DE3786977T2

DE3786977T2 - Systeme und Verfahren zur Prozessregelung.

Info

Publication number: DE3786977T2
Application number: DE87308370T
Authority: DE
Inventors: John David Lane; Thomas J Scheib
Original assignee: INT CONTROL AUTOMATION FINANCE
Current assignee: INT CONTROL AUTOMATION FINANCE
Priority date: 1986-10-09
Filing date: 1987-09-22
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2007-09-23
Also published as: AU596448B2; AU7889387A; US4768143A; CN87106500A; EP0263616B1; ES2043663T3; EP0263616A2; KR880005495A; IN168995B; HK37394A; MX171411B; JPH01109402A; DE3786977D1; CN1023157C; CA1281430C; EP0263616A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Prozeßsteuerungssysteme und -verfahren.
Der Ablauf eines Prozesses kann durch Anwendung der Selbstabgleichsteuerungstheorie verbessert werden. Diese Verbesserung kann beträchtlich sein für Prozesse mit einer unbekannten oder sich ändernden Dynamik und für Prozesse, die ein nicht lineares Verfahren zeigen. Die Selbstabgleichsteuerung kann auch den Ablauf einfacher Prozeßsteuerschleifen verbessern, da ein periodisches Abstimmen dieser Schleifen oft vernachlässigt wird. Siehe Kalman, R.E., "Design of a Self-Optimizing Control System" (Aufbau eines sich selbst optimierenden Steuersystems", AM. Soc. Mech. Engr. Trans., 80,1958; Astrom, K.J. und B. Wittenmark, "On Self-Tuning Regulators" (über sich selbst abgleichende Regler), Automatica, 9,1973; und Clarke, D.W. und P. Gawthrop, "Self-Tuning Controller" (sich selbst abgleichende Steuerung), Proc. IEE, 122,1975.
Trotz der möglichen Vorteile der Steuerung mit Selbstabgleich hat diese Theorie bisher nur wenig Einfluß auf die Praxis ausgeübt. Viele praktische Schwierigkeiten sind mit den sich selbst abgleichenden Steuerungen verknüpft: Die Schwierigkeiten sind in den ersten beiden der oben erwähnten Artikel ausführlich diskutiert. Problembereiche schließen das Anfahren, den Betrieb auf lange Sicht, unbekannte oder sich ändernde Zeitverzögerungen in dem Prozeß und einen hohen Grad von sich schnell ändernder Prozeßdynamik ein. Siehe Wittenmark, B. und K. Astrom, "Practical Issues in the Implementation of Self-Tuning Control" (Praktische Probleme bei der Verwirklichung der Selbstabgleichsteuerung) Automatica, 20, 1984.
Auch die Anzahl der Parameter, die erforderlich sind, um die derzeitige Steuerung mit Selbstabgleich zu beschreiben bzw. zu spezifizieren, überschreitet üblicherweise die zwei oder drei Parameter, die für eine konventionelle PID-Steuerung (Proportional-, Integral-, Differential- Steuerung) erforderlich sind. Während ein beträchtliches Maß an Forschung, die sich mit diesen Problemen auseinandersetzt, während der letzten Dekade durchgeführt wurde, existieren noch viele Problembereiche. Bis jetzt war die Theorie der Steuerung mit Selbstabgleich nicht für die generelle Anwendung auf industrielle Steuerprobleme geeignet.
Anfänglich konzentrierte sich die Theorie der Steuerung mit Selbstabgleich auf implizite Algorithmen. Diese Algorithmen erlauben die unmittelbare Abschätzung von Steuerparametern, beruhen jedoch in starkem Maße auf einem Modell des zu steuernden Prozesses. Siehe Astrom, K.J. Introduction to Stochastic Control Theo (Einführung in die Theorie der stochastischen Steuerung), Academic Press, 1970. Die Arbeit in jüngerer Zeit hat sich jedoch auf explizite Algorithmen konzentriert. Diese Algorithmen schätzen Parameter durch ein diskretes Modell des Prozesses ab und berechnen anschließend Parameter der Steuerung. Siehe Fortesque, T.R., L. Kershenbaum und B. Ydstie, "Implementation of Self-Tuning Regulators with Variable Forgetting Factors" (Anwendung von Reglern mit Selbstabgleich mit variablen "Vergeßlichkeits"-Faktoren), Automatica, 17,1981; Ydstie, B.E., "Extended Horizon Adaptive Control" (Anpassungsfähige Steuerung mit erweitertem Horizont), IFAC World Congress, Budapest, 1984; und Leal, R.L. und G. Goodwin, "A Globally Convergent Adaptive Pole Placement Algorithm Without a Persistency of Excitation Requirement" (Überall konvergenter anpassungsfähiger Polanordnungsalgorithmus ohne das Erfordernis einer andauernden Erregung), Proc. CDC, 1984. Während explizite Algorithmen mehr Berechnungen als implizite Algorithmen erfordern, hängen sie weniger von dem Modellaufbau ab und sind deshalb besser geeignet für allgemeine Anwendungszwecke.
Ein Steuersystem mit Selbstabgleich, das sich auf einen variablen "Vergeßlichkeits"-Faktor stützt, ist von Fortesque, T.R., "Work on Astrom's Self-Tuning Regulator" (Arbeit zu Astrom's Regler mit Selbstabgleich), Dept. of Chem. Engr. Report, Imperial College, London 1977, bekannt. Dieser Artikel befaßt sich mit einigen der praktischen Schwierigkeiten, die mit der Steuerung mit Selbstabgleich verknüpft sind.
Steuerungssysteme mit Selbstabgleich verwenden auch einen Optimierungsindex (Feed Forward Index) oder -Steuerung. Von der Optimierungssteuerung gibt es zwei Typen: die eines stationären Zustandes und die dynamische. Parameter, welche den Optimierungsindex in eine spezielle Steuerwirkung oder Funktion f(x, t) überführen, sind in Fig. 4 dargestellt. Dies ist eine Form der angepaßten Steuerung, welche eine vorherige Prozeßinformation verwendet, um die Wirksamkeit bzw. Effektivität des Steuersystems zu verbessern. Über einen solchen Mechanismus kann ein Steuerungsingenieur Gestaltungsdaten des Prozesses und seine Betriebserfahrung in das Steuersystem einbringen. Die Einbringung dieser Kenntnis vermindert den Einfluß von Prozeßänderungen und Störungen auf die Arbeit bzw. Funktion des Reglers. Die Verstärkungsplanung verwendet eine feste Gleichung oder ein Planziel bzw. eine Verstärkungstabelle, um eine gemessene Indexvariable mit wünschenswerten Abstimmparametern in Beziehung zu setzen. Die Verstärkungsplanung bringt die Abstimmparameter des Reglers auf den aktuellsten Stand.
Das US-Patent Nr. US-A-4 563 735 (Huroi et al) offenbart ein anpassungsfähiges Optimierungssteuersystem für das Anpassen von Optimierungskoeffizienten an eine Variablenstörung in einem stationären Zustand. Das Verfahren mit dem Optimierungskoeffizienten wird jedoch nur an einzelnen Betriebspunkten angepaßt. Die Lehre, daß die Daten über den gesamten Betriebsbereich der Störung hinweg gesammelt und an ein Korrektorpolynom angepaßt werden sollten, welches zu dem Optimierungssignal hinzuaddiert wird, wird nicht gegeben.
Das US-Patent Nr. US-A-4 349 869 (Prett et al) offenbart ein Optimierungssystem mit Optimierungssignal für das kontinuierliche Neurechnen der Optimierungsreaktionen unter Verwendung eines Regressionsalgorithmus mit kleinsten Fehlerquadraten. Dieses Patent lehrt auch die Verwendung eines Begrenzungsmechanismus, um die Optimierungs- bzw. Modellwertkorrektur nur in einem stationären Zustand zuzulassen und um aus Stabilitätsgründen einen oberen Grenzwert für die Optimalwertkorrektur bereitzustellen. Dieses Dokument stützt sich ebenfalls auf eine Minimierungstechnik, die auf einem internen Modell des Prozesses beruht. Ein Update (auf den neuesten Stand bringen) des Optimalwertmodells ist nicht vorgesehen.
Ein Artikel von einem der Miterfinder der vorliegenden Erfindung, der nach dem Einreichungstag der US-Patentanmeldung, von welcher die vorliegende Anmeldung die Priorität in Anspruch nimmt, veröffentlicht wurde, jedoch eine mündliche Beschreibung wiedergibt, die auf der Amerikanischen Steuerungskonferenz gegeben wurde, welche in Seattle, Washington, USA vom 18. bis 20. Juni 1986 abgehalten wurde, stammt von Lane, J.D., "Description of a Modular Self- Tuning Control System" (Beschreibung eines modularen Steuersystems mit Selbstabgleich), Proc. ACC, 1986. Dieser Artikel offenbart, wie heuristische Ansätze in eine Parameterabschätzfunktion aufgenommen werden können. (Insbesondere offenbart der Lane Artikel ein System und ein Verfahren gemäß den ersten Teilen (Oberbegriffen) der Ansprüche 1 bzw. 2 der vorliegenden Beschreibung.) Siehe auch Parish, J.R., "The Use of Model Uncertainty in Control System Design with Application to a Laboratory Heat Exchange Process" (Die Verwendung der Modellungewißheit in Steuersystemgestaltungen unter Anwendung auf einen Wärmeaustauschprozeß im Labor), M.S.-Arbeit, Case Western Reserve University, Cleveland, 1982, welche einen Parameterabschätzalgorithmus mit einem internen Modellregler erster Ordnung beschreibt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Selbstabgleichsystem für die Steuerung eines Prozesses vorgesehen, welcher zumindest einen gemessenen Parameter hat, wobei das System aufweist:
einen modularen Parameterabschätzer für die Aufnahme des gemessenen Parameters und zum Berechnen eines geschätzten Parameters unter Verwendung eines Abschätzalgorithmus,
einen modularen PID (Proportional-, Integral-, Differential-) Parameterkonverter, der mit dem Abschätzer verbunden ist, um einen PID-Algorithmus auf den abgeschätzten Parameter anzuwenden, um ein PID-Steuersignal zu erzeugen,
einen PID-Regler, der mit dem PID-Parameterkonverter bzw. -umsetzer für die Steuerung des Prozesses verbunden ist,
einen modularen IMC- (Regler mit internem Modell) Parameterkonverter, der einen internen Modeilalgorithmus enthält und mit dem Abschätzer verbunden ist, um den internen Modellalgorithmus auf den abgeschätzten Parameter anzuwenden, um ein Steuersignal für das interne Modell zu erzeugen,
einen IMC-Regler für der Steuern des Prozesses,
einen modularen Umsetzer bzw. Konverter, für vom Benutzer definierte Parameter, welcher mit dem Abschätzer verbunden ist, um den abgeschätzten Parameter aufzunehmen und um ein von dem Benutzer definiertes Steuersignal zu erzeugen, und
einen von dem Benutzer definierten Regler, der mit dem Konverter für den vom Benutzer definierten Parameter verbunden ist, um das vom Benutzer definierte Steuersignal aufzunehmen, um den Prozeß zu steuern,
wobei das System gekennzeichnet ist durch eine Verstärkungsplanungseinrichtung, welche mit dem modularen IMC-Parameterkonverter verbunden ist, um einen Optimalwertindex bzw. Optimierungsindex und das interne Modellsteuersignal aufzunehmen, um ein Verstärkungsplansteuersignal zu erzeugen für die Anwendung auf den IMC-Regler, wobei die Verstärkungsplanungseinrichtung einen konstanten Verstärkungsplaner aufweist für die Anwendung eines konstanten Verstärkungsplanalgorithmus auf den Optimalwertindex, um ein konstantes Verstärkungsplansignal zu erzeugen, ein Optimalwertsignalabschätzer für die Abschätzung eines Optimalwertsignales, eine erste Summierungseinheit für die Aufnahme der Differenz zwischen dem konstanten Verstärkungsplansignal und dem abgeschätzten Optimalwertsignal, um ein Differenzsignal zu erzeugen, eine Regressionseinheit, die mit der ersten Summierungseinheit verbunden ist, um eine Regressionsanalyse entsprechend einem Regressionsalgorithmus auf das Differenzsignal anzuwenden, einer Polynominalgleichungseinheit, welche mit der Regressionseinheit verbunden ist, um ein Regressionssignal von der Regressionseinheit zu empfangen und es auf eine Polynominalgleichung anzuwenden, wobei der Optimalwertindex mit der Polynominalgleichungseinheit verbunden ist, um den Index als einen Faktor in der Polynominalgleichung einzuschließen, und eine zweite Summierungseinheit, welche mit dem Konstantverstärkungsplaner und der Polynominalgleichungseinheit verbunden ist, um die Ausgänge derselben zu addieren, um das Verstärkungsplansteuersignal für die Anwendung auf den IMC-Regler zu erzeugen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Prozesses vorgesehen, der zumindest einen Parameter hat, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, daß der gemessene Parameter einer Parameterabschätzfunktion ausgesetzt wird, um einen abgeschätzten Parameter zu erzeugen, Anwenden des abgeschätzten Parameters auf eine PID (Proportional-, Integral-, Differential-) Wandlung, um ein PID-Steuersignal für die Steuerung des Prozesses zu erhalten, Anwenden des abgeschätzten Parameters auf eine interne Modellparameterwandlung, welche den Parameter modelliert, und Anwenden des abgeschätzten Parameters auf eine Wandlung des vom Benutzer definierten Parameters, um ein durch den Benutzer definiertes Steuersignal zum Steuern des Prozesses zu erzeugen, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Anwenden eines Optimalwertindex, welcher eine charakteristische Eigenschaft des Verfahrens für einen Verstarkungsplanalgorithmus wiedergibt, um ein Signal für einen konstanten Verstärkungsplan zu bilden, Abschätzen eines Optimalwertsignals, wobei der Unterschied zwischen dem Signal für den konstanten Verstärkungsplan und das abgeschätzte Optimalwertbzw. Optimierungssignal hergenommen wird, um ein Differenzsignal zu erzeugen, Anwenden einer Regressionsanalyse entsprechend einem Regressionsalgorithmus auf das Differenzsignal, um ein Regressionssignal zu erzeugen, Anwenden des Regressionssignals auf eine Polynominalgleichung, wobei oder Optimalwertindex als ein Faktor der Polynominalgleichung eingeschlossen ist, um ein Korrektursignal zu erzeugen, und Addieren des Signals für den konstanten Verstärkungsplan und des Korrektursignals, um ein kombiniertes Steuersignal für die Steuerung des Prozesses zu erzeugen.
Ein bevorzugtes Steuersystem (und ein entsprechendes Verfahren) mit Selbstabgleich, welches die Erfindung verwirklicht und im folgenden beschrieben wird, kann verwendet werden, um einen weiten Bereich von industriellen Steuer- und Regelproblemen zu lösen. Das bevorzugte Selbstabgleichsteuersystem verwendet einen modularen Aufbau bzw. -installation. Dies gewährleistet eine Flexibilität in der Ausgestaltung des Reglers. Es kann Verwendung gemacht werden von einem Parameterabschätzungsmodul, der einen rekursiven Algorithmus kleinster Fehlerquadrate mit einem variablen "Vergeßlichkeits"-Faktor verwirktlicht. Zusätzliche Module sehen die Umwandlung von abgeschätzten Parametern in Reglerabstimmparameter vor. Individuelle Module stellen eine Umwandlung für verschiedene Steueralgorithmen bereit. Die Verwirklichung bzw. der Einbau dieser Module als Standardfunktionscodeblöcke erlaubt es dem Benutzer, das Steuersystem mit Selbstabstimmung auf spezifische Anforderungen maßzuschneidern. Das Steuer- bzw. Regelsystem mit Selbstabstimmung verwendet auch einen beträchtlichen Anteil heuristischer Ansätze, um die vielen praktischen Schwierigkeiten der Theorie der adaptiven (anpassungsfähigen) Steuerung bzw. Regelung zu überwinden. Weiterhin stellt ein separater Modul eine selbstabgleichende Verstärkungsplanung vor. Alle Module sind einzeln im Stand der Technik bekannt. Ihre Kombination stellt jedoch eine einzigartige und flexible Lösung des Problems der Prozeßsteuerung bereit jeder der Module kann in einer "NETWORK 90" (Netzwerk 90)-Steuerungseinrichtung eingebaut bzw. verwendet werden. "NETWORK 90" ist ein Warenzeichen der Bailey Controls Company Division der Babcock & Wilcox Company, einer McDermott Gesellschaft.
Eigenschaften des bevorzugten, selbstabgleichenden Steuersystems, welches die vorliegende Erfindung verwirklicht und im folgenden beschrieben ist, machen es für Anwendungen auf ganz allgemeine Zwecke geeignet.
Das bevorzugte System verwendet die Parameterabschätzung, die Umwandlung verschiedener Typen von Parametern und die Verstärkungsplanung, um eine selbstabgleichende Steuerung für einen Prozeß zu erzeugen.
Bei dem bevorzugten System ist die Abschätzungsfunktion von der Regel- bzw. Steuerfunktion getrennt, um die modulare Ausgestaltung zu verstärken. Diese Trennung erlaubt die Verwendung eines einzelnen Parameterabschätzungsalgorithmus in Verbindung mit mehrfachen bzw. mehreren Steueralgorithmen. Die Parameterwandlungsmodule stellen die erforderliche Verbindung zwischen dem Parameterabschätzer und den verschiedenen Kontrollfunktionen bereit. Jeder Parameterwandlungsmodul berechnet Abstimmparameter für einen speziellen Typ von Regler aus einem abgeschätzten Prozeßmodell. Zusätzlich steigert ein intelligenter Verstärkungsplanungsmodul die Flexibilität und Wirksamkeit des sich selbst abgleichenden Steuersystems. Der verwendete modulare Aufbau zieht Vorteile aus vielen Merkmalen, die aus aufgeteilten, auf Mikroprozessorbasis arbeitenden Steuersystemen verfügbar sind. Diese Merkmale schließen einige klassische Steueralgorithmen, die Einfachheit des Aufbaues und Flexibilität ein.
Vier Klassen von Algorithmen werden in dem bevorzugten Steuersystem mit Selbstabgleich verwendet. Diese Komponenten sind die Parameterabschätzungsfunktionen, die Parameterumwandlungsfunktionen, die Prozeßsteuerfunktionen und ein intelligenter Verstärkungsplaner.
Zusammengefaßt weist das bevorzugte System mit Selbstabgleich für die Steuerung eines Prozesses, die auf einem aus dem Prozeß gemessenen Parameter beruht, einen modularen Parameterabschätzer, für die Aufnahme des gemessenen Parameters und für das Berechnen eines abgeschätzten Parameters auf unter Verwendung eines Abschätzalgorithmus, einen modularen PID-Parameterkonverter bzw. -Wandler, der mit dem Parameterabschätzer verbunden ist, um den abgeschätzten Parameter in ein Proportional-, Integral-, Differential-Steuersignal umzuwandeln, einen modularen IMC-Parameterkonverter, der mit dem Parameterabschätzer verbunden ist, für die Umwandlung des abgeschätzten Parameters in ein internes Modellsteuersignal, welches auf einem internen Modellalgorithmus für den Prozeß beruht, einen modularen Konverter für einen vom Benutzer definierten Parameter, welcher mit dem Parameterabschätzer verbunden ist für die Umwandlung des abgeschätzten Parameters in ein durch den Benutzer definiertes Steuersignal, einen modularen PID-Regler, der mit dem PID-Wandler verbunden ist, für die Steuerung bzw. Regelung des Prozesses, einen IMC-Regler, für die Steuerung bzw. Regelung des Prozesses gemäß einem internen Modellsteuersignal, einen vom Benutzer definierten Regier, der mit dem Wandler für den vom Benutzer definierten Parameter verbunden ist, um den Prozeß zu steuern, und einen Verstärkungsplaner auf, welcher zwischen dem IMC-Parameterkonverter und dem IMC-Regler angeschlossen ist, um den Ausgangswert des IMC-Parameterkonverters entsprechend einem Algorithmus zu modifizieren, welcher die dynamischen Eigenschaften des Prozesses nachahmt. Ein Optimalwertsignal (Feed Forward Index) wird in dem Verstärkungsplaner verwendet, welcher eine Polynominalgleichung und einen Regressionsalgorithmuskoeffizienten für die Polynominalgleichung verwendet, um das IMC-Signal zu modifizieren.
Die im folgenden beschriebene Ausführungsform der Erfindung stellt ein System mit Selbstabgleich für die Steuerung eines Prozesses bereit, welches von einfacher Gestalt, robust in der Konstruktion und ökonomisch in der Herstellung ist.
Die Erfindung wird jetzt anhand eines veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispieles unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, von denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines sich selbst abgleichenden Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer früher vorgeschlagenen Anordnung ist, um ein Steuersignal eines Reglers zu modifizieren, welches auf einem Index bzw. Signal für die Verstärkungsplanung beruht,
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, welches zeigt, wie die anpassungsfähige Verstärkungsplanung in dem System verwendet werden kann, welches eine Ausführungsform der Erfindung ist,
Fig. 4 eine Kurve ist, welche einen Steuervorgang über einem pH-Wert zeigt und eine Titrierkurve veranschaulicht,
Fig. 5 eine Kurve ist, welche einen pH-Wert über einer Prozeßverstärkung für die Steuerung des pH-Wertes zeigt und welche einer Mehrzahl von linearen Segmenten folgt,
Fig. 6 eine Kurve ist, welche die Addition einer linearen Korrekturgleichung zu einem festen Planziel zeigt, und wie dieses eine intelligente Verstärkungsplanung erzeugt,
Fig. 7 ein Blockdiagramm ist, welches einen einfachen Prozeß zeigt, der gemäß einem System (Verfahren) gesteuert wurde, welches die vorliegende Erfindung verwirklicht, um die Zweckmäßigkeit des Systems (Verfahrens) zu bestätigen,
Fig. 8 eine Kurve ist, welche die über der Zeit aufgetragene Temperatur darstellt und die Regelwirkung ebenso wie das Ansprechen auf eine konstante Verstärkungsplanung zeigt,
Fig. 9 eine Kurve ähnlich Fig. 8 ist, jedoch eine lineare Verstärkungsplanung zeigt,
Fig. 10 eine Kurve ähnlich Fig. 9 ist, jedoch die Steuerung mit Selbstabgleich zeigt,
Fig. 11 eine Kurve ist, welche die Anzahl der Heizer im Vergleich zu der Prozeßverstärkung für das System gemäß Fig. 7 zeigt, wie es gemäß dem System (dem Verfahren) gesteuert wird, welches die Erfindung verkörpert, und
Fig. 12 eine Kurve ähnlich Fig. 11 ist, welche das aktuelle Verstärkungsprofil und den anfänglichen und endgültigen Verstärkungsplan zeigt.
Die Fig. 1 zeigt ein System mit Selbstabgleich für die Steuerung eines Prozesses 10. Das System weist einen modularen Parameterabschätzer 12 auf, der Signale empfängt, die einem oder mehreren Parametern entsprechen, welche in dem Prozeß bzw. aus dem Prozeß 10 heraus gemessen werden, und welcher Abschätzalgorithmen verwendet, um diesen bzw. diese gemessenen Parameter in abgeschätzte Parameterwerte umzuwandeln. Die abgeschätzten Parameterwerte werden jedem der drei Parameterkonverter 14, 20 und 30 zugeführt, von denen jeder ebenfalls einen modularen Aufbau hat.
Der Konverter bzw. Umwandler 14 ist ein PID (Proportional-, Integral-, Differential-) Parameterwandler 14 und ist mit dem Parameterabschätzer 12 verbunden. Er erzeugt ein PID- Steuersignal auf einer Leitung 16, welches einem konventionellen PID-Regler 18 für die Steuerung des Prozesses 10 zugeführt wird. Der Konverter 20 ist ein IMC (Internal Model Controller - Regler mit internem Modell) Parameterkonverter 20. Er ist ebenfalls mit dem Parameterabschätzer 12 verbunden und erzeugt ein Steuersignal auf einer Leitung 22, die einem internen Modellalgorithmus folgt, der ein Modell des Prozesses 10 darstellt. Dieses Steuersignal wird in einem intelligenten Verstärkungsplaner 24 modifiziert, bevor es als endgültiges Steuersignal über eine Leitung 26 an den IMC-Regler 28 weitergegeben bzw. auf diesen angewendet wird. Der Konverter 30 ist ein vom Benutzer definierter Parameterkonverter 30. Er ist ebenfalls mit dem Parameterabschätzer 12 verbunden und empfängt ein Eingangssignal, welches durch einen Benutzer angewendet wird, um den Prozeß in einer gewünschten Weise zu verändern. Dies erzeugt ein von dem Benutzer definiertes Steuersignal auf einer Leitung 32, welches auf einen vom Benutzer definierten Regier 34 angewendet wird, um den Prozeß 10 zu regeln bzw. zu steuern.
Der in Fig. 1 dargestellte modulare Aufbau erfordert keine spezielle Hardware oder feste Installation. Individuelle modulare Komponenten des Systems haben die Form von Standardfunktionscodeblöcken, die in einem NETWORK 90 - System alle verfügbar sind. Die fest installierte Bibliothek auf den einzelnen Steuermodulen auf Mikroprozessorbasis erlaubt den Zugriff auf diese Funktionscodes. Die Spezifizierung eines Steueraufbaus mit Selbstabstimmung erfordert die Auswahl und die Verbindung eines geeigneten Abschätzungs- und Umwandlungsblockes zusätzlich zu dem Basissteueraufbau.
Ein Abschätzalgorithmus in dem modularen Parameterabschätzer 12 verwendet einen Satz von Regeln, die seinen Betrieb regeln bzw. beherrschen. Der Parameterabschätzer 12 überwacht kontinuierlich seinen Ausgang. Dieser Funktionscode verhindert die Verwendung seiner Schätzungen, wenn sie ungenau sind und setzt den Algorithmus zurück, wenn ungünstige Bedingungen herrschen.
Eine vollständige Beschreibung des Abschätzungsalgorithmus kann man in dem oben erwähnten Artikel von Fortesque, Kershenbaum und Ydstie, von 1981 und dem erwähnten Artikel von Ydstie aus dem Jahre 1984 finden.
Der anfängliche Parameterabschätzungsfunktionscode berechnet Parameterabschätzungen für ein diskretes Modell erster Ordnung zuzüglich einer Totzeitdynamik. In dieser Formulierung inhärent enthalten ist die Annahme, daß der Prozeß in angemessener Weise modellhaft wiedergegeben werden kann durch die Form:
y(t) = -a1·y(t-1) + b0·u(t-k) + c (1)
wobei
y(t) = die laufende Prozeßmessung
y(t-1) = die vorhergehende Prozeßmessung
u(t-k) = Steuerausgang bei der Prüfmessung t-k
a1,b0,c = abgeschätzte Modellparameter und
k = Totzeit des Prozesses.
Die folgenden Gleichungen definieren den Abschätzungsalgorithmus:
e(t) = y(t) - R'(t-1) Φ(t) (2)
w(t) = Φ'(t) P(t-1) Φ(t) (3)
R(t) = R(t-1) + [P(t-1) Φ(t) e(t)] / [1+w(t)] (4)
λ(t) = n[1+w(t)] / [n[1+w(t)] +e²(t)] (5)
P(t) = P(t-1) / λ(t) [l-Φ(t)Φ'(t)P(t-1)/[λ(t)+w(t)]] (6) wobei
R(t) = [a1, b0, c];
Φ(t) = [-y(t-1), u(t-k), 1];
n = Zeithorizont für den "Vergeßlichkeits"-Faktor
λ(t) = variabler, exponentieller Gewichtungsfaktor
e(t) = Modellfehlanpassung des Prozesses, und
P(t) = Verstärkungsvektor.
Eine genauere Beschreibung der heuristischen Ansätze, die in dem Parameterabschätzungsfunktionscode enthalten sind, findet man in dem oben erwähnten Artikel von Lane, 1986.
Die Parameterwandlung bzw. Umsetzung in dem PID-Konverter 14 und in dem durch den Benutzer definierten Konverter 30, die eine bekannte Ausgestaltung haben, wird in bekannter Art und Weise bewirkt.
Der IMC (interner Modellregel-) Parameterkonverter 20 verwendet einen Parameterabschätzalgorithmus mit einem internen Modellregier erster Ordnung. Ein solcher Regler ist in dem oben erwähnten Artikel von Parish 1982 beschrieben.
Drei Faktoren legen die Verwendung des IMC-Konverters 20 nahe. Zunächst sieht der in diesem Konverter verwendete Algorithmus eine Totzeitkompensation vor, ein Merkmal, das in dem PID-Regler nicht einfach verfügbar ist. Zum zweiten verwendet dieser Algorithmus Abschätzungen der Prozeßverstärkung und der Zeitkonstanten als seine primären Abgleichparameter. Diese Parameter erlauben eine einfache Interpretation der Genauigkeit. Zum dritten ist der Regler derzeit als Produktionsausrüstung verfügbar.
Um den internen Modellregelalgorithmus zu verwenden, muß der Benutzer die abgeschätzte Totzeit des Prozesses, die Zeitkonstante sowie das Ziel bzw. die Verstärkung angeben und eine Abstimmzeitkonstante auswählen. Der sich selbst abstimmende Regler schätzt diskrete Modellparameter ab, wandelt diese in eine Abschätzung der Prozeßverstärkung bzw. der Prozeßausbeute und der Zeitkonstanten um und setzt diese Reglerparameter mit diesen Werten neu fest. Der Benutzer muß die beobachtete Prozeßtotzeit und eine Abstimmzeitkonstante angeben. Diese Abstimmzeitkonstante legt die gewünschte Geschwindigkeit des Ansprechens des Prozesses fest.
Der Parameterwandlungsfunktionscode transformiert diskrete Parameterabschätzungen in Abstimmparameter für den internen Modellregler. Der Parameterabschätzer 12 erzeugt Abschätzungen für das folgende Prozeßmodell.
Die Entwicklung des internen Modellreglers geht aus von der Annahme eines diskreten Prozeßmodells in der Form:
wobei
k = Prozeßstellfaktor (Verstärkungsfaktor, Ausbeute) und
τ - Zeitkonstante des Prozesses
Der Konversionsalgorithmus muß deshalb die Parameter a1, b0 und c in die Parameter k und τ umwandeln.
Fig. 2 zeigt eine klassische Verstärkungsplan- bzw. Verstärkungsentwicklungsanordnung. Eine Prozeßvariable 40, die aus bzw. in dem Prozeß gemessen wird, wird als Eingabegröße auf einen Regler 42 gegeben, welcher eine Regel- bzw. Steuerfunktion oder einen Steuerversuch 44 erzeugt. Zusätzlich wird ein Index bzw. ein Signal 46 durch einen Verstärkungsplanalgorithmus in eine Einheit 48 als zweite Eingabe in den Regler 42 gegeben, um die Wirkung der Prozeßvariablen 40 zu modifizieren.
Dies ist eine Form der anpassungsfähigen Regelung, die vorherige Prozeßinformation verwendet, um die Wirksamkeit des Regelsystems zu verbessern. Die Verstärkungsplanung bzw. Verstärkungstabelle verwendet jedoch eine feste Gleichung oder einen Verstärkungsplan bzw. - tabelle, um eine gemessene Indexvariable mit gewünschten Abstimmparametern in Beziehung zu setzen. Der Verstärkungsplan bringt die Abstimmparameter des Reglers als Funktion der Indexvariablen auf den aktuellen Stand (Update).
Während die Planung bzw. die Tabelle kontinuierlich die Regelparameter modifiziert, um die laufenden Prozeßbedingungen zu berücksichtigen, stützen sich konventionelle Regelsysteme auf das periodische manuelle Abgleichen. Im Ergebnis stellt die Verstärkungsplanung eine engere Regelabstimmung bereit, insbesondere unter Ansprechen auf kurzzeitige Veränderungen oder Störungen. Die Verstärkungsplanung ist auch der selbstabgleichenden Regelung überlegen für Prozesse, die durch plötzliche Veränderungen ihrer dynamischen Eigenschaften beeinflußt werden.
Ein Prozeß, der für die Anwendung der Verstärkungsplanung gut geeignet ist, weist beträchtliche dynamische Veränderungen als Funktion der gemessenen Variablen auf. Konventionelle Regelsysteme, die nicht den Vorteil der Anwendung der Verstärkungsplanung haben, erfordern ein Herabregeln bzw. ein Verstimmen, um über ihren gesamten Bereich von Betriebsbedingungen eine angemessene Funktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Das Verstimmen bzw. Herabregeln führt während bestimmter Betriebszustände zu einem sehr trägen Prozeßverlauf bzw. einer trägen Funktionsweise. Die Verstärkungsplanung stellt jedoch andererseits einen Mechanismus für das Aufrechterhalten einer engen Regelabstimmung über weite Betriebsbereiche hinweg bereit.
Die Steuerung des pH-Wertes ist ein Beispiel für die Art eines Problems, für welches die Anwendung der Verstärkungsplanung gerechtfertigt bzw. anerkannt ist. Eine Titrierkurve, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, gibt die typische Beziehung wieder, die zwischen der Regelmaßnahme und dem pH-Wert besteht. Diese Art von Prozeß zeigt in hohem Maße nicht lineare dynamische Eigenschaften als Funktion des pH-Wertes. Üblicherweise haben diese Prozesse eine Änderung der Prozeßverstärkung von mehr als einer Größenordnung über ihren Betriebsbereich hinweg.
Die Verstärkungsplanung für pH-Wertprozesse verwendet eine stückweise lineare Funktion, die in Fig. 5 veranschaulicht ist, um den gemessenen pH-Wert auf eine erforderliche Regelverstärkung abzubilden bzw. zuzuordnen. Dieses Abbilden bzw. Kartographieren stellt einen Mechanismus für das Einstellen der Verstärkung eines üblichen Funktionsrückkopplungsreglers als Funktion des pH-Wertes bereit. Damit kompensiert die Verstärkungsplanung die nicht linearen Eigenschaften des pH und steigert die Wirksamkeit des Prozesses.
In der Praxis werden die gesamten Vorteile der Verstärkungsplanung nur selten realisiert. Diese Mechanismen leiden typischerweise an einer schlechten Ausgestaltung und Abstimmung. Auch das Personal der Anlage hat oft nicht die Kenntnis, Erfahrung oder Zeit, diese Mechanismen unter Ansprechen auf die sich ändernden Prozeßbedingungen neu abzustimmen. Im Ergebnis werden die Verbesserungen der Funktionsfähigkeit, die durch diese fortschrittliche Regeltechnik verfügbar ist, vermindert.
Ein intelligenter Verstärkungsplaner für die Verwendung in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 3 dargestellt, erhöht das Niveau der Prozeßwirksamkeit über dasjenige, welches man mit konventionellen Mechanismen realisiert, hinaus. Dieses System verwendet denselben Aufbau und die Gleichungen wie bei dem Standardverstärkungsplaner, der in Fig. 2 dargestellt ist. Zusätzlich erneuert der intelligente Verstärkungsplaner seine Verstärkungsplangleichung auf der Basis einer Messung der Wirksamkeit des Regelsystems oder der Prozeßbedingungen oder -zustände.
Die konventionellen Verstärkungspläne registrieren bzw. tabellieren eine einzelne Variable, nämlich den Index 46 im Vergleich zu einem zweckmäßigen Regelparameter oder -parametern, dem Ausgangswert oder der Regelwirkung 44. Wie oben erwähnt, sind Verstärkungspläne typischerweise stückweise lineare Funktionen oder einfache algebraische Ausdrücke. Der Ausgang bzw. Ausgangswert von dem Verstärkungsplaner paßt einen Regelparameter oder Parameter an. Während die Verstärkungsplanung üblicherweise die Regelverstärkung einstellt, ist die Planung anderer Parameter nicht ungewöhnlich und oft wünschenswert.
Der intelligente Verstärkungsplaner gemäß Fig. 3 verbessert die konventionelle Verstärkungsplanung durch Einbeziehen eines Selbstabgleichmerkmals, welches bei 52 dargestellt ist. Für dieses Selbstabgleichmerkmal 52 wird der feste Verstärkungsplan aus dem Verstärkungsplanalgorithmus in der Einheit 48 in einem Addierer 60 zu einer linearen Korrekturgleichung addiert, die in der Einheit 58 erzeugt wird. Der intelligente Verstärkungsplan trägt einer schlechten Ausgestaltung und Abstimmung des festen Verstärkungsplanes sowie Änderungen des Prozesses Rechnung. Fig. 6 ist eine Kurve, welche zeigt, wie ein konventioneller Verstärkungsplan (gestrichelte Linie) von einem intelligenten Verstärkungsplan (durchgezogene Linie) abweicht, sowie die Korrektur zwischen diesen (strichpunktierte Linie).
Die Verwendung der Korrekturgleichung, wie bei 58 in Fig. 3 dargestellt, unterscheidet die vorliegende intelligente Planung von der konventionellen Verstärkungsplanung. Diese Gleichung drückt den beobachteten Fehler bei dem festen Verstärkungsplan als Funktion der Indexvariablen aus. Zu Beginn hat die Korrekturgleichung eine Neigung und einen Nulldurchgang, was erzwingt, daß der intelligente Verstärkungsplan mit dem festen Verstärkungsplan zusammenfällt. Sobald von einem Abschätzer 50 Abschätzungen eines korrekten Wertes für den geplanten Parameter verfügbar werden, bringt der intelligente Verstärkungsplaner die Korrekturgleichung auf den aktuellen Stand, indem eine Differenz in einem Addierer 54 zwischen dem konventionellen Verstärkungsplan aus der Einheit 48 und dem abgeschätzten Verstärkungsplan aus dem Abschätzer 50 erhalten wird. Diese Differenz wird auf eine Regressionsfunktion in einer Einheit 56 angewendet, welche einen Teil der linearen Gleichung in der Einheit 58 erzeugt.
Es versteht sich, daß alle Funktionsblocks in dem Selbstabstimmungsmerkmal 52, ebenso wie die anderen Funktionsblocks, welche in den Fig. 1 und 3 dargestellt sind, einen modularen Aufbau haben und im Rahmen des NETWORK 90 Systems verwirklicht werden können.
Die Regressionsfunktion in der Einheit 56 wendet eine Regressionsanalysentechnik mit kleinsten Fehlerquadraten an, um die Korrekturgleichung aus Daten zu erzeugen, die sich auf den Fehler in dem festen Verstärkungsplan zu einem Indexwert beziehen, der direkt von dem Index 46 an die lineare Korrekturgleichung in der Einheit 58 gegeben bzw. zugeführt wird.
Der Unterschied zwischen dem Ausgangswert des festen Verstärkungsplans in der Einheit 48 und der Abschätzung des korrekten Parameters aus dem Wert des Abschätzers 50 bildet dann den Fehlerterm, der für die Regression in der Einheit 56 verwendet wird. Die durch die lineare Korrekturgleichung in der Einheit 58 erzeugten Daten werden, wie oben erwähnt, zu dem konventionellen Verstärkungsplan aus der Einheit 48 addiert.
Eine spezielle Speicherstruktur speichert die historischen Daten, die für die Regressionsanalyse erforderlich sind. Dieses Datenspeicherverfahren garantiert die universelle Anwendung der Korrekturgleichung. Es teilt den konkret ausgedrückten Bereich von Indexwerten in zehn Intervalle oder Speicherblöcke gleicher Länge auf. Jeder Speicherblock enthält einen Fehlerwert und seinen zugehörigen Indexwert. Anfänglich zeigt der Indexwert in jedem Speicherblock auf die Mitte des Blockes und der Fehlerwert enthält die Null bzw. ist Null. Eine Regression dieses Datensatzes erzeugt die anfängliche Korrekturgleichung in der Einheit 58. Änderungen in dem abgeschätzten Parametereingangswert von dem Abschätzer 50 veranlassen eine Aktualisierung (Update) der Korrektur. Für den Aktualisierungsvorgang ordnet der intelligente Verstärkungsplaner eine Speicherblocknummer dem korrekten Wert der Indexvariablen zu. Die laufenden (neuen) Werte für den Fehler und den Index ersetzen die in dem angezeigten Speicherblock vorhandenen Werte. Die Regression der in den zehn Blöcken enthaltenen Daten erzeugt eine neue Korrekturgleichung.
Eine Beschreibung, wie das NETWORK 90 System verwendet werden kann, um diese Speicherblöcke bereitzustellen, kann man finden in APPLICATION GUIDE AG-0000-91 1, mit dem Titel "BAILEY NETWORK 90 LINEAR REGRESSION OF SAMPLE DATA" (Lineare Regression von Prüfdaten mit dem Bailey NETWORK 90).
Um die Brauchbarkeit eines Systems (und Verfahrens) zu bestätigen, welche die vorliegende Erfindung verwirklichen, wurde ein Test unter Verwendung eines einfachen Prozesses durchgeführt, was schematisch in Fig. 7 veranschaulicht ist.
In diesem Prozeß nahm ein Satz von drei Heizern 90 kaltes Wasser über einen Einlaß 92 auf und führte erhitztes Wasser über eine Leitung 94 einem Mischtank 96 zu, dessen Inhalt durch einen Mischer 98 kontinuierlich gemischt wurde. Ein Ablauf 100 gab Wasser aus dem Mischtank 96 ab, um ein konstantes Wasserniveau in dem Tank aufrechtzuerhalten. Ein Teil des Wassers wurde über eine Rückkehrleitung 102 an einen Regler 104 zurückgeführt und kehrte dann über die Leitung 106 zu den Heizern 90 zurück. Ein Temperaturwandler 108 maß die Temperatur in der Rückführleitung 102 und stellte einen gemessenen Parameter bereit, der von dem Regler 104 benutzt werden sollte.
Entweder einer, zwei oder alle drei Heizer 90 wurden aktiviert, um das Wasser in der Leitung 94 zu erhitzen. Die Länge der Leitung 94 stellte eine ausreichende Totzeit für den Prozeß zwischen den Heizern 90 und dem Mischtank 96 bereit. Der Mischer 98 war vorgesehen, um das konstante Wasservolumen in dem Tank 96 zu mischen, um Fluktuationen der Auslaßwassertemperatur, wie sie durch den Temperatursensor 108 abgefühlt wurde, abzuschwächen.
Die Regelung der Temperatur des Mischgefäßes 96 war die primäre Aufgabe des Regelsystems. Das Regelsystem veränderte die den einzelnen Heizern 90 zugeführte Energie, um diese Temperatur zu regeln. Da die jeweils aktuelle Anzahl von Heizern, die zu irgendeinem Zeitpunkt in Betrieb waren, zwischen 1 und 3 geändert werden konnte, mußte sich die Verstärkung bzw. der Verstärkungsfaktor des Prozesses ebenfalls drastisch ändern. Ein Umschalten von einem auf zwei Heizer im Betrieb verdoppelt die dem Verfahren zugeführte Wärmemenge, jedenfalls unter Annahme eines konstanten Reglerausganges.
Die Prozeßbedingungen bzw. Zustände, die für den Test verwendet wurden, waren eine Wasserströmungsrate von 1,89 Litern (0,5 US Gallonen) pro Minute, ein Mischtankvolumen von 9,46 Litern (2,5 US Gallonen) und ein bis drei Heizern in Betrieb. Die Analyse der schrittweisen Reaktions- bzw. Ansprechpartner bei diesen Betriebsbedingungen zeigte ein dynamisches Verhalten einer zweiten Triebkraft für den Prozeß. Die Ansprechdaten beim schrittweisen Annähern aufgrund eines Modells erster Ordnung legten eine Zeitkonstante von fünf Minuten nahe und eine Verstärkung von 0,2 mal der Zahl der Heizer in Betrieb. Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen die Ergebnisse verschiedener Teile des Tests einschließlich eines Zelt gegen Temperaturdiagramms, wie es von dem Temperatursensor 108 erfaßt wurde. Jede Kurve zeigt auch den Punkt an, zu welchem einer, zwei und drei Heizer aktiviert wurden.
Alle Versuche begannen mit einem einzelnen Heizer in Betrieb und mit einem Temperatursollwert von 70º. Ein automatisches Testablaufprogramm erhöhte den Sollwert auf 80º und kehrte dann zu 70º zurück, um einen Zyklus zu vervollständigen. Dieses Programm hielt jeden Temperatursollwert für 15 Minuten und nahm einen zusätzlichen Heizer in Betrieb am Ende jeder Sollwertsequenz.
Es wird allgemein darauf hingewiesen, daß die Ergebnisse von diesen drei getrennten Tests die Flexibilität des Steuersystems mit Selbstabgleich zeigen.
Der sich selbst abgleichende Verstärker, der in Verbindung mit dem intelligenten Verstärkungsplanplaner verwendet wurde, die alle in dem Regler 104 in Fig. 7 aufgenommen waren, nahm ein Prozeßverhalten erster Ordnung an. Anfangswerte für diesen Regler waren eine Verstärkung von 0,5, eine Zeitkonstante von 5 Minuten und eine Totzeit von 2,5 Minuten. Eine Messung der Zahl der Heizer im Betrieb bildete den von dem intelligenten Verstärkungsplaner verwendeten Index.
Fig. 8 zeigt das Temperaturprofil (Kurvenlinie), das man während des intelligenten Verstärkungsplanens mit einem schlechten Anfangsverstärkungsplan erhielt. Es wurde Gebrauch gemacht von einem konstanten Verstärkungsplan mit:
0,25 + 0,00 · (Anzahl der Heizer in Betrieb).
Dieser konstante Verstärkungsplan zeigte die Fähigkeit des intelligenten Verstärkungsplaners, seine Planungsgleichung zu aktualisieren bzw. mit neuen Daten zu versehen. Fig. 11 zeigt einen Vergleich zwischen dem jeweiligen Prozeßverstärkungsprofil gegenüber dem anfänglichen festen Verstärkungsplan und dem intelligenten Verstärkungsplan.
Während sich aus dem anfänglichen Verstärkungsplan eine schlechte Regelung ergab, wurde die Wirksamkeit verbessert, sobald der intelligente Verstärkungsplaner die Prozeßmerkmale identifiziert bzw. erkannt hatte. Die Korrektur der Daten in nur fünf der insgesamt zehn Speicherblöcke während dieses Testes verhinderte ein weiteres Versehen des Verstärkungsplanes mit neuen Daten bzw. machte es überflüssig.
Fig. 9 zeigt das Temperaturprofil, das man während einer intelligenten Verstärkungsplanung mit einem guten anfänglichen Verstärkungsplan erhielt.
Der Verstärkungsplan war gegeben durch:
0,00 + 0,18 · (Anzahl der in Betrieb befindlichen Heizer).
Dies veranschaulicht die Art der Wirksamkeit bzw. Funktionsfähigkeit, die durch Anwendung der Verstärkungsplanung verfügbar ist. Nach einer ausreichenden Datensammlung erkannte bzw. identifizierte der intelligente Verstärkungsplaner einen Verstärkungsplan, der dem oben gegebenen nahe war, unabhängig von dem Startpunkt. Fig. 12 zeigt einen Vergleich zwischen dem aktuellen Verstärkungsprofil und dem anfänglichen und endgültigen Verstärkungsplan für diesen Test.
Fig. 10 gibt das Temperaturprofil wieder, welches man unter Verwendung einer sich selbst abgleichenden Steuerung ohne das Verstärkungsplanmerkmal erhielt. Für diese Serie von Tests sind die Vorteile der Verstärkungsplanung nicht eindeutig evident. Nichtsdestotrotz sind für Prozesse, die große Verstärkungsänderungen in kurzen Zeitabschnitten erfahren, die Vorteile beträchtlich. Dies liegt daran, daß die Fähigkeit des sich selbst abgleichenden Reglers, unmittelbar unter Ansprechen auf Prozeßänderungen eine Aktualisierung vorzunehmen.

Claims

1. Selbstabgleichsystem zum Steuern eines Prozesses (10), der zumindest einen gemessenen Parameter hat, wobei das System aufweist:

einen modularen Parameterabschätzer (12) für die Aufnahme des gemessenen Parameters und zum Berechnen eines abgeschätzten Parameters unter Verwendung eines Abschätzungsalgorithmus,

einen modularen PID-( Proportional/Integral/Differential)-Parameterwandler (14), der mit dem Abschätzer (12) verbunden ist, um einen PID-Algorithmus auf den abgeschätzten Parameter anzuwenden, um ein PID-Steuersignal zu erzeugen,

einen PID-Regler (18), der mit dem PID-Parameterwandler (14) verbunden ist, um den Prozeß (10) zu steuern,

einen modularen IMC-(Internen Modellregel-)Parameterwandler (20), der einen internen Modellalgorithmus enthält und mit dem Abschätzer (12) verbunden ist, um den internen Modellalgorithmus auf den abgeschätzten Parameter anzuwenden und um ein internes Modellsteuersignal zu erzeugen,

einen IMC-Regler (28; 42), um den Prozeß (10) zu steuern,

einen modularen, vom Anwender definierten Parameterkonverter (30), der mit dem Abschätzer (12) verbunden ist, um den abgeschätzten Parameter aufzunehmen und um ein vom Anwender definiertes Steuersignal zu erzeugen, und

einen anwenderdefinierten Regler (34), der mit dem modularen, vom Anwender definierten Parameterwandler (30) verbunden ist, um das durch den Anwender definierte Steuersignal aufzunehmen, um den Prozeß (10) zu steuern,

wobei das System gekennzeichnet ist durch eine Verstärkungsplaneinrichtung (24), die mit dem modularen IMC-Parameterwandler (20) verbunden ist, um einen Optimierungsindex und das interne Modellsteuersignal aufzunehmen, um ein verstärkungsgeplantes Steuersignal zu erzeugen für die Anwendung auf den (bzw. in dem) IMC Regler (28; 42), wobei die Verstärkungsplaneinrichtung (24) einen Scheduler (48) bzw. ein Steuerprogramm für eine konstante Verstärkung aufweist, um einen Planalgorithmus für konstante Verstärkung auf den Optimierungsindex (46) anzuwenden, um ein Plansignal für eine konstante Verstärkung zu erzeugen, einen Modellsignalabschätzer (50), um ein Modellsignal abzuschätzen, eine erste Summierungseinheit (54), um die Differenz zwischen dem Plansignal für konstante Verstärkung und dem abgeschätzten Modellsignal aufzunehmen, um ein Differenzsignal zu erzeugen, eine Regressionseinheit (56), die mit der ersten Summierungseinheit (54) verbunden ist, um eine Regressionsanalyse entsprechend einem Regressionsalgorithmus auf das Differenzsignal anzuwenden, eine Polynominalgleichungseinheit (58) aufweist, die mit der Regressionseinheit (56) verbunden ist, um ein Regressionssignal aus der Regressionseinheit aufzunehmen und es auf eine Polynominalgleichung anzuwenden, wobei der Optimierungsindex (46) mit der Polynominalgleichungseinheit (58) verbunden ist, um den Index (46) als einen Faktor der Polynominalgleichung einzuschließen bzw. aufzunehmen, sowie eine zweite Summierungseinheit (60), die mit dem Scheduler (48) bzw. Steuerprogramm für konstante Verstärkung und der Polynominalgleichungseinheit (58) verbunden ist, um deren Ausgangswerte zu addieren, um das planmäßig verstärkte Steuersignal für die Anwendung auf den IMC-Regler (42) zu erzeugen.

2. Verfahren zum Steuern eines Prozesses (10), der zumindest einen Parameter hat, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, daß der gemessene Parameter einer Parameterabschätzungsfunktion (12) ausgesetzt bzw. in diese eingesetzt wird, um einen abgeschätzten Parameter zu erzeugen, daß der abgeschätzte Parameter auf eine PID-Wandlung (14) angewendet wird, um ein PID-Steuersignal zum Steuern des Prozesses (10) zu erzeugen, daß der abgeschätzte Parameter auf eine interne Modellparameterwandlung (20) angewendet wird, welche ein Modell für den Prozeß (10) erstellt, und daß der abgeschätzte Parameter auf eine vom Verwender definierte Parameterwandlung (30) angewendet wird, um ein vom Verwender definiertes Steuersignal zum Steuern des Prozesses (10) zu erzeugen, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Anwenden eines Optimierungsindex, welcher eine charakteristische Eigenschaft des Prozesses (10) wiedergibt, auf einen Verstärkungsplanalgorithmus (48), um ein Plansignal für eine konstante Verstärkung zu bilden, Abschätzen (50) eines Modell- bzw. Optimierungssignals, Aufnehmen der Differenz (54) zwischen dem Plansignal für konstante Verstärkung und dem abgeschätzten Optimierungssignal, um ein Differenzsignal zu erzeugen, Anwenden (56) einer Regressionsanalyse entsprechend einem Regressionsalgorithmus auf das Differenzsignal, um ein Regressionssignal zu erzeugen, Anwenden bzw. Verwenden des Regressionssignals in einer Polynominalgleichung (58), wobei der Optimierungsindex (46) als ein Faktor in der Polynominalgleichung verwendet wird, um ein Korrektursignal zu erzeugen, und Addieren des Plansignals für konstante Verstärkung und des Korrektursignals, um ein kombiniertes Steuersignal zu erzeugen für die Steuerung des Prozesses (10).