller is set.

In dieser Arbeit soll ein Verfahren vorgestellt werden, das die Parameter eines PID-Reglers mit Hilfe eines Neuronalen Netzes entwirft. In this work a method is presented which designs the parameters of a PID controller using a neural network. Grundlage sind Zeitprozentkennwerte der Strecke. Basis are time percentage characteristic values ​​of the route. Bild 1 zeigt die Struktur des Selbsteinstellungsverfahrens. Figure 1 shows the structure of the self-adjustment procedure. Das Neuronale Netz erhält 17 Zeitprozentkennwerte als Eingangsgrößen. The neural network receives 17 percent of the time parameters as input variables. Daraus erzeugt das Neuronale Netz eine Abbildung auf die Reglerparameter, wobei die Parameter durch das Betragsoptimum [2] vorgegeben sind. From this, the neural network produces an image on the controller parameters, wherein said parameters are determined by the optimum amount [2]. Die Identifikation der Strecke und der Reglerentwurf erfolgen in einem Schritt. The identification of the track and the controller design done in one step. Es handelt sich um einen prozeßmodellfreien Reglerentwurf nach dem Betragsoptimum. It is a process-model-free controller design according to the optimum.

Anwendungszweck dieses Verfahrens ist die Unterstützung der Inbetriebnahme und Wartung von Regelkreisen. Purpose of this process is to support the commissioning and maintenance of control loops. Das hier vorgestellte Inbetriebnahmewerkzeug eignet sich aufgrund der kleinen Netzgröße (5 Neuronen in der Zwischenschicht) für eine Integration in ein Automatisierungssystem (SPS) oder einen Kompaktregler. The method presented here start-up tool is suitable due to the small size of the network (5 neurons in the intermediate layer) for integration into an automation system (PLC) or a compact controller. Der Einsatz von Neuronalen Netzen bietet den Vorteil, aufgrund der generalisierenden Eigenschaften, die Reglerinbetriebnahme auch auf der Grundlage gestörter Übergangsfunktionen durchführen zu können. The use of neural networks has the advantage due to the generalized characteristics to carry out the start-up regulator on the basis of disturbed transition functions. Die Dauer der Reglereinstellung ist sehr kurz und unabhängig von Störungen. The duration of the controller setting is very short and independent of interference. Das neuronale Inbetriebnahmewerkzeug benötigt geringe Ressourcen innerhalb eines Automatisierungsgerätes. The neural start-up tool requires low resources within a programmable controller. Daher kann auf einen zusätzlichen Inbetriebnahme-PC verzichtet werden. Therefore, PC commissioning is no need for an additional.

Neuronale Netze Neural Networks

Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Neuronalen Netze gehören zu der Klasse der Multi Layer Perceptrons [1]. The neural networks used in this study belong to the class of multilayer perceptrons [1]. Die Neuronen, als kleinste Einheit, sind in Schichten zusammengefaßt, wobei die Neuronen innerhalb einer Schicht keinerlei Verbindung haben. The neurons, as the smallest unit are summarized in layers, the neurons have no connection within a layer. Der Informationsfluß im Netz erfolgt von der Eingangsschicht zur Ausgangsschicht (Feed Forward Netz). The flow of information on the net is from the input layer to the output layer (feedforward network). Bild 2 zeigt ein Netz mit einer Zwischenschicht (hidden layer). Figure 2 shows a network having an intermediate layer (hidden layer). Dieser Netztyp findet in dieser Arbeit Verwendung, wobei zusätzlich ein Bias zugeführt wird (siehe Bild 3). This network type is used in this work, wherein in addition, a bias is applied (see Figure 3).

Die Neuronen einer Schicht haben grundsätzlich den gleichen Aufbau, wie prinzipiell Bild 3 verdeutlicht. The neurons of a layer basically have the same structure as illustrated in principle Figure 3.

Hervorzuheben sind neben den gewichteten Eingängen und dem Bias die Aktivierungsfunktionen am Ausgang. These are in addition to the weighted inputs and bias the activation functions at the output. Im Falle eines zweischichtigen Netzes mit nichtlinearen sigmoidalen Aktivierungsfunktionen ist ein Neuronales Netz in der Lage, jede physikalische Funktion beliebig genau anzunähern (universal approximator) [1]. In case of a two-layer network with nonlinear sigmoidal activation function, a neural network capable of each physical feature is accurately as desired to approximate (universal approximator) [1].

Sigmoidfunktionen sind nichtlineare differenzierbare Funktionen wie z. Sigmoid functions are nonlinear differentiable functions such. B. die Fermi Funktion mit einem Wertebereich von 0. . As the Fermi function with a value range of 0.. .1 .1

oder der Tangens hyperbolicus or the hyperbolic tangent

mit einem Wertebereich von -1. with a range of values ​​of -1. . , .+1. . + 1.

Neben den sigmoidalen Aktivierungsfunktionen finden in automatisierungstechnischen Anwendungen auch die radialen Basisfunktionen (RBF) Verwendung. In addition to the sigmoidal activation functions found in automation engineering applications, the radial basis function (RBF) use. Die sog. RBF-Netze konvergieren im Training schneller, haben jedoch die negative Eigenschaft, daß sie durchsacken [9]. The so-called. RBF networks converge faster in training, however, have the negative property that they sag [9]. Darüberhinaus erfordern RBF-Netze eine höhere Anzahl von Neuronen gegenüber den Multi Layer Perceptrons bzw. Back-Propagation-Netzen. Moreover, requiring RBF networks a higher number of neurons to the multilayer perceptron or back propagation networks.

Mit Hilfe des Back-Propagation Algorithmus erfolgt bei den Multi Layer Perceptrons die Anpassung der Gewichte im Hinblick auf eine gute Übereinstimmung zwischen vorgegebenen Zielgrößen und den Ausgangswerten des Neuronalen Netzes. Using the back-propagation algorithm is performed in the multi-layer perceptron the adjustment of weights in view of a good match between predetermined target values ​​and the output values ​​of the neural network. Die Lern- oder Trainingsphase wird überwacht, und die Auswertung des Fehlervektors bietet die Möglichkeit, den Erfolg des Trainings bewerten zu können. The learning or training phase is monitored, and the evaluation of the error vector provides the opportunity to evaluate the success of the training.

Neuronale Netze haben in der Automatisierungstechnik sowohl in der Modellierung als auch Steuerung und Regelung Anwendungsbereiche gefunden [1] [6]. Neural networks have found in automation technology, both in the modeling and control and regulation application areas [1] [6].

Die Möglichkeit, das Wissen über die Strecke anhand von Betriebsdaten den Netzen einprägen zu können, woraus das Netz eigenständig Schlußfolgerungen (z. B. Klassenbildung) ziehen kann, ist als Vorteil dieses neuen Konzeptes anzusehen [1]. The possibility of the knowledge of the route to be able to impress on the basis of operational data networks, from which the network independently (z. B. Class Education) Conclusions can draw, is to be regarded as an advantage of this new concept [1].

Die Erarbeitung von Regeln und/oder eines mathematischen Modells erledigt das Training Neuronaler Netze quasi nebenbei. The introduction of rules and / or a mathematical model completed the training of neural networks almost incidentally. Ein weiterer Vorteil besteht für die Regelungstechnik z. Another advantage for the control technology. B. in der Kompensation nichtlinearer Sensorkennlinien oder Identifikation nichtlinearer Strecken [7]. B. nonlinear in the compensation of non-linear sensor characteristics or identification zones [7].

Diese Vorteile stellen sich allerdings nicht ohne menschliche Aktivität ein. These benefits do not, however, without a human activity. Die halbautomatische Trainingsphase, die üblicherweise Voraussetzung für die Nutzung Neuronaler Netze ist, muß als Nachteil angesehen werden: The semi-automatic training phase which is usually a prerequisite for the use of neural networks is to be regarded as a disadvantage:

  • 1. Die Dauer und damit der Aufwand der Trainingsphase ist nicht abschätzbar. 1. The duration and thus the cost of the training phase can not be estimated. Es ist Erfahrungswissen notwendig (Einstellung Lernrate und anderer Parameter). It is practical knowledge necessary (setting learning rate and other parameters).
  • 2. Die Einbeziehung von Expertenwissen in das Training ist schwierig, dh dem Netz muß Wissen in Form von Beispieldatensätzen zugeführt werden. 2. The inclusion of expertise in the training is difficult, that the network must know to be supplied in the form of sample data sets.
  • 3. Es kann keine Garantie für das Verhalten in nicht trainierten Situationen gegeben werden. 3. There can be no guarantee for the behavior in untrained situations. (Stabilitätsbeweise Neuronaler Regler gestalten sich schwierig.) (Stability evidence of neural controllers be difficult.)
  • 4. Die optimale Struktur (Anzahl Schichten, Neuronen) muß durch Probieren gefunden werden [6]. 4. The optimal structure (number of layers, neurons) have found by trial and error. [6]

Die kurz skizzierten Eigenschaften sowie Vor- und Nachteile Neuronaler Netze erfordern einen besonderen Zuschnitt für den in dieser Arbeit vorliegenden neuen Anwendungsfall. The briefly outlined characteristics, advantages and disadvantages of neural networks require special blank for the present in this work new application. Besonders positive Bedeutung haben in diesem Zusammenhang die Fähigkeit als universal approximator und die generalisierenden Eigenschaften. in this context especially positive significance have the ability as a universal approximator and generalizing properties. Ein Neuronales Netz wird mit einer endlichen Menge von Mustern trainiert. A neural network is trained with a finite set of patterns. Aufgrund der generalisierenden Eigenschaften, können Neuronale Netze auch im Fall von nicht trainierten Mustern sinnvolle Ergebnisse ausgeben, z. Because of generalizing properties, neural networks can also output in the case of non-trained patterns meaningful results for. B. eine Funktion zwischen den trainierten Stützstellen sehr genau approximieren. approximated as a function between the trained support points very closely.

Wichtigste Konsequenz aus den nachteiligen Eigenschaften ist die Erarbeitung von mehreren Netzen für unterschiedliche Streckentypen (aperiodisch, periodisch, langsam, schnell). The most important consequence of the disadvantageous characteristics is the development of multiple networks for different route types (aperiodic, periodic, slow, fast). Sinnvoll ist die Erzeugung von Neuronalen Inbetriebnahmenetzen für bestimmte Anwendungsbereiche (Durchfluß-, Temperatur-, Druck-, . . . Regelungen). It makes sense to the generation of neural networks start-up for certain applications (throughput, temperature, pressure,... Regulations). Der Unterschied dieser Netze wird lediglich in den Parametersätzen bestehen. The difference of these networks will exist only in the parameter sets.

Das Betragsoptimum The optimum amount

Das Reglerentwurfsverfahren nach dem Betragsoptimum [2] ist für Strecken mit der Übertragungsfunktion The controller design method according to the optimum [2] for routes with the transfer function

anwendbar. applicable. Gegenüber dem Verfahren der Polkompensation und Verstarkungseinstellung nach Phasenreserve liefert das Betragsoptimum bei gleicher Überschwingweite ein schnelleres Regelverhalten. Compared with the method of the pole compensation and Verstarkungseinstellung by the phase margin value optimum provides a more rapid control response for the same overshoot. Darüber hinaus ist keine Berechnung von Nullstellen des Nennerpolynoms erforderlich. Moreover, no calculation of zeros of the denominator polynomial is required. Die Parameter eines PID-Reglers sind aus den Streckenkoeffizienten a 0 , a 1 , . The parameters of a PID controller are out of the range coefficients a 0, a 1,. . , ., a 5 direkt berechenbar. ., A 5 directly calculable. Das Verfahren hat sich in der Praxis bewährt und bietet gutes Führungs- und Störverhalten [12]. The method has proven itself in practice and offers good control and error response [12].

Der Name des Verfahrens ist insofern irreführend, da kein Optimum im mathematischen Sinne erreicht wird. The name of the procedure is misleading because no optimum in the mathematical sense is achieved. Es erfolgt keine Berücksichtigung eines Gütekriteriums. There is no consideration of a quality criterion. Das Optimum besteht darin, daß der Betrag des Frequenzgangs des geschlossenen Kreises für einen möglichst großen Frequenzbereich den Wert eins annimmt. The optimum is that the amount of the frequency response of the closed loop for a large frequency range as possible takes the value one.

|F W (jw)| | F W (jw) | ≈ 1 (4). ≈ 1 (4).

Diese Forderung wird gemäß [2] für tiefe Frequenzen näherungsweise erfüllt, wenn ein PI-Regler die folgende Einstellung aufweist: This requirement is in accordance with [2] approximately satisfied for low frequencies, when a PI controller having the following configuration:

Die Streckenkoeffizienten können nur durch Identifikation gewonnen werden. The path coefficients can only be obtained by identification. Auch im günstigen Fall einer P - T n -Strecke mit n reellen Polstellen: Even in the best case a P - T n -distance with n real poles:

wenn a 0 = 1 und lediglich a 1 auf einfache meßtechnische Weise über die Steuerfläche bestimmt werden kann (a 1 = T Σ ), verbleiben mit a 2 und a 3 zwei nicht zu vernachlässigende Koeffizienten. can be 0 when a = 1, and only a 1 determined in a simple manner via the metrology control surface (a 1 = T Σ), remain with a 2 and a 3, two non-negligible coefficient. Wird eine aperiodische Strecke, wie im Inbetriebsetzungsgerät SIEPID [12], durch ein Streckenmodell mit n gleichen P - T 1 -Gliedern angenähert, Is an aperiodic route, such as [12], in Inbetriebsetzungsgerät SIEPID by a system model with the same P n - 1 T approximated -Gliedern,

ist der Reglerentwurf nach dem Betragsoptimum unter Verwendung der Ersatzzeitkonstanten möglich. the controller design according to the optimum by using the equivalent time constant is possible. Bei dem hier vorgestellten Verfahren erfolgt das Training auf die Zielparameter K R , T n und T v aufgrund des Streckenmodells (3). In the method presented here, the training is performed on the target parameters K R, T n and T v due to the system model (3). Festzuhalten bleibt der nichtlineare Zusammenhang zwischen Regler- und Streckenparametern. What is clear is the non-linear relationship between the controller and system parameters. Damit scheidet ein Neuronales Netz mit rein linearen Aktivierungsfunktionen aus. That remove a neural network made with pure linear activation functions.

Neuronaler PID-Reglerentwurf Neural PID controller design

Bei der Entwicklung einer geeigneten Netzstruktur stand die selbstgestellte Anforderung, mit möglichst wenigen Meßdaten und Neuronen auszukommen, im Mittelpunkt. In developing an appropriate network structure, the self-imposed requirement to get along with as few measurement data and neurons stood center stage. Darüber hinaus mußte der Tatsache Rechnung getragen werden, daß die Dauer einer Übergangsfunktion keinen Einfluß auf die Anzahl der Eingangsdaten haben sollte. In addition, the fact must be taken into account that the duration of a transition function should have no effect on the number of input data.

Daher wird als Eingangsgröße nicht der Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern die Zeit bis zum Erreichen eines bestimmten Wertes verwendet (Zeitprozentkennwert). Therefore, it is not the value at a particular time, but the time used as an input variable to reach a specific value (time percentage characteristic value). Der Einsatzbereich ist auf aperiodische Strecken begrenzt. The application range is limited to aperiodic distances.

Dem Netz werden 17 Eingangsgrößen ( T 5% , T 10% , T 15% , . . ., T 95% ) zugeführt und zusammen mit den über das Betragsoptimum berechneten Reglerparametern (K R , T n , T v ) trainiert. The network 17 input quantities (T 5%.. T 10% T 15%,., T 95%) is supplied together with the calculated on the amount Optimum control parameters (n K R, T, T v) trained. Bild 4 zeigt eine gemessene Übergangsfunktion einer Laborstrecke und einige Prozentlinien. Figure 4 shows a measured transfer function of a laboratory track and a few percent lines.

Die Trainingsstrecken müssen den betrachteten Raum der Streckenzeitkonstanten gleichmäßig abdecken. The training courses must cover the space under consideration of system time constants evenly. Nur dann besteht die Aussicht, keine unerwünschten Effekte im Fall von nicht trainierten Eingangsgrößen (und das wird der Einsatzfall sein) entstehen zu lassen. Only then is the prospect of no undesired effects in the case of untrained input variables (and that is the application to be) to give rise. Die Trainingsdatenmenge kann durch ausreichend viele zufällig generierte Streckenzeitkonstanten zusammengestellt werden oder mit Hilfe eines deterministischen Algorithmus, der ein Raster unterschiedlicher Kombinationen von Streckenzeitkonstanten erzeugt. The training data set can be obtained by sufficiently large number of randomly generated system time constants are collected or using a deterministic algorithm, which generates a grid of different combinations of system time constants.

Mit dem letztgenannten Verfahren wurden die besten Ergebnisse erzielt. With the latter method, the best results were achieved. Bild 5 symbolisiert einen gleichmäßig aufgespannten Parameterraum für drei Streckenzeitkonstanten. Figure 5 symbolizes a uniform spanned parameter space for three time constants. Liegen die Parameter außerhalb des trainierten Parameterraumes, was im Fall aperiodischer Strecken leicht über die Steuerfläche abschätzbar ist, sollte kein Neuronaler Reglerentwurf durchgeführt werden. If the parameters are out of the trained parameter space, which can easily be estimated in the case of aperiodic distances over the control surface, no neural controller design should be carried out.

Der Parameterraum gemäß Bild 5 enthält redundante Parameterkombinationen. The parameter space as shown in Figure 5 contains redundant parameter combinations. Diese sollten im Hinblick auf das Training durch einen entsprechenden Algorithmus vermieden werden. This should be avoided with regard to the exercise by a corresponding algorithm.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde von einer Streckenordnung n = 4 ausgegangen. In this work was supported by a system order n = 4 assumed. Soll ein Inbetriebnahmenetz für Strecken mit einer maximalen Summenzeitkonstanten Ts = 20 s trainiert werden, stellen sich positive Ergebnisse im Fall von jeweils 12 trainierten Steckenzeitkonstanten mit einem Abstand von 0,4 s ein. If a start-up network for lines with a maximum total time constant Ts = s 20 are trained, to provide positive results in the case of 12 trained Plug time constants with a distance of 0.4 s a. Die vier Steckenzeitkonstanten nehmen die Werte 0,4 0,8 1,2 . The four insert time constants take the values ​​0.4 0.8 1.2. . , . , 4,8 ein (k = 12). 4.8 a (k = 12).

Somit entstehen therefore arise

Kombinationen ohne Redundanz bzw. 1365 verschiedene Strecken. Combinations without redundancy or 1365 different routes. Mit Hilfe der Neural Network Toolbox [14] wurde ein MLP-Netz mit einer Zwischenschicht aus 5 Tangens hyperbolicus Neuronen (2) und drei linearen Neuronen für die Ausgangsschicht trainiert. Using the Neural Network Toolbox [14] an MLP network with an intermediate layer of 5 hyperbolic tangent neurons has been trained (2) and three linear neuron of the output layer. Den simulierten Sprungantworten der 1365 ausgewählten Strecken wurden die Zeitprozentkennwerte entnommen und dem Netz als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt. The simulated step responses of the 1,365 selected routes the time percentage values ​​have been taken and provided to the network as input sizes. Die Zielgrößen wurden über das Betragsoptimum vorgegeben. The targets were specified via the absolute optimum.

Ergebnisse Simulation results simulation

Es ist verbreitet, die Leistungsfähigkeit neuer regelungstechnischer Verfahren anhand einiger Beispiele zu belegen. It is widely used to demonstrate the performance of new control engineering process with some examples. Auf der Grundlage einer statistischen Untersuchung mit vielen zufällig ausgewählten Strecken, die den Anwendungsbereich abdecken, können jedoch mehr Informationen über Stärken und Schwächen gewonnen werden. Based on a statistical analysis with many randomly selected routes that cover the scope, but more information can be obtained about the strengths and weaknesses.

Die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens wird mit 100 per Zufallszahlengenerator erzeugten Strecken überprüft. The efficiency of this method is tested with 100 generated by random number generator lines. Dazu werden gleichverteilte Zeitkonstanten im Intervall [0,2 s 5 s] verwendet. For this purpose uniformly distributed time constants in the interval [0.2s s 5] used. Als Maß für den Fehler wird der maximale Abstand f MA zwischen den Übergangsfunktionen des neuronal eingestellten und des auf Basis des bekannten mathematischen Modells eingestellten Reglers definiert. As a measure of the error, the maximum distance f MA between the transition functions of neuronal set and defines the set on the basis of known mathematical model controller. Das Fehlermaß gibt Auskunft über die Auswirkung einer möglichen Parameterabweichung. The error measure provides information on the impact of a possible parameter deviation.

Für 100 Zufallsstrecken 4. Ordnung ergibt sich eine Häufigkeitsverteilung des Fehlers gemäß Bild 6 mit einem mittleren Fehler von 1,44% bezogen auf den Endwert. For 100 random routes 4th order, a frequency distribution of the error in accordance with Figure 6 yields with an average error of 1.44% based on the final value. 91 Regelkreise werden mit einem Fehler von kleiner 3% eingestellt. 91 control loops are set with an error of less than 3%. Einstellungen mit einem Fehler < 5% entstehen im Fall von mehreren sehr kleinen Zeitkonstanten (T < 0,4 s). Settings with an error <5% arise in the case of a plurality of very small time constants (T <0.4 s).

Störungen disorders

Von besonderer Bedeutung für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit ist die Einbeziehung von nicht trainierbaren Störungen in Form von Meßrauschen. Of particular importance for the assessment of performance is the inclusion of non-trainable disturbances in the form of measurement noise. Eine additive Überlagerung der Übergangsfunktion mit gleichverteilten Zufallszahlen von ±2,5% (bezogen auf den Endwert) verschlechtert erwartungsgemäß die Ergebnisse, siehe Histogramm Bild 7 (mittlerer Fehler 7,27%). An additive superimposition of the transfer function with uniformly distributed random numbers of ± 2.5% (based on the final value) to deteriorate as expected, the results, see Figure 7 histogram (mean error 7.27%). Abhilfe könnte ein Glättungsfilter bringen, der als konstantes P - T 1 -Glied mit trainiert werden muß. Remedy could bring a smoothing filter as a constant P - 1 element must be trained with T.

Niederfrequente sinusförmige Störungen stellen eine besondere Herausforderung für ein Inbetriebnahmewerkzeug dar. Derartige Störungen können nicht mit einen Filter geglättet werden. Low-frequency sinusoidal disturbances pose a particular challenge for a start-up tool. Such interference can not be smoothed with a filter. Erfolgt die Störung wie folgt: x(t) = x(t) + 0,025 sin(2t), dann stellt sich ein mittlerer Fehler von 7,58% ein und eine Häufigkeitsverteilung gemäß Bild 8. Bild 9 zeigt ein besonders schlechtes Beispiel einer Reglereinstellung mit einem Fehler f ma = 25%. If the disturbance as follows: x (t) = x (t) + 0.025 sin (2t) then provides an average error of 7.58% and a frequency distribution in accordance with Figure 8. Figure 9 shows an example of a particularly bad controller setting with an error f ma = 25%. Die zugrundeliegende gestörte Sprungantwort wurde mit dem System The underlying disturbed step response was to the system

erzeugt. generated. Die mittlere Kurve zeigt die Einstellung gemäß Betragsoptimum auf Grundlage bekannter Streckenparameter. The middle curve shows the setting in accordance with the optimum amount based on known system parameters. Der neuronal eingestellte Regelkreis, weist ein zu großes Überschwingen auf. The neuronal set loop has too much overshoot.

Zusammenfassung Summary

Im Mittelpunkt dieser Erfindung steht die Verknüpfung der Regeleinrichtung (z. B. PID-Regler) mit dem modernen systemtheoretischen Konzept der Neuronalen Netze. The focus of this invention is the combination of the control device (eg. B. PID controller) with the modern system-theoretical concept of neural networks. Anwendungszweck ist die Verbesserung der Inbetriebnahme und Wartung von Regelkreisen, wobei im Rahmen dieser Beschreibung eine Einschränkung auf aperiodische Strecken vorgenommen wurde. Purpose is to improve the commissioning and maintenance of control loops, where a restriction was made on aperiodic routes under this description. Diese Einschränkung ist nicht prinzipieller Natur. This restriction is not of principle.

Die Streckenübergangsfunktion ist Grundlage eines neuronalen Reglerentwurfes, der auf Basis des Betragsoptimums erfolgt. The route transfer function is based on a neural controller design, which is based on the amount optimum. Die Ergebnisse belegen bereits für ein kleines Netz mit wenigen Eingängen (5 Neuronen, 17 Eingänge) ein gutes Einstellverhalten, auch im Fall von Störungen und nicht trainierten Systemordnungen. The results show (5 neurons, 17 inputs) a good setting behavior already for a small network with few inputs, even in the event of faults and untrained system orders.

Die Trainingsphase benötigt, wie bei Neuronalen Netzen üblich, einen großen zeitlichen und auch personellen Aufwand. The training phase is required, as in neural networks common to a great time and manpower. Der Anwendungsfall entspricht jedoch dem Drücken einer Adapt-Taste eines Kompaktreglers und setzt keinerlei Kenntnisse über Neuronale Netze voraus. However, the application is equivalent to pressing a button Adapt a compact controller and sets no knowledge ahead of Neural Networks.

Die Lern- und Trainingsphase wurde auf der Basis von simulierten Strecken durchgeführt, da auf diesem Wege ein funktionaler Zusammenhang zwischen Strecke und Reglerparameter sichergestellt ist. The learning and training phase was carried out on the basis of simulated routes as a functional relationship between distance and control parameters is ensured in this way. Neuronale MLP-Netze lernen Funktionen zu approximieren und sind dann in der Lage zu generalisieren. Neural networks learn MLP functions to approximate and are then generalize able.

Das Reglerentwurfsverfahren ist innerhalb der vorgestellten Struktur frei wählbar. The control design process can be chosen freely within the featured structure. Der Autor hat auch das Verfahren der Polkompensation und Einstellung nach Phasenreserve in dieser Struktur realisieren können. The author has been able to realize the method of the pole compensation and adjustment of phase margin in this structure.

Literatur literature

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Claims (4)

1. Selbsteinstellungseinrichtung für eine Regeleinrichtung ( 2 ) für einen Prozeß ( 1 ) mit mindestens einer Stellgröße (y) und einer Regelgröße (x), dadurch gekennzeichnet , daß die Selbsteinstellungseinrichtung ein Neuronales Netz ( 3 ) aufweist, das in Abhängigkeit von der Regelgröße (x) die Parameter (p) der Regeleinrichtung entwirft. 1. Self-adjusting device for a control device (2), characterized for a process (1) having at least one manipulated variable (y) and a controlled variable (x), that the self-adjustment means comprises a neural network (3), the function of the controlled variable ( x) the parameters (p) designs of the control means.
2. Selbsteinstellungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Testfunktion (z. B. Sprung, Rampe oder Dirac) als Stellgröße bei ausgeschalteter Regeleinrichtung oder als Führungsgröße (w) bei eingeschalteter Regeleinrichtung, die Grundlage für die neuronale Selbsteinstellung ist. In that a test function (z. B. jump ramp or Dirac) is 2. Self-adjusting device according to claim 1, characterized in that as the manipulated variable when switched control device or as a command variable (w) with switched control device, the basis for the neural self-adjustment.
3. Selbsteinstellungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgetastete Antwort der Regelgröße (x) auf die Testfunktion dem Neuronalem Netz direkt zugeführt wird oder umgerechnet, z. 3. Self-adjusting device according to claim 2, characterized in that the sampled response of the controlled variable (x) is fed directly to the test function of the neural network or converted, for. B. in Form von Zeitprozentkennwerten, zugeführt wird. B. is supplied in the form of time percentage characteristic values.
4. Selbsteinstellungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Neuronale Netz in einem ersten Schritt auf Grundlage der verwendeten Testfunktion und eines (konventionellen) Reglerentwurfsverfahren trainiert wurde. 4. Self-adjusting device according to claim 3, characterized in that the neural network has been trained in a first step on the basis of the test function, and use of a (conventional) controller design method. Dazu ist für eine Klasse von bekannten Prozessen und den dazugehörigen Reglerparametern ein Lerndatensatz zusammenzustellen. It should create a learning record for a class of known processes and related control parameters. Dieser Lerndatensatz enthält die abgetastete Regelgröße als Muster und die Reglerparameter als Zielgröße. This learning record contains the sampled controlled variable as a model and the controller parameters as a target.
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