DE60016459T2 - Verfahren und vorrichtung zur begrenzung des integralanteils in pid reglern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur begrenzung des integralanteils in pid reglern Download PDF

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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf Prozesssteuerungssysteme und spezifischer auf ein Prozesssteuerungssystem, das Proportional-Integral-Differenzial-Regler („PID"-Regler) enthält, ausgerichtet.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Viele Prozessanlagen (beispielsweise eine Produktionsanlage, eine Mineral- oder Rohölraffinerie usw.) werden mittels Systemen mit verteilter Steuerung verwaltet.
  • Typische aktuelle Steuerungssysteme enthalten zahlreiche Module, die auf die Überwachung und/oder Steuerung verschiedener Prozesse der Anlage zugeschnitten sind.
  • Herkömmliche Mittel verknüpfen diese Module miteinander, um die Verteilungseigenschaft des Steuerungssystems zu ergeben. Dadurch wird eine erhöhte Leistung und die Fähigkeit zum Ausbauen oder Verkleinern des Steuerungssystems zur Anpassung an sich ändernde Anforderungen von der Anlage ermöglicht.
  • Gewerbliche Steuerungssysteme setzen oftmals Rückführregler zum Steuern des Betriebs einer oder mehrerer Bedieneinheiten des Systems, wie beispielsweise einem Heizaggregat, einer Pumpe, einem Motor, einem Ventil oder einem ähnlichen Ausrüstungsgegenstand, ein. Bei einem Rückführregler wird ein Befehl an den Rückführregler gesendet, der einen erwünschten Wert bzw. Sollwert („SW") für eine Prozessvariable (beispielsweise einen erwünschten Druck, eine erwünschte Temperatur, eine erwünschte Durchflussmenge) darstellt. Es wird außerdem ein Rückführsignal an den Rückführregler gesendet, das den tatsächlichen Wert der Prozessvariable („PV") (beispielsweise den tatsächlichen Druck, die tatsächliche Temperatur, die tatsächliche Durchflussmenge) anzeigt. Unter Anwendung des Befehls des Sollwerts („SW") und des Rückführsignals, das den tatsächlichen Wert der Prozessvariable anzeigt, wird ein Fehlersignal berechnet.
  • Aus dem Fehlersignal berechnet der Rückführregler einen Änderungsbefehl zum Ändern der aktuellen Einstellung der Betriebseinheit. Wenn es sich bei der Betriebseinheit beispielsweise um einen Motor handelt, würde der Änderungsbefehl die Änderung (entweder Erhöhen oder Reduzieren) der Geschwindigkeit des Motors verursachen, um zu bewirken, dass der tatsächliche Wert der Prozessvariablen näher an den erwünschten Sollwert für die Prozessvariable herankommt.
  • Bei einem einfachen Rückführregler ist der Änderungsbefehl proportional zum Fehlersignal. Bei komplexeren Rückführreglern kann es sich bei dem Änderungsbefehl um eine komplexere Funktion des Fehlersignals handeln. Die Beziehung zwischen dem Fehlersignal und dem Änderungsbefehl wirkt sich erheblich auf die Eigenschaften des Steuerungssystems aus. Diese Eigenschaften beinhalten (a) die „Ansprechzeit" des Systems (d. h. wie schnell die Betriebseinheit auf den neuen Änderungsbefehl reagiert); (b) die „Überreichweite" des Systems (d. h. wie weit die Betriebseinheit ihre neue Einstellung anfänglich überschreitet); und (c) das Dämpfungsverhältnis des Systems (d. h. wie lange die Ausgabewerte der Betriebseinheit oszillieren, bevor sie sich letztendlich auf der neuen Einstellung stabilisieren).
  • Gewerbliche Steuerungssysteme setzen oftmals eine als Proportional-Integral-Differenzial-Regler („PID"-Regler) bekannte Rückführreglerart ein. PID-Regler können eine Vielfalt funktioneller Beziehungen zwischen einem Fehlersignal und einem Änderungsbefehlsignal in einem Rückführsteuerungssystem berechnen.
  • Ein PID-Regler kann zum Berechnen einer funktionellen Beziehung zwischen einem Fehlersignal und einem Änderungsbefehlsignal verwendet werden, wodurch die Zeit reduziert wird, die das Steuerungssystem braucht, um nach einem Änderungsbefehlsignal einen stabilen Zustand zu erlangen. PID-Regler können in drei Modi arbeiten.
  • Bei den Modi handelt es sich um den Proportionalmodus, den Integralmodus und den Differenzialmodus. PID-Regler erzeugen eine Proportional-Integral-Differenzial-Funktion, bei der es sich um die Summe aus (a) dem Fehlersignal multipliziert mit einem Proportionalverstärkungsfaktor („P-Verstärkungsfaktor") und (b) dem Integral des Fehlersignals multipliziert mit einem Integralverstärkungsfaktor („I-Verstärkungsfaktor") und (c) dem Differenzialquotient des Fehlersignals multipliziert mit einem differenzialen Verstärkungsfaktor („D-Verstärkungsfaktor") handelt. Es muss eine geeignete Auswahl der drei Verstärkungsfaktoren („P", „I" und „D") vorgenommen werden, um eine Übertragungsfunktion zu berechnen, die in einer erwünschten Systemreaktion resultiert. Das Auswählen der drei Verstärkungsfaktoren wird manchmal als „Abstimmen" des PID-Reglers bezeichnet.
  • Bei einem PID-Regler wird der Integralmodus fortgesetzt, um den Fehler zu integrieren, solange der Fehler nicht Null ist. Dies kann bewirken, dass die Ausgabe des PID-Reglers weit über die akzeptablen Ausgabegrenzwerte des PID-Reglers ansteigt. Wenn dies geschieht, wird vom PID-Regler gesagt, dass er „aufgewickelt" ist oder sich in einem „aufgewickelten" Zustand befindet.
  • Ein „aufgewickelter" PID-Regler kann den Wert der Prozessvariable nicht mehr beeinflussen, da sich die Ausgabe des PID-Reglers außerhalb des Betriebsbereichs der Betriebseinheit befindet. Ein Ventil kann beispielsweise voll geöffnet sein, der „aufgewickelte" PID-Regler verlangt jedoch, dass das Ventil zu fünfhundert Prozent (500 %) geöffnet ist. Als zusätzliches Beispiel kann ein Motor bei seiner Maximalgeschwindigkeit von fünfhundert Umdrehungen pro Minute (500 U/min) arbeiten, der „aufgewickelte" PID-Regler verlangt jedoch, dass der Motor bei dreitausend Umdrehungen pro Minute (3000 U/min) läuft.
  • Wenn sich der Wert des Fehlers ändert, muss der PID-Regler sich „abwickeln" (d. h. Aufhören, ein überhöhtes Ausgangssignal zu verursachen), bevor die Ausgabe des PID-Reglers in den korrekten Betriebsbereich zurückkehrt. Der Vorgang des „Abwickelns" kann in „Überreichweiten" des Werts der Prozessvariable oder in erheblichen Oszillationen des Werts der Prozessvariable resultieren.
  • Zur Verhinderung, dass ein PID-Prozessor in den „aufgewickelten" Zustand eintritt, ist es möglich, den Beitrag des Integralwerts zu begrenzen, wenn bestimmt wird, dass der Beitrag des Integralwerts verursachen würde, dass das Ausgangssignal in die Richtung erhöht wird, die eine Verletzung der Ausgabegrenzwerte verursachen wird. Das Implementieren von Integralwertgrenzwerten in einem PID-Regler ist relativ einfach, da der obere und der untere Ausgabegrenzwert bekannt sind, und der PID-Regler kann bestimmen, ob die Summe des Beitrags des Proportionalwerts (der „P-Beitrag") und des Beitrags des differenzialen Werts (der „D-Beitrag") die Ausgabegrenzwerte verletzt. Wenn die Summe des P-Beitrags und des D-Beitrags die Ausgabegrenzwerte nicht verletzt, kann ein Teil des Beitrags des Integralwerts (oder der gesamte Beitrag des Integralwerts) (der „I-Beitrag") in das Ausgangssignal bis zum Pegel des Ausgabegrenzwerts einbezogen werden. Wie nun erläutert wird, reicht dieses Verfahren in Fällen, die zwei gekoppelte PID-Regler einschließen, nicht aus.
  • Zwei PID-Regler können zum Betrieb in einer Kaskadenstruktur gekoppelt werden. In einer derartigen Anordnung sendet der primäre PID-Regler ein Ausgangssignal an einen Eingang des sekundären PID-Reglers. Der primäre PID-Regler empfängt außerdem ein Rückführsignal von dem sekundären PID-Regler. Der primäre PID-Regler führt eine PID-Berechnung durch, um das Ausgangssignal zu bestimmen, das er an den sekundären PID-Regler übermittelt. Der sekundäre PID-Regler kann bestimmen, dass das Ausgangssignal des primären PID-Reglers einen Ausgabegrenzwert für Ausgangssignale, die der sekundäre PID-Regler übermitteln wird, überschritten hat.
  • Das oben beschriebene Verfahren des Begrenzens des Beitrags des Integralwerts im Fall eines einzigen PID-Reglers reicht im Fall von zwei gekoppelten PID-Reglern nicht aus, da (1) die Ausgabegrenzwerte im sekundären PID-Regler dem primären PID-Regler nicht zur Verfügung stehen und (2) der sekundäre PID-Regler zwei verschiedene Arten von Ausgabegrenzwerten aufweisen kann. Genau gesagt kann der sekundäre PID-Regler entweder Sollwertgrenzwerte oder Ausgabegrenzwerte (oder beide Grenzwertarten) aufweisen. Es ist möglich, Sollwertgrenzwerte vom sekundären PID-Regler als konstante Werte zum primären PID-Regler zu übermitteln. Es ist jedoch nicht möglich, die Ausgabegrenzwerte des sekundären PID-Reglers als konstante Werte zu übermitteln. Im Allgemeinen kann der PID-Berechnungsalgorithmus des primären PID-Reglers, wenn Integralwertberechnungen beteiligt sind, die Ausgabegrenzwerte des sekundären PID-Reglers nicht ohne komplette Kenntnis der Vorgeschichte der Eingabewerte bestimmen.
  • Ein Verfahren des Stands der Technik begrenzt den Beitrag des Integralwerts in einem primären PID-Regler (der an einen sekundären PID-Regler gekoppelt ist), indem es den Beitrag des Integralwerts als Reaktion auf vom sekundären PID-Regler mittels Grenzwertflags empfangenen Daten einbezieht oder ausschließt, siehe beispielsweise die europäische Patentanmeldung 0 406 836. Dieses Verfahren des Stands der Technik bewirkt, dass der sekundäre PID-Regler ein Integral-Hoher-Grenz wert-Flag setzt, wenn der sekundäre PID-Regler bestimmt hat, dass sein oberer Ausgabegrenzwert überschritten wurde. Der sekundäre PID-Regler sendet dann dem primären PID-Regler auf einer Rückführsignalleitung Daten, die angeben, dass das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag gesetzt wurde. Der sekundäre PID-Regler wird das Signal nicht bei dem Pegel, den er vom primären PID-Regler empfangen hat, übermitteln. Stattdessen übermittelt der sekundäre PID-Regler sein Ausgangssignal bei seinem normalen hohen Ausgabegrenzwert.
  • Der primäre PID-Regler kann bestimmen, dass das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag vom sekundären PID-Regler gesetzt wurde. Da das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag gesetzt wurde, wird der primäre PID-Regler den Beitrag des Integralwerts nicht in die nächste PID-Berechnung einbeziehen. Dies kann durch Subtrahierung oder Multiplizierung des Integralwerts mit einem Skalenfaktor von Null („0") vorgenommen werden.
  • Somit wird es sich bei der nächsten PID-Berechnung um eine ohne jeglichen Beitrag des Integralwerts handeln.
  • Das durch diese PID-Berechnung erzeugte Signal befindet sich für gewöhnlich im Ausgabebereich, der für den sekundären PID-Regler akzeptabel ist. Der sekundäre PID-Regler übermittelt dann dieses Ausgangssignal.
  • Da dieses aktuellste Signal den Ausgabegrenzwert des sekundären PID-Reglers nicht überschreitet, kann der sekundäre PID-Regler das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag auf Null zurücksetzen. Der sekundäre PID-Regler sendet dann auf einer Rückführsignalleitung Daten an den primären PID-Regler, die angeben, dass das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag auf Null zurückgesetzt wurde. Da das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag auf Null zurückgesetzt wurde, wird der primäre PID-Regler den Beitrag des Integralwerts in die nächste PID-Berechnung einbeziehen. Dies resultiert für gewöhnlich darin, dass die nächste PID-Berechnung bewirkt, dass das nächste Ausgangssignal noch einmal den oberen Ausgabegrenzwert der Ausgabe des sekundären PID-Reglers überschreitet.
  • Die oben beschriebenen Schritte werden in einem Zyklus wiederholt, bis die PID-Berechnungen des primären PID-Reglers ein Signal erzeugen, dass in die akzeptablen Ausgangssignalgrenzwerte des sekundären PID-Reglers fällt.
  • Dabei handelt es sich um eine unerwünschte Funktion, da sie eine Systemreaktion bewirken kann, die zwischen Niveaus, die zu hoch sind, und Niveaus, die zu niedrig sind, hin- und herschwankt. Dies kann beispielsweise bewirken, dass eine Betriebseinheit wie ein Ventil sich wiederholt sehr schnell öffnet und schließt. Es könnte außerdem bewirken, dass sich eine Betriebseinheit wie ein Motor wiederholt sehr schnell ausschaltet und einschaltet. Die durch dieses Verfahren des Begrenzens des Beitrags des Integralwerts verursachten ungleichmäßigen Ausgangssignale bewirken eine Beeinträchtigung der Leistung des Steuerungssystems.
  • Daher besteht ein Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags des Integralwerts in einer PID-Berechnung in PID-Reglern, die in einer Kaskadenkonfiguration gekoppelt sind.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags des Integralwerts zu einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundärer PID-Regler gekoppelt ist, bereitzustellen, um die bei Anwendung von Verfahren des Stands der Technik erzeugten unerwünschten ungleichmäßigen Ausgangssignale zu vermeiden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung macht es möglich, unnötige Abnutzung auf den Betriebseinheiten, die andernfalls auf ungleichmäßige Ausgangssignale antworten müssten, zu vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung setzt (1) einen vorherigen Wert eines Ausgangssignals des primären PID-Reglers oder (2) ein Rückführsignal von dem sekundären PID-Regler ein, um zu bestimmen, ob der Beitrag des Integralwerts in der nächsten PID-Berechnung zu begrenzen ist.
  • Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können in einer beliebigen Art von Prozesssteuerungssystemen verwendet werden, die einen primären PID-Regler zum Steuern einer ersten Prozessvariablen, der an einen sekundären Regler (bei dem es sich um einen PID-Regler handeln kann oder nicht) zum Steuern einer zweiten Prozessvariablen gekoppelt ist, umfasst. In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der sekundäre Regler ein PID-Regler. Bei dem sekundären Regler kann es sich jedoch um eine analoge Ausgabeeinheit oder eine beliebige Reglerart handeln, die Sollwertgrenzwerte oder Ausgabegrenzwerte (oder beides) aufweist und wie ein PID-Regler Grenzwertflags setzen und Rückführsignale senden kann. In der folgenden Beschreibung wird der sekundäre Regler als ein sekundärer PID-Regler bezeichnet. Es ist jedoch dabei zu berücksichtigen, dass es sich bei dem sekundären Regler auch um einen Nicht-PID-Regler handeln kann.
  • Wenn ein primärer PID-Regler in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler gekoppelt ist, sendet der primäre PID-Regler ein Ausgangssignal an den sekundären PID-Regler und der sekundäre PID-Regler sendet ein Rückführsignal an den primären PID-Regler. Der sekundäre PID-Regler kann bestimmen, dass das Ausgangssignal des primären PID-Reglers einen Sollwertsignal-Grenzwert überschritten hat. Bei dem Sollwertsignal-Grenzwert kann es sich um einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert oder einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert handeln. Es ist auch möglich, dass der sekundäre PID-Regler gleichzeitig sowohl einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert als auch einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert verwenden wird.
  • Der primäre PID-Regler führt eine PID-Berechnung durch, um das Ausgangssignal zu bestimmen, dass der primäre PID-Regler an den sekundären PID-Regler sendet. Bei der PID-Berechnung handelt es sich um die Summe eines Proportionalanteils und eines Integralanteils und eines differenzialen Anteils.
  • Wenn der sekundäre PID-Regler bestimmt, dass ein vorheriges Ausgangssignal des primären PID-Reglers einen Sollwertsignal-Grenzwert überschritten hat, wird es notwendig, dass der primäre PID-Regler Anpassungen am nächsten Ausgangssignal, dass der primäre PID-Regler an den sekundären PID-Regler sendet, vornimmt. Dies erfordert, dass der primäre PID-Regler Anpassungen an der nächsten PID-Berechnung vornimmt. Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags des Integralanteils zu einer derartigen PID-Berechnung bereit.
  • Die vorliegende Erfindung begrenzt den Beitrag des Integralanteils in einer PID-Berechnung durch Multiplizieren des Integralanteils mit Null als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe eines Proportionalanteils und eines differenzialen Anteils der PID-Berechnung einen vorherigen Wert eines Ausgangssignals des PID-Reglers überschreitet. In Äquivalenz zum Multiplizieren des Integralanteils mit Null kann der gesamte Integralanteil einfach von der PID-Berechnung ausgeschlossen werden.
  • Die vorliegende Erfindung begrenzt außerdem den Beitrag des Integralanteils in einer PID-Berechnung durch Multiplizieren des Integralanteils mit einem Skalenfaktor, bei dem es sich nicht um Null handelt und der einen Wert zwischen Null und Eins aufweist, als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung andernfalls verursachen würde, dass der aktuelle Wert des Ausgangssignals des PID-Reglers den vorherigen Wert des Ausgangssignals des PID-Reglers überschreitet. In Äquivalenz zum Multiplizieren des Integralanteils mit einem Skalenfaktor, bei dem es sich nicht um Null handelt, kann der Teil des Integralanteils, der den Mehrwert des Ausgangssignals beiträgt, einfach von der PID-Berechnung ausgeschlossen werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen oberen Ausgangssignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen unteren Ausgangssignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das sowohl einen oberen Ausgangssignal-Grenzwert als auch einen unteren Ausgangssignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das sowohl einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert als auch einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Vermeiden unerwünschter ungleichmäßiger Ausgangssignale, die in PID-Reglern des Stands der Technik vorliegen, bereitzustellen.
  • Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das sowohl Ausgangssignal-Grenzwerte als auch Sollwertsignal-Grenzwerte aufweist, bereitzustellen.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren zum Vermeiden unnötiger Abnutzung in Betriebseinheiten, die auf die ungleichmäßigen Ausgangssignale, die in PID-Reglern des Stands der Technik vorliegen, bereitzustellen.
  • Die obigen zugrunde liegenden Probleme werden gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 gelöst.
  • Das Zuvorgesagte hat die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung eher allgemein umrissen, so dass Fachmänner die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung besser verstehen können. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden, werden hierin im Folgenden beschrieben. Fachmänner sollten erkennen, dass sie das Konzept und die offenbarte spezifische Ausführungsform problemlos als Grundlage beim Modifizieren oder Entwerfen anderer Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke der vorliegenden Erfindung verwenden können. Fachmänner sollten sich auch dessen bewusst sein, dass derartige gleichwertige Konstruktionen nicht den Sinn und Schutzumfang der Erfindung in dessen weitester Form verlassen.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zwecks eines kompletteren Verständnisses der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen Bezug genommen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden, in denen gleiche Ziffern gleiche Gegenstände bezeichnen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer Prozessanlage, in der ein Steuerungssystem gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
  • 2 ein generisches Steuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen, die Proportional-Integral-Differenzial-Regler („PID"-Regler) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen, verwendet;
  • 3 ein Blockschaltbild einer PID-Reglerart, das die Verbindungsleitung eines Sollwertbegrenzers, einer PID-Berechnungsalgorithmuseinheit und eines Ausgabebegrenzers zeigt;
  • 4 ein spezifisches Steuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen, die PID-Regler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen, verwendet;
  • 5 ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, der einen hohen Sollwertgrenzwert aufweist, gekoppelt ist, darstellt;
  • 6 ein Ablaufdiagramm, das eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, der einen niedrigen Sollwertgrenzwert aufweist, gekoppelt ist, darstellt;
  • 7 ein Ablaufdiagramm, das einen ersten Teil einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, der sowohl Sollwertgrenzwerte als auch Ausgabegrenzwerte aufweisen kann und in dem es sich bei einem Grenzwert entweder um einen hohen Grenzwert oder einen niedrigen Grenzwert handeln kann oder in dem gleichzeitig sowohl ein hoher als auch ein niedriger Grenzwert angewendet werden, gekoppelt ist, darstellt; und
  • 8 ein Ablaufdiagramm, das einen zweiten Teil einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, der sowohl Sollwertgrenzwerte als auch Ausgabegrenzwerte aufweisen kann und in dem es sich bei einem Grenzwert entweder um einen hohen Grenzwert oder einen niedrigen Grenzwert handeln kann oder in dem gleichzeitig sowohl ein hoher als auch ein niedriger Grenzwert angewendet werden, gekoppelt ist, darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die im Folgenden erörterten 1 bis 8 und die verschiedenen zum Beschreiben der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in dieser Patentschrift verwendeten Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollten auf keinerlei Weise als den Schutzumfang der Erfindung einschränkend interpretiert werden. Fachmänner werden verstehen, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer beliebigen angemessen eingerichteten Prozessanlage umgesetzt werden können.
  • 1 stellt ein Blockschaltbild einer Prozessanlage 100, in der ein Steuerungssystem gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, dar.
  • Die beispielhafte Prozessanlage 100 verarbeitet Rohstoffe und beinhaltet einen Leitstand 105 und sechs zugehörige Prozesse, Elemente 110a110f, die in drei Stufen angeordnet sind. Der Begriff „beinhalten", so wie er hierin verwendet wird, bedeutet Einbeziehung ohne Einschränkungen. Der beispielhafte Leitstand 105 kann einen zentralen Bereich umfassen, der üblicherweise zur Überwachung und Steuerung der drei beispielhaften Prozessstufen von einem Bediener (nicht gezeigt) bemannt ist. Eine erste Prozessstufe beinhaltet drei Rohstoffmühlen 110a110c, die eine Rohstoffzufuhr entgegennehmen und diese zu kleineren Rohstoffteilchen zermahlen, wie beispielsweise durch Verwendung eines Pulverisiergeräts oder eines Mahlrads. Die zweite Prozessstufe beinhaltet eine Waschanlage 110d, die die zermahlenen Rohstoffe entgegennimmt und diese reinigt, um die Rückstände von der ersten Stufe zu entfernen. Die dritte Prozessstufe beinhaltet ein Paar von Separatoren 110e und 110f, die die zermahlenen, gewaschenen Rohstoffe entgegennehmen und diese in erwünschte Mineralien und etwaige restliche Rohstoffe trennen. Da diese Prozessanlage lediglich zum Zwecke der Veran schaulichung bereitgestellt wird und die Prinzipien einer derartigen Anlage wohl bekannt sind, geht eine weitere Erörterung dieser über den Schutzrahmen dieser Patentschrift hinaus und ist nicht notwendig.
  • Das beispielhafte Steuerungssystem beinhaltet einen Überwachungsregler 120 und sechs Prozessknoten bzw. Prozessregler 125a125f, die jeweils in Software implementiert und durch ein geeignetes herkömmliches Datenverarbeitungssystem (autonomes System oder Netzwerk), wie beispielsweise ein beliebiges der Systeme AM K2LCN, AM K4LCN, AM HMPU oder A × M von Honeywell, Inc., oder dergleichen, ausführbar sind. Fachmänner werden verstehen, dass derartige Regler in Hardware, Software oder Firmware oder einer geeigneten Kombination dieser implementiert sein können. Die Verwendung von Datenverarbeitungssystemen in Steuerungssystemen für Prozessanlagen ist im Allgemeinen wohl bekannt.
  • Der Überwachungsregler 120 ist jedem Prozessregler 125 direkt oder indirekt zugewiesen, um den Austausch von Daten zu ermöglichen. Der Ausdruck „diesen zugewiesen" und Ableitungen davon, wie sie hierin verwendet werden, können diese beinhalten, mit diesen zusammenschalten, enthalten, in diesen enthalten sein, an diese anschließen oder mit diesen verbinden, an diese koppeln, mit diesen kommunizieren können, mit diesen zusammenwirken, verschachteln, Teil dieser sein, an diese gebunden sein, aufweisen, eine Eigenschaft dieser haben oder dergleichen bedeuten. Der Überwachungsregler 120 überwacht die Kennwerte (beispielsweise Status, Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Strom, Spannung, Energie, Nutzung, Effizienz, Kosten und andere wirtschaftliche Faktoren usw.) von zugewiesenen Prozessen 110 entweder direkt oder indirekt durch die den Prozessen 110 zugewiesenen Prozessregler 125. Je nach der spezifischen Ausführung kann es sich bei einer derartigen Überwachung um einen Einzelprozess, eine Prozessgruppe oder die gesamte Anlage handeln.
  • Der Überwachungsregler 120 kommuniziert mit den zugewiesenen Prozessen 110 mittels der Prozessregler 125 und erzeugt Überwachungsdaten, um die Prozessanlage 100 zu optimieren. Der Ausdruck „Überwachungsdaten", wie er hierin verwendet wird, ist als ein beliebiger nummerischer, qualitativer oder anderer Wert definiert, der vom Überwachungsregler 120 zum Steuern (beispielsweise Leiten, Verwalten, Modifizieren, Empfehlen, Regeln, Vorschlagen, Überwachen, Zusammenwirken usw.) beispielsweise eines bestimmten Prozesses, einer Prozessgruppe, der gesamten Anlage, einer Prozessstufe, einer Stufengruppe, einer Folge von Prozessen oder Stufen oder dergleichen erzeugt wird, um die Anlage in ihrer Gesamtheit zu optimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Überwachungsdaten dynamisch erzeugt und basieren zumindest auf der Effizienz, des Ausstoßes oder den wirtschaftlichen Kosten einer gegebenen Anlage und besonders bevorzugt auf allen drei Faktoren.
  • Die Prozessregler 125 überwachen die zugewiesenen Prozesse 110 und arbeiten mit variierenden Graden entsprechend der Überwachungsdaten, um die zugewiesenen Prozesse zu steuern und insbesondere einen oder mehrere Prozesse zu modifizieren und die überwachten Kennwerte und die Anlage in ihrer Gesamtheit zu verbessern. Bei der Beziehung zwischen dem Überwachungsregler 120 und verschiedenen der Prozessregler 125 kann es sich um Master-Slave (komplette Einhaltung), kooperativ (variierende Einhaltung, wie beispielsweise durch Verwendung der Überwachungsdaten als einen Faktor beim Steuern der zugewiesenen Prozesse) oder vollständige Mißachtung (Nichteinhaltung) handeln. Je nach der spezifischen Ausführung und den Anforderungen einer gegebenen Anlage kann die Beziehung zwischen dem Überwachungsregler 120 und einem spezifischen Prozessregler 125 statisch (d. h. stets nur Einhaltung, kooperativ oder Nichteinhaltung), dynamisch (d. h. mit der Zeit variierend, wie beispielsweise innerhalb eines Bereichs zwischen Einhaltung und Nichteinhaltung oder eines etwas kleineren Bereichs dazwischen) oder zwischen statischen Perioden und dynamischen Perioden umschaltend sein.
  • 1 stellt die Prozessregler 125a–f bildlich als einfache logische Blocks, die lediglich zu Veranschaulichungszwecken an die Prozesse 110a–f gekoppelt sind, dar. Tatsächlich können die Prozessregler 125a–f in der Prozessanlage 100 als beliebige einer großen Auswahl von Einrichtungen implementiert sein. In den einfachsten Ausführungsformen kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um eine Mikrocontrollerschaltung handeln, die auf einer Leiterplatte gefertigt und in einen der Prozesse 110 (d. h. Teil eines Separators, einer Waschanlage oder einer Mühle), der gesteuert wird, integriert wurde. In anderen Ausführungsformen kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um einen autonomen Computer wie einen Personalcomputer („PC") handeln, der sich von dem gesteuerten Prozess 110 abgesetzt befindet und an diesen durch eine Busarchitektur gekoppelt ist.
  • In komplexeren Ausführungsformen kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um einen Netzwerkknoten handeln, der durch eine Netzwerkarchitektur an einen oder mehrere Prozess(e) 120 gekoppelt ist. Der Überwachungsregler 120 kann dann das Netzwerk, das den beispielhaften Prozessregler 125 und dessen zugewiesenen Prozesse 110 beinhaltet, als eine einzige funktionelle Gruppe behandeln. Schließlich kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um eine Gruppe von Prozessreglern und deren zugewiesenen Prozesse 110, die miteinander vernetzt sind, handeln. Die vernetzte Gruppe kann dann vom Überwachungsregler 120 als eine einzige funktionelle Gruppe behandelt werden.
  • Die Prozessregler 125a–f erstellen Prozessdaten, die vom Überwachungsregler 120 für eine Vielfalt von Zwe cken, einschließlich dem Erzeugen der Überwachungsdaten und Verteilen der Prozessdaten an eine oder mehrere Client-Anwendungen, verwendet werden. Prozessdaten können auch vom Prozessregler 125, der sie erstellt hat, zum Steuern des zugewiesenen Prozesses 110 verwendet werden. Ein Prozessregler 125 kann beispielsweise physikalische Parameterdaten von einem Prozess 110, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge und dergleichen, lesen und einige oder alle dieser Prozessdaten und vielleicht einige Überwachungsdaten zum Steuern des Prozesses 110 verwenden. Dies trifft insbesondere in einem mittels Rückführung gesteuerten Prozess zu.
  • Prozessdaten können direkt zwischen den Prozessreglern 125a–f in einer Peer-zu-Peer-Beziehung wie in einem LAN-Netzwerk übermittelt werden. Der Prozessregler 4, der die Waschanlage (Element 110d) steuert, kann beispielsweise Prozessdaten von den Prozessreglern 13, die die Mühlen 13 steuern, anfordern, um die Frequenz zu bestimmen, mit der gemahlener Rohstoff von den Mühlen 13 ausgegeben wird. Die Waschanlage kann dadurch die Frequenz, mit der sie das gemahlene Material wäscht, anpassen. Die Waschanlage kann beispielsweise die Energiemenge, die sie zum Waschen des gemahlenen Rohstoffs anwendet, reduzieren, wenn die Menge an gemahlenem Rohstoff, die zur Waschanlage gesendet wird, relativ gering ist. Sie kann sogar vorübergehend den Betrieb herunterfahren, um „innezuhalten und zu warten", bis sich eine geeignete Menge an gemahlenem Rohstoff angesammelt hat, bevor sie mit dem Waschen fortfährt.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Überwachungsregler 120 ein LAN, eine Gruppe verbundener LANs oder eine WAN-Architektur umfassen.
  • Eine oder mehrere Client-Anwendungen werden auf Knoten der LAN/WAN-Architektur ausgeführt. Bei den Knoten kann es sich beispielsweise um Personalcomputer („PCs") handeln. Die Client-Anwendungen können allesamt erfordern, dass dieselben Prozessdaten und Überwachungsdaten bei der gleichen Aktualisierungsfrequenz von den Prozessreglern übertragen werden. Ein wahrscheinlicheres Szenario ist jedoch, dass die Client-Anwendungen unterschiedliche, sich möglicherweise überschneidende Teilmengen der Prozessdaten und Überwachungsdaten erfordern und dass die Prozessdaten und Überwachungsdaten bei unterschiedlichen Aktualisierungsfrequenzen an unterschiedliche Client-Anwendungen übertragen werden.
  • Gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung können einer oder mehrere der Prozessregler 125a–f als kaskadierte Regelschleifen, die PID-Regler beinhalten, implementiert werden. 2 stellt ein generisches Prozesssteuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen, die zwei PID-Regler zur Verwendung im Prozessregler 125 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten, verwendet, dar. Die Prozessregler 125 umfassen eine primäre Schleife 210, eine sekundäre Schleife 220 und ein Ventil 230.
  • Die primäre Schleife 210 umfasst einen primären PID-Regler („PID1") 212 und einen Sender 211 („T1"). Bei dem Sender 211 handelt es sich um ein Messgerät, das den tatsächlichen Wert einer ersten Prozessvariablen („PV1") messen und ein diesen Wert bezeichnendes Signal an den primären PID-Regler 212 senden kann. Der primäre PID-Regler 212 empfängt außerdem einen Wert des ersten Sollwerts („SP1"), der den erwünschten Arbeitspunkt bezeichnet. Der primäre PID-Regler 212 kann des Weiteren auf einer Rückführsignalleitung 240 von einem sekundären PID-Regler 222 ein Rückführsignal empfangen.
  • Der primäre PID-Regler 212 erstellt eine Ausgabe, die einen Wert des zweiten Sollwerts („SP2") umfasst, der von der sekundären Schleife 220 und dem sekundären PID-Regler 222 verwendet wird.
  • Die sekundäre Schleife 220 umfasst den sekundären PID-Regler 222 („PID2") und einen Sender 221 („T2") und eine analoge Ausgabeeinheit 225 („AO"). Bei dem Sender 221 handelt es sich um ein Messgerät, das den tatsächlichen Wert einer zweiten Prozessvariablen („PV2") messen und ein diesen Wert bezeichnendes Signal an den sekundären PID-Regler 222 senden kann. Der sekundäre PID-Regler 222 empfängt den zweiten Wert des Sollwerts SP2 von der Ausgabe des primären PID-Reglers 212. Der sekundäre PID-Regler 222 kann außerdem auf einer Rückführsignalleitung 250 von der analogen Ausgabeeinheit 225 ein Rückführsignal empfangen. Der sekundäre PID-Regler 222 ist mittels einer Ausgangssignalleitung 260 an die analoge Ausgabeeinheit 225 gekoppelt. Schließlich ist die analoge Ausgabeeinheit 225 mittels einer Signalleitung 270 an das Ventil 230 gekoppelt. Der oben beschriebene Prozessregler 125 zeigt allgemein, wie der primäre PID-Regler 212 und der sekundäre PID-Regler 222 verbunden sein können.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild des sekundären PID-Reglers 222, das die Verbindungsleitung eines Sollwertbegrenzers 310, einer PID-Berechnungsalgorithmuseinheit 320, eines Ausgabebegrenzers 330 und einer Rückführungseinheit 340 zeigt. Der sekundäre PID-Regler 222 empfängt im Sollwertbegrenzer 310 ein Signal des zweiten Sollwerts SP2 vom primären PID-Regler 212. Wenn sich der Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 innerhalb des Bereichs von Sollwertgrenzwerten, die der Sollwertbegrenzer 310 akzeptieren wird, befindet, wird der Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 an den PID-Berechnungsalgorithmus 320 und außerdem mittels der Rückführungseinheit 340 und der Rückführsignalleitung 240 an den primären PID-Regler 212 gesendet. Wenn der Sollwertbegrenzer 310 bestimmt, dass der Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 einen Sollwertgrenzwert (entweder einen „hohen" Sollwertgrenzwert oder einen „niedrigen" Sollwertgrenzwert) überschreitet, setzt der Sollwertbegrenzer 310 den Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 mit dem Wert des Sollwertgrenzwerts, der überschritten wurde, gleich. Der geänderte (d. h. mit dem Sollwertgrenzwert, der überschritten wurde, gleichgesetzte) Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 wird zum PID-Berechnungsalgorithmus 320 weitergegeben und außerdem mittels der Rückführungseinheit 340 und der Rückführsignalleitung 240 an den primären PID-Regler 212 gesendet. Darüber hinaus setzt der Sollwertbegrenzer 310 das entsprechende Grenzwertflag (entweder ein „hohes" Sollwertgrenzwertflag oder ein „niedriges" Sollwertgrenzwertflag) und sendet die Grenzwertflagwerte mittels der Rückführungseinheit 340 und der Rückführsignalleitung 240 an den primären PID-Regler 212.
  • Die PID-Berechnungsalgorithmuseinheit 320 empfängt vom Sender 221 ein Signal der zweiten Prozessvariablen PV2.
  • Der PID-Berechnungsalgorithmus 320 berechnet unter Anwendung des Signals des zweiten Sollwerts SP2 und des Signals der zweiten Prozessvariablen PV2 ein Ausgangssignal. Der Ausgabebegrenzer 330 empfängt das Ausgangssignal von der PID-Berechnungsalgorithmuseinheit 320.
  • Wenn sich der Wert des empfangenen Ausgangssignals innerhalb des Bereichs von Ausgangssignalen, die der Ausgabebegrenzer 330 akzeptieren wird, befindet, wird der Wert des Ausgangssignals mittels der Signalleitung 260 an die analoge Ausgabeeinheit 225 gesendet. Der Wert des Ausgangssignals wird außerdem mittels der Rückführungseinheit 340 und der Rückführsignalleitung 240 an den primären PID-Regler 212 gesendet.
  • Wenn der Ausgabebegrenzer 330 bestimmt, dass der Wert des Ausgangssignals einen Ausgabegrenzwert (entweder einen „hohen" Ausgabegrenzwert oder einen „niedrigen" Ausgabegrenzwert) überschreitet, setzt der Ausgabebegrenzer 330 den Wert des Ausgangssignals mit dem Wert des Ausgabegrenzwerts, der überschritten wurde, gleich.
  • Der geänderte (d. h. mit dem Ausgabegrenzwert, der überschritten wurde, gleichgesetzte) Wert des Ausgangssignals wird mittels der Signalleitung 260 an die analoge Ausgabeeinheit 225 gesendet. Der modifizierte Wert des Ausgangssignals wird außerdem an die Rückführungseinheit 340 gesendet. Die Rückführungseinheit 340 sendet den geänderten Wert des Ausgangssignals nicht an den primären PID-Regler 212. Stattdessen setzt der Ausgabebegrenzer 330 entsprechende Sollwertgrenzwertflags und sendet die Sollwertgrenzwertflagwerte mittels der Rückführungseinheit 340 und der Rückführsignalleitung 240 an den primären PID-Regler 212. Es wird ein „hohes" Sollwertgrenzwertflag gesetzt, wenn das Ausgangssignal einen „hohen" Ausgabegrenzwert überschritten hat. Es wird ein „niedriges" Sollwertgrenzwertflag gesetzt, wenn das Ausgangssignal einen „niedrigen" Ausgabegrenzwert überschritten hat.
  • Die in 3 gezeigte Ausführungsform des sekundären PID-Reglers 222 weist sowohl einen Sollwertbegrenzer 310 als auch einen Ausgabebegrenzer 330 auf. Es gibt einige PID-Regler, die einen Sollwertbegrenzer, jedoch keinen Ausgabebegrenzer aufweisen. Umgekehrt gibt es einige PID-Regler, die einen Ausgabebegrenzer, jedoch keinen Sollwertbegrenzer aufweisen.
  • 4 stellt den Prozessregler 125 dar, der ein spezifisches Steuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen, die zwei PID-Regler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten, verwendet, umfasst. Das beispielhafte Rückführsteuerungssystem reguliert die Temperatur eines Produkts (beispielsweise einer Flüssigkeit), die in einem Gefäß 401 enthalten ist, und die Brennstoffdurchflussmenge zu einem Heizaggregat, das das Produkt erhitzt.
  • Die Temperatur PV1 des Produkts im Gefäß 401 wird kon tinuierlich von einem Thermometer 402 gemessen und von einem Sender 411 aufgezeichnet. Die Produkttemperatur wird erhöht oder gesenkt, indem die an ein Heizaggregat, das das Gefäß 401 erhitzt, gelieferte Brennstoffmenge erhöht oder verringert wird. Die Brennstoffdurchflussmenge wird durch den Betrieb eines Ventils 430 reguliert. Genauer gesagt bestimmt der Grad der Öffnung des Ventils 430, wie schnell der Brennstoff in das Heizaggregat fließt. Das Ventil 430 kann vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet oder teilweise bei einer beliebigen einer Reihe von unterschiedlichen Öffnungsgrößen geöffnet werden. Ein Durchflussmesser 431 misst kontinuierlich die tatsächliche Durchflussmenge PV2 des an das Heizaggregat mitels des Ventils 430 gelieferten Brennstoffs. Die gemessene Brennstoffdurchflussmenge wird kontinuierlich von einem Sender 421 aufgezeichnet.
  • Der Sender 411 sendet die Produkttemperatur, PV1, kontinuierlich an einen primären PID-Regler 412. Der primäre PID-Regler 412 empfängt außerdem einen Wert des primären Sollwerts SP1, der die erwünschte Produkttemperatur darstellt. Der primäre PID-Regler 412 empfängt des Weiteren auf einer Rückführsignalleitung 440 von einem sekundären PID-Regler 422 ein Rückführsignal. Der primäre PID-Regler 412 erzeugt ein Ausgangssignal SP2, bei dem es sich um den Wert des Sollwerts für den sekundären PID-Regler 422 handelt.
  • Der Sender 421 sendet die Brennstoffdurchflussmenge PV2 kontinuierlich an den sekundären PID-Regler 422. Der sekundäre PID-Regler 422 empfängt vom Ausgang des primären PID-Reglers 412 den Wert des zweiten Sollwerts SP2. Der sekundäre PID-Regler 422 empfängt außerdem auf einer Rückführsignalleitung 450 von einer analogen Ausgabeeinheit 425 ein Rückführsignal. Der sekundäre PID-Regler 422 ist mittels einer Ausgangssignalleitung 460 an die analoge Ausgabeeinheit 425 gekoppelt. Schließlich ist die analoge Ausgabeeinheit 425 mittels einer Signalleitung 470 an das Ventil 430 gekoppelt.
  • 5 stellt das Ablaufdiagramm 500 bildlich dar, das den Betrieb des Prozessreglers 125 veranschaulicht, der zwei kaskadierte PID-Regler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Der Arbeitsvorgang im Ablaufdiagramm 500 begrenzt den Beitrag des Integralwerts zu einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade an einen sekundären PID-Regler, der einen hohen Sollwertgrenzwert aufweist, gekoppelt ist. Zu Veranschaulichungszwecken wird das Ablaufdiagramm 500 mit Bezug auf den in 4 gezeigten Kreislauf beschrieben. Das bedeutet, dass es sich bei dem primären PID-Regler um den primären PID-Regler 412 und bei dem sekundären PID-Regler um den sekundären PID-Regler 422 handeln soll.
  • Der primäre PID-Regler 412 führt eine PID-Berechnung durch, um zu bestimmen, welches Ausgangssignal er an den sekundären PID-Regler 422 übermitteln wird. Der sekundäre PID-Regler 422 kann bestimmen, ob das vom primären PID-Regler 412 empfangene Ausgangssignal einen oberen Sollwertgrenzwert überschreitet, der vom sekundären PID-Regler 422 für vom sekundären PID-Regler 422 übermittelte Ausgangssignale festgelegt wurde.
  • Der Steueralgorithmus des primären PID-Reglers 412 umfasst einen für Software zugänglichen Ort, der einen digitalen nummerischen Wert („1" oder „0") enthalten kann, der den Setzzustand bzw. Rücksetzzustand eines hohen Integralgrenzwertflags darstellt. Der sekundäre PID-Regler 422 umfasst ebenfalls einen ähnlichen für Software zugänglichen Ort, der ein hohes Integralgrenzwertflag beinhaltet. Der sekundäre PID-Regler 422 kann sein hohes Integralgrenzwertflag setzen oder zurücksetzen. Der sekundäre PID-Regler 422 kann des Weiteren mittels der Rückführsignalleitung 440 ein Signal an den primären PID-Regler 412 senden, um das hohe Integralgrenzwertflag im primären PID-Regler 412 jedes Mal zu setzen oder zurückzusetzen, wenn der sekundäre PID-Regler 422 sein eigenes hohes Integralgrenzwertflag setzt oder zurücksetzt.
  • Wenn der sekundäre PID-Regler 422 bestimmt, dass sein oberer Sollwertgrenzwert überschritten wurde, setzt der sekundäre PID-Regler 422 sein hohes Integralgrenzwertflag. Der sekundäre PID-Regler 422 sendet außerdem ein Signal an den primären PID-Regler 412, das das hohe Integralgrenzwertflag im primären PID-Regler 412 setzt. In einer alternativen Ausführungsform kann der primäre PID-Regler 412 mittels der Signalleitung SP2 ein Signal an den sekundären PID-Regler 422 senden, um zu bestimmen, ob das hohe Integralgrenzwertflag im sekundären PID-Regler 422 gesetzt oder zurückgesetzt ist. In dieser alternativen Ausführungsform kann der sekundäre PID-Regler 422 den Setzstatus bzw. den Rücksetzstatus seines hohen Integralgrenzwertflags mittels der Rückführsignalleitung 440 als Reaktion auf eine derartige Anforderung vom primären PID-Regler 412 an den primären PID-Regler 412 senden.
  • Im Prozessschritt 505 liest der primäre PID-Regler 412 den Inhalt seines hohen Integralgrenzwertflags. Im Entscheidungsschritt 510 bestimmt der primäre PID-Regler 412, ob sein hohes Integralgrenzwertflag gesetzt oder zurückgesetzt ist. Wenn das hohe Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist, wurde der obere Grenzwert des Ausgangssignals für den sekundären PID-Regler 422 nicht überschritten. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, den Integralanteil von der aktuellen, vom primären PID-Regler 412 durchgeführten PID-Berechnung auszuschließen. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 520 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt wird. Der Integralanteil wird in die vom primären PID-Regler 412 durchgeführte PID-Berechnung einbezogen. Der Steueralgorithmus wird im Prozessschritt 530 fortgesetzt.
  • Wenn der Entscheidungsschritt 510 bestimmt, dass das hohe Integralgrenzwertflag gesetzt ist, wurde der obere Sollwertgrenzwert des sekundären PID-Reglers 422 überschritten. In diesem Fall bestimmt der Entscheidungsschritt 540, ob die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung verursachen würde, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht. Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils nicht verursachen würde, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht, wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 520 weitergegeben.
  • Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen würde, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht, bestimmt der Entscheidungsschritt 550, ob die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt. Wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils nicht weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, wird der Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, vollständig begrenzt (d. h. komplett ausgeschlossen). Die Steuerung wird daher an den Prozesschritt 560 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil vollständig begrenzt wird. Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 530 fortgesetzt.
  • Wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, bestimmt der Entscheidungsschritt 570, ob das Einbeziehen des aktuellen Integralanteils in die vom primären PID-Regler 412 durchgeführte PID-Berechnung verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet. Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 520 weitergegeben.
  • Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, muss der Integralanteil teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird an den Prozessschritt 580 weitergegeben.
  • Der Prozessschritt 580 begrenzt den Beitrag des Integralanteils zu der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, von der PID-Berechnung. Der Prozessschritt 580 kann die Begrenzung des Integralanteils auch durch Multiplizieren des Integralanteils mit einem Skalenfaktor, der einen geeigneten Wert zwischen Null („0") und Eins („1") aufweist, bewerkstelligen. Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 530 fortgesetzt.
  • In der oben beschriebenen Situation mit hohem Sollwertgrenzwert liefert die vorliegende Erfindung die folgenden Resultate:
    • 1. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn das hohe Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist.
    • 2. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils nicht verursachen wird, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht.
    • 3. Der Integralanteil wird vollständig begrenzt, (a) wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen wird, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht, und (b) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils nicht weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt.
    • 4. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, (a) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und (b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal das vorherige Ausgangssignal überschreitet.
    • 5. Der Integralanteil wird teilweise begrenzt, (a) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und (b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal das vorherige Ausgangssignal überschreitet.
  • Die oben beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spricht Situationen an, in denen das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal einen oberen bzw. hohen Sollwertgrenzwert überschreitet.
  • Zu Veranschaulichungszwecken wurde das Ablaufdiagramm 500 mit Bezug auf den primären PID-Regler 412 und den sekundären PID-Regler 422 beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls in Situationen mit hohem Sollwertgrenzwert umgesetzt werden, in denen ein primärer PID-Regler 412 und eine analoge Ausgabeeinheit 425 in jenen Umständen, in denen die analoge Ausgabeeinheit 425 die Fähigkeiten eines sekundären Reglers besitzt, verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf Situationen anwendbar, in denen das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal weniger als ein unterer bzw. niedriger Sollwertgrenzwert beträgt.
  • 6 stellt das Ablaufdiagramm 600 bildlich dar, das den Betrieb des Prozessreglers 125 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Arbeitsvorgang im Ablaufdiagramm 600 begrenzt den Beitrag des Integralwerts zu einer PID-Berechnung in Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert. In Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert wird ein niedriges Integralgrenzwertflag in analoger Weise zum zuvor beschriebenen hohen Integralgrenzwertflag verwendet.
  • Der primäre PID-Regler 412 führt eine PID-Berechnung durch, um zu bestimmen, welches Ausgangssignal er zum sekundären PID-Regler 422 übermittelt. Der sekundäre PID-Regler 422 kann bestimmen, ob das Ausgangssignal, das er vom primären PID-Regler 412 empfangen hat, einen unteren Sollwertgrenzwert für Ausgangssignale, die der sekundäre PID-Regler 422 übermitteln wird, überschreitet.
  • Der Steueralgorithmus des primären PID-Reglers 412 umfasst einen für Software zugänglichen Ort, der einen digitalen nummerischen Wert („1" oder „0") enthalten kann, der den „Setz"-Zustand bzw. „Rücksetz"-Zustand eines niedrigen Integralgrenzwertflags darstellt. Der sekundäre PID-Regler 422 umfasst ebenfalls einen ähnlichen für Software zugänglichen Ort, der ein niedriges Integralgrenzwertflag beinhaltet. Der sekundäre PID-Regler 422 kann sein niedriges Integralgrenzwertflag setzen oder zurücksetzen. Der sekundäre PID-Regler 422 kann des Weiteren mittels der Rückführsignalleitung 440 ein Signal an den primären PID-Regler 412 senden, um das niedrige Integralgrenzwertflag im primären PID- Regler 412 jedes Mal zu setzen oder zurückzusetzen, wenn der sekundäre PID-Regler 422 sein eigenes niedriges Integralgrenzwertflag setzt oder zurücksetzt.
  • Wenn der sekundäre PID-Regler 422 bestimmt, dass sein unterer Sollwertgrenzwert überschritten wurde, „setzt" der sekundäre PID-Regler 422 sein niedriges Integralgrenzwertflag. Der sekundäre PID-Regler 422 sendet außerdem ein Signal an den primären PID-Regler 412, das das niedrige Integralgrenzwertflag im primären PID-Regler 412 „setzt".
  • In einer alternativen Ausführungsform kann der primäre PID-Regler 412 mittels der Signalleitung SP2 ein Signal an den sekundären PID-Regler 422 senden, um zu bestimmen, ob das niedrige Integralgrenzwertflag im sekundären PID-Regler 422 gesetzt oder zurückgesetzt ist. In dieser alternativen Ausführungsform kann der sekundäre PID-Regler 422 den Setzstatus bzw. den Rücksetzstatus seines niedrigen Integralgrenzwertflags mittels der Rückführsignalleitung 440 als Reaktion auf eine derartige Anforderung vom primären PID-Regler 412 an den primären PID-Regler 412 senden.
  • Im Prozessschritt 605 liest der primäre PID-Regler 412 den Inhalt seines niedrigen Integralgrenzwertflags. Im Entscheidungsschritt 610 bestimmt der primäre PID-Regler 412, ob sein niedriges Integralgrenzwertflag gesetzt oder zurückgesetzt ist. Wenn das niedrige Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist, wurde der untere Grenzwert des Ausgangssignals für den sekundären PID-Regler 422 nicht überschritten. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, den Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, auszuschließen. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 620 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt wird. Der Integralanteil wird in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen.
  • Der Steueralgorithmus wird im Prozessschritt 630 fortgesetzt.
  • Wenn der Entscheidungsschritt 610 bestimmt, dass das niedrige Integralgrenzwertflag gesetzt ist, wurde der untere Grenzwert des Ausgangssignals des sekundären PID-Reglers 422 überschritten. In diesem Fall bestimmt der Entscheidungsschritt 640, ob die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung verursachen würde, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 verringert. Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils nicht verursachen würde, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 verringert, wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 620 weitergegeben.
  • Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen würde, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 verringert, bestimmt der Entscheidungsschritt 650, ob die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt. Wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils nicht mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, wird der Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, vollständig begrenzt (d. h. komplett ausgeschlossen). Die Steuerung wird daher an den Prozesschritt 660 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil vollständig begrenzt wird. Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 630 fortgesetzt.
  • Wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, bestimmt der Entscheidungsschritt 670, ob das Einbeziehen des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt. Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 620 weitergegeben.
  • Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, muss der Integralanteil teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird an den Prozessschritt 680 weitergegeben.
  • Der Prozessschritt 680 begrenzt den Beitrag des Integralanteils zu der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, von der PID-Berechnung. Der Prozessschritt 680 kann die Begrenzung des Integralanteils auch durch Multiplizieren des Integralanteils mit einem Skalenfaktor, der einen geeigneten Wert zwischen Null („0") und Eins („1") aufweist, bewerkstelligen. Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 630 fortgesetzt.
  • In der oben beschriebenen Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert liefert die vorliegende Erfindung die folgenden Resultate:
    • 1. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn das niedrige Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist.
    • 2. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils nicht verur sachen wird, dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 verringert.
    • 3. Der Integralanteil wird vollständig begrenzt, (a) wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen wird, dass sich die Ausgabe des primären PID-Reglers 412 verringert, und (b) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils nicht mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt.
    • 4. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, (a) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und (b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal weniger als das vorherige Ausgangssignal beträgt.
    • 5. Der Integralanteil wird teilweise begrenzt, (a) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und (b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal weniger als das vorherige Ausgangssignal beträgt.
  • Die oben beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spricht Situationen an, in denen das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal einen unteren bzw. niedrigen Sollwertgrenzwert überschreitet.
  • Zu Veranschaulichungszwecken wurde das Ablaufdiagramm 600 mit Bezug auf den primären PID-Regler 412 und den sekundären PID-Regler 422 beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls in Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert umgesetzt werden, in denen ein primärer PID-Regler 412 und eine analoge Ausgabeeinheit 425 in jenen Umständen, in denen die analoge Ausgabeeinheit 425 die Fähigkeiten eines sekundären Reglers besitzt, verwendet werden.
  • 7 stellt das Ablaufdiagramm 700 bildlich dar, das einen ersten Teil einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, in dem (1) es sich bei den Grenzwerten um entweder Sollwertgrenzwerte oder Ausgabegrenzwerte oder beide Grenzwertarten gleichzeitig handeln kann und (2) die Grenzwerte entweder einen hohen Grenzwert oder einen niedrigen Grenzwert oder gleichzeitig sowohl einen hohen als auch einen niedrigen Grenzwert umfassen, gekoppelt ist, veranschaulicht. In derartigen Situationen werden die Grenzwerte als „variable" Grenzwerte bezeichnet. Zu Veranschaulichungszwecken wird das Ablaufdiagramm 700 mit Bezug auf den in 4 gezeigten Kreislauf beschrieben. Das bedeutet, dass es sich bei dem primären PID-Regler um den primären PID-Regler 412 und bei dem sekundären PID-Regler um den sekundären PID-Regler 422 handeln soll.
  • In Situationen mit „variablem" Grenzwert wird ein Integralgrenzwertflag in analoger Weise zu dem hohen Integralgrenzwertflag und dem niedrigen Integralgrenzwertflag, die zuvor beschrieben wurden, verwendet. Das Integralgrenzwertflag kann einen beliebigen der folgenden vier Werte beinhalten: (1) „nicht begrenzt" oder (2) „hoch begrenzt" oder (3) „niedrig begrenzt" oder (4) „hoch und niedrig begrenzt".
  • Diese alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (zur Verwendung mit variablen Grenzwerten) setzt einen variablen Integralgrenzwert zum Bestimmen des auf den Integralanteil in einer PID-Berechnung zu platzierenden Begrenzungsniveaus ein. Bei dem variablen Integralgrenzwert handelt es sich um einen nummerischen Wert, der die Einheiten der Ausgabe eines PID-Reglers aufweist. Der variable Integralgrenzwert legt einen Grenzwert der Ausgabe des PID-Reglers fest, über den hinaus der Integralanteil nicht in die aktuelle PID-Berechnung einbezogen wird. Beim anfänglichen Wert des variablen Integralgrenzwerts handelt es sich um den Wert des zweiten Sollwerts SP2 für den sekundären PID-Regler 422. Wenn dieser Wert nicht zur Verfügung steht, wird der anfängliche Wert des variablen Integralgrenzwerts der Wert der vorherigen PID-Berechnung des primären PID-Reglers 412 sein.
  • Es wird ein neuer Wert des variablen Integralgrenzwerts festgelegt, wenn der primäre PID-Regler 412 vom sekundären PID-Regler 422 ein Signal empfängt, das anzeigt, dass (1) sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 außerhalb der Sollwertgrenzwerte des sekundären PID-Reglers 422 befindet oder (2) sich das Ausgangssignal des sekundären PID-Reglers 422 außerhalb der Ausgabegrenzwerte des sekundären PID-Reglers 422 befindet. Der neue Wert des variablen Integralgrenzwerts wird mit dem Wert des Rückführsignals des sekundären PID-Reglers 422 gleichgesetzt.
  • Im Prozessschritt 710 liest der Steueralgorithmus des primären PID-Reglers 412 den Wert des Integralgrenzwertflags vom Speicher. Beim im Speicher enthaltenen Wert des Integralgrenzwertflags handelt es sich um den Wert des Integralgrenzwertflags von der vorherigen PID-Berechnung. Im Entscheidungsschritt 720 bestimmt der primäre PID-Regler 412, ob das Integralgrenzwertflag vom sekundären PID-Regler 422 für die aktuelle PID-Berechnung vom Integralgrenzwertflag von der vorherigen PID-Berechnung unterschiedlich ist.
  • Wenn das Integralgrenzwertflag vom sekundären PID-Regler 412 nicht unterschiedlich ist (d. h. es hat sich nicht geändert), ist es nicht erforderlich, den variablen Integralgrenzwert in der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, zu ändern. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 730 weitergegeben und der Wert des variablen Integralgrenzwerts bleibt unverändert.
  • Wenn der Entscheidungsschritt 720 bestimmt, dass das Integralgrenzwertflag vom sekundären PID-Regler 422 für die aktuelle PID-Berechnung vom Integralgrenzwertflag von der vorherigen PID-Berechnung unterschiedlich ist, bewirkt der Prozessschritt 740, dass der neue Wert des Integralgrenzwertflags im Speicher gespeichert wird.
  • Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 750 weitergegeben. Der Prozessschritt 750 setzt den Wert des variablen Integralgrenzwerts mit dem Rückführwert gleich. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 730 weitergegeben.
  • Der in 7 gezeigte Prozessschritt 730 gibt die Steuerung an den in 8 gezeigten nächsten Teil des Steueralgorithmusses weiter. 8 stellt das Ablaufdiagramm 800 bildlich dar, das einen zweiten Teil einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils zu einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, in dem (1) es sich bei den Grenzwerten um entweder Sollwertgrenzwerte oder Ausgabegrenzwerte oder beide Grenzwertarten gleichzeitig handeln kann und (2) die Grenzwerte entweder einen hohen Grenzwert oder einen niedrigen Grenzwert oder gleichzeitig sowohl einen hohen als auch einen niedrigen Grenzwert umfassen, gekoppelt ist, veranschaulicht.
  • Genauer gesagt gibt der Prozessschritt die Steuerung an den Entscheidungsschritt 801 weiter.
  • Der Entscheidungsschritt 801 bestimmt, ob es sich bei dem Wert im Integralgrenzwertflag um den Wert „nicht begrenzt" handelt . Wenn es sich bei dem Wert um „nicht begrenzt" handelt, ist es nicht erforderlich, den Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, auszuschließen. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 805 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt wird. Der Integralanteil wird in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Wenn es sich bei dem Wert im Integralgrenzwertflag um einen beliebigen anderen Wert als „nicht begrenzt" handelt, wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 812 weitergegeben. Der Entscheidungsschritt 812 bestimmt, ob es sich bei dem Wert im Integralgrenzwertflag um den Wert „hoch und niedrig begrenzt" handelt.
  • Wenn es sich bei dem Wert um „hoch und niedrig begrenzt" handelt, ist es erforderlich, den Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, auszuschließen. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 814 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil vollständig begrenzt wird. Der Integralanteil wird von der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, ausgeschlossen. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Wenn es sich bei dem Wert im Integralgrenzwertflag um einen beliebigen anderen Wert als „hoch und niedrig begrenzt" handelt, wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 815 weitergegeben. Der Wert im Integralgrenzwertflag wird in einem solchen Fall entweder „hoch begrenzt" oder „niedrig begrenzt" sein. Der Entscheidungsschritt 815 bestimmt, ob die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als der variable Integralgrenzwert beträgt. Der Wert des Integralgrenzwerts wird in jenen Fällen, in denen das Integralgrenzwertflag seinen Wert in einer vorherigen PID-Berechnung geändert hat, wie oben in Verbindung mit 7 beschrieben, dem Rückführwert gleichkommen.
  • Wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils nicht weniger als der variable Integralgrenzwert beträgt (d. h. mehr als der variable Integralgrenzwert beträgt oder diesem gleichkommt), bestimmt der Entscheidungsschritt 820, ob das Integralgrenzwertflag niedrig ist. Wenn das Integralgrenzwertflag nicht niedrig ist (d. h. hoch ist), muss der Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, ausgeschlossen werden. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 825 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil vollständig begrenzt (d. h. komplett ausgeschlossen) wird. Der Integralanteil wird nicht zu der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, addiert. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Auf ähnliche Weise, wenn der Entscheidungsschritt 815 bestimmt, dass die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als der variable Integralgrenzwert beträgt (d. h. nicht mehr als der variable Integralgrenzwert beträgt oder nicht diesem gleichkommt), bestimmt der Entscheidungsschritt 830, ob das Integralgrenzwertflag hoch ist. Wenn das Integralgrenzwertflag nicht hoch ist (d. h. niedrig ist), muss der Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, ausgeschlossen werden. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 825 weitergegeben, der bestätigt, dass der Integralanteil vollständig begrenzt (d. h. komplett ausgeschlossen) wird. Der Integralanteil wird nicht zu der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, addiert. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Wenn der Entscheidungsschritt 820 bestimmt, dass das Integralgrenzwertflag niedrig ist, wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 835 weitergegeben. Der Entscheidungsschritt 835 bestimmt, ob das Einbeziehen des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet. Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 840 weitergegeben. Der Prozessschritt 840 bestätigt, dass der Integralanteil nicht begrenzt wird. Der Integralanteil wird in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, muss der Integralanteil teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird an den Prozessschritt 845 weitergegeben.
  • Der Prozessschritt 845 begrenzt den Beitrag des Integralanteils zu der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, von der PID-Berechnung. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Auf ähnliche Weise, wenn der Entscheidungsschritt 830 bestimmt, dass das Integralgrenzwertflag hoch ist, wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 850 weitergegeben. Der Entscheidungsschritt 850 bestimmt, ob das Addieren des aktuellen Integralanteils zu der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt. Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 840 weitergegeben. Der Prozessschritt 840 bestätigt, dass der Integralanteil nicht begrenzt wird. Der Integralanteil wird in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
  • Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen würde, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, muss der Integralanteil teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird an den Prozessschritt 855 weitergegeben.
  • Der Prozessschritt 855 begrenzt den Beitrag des Integralanteils in der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet, von der PID-Berechnung. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.

Claims (12)

  1. Steuergerät zum Steuern eines Prozesses, wobei das Steuergerät Folgendes umfasst: einen primären Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler), der einen ersten Sollwert und eine erste Prozessvariable empfangen und daraus einen zweiten Sollwert erzeugen kann; und einen sekundären Regler, der den zweiten Sollwert und eine zweite Prozessvariable empfangen und daraus ein Ausgangssteuersignal erzeugen kann, wobei der primäre PID-Regler von dem zweiten Regler ein Rückführsignal empfangen kann, das anzeigt, dass ein vorheriger Wert des zweiten Sollwerts einen dem Ausgangssteuersignal zugewiesenen Grenzwert überschreitet, und das einen Wert eines Signals von dem zweiten Regler übermittelt, und wobei der primäre PID-Regler als Reaktion auf die Anzeige des Rückführsignals einen der folgenden Vorgänge ausführt: einen Integralanteil einer von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe eines Proportionalanteils und eines differenzialen Anteils der PID-Berechnung den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet, ausschließt; oder einen Teil des Integralanteils als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung andernfalls verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet, einbezieht.
  2. Steuergerät nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem dem Ausgangssteuersignal zugewiesenen Grenzwert um einen oberen Grenzwert handelt.
  3. Steuergerät nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem dem Ausgangssteuersignal zugewiesenen Grenzwert um einen unteren Grenzwert handelt.
  4. Steuergerät nach Anspruch 1, wobei der dem Ausgangssteuersignal zugewiesene Grenzwert einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert umfasst.
  5. Steuergerät nach Anspruch 2, wobei der primäre PID-Regler einen der folgenden Vorgänge ausführt: den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet, einbezieht; oder den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass kein hohes Integralgrenzwertflag des primären PID-Reglers gesetzt wurde, einbezieht.
  6. Steuergerät nach Anspruch 3, wobei der primäre PID-Regler einen der folgenden Vorgänge ausführt: den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers weniger als der vorherige Wert des zweiten Sollwerts beträgt, einbezieht; oder den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass kein niedriges Integralgrenzwertflag gesetzt wurde, einbezieht.
  7. Steuergerät nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem dem Ausgangssteuersignal zugewiesenen Grenzwert um einen variablen Integralgrenzwert handelt und der primäre PID-Regler als Reaktion auf die Anzeige des Rückführsignals einen der folgenden Vorgänge ausführt: einen Integralanteil einer von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe eines Proportionalanteils und eines differenzialen Anteils der PID-Berechnung den vorherigen Wert des variablen Integralgrenzwerts überschreitet, ausschließt; oder einen Teil des Integralanteils als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung andernfalls verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet, einbezieht.
  8. Steuergerät nach Anspruch 7, wobei der primäre PID-Regler einen der folgenden Vorgänge ausführt: den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet, wenn ein niedriges Integralgrenzwertflag gesetzt wurde, einbezieht; den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers weniger als der vorherige Wert des zweiten Sollwerts beträgt, wenn ein hohes Integralgrenzwertflag gesetzt wurde, einbezieht; oder den Integralanteil der von dem primären PID-Regler durchgeführten PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass ein Integralgrenzwertflag auf einen nicht-begrenzten Status gesetzt wurde, einbezieht.
  9. In einem Steuergerät der Art, die einen primären Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler), der einen ersten Sollwert und eine erste Prozess variable empfangen und daraus einen zweiten Sollwert erzeugen kann, und einen sekundären Regler, der den zweiten Sollwert und eine zweite Prozessvariable empfangen und daraus ein Ausgangssteuersignal erzeugen kann, umfasst, wobei der primäre PID-Regler von dem zweiten Regler ein Rückführsignal empfangen kann, das anzeigt, dass ein vorheriger Wert des zweiten Sollwerts einen dem Ausgangssteuersignal zugewiesenen Grenzwert überschreitet, und das einen Wert eines Signals von dem zweiten Regler übermittelt, wobei der primäre PID-Regler eine PID-Berechnung durchführt, um den zweiten Sollwert, den der primäre PID-Regler zu dem zweiten Regler sendet, zu bestimmen, und wobei die PID-Berechnung einen Proportionalanteil und einen Integralanteil und einen Differenzialanteil enthält, ein Verfahren zur Begrenzung des Beitrags des Integralanteils zu der PID-Berechnung, wenn der zweite Regler bestimmt hat, dass ein vorheriger Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers einen dem Ausgangssteuersignal des zweiten Reglers zugewiesenen Grenzwert überschritten hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ausschließen des Integralanteils von der PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils der PID-Berechnung den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet; und Einbeziehen eines Teils des Integralanteils als Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Vorhandensein des unveränderten Integralanteils in der aktuellen PID-Berechnung verursachen würde, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen, ob das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet; Einbeziehen des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen wird, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet; Bestimmen, ob die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als der vorherige Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers beträgt, als Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts überschreitet; und Ausschließen des Integralanteils von der PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils der PID-Berechnung nicht weniger als der vorherige Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen, ob Einbeziehung des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung verursachen wird, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers überschreitet, als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils der PID-Berechnung weniger als der vorherige Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers beträgt; Einbeziehen des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Vorhandensein des Integralanteils in der aktuellen PID-Berechnung nicht verursachen wird, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers überschreitet; und teilweises Begrenzen des Beitrags des Integralanteils zu der aktuellen PID-Berechnung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass das Einbeziehen des Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung verursachen wird, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers überschreitet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des teilweisen Begrenzens des Beitrags des Integralanteils zu der aktuellen PID-Berechnung Folgendes umfasst: Subtrahieren eines beliebigen Teils des Integralanteils, der verursacht, dass der aktuelle Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers den vorherigen Wert des zweiten Sollwerts des primären PID-Reglers überschreitet, von der PID-Berechnung.
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