DE4109386C2 - Procedure for parameterizing and commissioning a predictive controller - Google Patents
Procedure for parameterizing and commissioning a predictive controllerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Parametrierung und Inbetriebnahme eines prädiktiven Reglers für Ein- und Mehrgrößenregelstrecken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DD 2 99 833 A5, ältere Anmeldung).The invention relates to a method for parameterization and Commissioning a predictive controller for and multi-size controlled systems according to the preamble of claim 1 (DD 2 99 833 A5, older registration).
Prädiktive Regelungsverfahren sind in großer Zahl entwickelt worden (siehe z. B. die zusammenfassende Darstellung in Dittmar, R.: msr Berlin 33 (1990), 11, S. 490-496). Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß versucht wird, innerhalb eines gewissen Zeithorizontes den Sollwert zu erreichen. Dabei wird eine Vorausberechnung der Regelgröße über diesen Zeitraum durchgeführt, wobei die Kenntnis des dynamischen Modells Voraussetzung ist. Aus diesem Grunde ist der Einsatz prädiktiver Regler in der Praxis bisher nicht sehr verbreitet, da der Aufwand für die Erstellung eines dynamischen Modells oft hoch ist.Predictive control procedures are in large numbers have been developed (see e.g. the summary Representation in Dittmar, R .: msr Berlin 33 (1990), 11, pp. 490-496). All of these methods have in common that an attempt is made to within a certain time horizon to reach. This involves predicting the controlled variable carried out over this period, being aware of the dynamic model is a requirement. For this The reason is the use of predictive controllers in practice So far not very common, because the effort for the Creation of a dynamic model is often high.
Es wurde bereits ein prädiktives Regelungsverfahren vorgeschlagen (DD 2 99 833 A5), bei dem über die Zeitdauer t, die der Gültigkeit des Trends entspricht, eine modellfreie Trendberechnung der Regelgrößen erfolgt und die zur Annäherung an die Sollwerte in diesem Punkt nötige Regelgrößenkorrektur auf der Basis der Werte der Einheitssprungantwort der Regelgrößen bezüglich der Stellgrößen zum Zeitpunkt t über eine lineare Beziehung erfolgt, die entsprechenden Stellgrößenänderungen nachgeführten stationären Stellgrößenwerten addiert werden, die tatsächlichen Stellgrößenwerte diesen Summen nachgeführt und sie für eine Zeit, die klein gegen t ist, eingestellt werden, wobei zum Reglerstart die tatsächlichen und die stationären Stellgrößenwerte gleich den aktuellen Werten gesetzt wurden, und diese Rechnungen zyklisch auf einem üblichen Mikrorechner wiederholt werden.A predictive regulatory process has already been implemented proposed (DD 2 99 833 A5), in which over the period t that corresponds to the validity of the trend, one model-free trend calculation of the controlled variables takes place and the one necessary to approximate the setpoints on this point Control variable correction based on the values of the unit step response the controlled variables with regard to the manipulated variables at time t via a linear relationship takes place, the corresponding manipulated variable changes are tracked stationary manipulated variable values are added that actual manipulated variable values track these sums and set it for a time that is small versus t the actual and the stationary manipulated variable values equal to the current values were placed, and these calculations cyclically on one usual microcomputer be repeated.
Dieses Regelungsverfahren zeichnet sich außer in der Qualität der erreichbaren Ergebnisse insbesondere durch geringe Anforderungen an die Streckenkenntnis aus. Im Unterschied zu den anderen prädiktiven Reglern wird kein dynamisches Prozeßmodell im üblichen Sinn benötigt. Es muß lediglich das Anfangsverhalten, also eine Information über das erste Teilstück der Sprungantwortfunktion, bekannt sein. Umfangreiche Untersuchungen haben zudem ergeben, daß der Regler extrem robust gegenüber inkorrekter Streckenkenntnis ist, z. B. wenn Totzeiten nicht oder nur annähernd bekannt sind. Ein weiterer Vorzug des Reglers gegenüber anderen Verfahren ist, daß für seine Anwendung selbst bei Mehrgrößensystemen keine automatisierungstechnischen Spezialkenntnisse nötig sind. Sind die xi die aktuellen Regelgrößenwerte, ui die aktuellen Stellgrößenwerte sowie tri die durch Extrapolation über den Zeitraum berechneten erwarteten Regelgrößenänderungen (in die Extrapolation einbezogen sind gegebenenfalls die Auswirkungen innerhalb der Totzeit ausgeführten Stellgrößenänderungen), läßt sich das vorgeschlagene Regelungsverfahren zur Berechnung der neuen Stellgrößenwerte ui für die Zeitdauer Δt als Algorithmus in der FormIn addition to the quality of the results that can be achieved, this control procedure is characterized in particular by low requirements for route knowledge. In contrast to the other predictive controllers, no dynamic process model in the usual sense is required. Only the initial behavior, that is to say information about the first section of the step response function, must be known. Extensive studies have also shown that the controller is extremely robust against incorrect route knowledge, z. B. if dead times are not known or only approximately known. Another advantage of the controller compared to other methods is that no special knowledge of automation technology is required for its use, even with multi-size systems. If the x i are the current controlled variable values, u i the current manipulated variable values and tr i the expected controlled variable changes calculated by extrapolation over the period (the extrapolation may include the effects of the manipulated variable changes made within the dead time), the proposed control method can be used to calculate the new one Actuating variable values u i for the time period Δt as an algorithm in the form
schreiben, wobei beim Reglerstart i=ui gesetzt wird und die die Regelgrößenänderungen Δxi bei bleibenden Stellgrößenänderungen Δuj nach Ablauf der Zeit darstellen. xsi sind die zu erreichenden Sollwerte der Regelgrößen.write, where i = u i is set when the controller starts and which represent the controlled variable changes Δx i with permanent manipulated variable changes Δu j after the time has elapsed. xs i are the setpoints of the controlled variables to be achieved.
In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, daß in einigen Fällen die Inbetriebnahme des Reglers zu Problemen führen kann. Das betrifft die Wahl von drei Parametern, nämlich der Reglertaktzeit Δt, des Zeithorizontes und des Glättungsparameters α. Speziell bei Strecken mit Totzeit oder Allpaßverhalten kann es bei kleinen Reglertaktzeiten Δt zu Instabilitäten bzw. Schwingungsverhalten kommen. Auch die Festlegung des Zeithorizontes als "Geltungsdauer des Regelgrößentrends" erwies sich als nicht in allen Fällen befriedigend.In practice, however, it has been found that in in some cases the commissioning of the controller has problems can lead. This affects the choice of three parameters, namely the controller cycle time Δt, the time horizon and the smoothing parameter α. Especially on routes with dead time or all-pass behavior it can happen with small ones Controller cycle times Δt to instabilities or Vibration behavior come. Also the determination of the Time horizons as "period of validity of the standard size trend" was not satisfactory in all cases.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Nutzer eines Prädiktivreglers, der für seine Funktion kein vollständiges dynamisches Modell der zu regelnden Strecke benötigt, ein Verfahren an die Hand zu geben, das es ihm gestattet, ausschließlich mit Hilfe seiner allgemeinen Kenntnis der Regelstrecke (die die Modellierung der Regelstrecke nicht einschließt) den Regler korrekt zu parametrieren und in Betrieb zu nehmen. Auch soll eine nachträgliche drastische Änderung der Reglertaktzeit auch bei Allpaß- und Totzeitsystemen vom Regler selbständig ohne Verlust an Regelgüte akzeptiert werden.The object of the invention is the user of a predictive controller that does not work for its function complete dynamic model of the regulated Route needed to provide a procedure that allows him only with help his general knowledge of the controlled system (the does not include the modeling of the controlled system) to parameterize the controller correctly and in operation to take. Also a subsequent drastic Change the controller cycle time even with all-pass and Dead time systems from the controller independently without loss in terms of control quality are accepted.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst. This task is characterized by the characteristics solved in claim 1.
Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich folgende Vorteile:The following result from the prior art Advantages:
- - die Wahl des Zeithorizontes kann jetzt allein aus der Erfahrung des Nutzers heraus erfolgen, z. B. weiß das Personal, das für den Betrieb einer Destillationskolonne zuständig ist, ob es 40, 60 oder 200 min dauert, bis eine Sollwertänderung im wesentlichen abgeschlossen ist. Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung von sind nicht notwendig.- The choice of the time horizon can now be done alone the experience of the user, e.g. B. white the personnel responsible for operating a distillation column is responsible whether it is 40, 60 or 200 min takes until a setpoint change essentially is completed. Experimental studies on Determination of are not necessary.
- - die Reglertaktzeit Δt ist meist eine frei zu wählende Größe. Gibt es dafür jedoch Restriktionen, z. B. durch Einbindung des Reglers in einen festen Zeittakt, kann entsprechend diesem Δt gemäß obiger Vorschrift nicht mit α=0,9, sondern einem entsprechend umgerechneten α begonnen werden.- The controller cycle time Δt is usually a freely selectable one Size. However, there are restrictions, e.g. B. by integrating the controller into a fixed cycle, can according to this Δt according to the above regulation not with α = 0.9, but corresponding to one converted α can be started.
- - für die Wahl des Glättungsparameters α gibt es eine feste Vorschrift, meist ist α überhaupt nicht zu ändern, oft reicht eine zusätzliche Verstellung.- There is one for the selection of the smoothing parameter α fixed regulation, usually α cannot be changed at all, an additional adjustment is often sufficient.
Der prädiktive Regler, erfindungsgemäß parametriert und in Betrieb genommen, zeichnet sich auch dadurch aus, daß extrem wenig Informationen über das zu regelnde Objekt durch aktive Experimente beschafft werden müssen: für eine Eingrößenregelung nur die Größe a (ev. noch eine Totzeit), für eine Zweigrößenregelung die vier Größen a₁₁ . . . a₂₂ (ev. noch die zugehörigen Totzeiten). Das ist sehr viel weniger an Informationen, als andere Regler zur Auslegung benötigen. Insbesondere benötigen andere prädiktive Regler ein vollständiges dynamisches Modell der Strecke.The predictive controller, parameterized according to the invention and put into operation is also characterized in that extremely little information about the object to be controlled must be obtained through active experiments: for a one-size rule only size a (possibly another Dead time), for a two-size control the four sizes a₁₁. . . a₂₂ (possibly still the associated dead times). This is a lot less information than others Need regulators for the design. In particular need other predictive controls a full dynamic Model of the route.
1. Die Parametrierung und Inbetriebnahme des Prädiktivreglers wird zuerst am Beispiel einer Eingrößenregelung demonstriert. Als Strecke wird ein Modell einer Strecke dritter Ordnung mit Totzeit ausgewählt, deren Übertragungsfunktion die Form hat:1. The parameterization and commissioning of the predictive controller is first using the example of a one-size control demonstrated. As a route, a model becomes a Third order route with dead time selected, whose Transfer function has the form:
Als Zeithorizont wird =15 verwendet, was in diesem Fall kein experimenteller Wert ist, sondern der aus Literaturangaben folgenden Erwartung entspricht, daß eine Sollwertänderung nach 45 Zeitschritten abgeschlossen sein kann. Für die Reglertaktzeit folgt sofort Δt=1,5. Die eigentliche Streckenkenntnis fällt bei einer bleibenden Stellgrößenänderung um eine Einheit nach Ablauf der Zeit =15 an: Die Regelgröße hat sich um a=0,34 geändert, die Totzeit wird zu tz=4 bestimmt.The time horizon used is = 15, what is in this If it is not an experimental value, but rather that References correspond to the following expectation that a setpoint change completed after 45 time steps can be. For the controller cycle time follows immediately Δt = 1.5. The actual route knowledge falls by one if there is a permanent change in the manipulated variable Unit after time = 15 on: the controlled variable has changed by a = 0.34, the dead time becomes determined at tz = 4.
Damit kann der Regler in Betrieb genommen werden. Mit einem Glättungsfaktor von α=0,9 ergibt sich für eine Sollwertänderung Fig. 1. Im unteren Teil der Figuren ist jeweils die Stellgröße dargestellt (Abszisse ist die Zeitachse, deren Maximalwert rechts angegeben ist). Die Sollwerte der Regelgrößen liegen auf der Abszisse, an der Ordinate ist eine Kurzbezeichnung der Regelgrößen nebst Linientyp und Regelgrößenbereich angebracht.The controller can now be put into operation. With a smoothing factor of α = 0.9, the result for a setpoint change is shown in FIG. 1. The manipulated variable is shown in the lower part of the figures (abscissa is the time axis, the maximum value of which is indicated on the right). The setpoints of the controlled variables are on the abscissa, on the ordinate there is a short description of the controlled variables along with the line type and the controlled variable range.
Deutlich ist eine dem generellen Regelgrößenverlauf aufgeprägte Schwingung zu erkennen. Erfindungsgemäß wird deshalb α vergrößert, wonach sich der befriedigende Verlauf der Fig. 2 ergibt. A vibration impressed on the general controlled variable curve can be clearly seen. According to the invention, α is therefore increased, which results in the satisfactory course of FIG. 2.
Der Regler ist damit parametriert und in Betrieb genommen. Will man, was meist sinnvoll ist, mit wesentlich kleinerer Taktzeit, z. B. mit Δt=0,1, arbeiten, ergibt sich für die bisher behandelte Sollwertänderung die Fig. 3.The controller is now parameterized and put into operation. Do you want what is usually useful with a much shorter cycle time, z. B. with Δt = 0.1, results in FIG. 3 for the previously discussed change in setpoint.
2. Die Parametrierung und Inbetriebnahme für eine typische Mehrgrößenregelung wird am Modell einer Destillationskolonne gezeigt. Es handelt sich um das Modell nach WOOD-BERRY (siehe z. B. Jerome, N. F. Ray, W. H.: High-Performance Multivariable Control Strategies for Systems Having Time Delays, AIChE Journal, 1986, Vol. 32, No. 6, S. 914ff; dort findet man auch Vergleiche verschiedener Regelungsverfahren), das die Abhängigkeit der Kopf- und Sumpfkonzentration von Heizung und Rücklauf als lineares Modell beschreibt. Die Übertragungsfunktionen haben die Gestalt:2. The parameterization and commissioning for a typical Multi-size control is based on the model of a distillation column shown. It's about that WOOD-BERRY model (see e.g. Jerome, N.F. Ray, W. H .: High-Performance Multivariable Control Strategies for Systems Having Time Delays, AIChE Journal, 1986, Vol. 32, No. 6, p. 914ff; there are also comparisons different regulatory procedures) that dependence the top and bottom concentration of heating and describes the return as a linear model. The transfer functions have the form:
Optimistisch wird zu t=8 min geschätzt, was bedeutet, daß eine Sollwertänderung nach ca. 24 min abgeschlossen sein sollte. Damit gilt Δt=0,8 min. Die Streckenkenntnis ergibt sich daraus, daß bei einer bleibenden Heizungsänderung um eine Einheit die Kopf- bzw. Sumpfkonzentration sich nach 10 min um 5,4% bzw. 1,7% bei Totzeiten von 1 bzw. 3 min ändern. Für eine entsprechende Rücklaufänderung ergeben sich -5,5%, -7,6% sowie jeweils 3 min. Um eine signifikante Regelgrößenänderung bei der großen Totzeit von 7 min zu erhalten, wurde statt des Zeitraums von 8 min ein solcher von 10 min genutzt. Mit α=0,9 wird der Regler in Betrieb genommen. Für eine Sollwertänderung der Kopfkonzentration von 96,25% auf 97% ergibt sich Fig. 4.It is estimated optimistically at t = 8 min, which means that a setpoint change should be completed after approx. 24 min. This means that Δt = 0.8 min. The knowledge of the route results from the fact that if the heating is changed by one unit, the top or bottom concentration changes by 5.4% or 1.7% after 10 minutes with dead times of 1 or 3 minutes. For a corresponding change in the return, there are -5.5%, -7.6% and 3 minutes each. In order to obtain a significant change in the controlled variable at the large dead time of 7 min, a 10 min period was used instead of the 8 min period. The controller is started up with α = 0.9. For a setpoint change the head concentration of 96.25% to 97% to Fig. 4 results.
Offensichtlich ist der Glättungsfaktor α sofort richtig getroffen worden. Die Reglerparametrierung und Inbetriebnahme ist damit erledigt. Jetzt könnte die Reglertaktzeit verringert werden, außerdem kann die Regelung durch Verkleinerung von noch etwas schneller gemacht werden. Letzteres empfiehlt sich natürlich nur, wenn sich die Strecke in ihren Eigenschaften nicht extrem ändern kann.Obviously the smoothing factor α is instant been hit correctly. The controller parameterization and commissioning is now done. Now could the controller cycle time can also be reduced the regulation by downsizing something else be made faster. The latter is recommended of course, only if the route in its properties can't change extremely.
Es soll noch gezeigt werden, wie bei einer Mehrgrößenregelung ein zu kleiner α-Wert wirkt. Fig. 5 zeigt die gleiche Aufgabe wie in Fig. 4, allerdings ist α zu klein, nämlich zu α=0,5 gewählt.It should also be shown how a too small α value works in a multivariable control. FIG. 5 shows the same task as in FIG. 4, but α is too small, namely chosen to be α = 0.5.
Claims (1)
- - für den Zeithorizont des prädiktiven Reglers ein Drittel der Zeit angesetzt wird, die die zu regelnde Strecke braucht, um geregelt im wesentlichen eine Sollwertänderung abgeschlossen zu haben,
- - für die Reglertaktzeit bei stabilen Strecken = /10, bei instabilen Strecken ein so kleiner Wert genutzt wird, daß ein glatter Verlauf der Stellgrößen erreicht wird,
- - der Regler mit diesen Daten sowie einem Glättungsfaktor von =0,9 in Betrieb genommen und bei einem dann durch hochfrequente Schwingungen überlagerten Regelgrößenverlauf den Glättungsfaktor vergrößert, bis keine auffälligen überlagerten Schwingungen mehr auftreten und
- - der Regler dann bei beliebigen Reglertaktzeiten Δt mit einem Glättungsfaktor betrieben wird.
- - For the time horizon of the predictive controller, a third of the time that the route to be controlled takes to essentially have completed a setpoint change in a controlled manner is set,
- - For the controller cycle time with stable sections = / 10, with unstable sections a value so small that a smooth course of the manipulated variables is achieved,
- - The controller with this data and a smoothing factor of = 0.9 is put into operation and the smoothing factor is increased in the case of a control variable curve that is then superimposed by high-frequency vibrations until no more conspicuous superimposed vibrations occur and
- - The controller then with any smoothing factor Δt with a smoothing factor is operated.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19914109386 DE4109386C2 (en) | 1991-03-22 | 1991-03-22 | Procedure for parameterizing and commissioning a predictive controller |
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| DE19914109386 DE4109386C2 (en) | 1991-03-22 | 1991-03-22 | Procedure for parameterizing and commissioning a predictive controller |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4109386A1 DE4109386A1 (en) | 1992-09-24 |
| DE4109386C2 true DE4109386C2 (en) | 1994-05-05 |
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|---|---|
| DE (1) | DE4109386C2 (en) |
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| DE19525066A1 (en) * | 1995-07-10 | 1997-01-16 | Buna Sow Leuna Olefinverb Gmbh | Setting parameters and initial conditions for predictive controller - using parameters of regulator automatically obtained from simplified linear model |
| DE19931793A1 (en) * | 1999-07-08 | 2001-01-18 | Klaus Damert | Predicate regulation for system, trend calculation by linear or quadratic extrapolation of past control value runs |
| DE19952666A1 (en) * | 1999-11-02 | 2001-05-03 | Buna Sow Leuna Olefinverb Gmbh | Method for prediction control of multivariable systems uses process system knowledge for changing variation through prediction between expected and desired courses in each single stage. |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE3418501A1 (en) * | 1983-06-03 | 1984-12-06 | Aachener Forschungsgesellschaft Regelungstechnik, 5100 Aachen | Device for the predictive time-discrete on-off regulation of continuous-time processes with actuating elements which act in a binary manner |
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1991
- 1991-03-22 DE DE19914109386 patent/DE4109386C2/en not_active Expired - Fee Related
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| DE4109386A1 (en) | 1992-09-24 |
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