DE69020171T2

DE69020171T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Parametern in der Prozesssteuerung.

Info

Publication number: DE69020171T2
Application number: DE69020171T
Authority: DE
Inventors: Masae C O Intellectual P Kanda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-01-13
Filing date: 1990-01-03
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2010-01-04
Also published as: AU607362B2; EP0378093A3; EP0378093B1; JPH02186403A; KR900012157A; US5057993A; JP2882586B2; DE69020171D1; EP0378093A2; AU4764290A; KR920006773B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Gewinnung von Parametern bei der Prozeßsteuerung.
Bei einem Prozeßsteuersystem zur Überwachung bzw. Beobachtung und Steuerung bzw. Regelung eines Prozeßzustands werden verschiedene Typen von anpassungsfähigen Steuergeräten, beispielsweise ein Abtast- bzw. Probenwertsteuergerät (JP-A-59-167707) mit einer automatischen Regelkreisabstimmfunktion und ein anpassungsfähiges Steuergerät (US-A-3,798,426) mit einer Mustererkennungsfunktion, benutzt. Beim Abtastwertsteuergerät werden die dynamischen Charakteristiken eines Prozesses durch Eingabe eines Identifikationssignals in ein Prozeßsteuersystem abgeschätzt, und die Steuerparameter werden auf der Basis der geschätzten dynamischen Charakteristiken bestimmt.
In einem solchen anpassungsfähigen Steuergerät müssen, wenn die PID-(Proportional plus Integral plus Differential)Steuerparameter, die für eine(n) PID-Betrieb bzw. -Operation benutzt werden, bestimmt werden müssen, ein Referenzmodell zur Definition eines Prozeßsteuersystems und charakteristische Parameter, die einen Prozeßzustand darstellen, eingestellt werden.
Üblicherweise werden die charakteristischen Parameter durch einen Bediener an einem anpassungsfähigen Steuergerät eingestellt, bevor eine Prozeßsteuerung durchgeführt wird.
Alternativ wird in einem konventionellen anpassungsfähigen Steuergerät ein Referenzmodell, d.h. Entwurfsdaten, im voraus gespeichert und wenn notwendig ausgelesen, um so die charakteristischen Parameter auf der Basis der ausgelesenen Entwurfsdaten (JP-A-63-138402) zu erhalten. Deshalb wird der durch einen Bediener durchgeführte Betrieb kompliziert.
Das bekannte Dokument EP-A-0 119 765 beschreibt ein PD- Steuergerät, das eine Abtastdaten-PD-Steuereinheit, einen Identifikationssignalgenerator, eine Pulstransferfunktionsidentifikationsschaltung, einen Funktionsrechner, eine Abstimmschaltung und einen Parameterrechner, der ein Teil bildet, das mit einem Anpassungsteil vergleichbar sein könnte, enthält. In einem Angleichprozeß gleicht die Abstimmschaltung eine S-Übertragungsfunktion an die eines Prozeßmodells an.
Schließlich offenbart das bekannte Dokument FR-A- 2 600 789 eine Schaltungsanordnung, worin PID-Steuerparameter automatisch berechnet werden.
Eine große Nachfrage nach einem anpassungsfähigen Steuergerät kam auf, das in der Lage ist, einfach und automatisch verschiedene Parameter, die für einen PID-Betrieb oder ähnliches verwendet werden, zu gewinnen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Gewinnung von Parametern bei der Prozeßsteuerung bereitzustellen.
Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System, wie in den Ansprüchen 1 bzw. 4 spezifiziert, zur Verfügung.
Diese Erfindung kann durch die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird, in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das eine Anordnung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2A und B Beispiele von Identifikationssignalen zeigen;
Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, das eine Funktionsweise eines Voranpassungsteils zeigt;
Fig. 4 ein Flußdiagramm ist, das eine Funktionsweise eines Anpassungsteils zeigt;
Fig. 5 ein Blockdiagramm ist, das die Position eines Einstellwertfilters zeigt; und
Fig. 6 ein Blockdiagramm ist, das die Position eines gesteuerten variablen Filters zeigt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Bezug nehmend auf Fig. 1 enthält ein System ein Steuerbzw. Regelteil 11, eine(n) Prozeß bzw. Regelstrecke 12, einen Identifikationssignalgenerator 13, Addierer 14 und 15, einen Subtrahierer 16, ein Anpassungsteil 17, ein Modusauswählteil 18 und ein Voranpassungsteil 19.
Der Identifikationssignalgenerator 13 erzeugt die Identifikationssignale V und U. Wenn das System identifiziert ist, wird das Identifikationssignal V an den Addierer 14 ausgegeben. Wenn die Regelstrecke 12 identifiziert ist, wird das Identifikationssignal U an den Addierer 15 ausgegeben. In dieser Ausführungsform wird unten ein Fall, worin die Regelstrecke 12 identifiziert ist, beschrieben.
Zum Beispiel wird ein M-Seriensignal (Fig. 2A) oder ein Stufensignal (Fig. 28) als das vom Identifikationssignalgenerator 13 erzeugte Identifikationssignal V und U verwendet. Kleine Abweichungen ±Δ/2 sind sowohl für einen eingestellten Wert SV als auch eine manipulierte Variable MV mit Hilfe der Identifikationssignale V und U vorgegeben. Die Amplituden der Identifikationssignale V und U werden als kleine Werte eingestellt, so daß sie keine Systemfunktion beeinflussen. Man beachte, daß, wenn ein M-Seriensignal verwendet wird, die Identifikation einer Regelstrecke oder ähnlichem mit hoher Präzision in einem breiten Frequenzband durchgeführt werden kann.
Der Addierer 14 addiert das Identifikationssignal V zum eingestellten Wert SV und gibt einen addierten Wert SVa an den Subtrahierer 16, den Regelteil 11 und den Anpassungsteil 17 aus.
Der Subtrahierer 16 subtrahiert eine gesteuerte bzw. geregelte Variable PV vom addierten Wert SVa und gibt eine Abweichung E an das Regelteil 11 aus.
Das Regelteil 11 führt eine PID-Operation mit Hilfe der PID-Steuer- bzw. Regelparameter durch, um so die Abweichung E auf Null zu setzen, und gibt die manipulierte Variable MV an den Addierer 15 aus.
Der Addierer 15 addiert das Identifikationssignal U zur manipulierten Variable MV und gibt einen addierten Wert MVA an die Regelstrecke 12, das Anpassungsteil 17 und das Voranpassungsteil 19 aus.
Die Regelstrecke 12 gibt eine geregelte Variable PV als Antwort auf den addierten Wert MVA an den Subtrahierer 16, das Anpassungsteil 17 und das Voranpassungsteil 19 aus.
Das Anpassungsteil 17 berechnet die PID-Regelparameter, die für eine PID-Operation im Regelteil 11 verwendet werden, auf der Basis einer Übertragungsfunktion, die durch Identifikation der Regelstrecke 12 erhalten wird.
Das Modusauswählteil 18 wählt einen Regelkreismodus oder einen Offenkreismodus gemäß einem Modusauswählsignal, das von außerhalb eingegeben wird. Im Regelkreismodus wird die manipulierte Variable MV auf der Basis der geregelten Variable PV und ähnlichem bestimmt. Im Offenkreismodus wird die manipulierte Variable MV ohne Rückkopplung der geregelten Variable PV bestimmt. Man beachte, daß das Modusauswählteil 18 im Offenkreismodus Befehle an das Voranpassungsteil 19 weiterleitet, um so eine vorbestimmte manipulierte Variable MV aus dem Regelteil 11 für eine vorbestimmte Zeitdauer aus zugeben, und ein vorbestimmtes Identifikationssignal U aus dem Identifikationssignalgenerator 13 für eine vorbestimmte Zeitdauer auszugeben.
Das Voranpassungsteil 19 gewinnt charakteristische Parameter der Regelstrecke 12, wie etwa eine Totzeit und einen maximalen Gradienten, auf der Basis der geregelten Variable PV, die von der Regelstrecke 12 ausgegeben wird, und berechnet die ursprünglichen Werte der PID- Regelparameter gemäß der gewonnenen Totzeit und dem maximalen Gradienten. Man beachte, daß, wenn die ursprünglichen Werte nicht berechnet werden können, weil ein maximaler Gradient nicht erhalten werden kann oder dergleichen, eine Regeloperation gestoppt wird.
Eine Funktionsweise des Systems wird nachfolgend beschrieben.
Wenn ein Modusauswählsignal, das den Offenkreismodus repräsentiert, von außen in das Modusauswählteil 18 eingegeben wird, stoppt das Teil 18 die Weitergabe der geregelten Variable PV, um sie so nicht in den Subtrahierer 16 einzugeben, und gibt dann ein Operationssignal an das Voranpassungsteil 19 aus.
Nach dem Empfang des Operationssignals vom Modusauswählteil 18 gibt das Voranpassungsteil 19 ein Regelsignal an das Regelteil 11 aus, um so die vorbestimmte manipulierte Variable MV für eine vorbestimmte Zeitdauer auszugeben. Das Teil 19 gibt dann ein Erzeugungssignal an den Identifikationssignalgenerator 13 aus, um so ein vorbestimmtes Identifikationssignal U zu erzeugen.
Eine Funktionsweise des Voranpassungsteils 19 wird nachfolgend entsprechend dem in Fig. 3 gezeigten Flußdiagramm beschrieben.
In Schritt A1 wird eine Abtastperiode SI für die geregelte Variable PV, eine Amplitude PA des Identifikationssignals U, das zur manipulierten Variable MV addiert ist, und dergleichen im voraus eingestellt. Man beachte, daß die Abtastperiode SI entsprechend der Antwortzeit der Regelstrecke 12 eingestellt ist, und daß die Amplitude PA des Identifikationssignals U auf einen kleinen Wert innerhalb eines Bereichs, in dem die charakteristischen Parameter gewonnen werden können, eingestellt ist.
In Schritt A2 werden eine Totzeit und ein maximaler Gradient durch Abtastung der geregelten Variable PV, die von der Regelstrecke 12 ausgegeben wird, gewonnen. Genauer, beispielsweise wird das stufenförmige Identifikationssignal U (ein Stufensignal entsprechend dem +Δ/2 in Fig. 2B), das durch den Identifikationssignalgenerator 13 erzeugt wird, zur manipulierten Variable MV addiert, und der addierte Wert MVa wird in die Regelstrecke 12 eingegeben. Eine Totzeit L1 und ein maximal er Gradient R1 der Regelstrecke 12 werden durch Abtastung der geregelten Variable PV gewonnen. Darüber hinaus wird ein invertiertes, stufenförmiges Identifikationssignal U (ein Stufensignal entsprechend dem -Δ/2 in Fig. 2B) zur manipulierten Variable MV addiert. Eine Totzeit L2 und ein maximaler Gradient R2 der Regelstrecke 12 werden in der gleichen Weise wie oben beschrieben, gewonnen.
Mittelwerte R und L der Totzeiten und der maximalen Gradienten können durch die folgenden Gleichungen erhalten werden:
R = (R1 + R2)/2 ...(1)
L = (L1 + L2)/2 ...(2)
In diesem Fall können die PID-Regelparameter mit Hilfe des Schrittantwortverfahrens von Ziegler-Nichols durch die Mittelwerte R und L wie folgt dargestellt werden:
Proportionalverstärkung Kp = 1,2/RL ... (3)
Integralzeit Ti = 2L ... (4)
Differentialzeit Td = 0,5L ... (5)
In Schritt A3 werden die ursprünglichen Werte der PID- Regelparameter gemäß den Gleichungen (3) bis (5) berechnet. Diese Anfangswerte werden im Regelteil 11 eingestellt.
Wie oben beschrieben, werden die Anfangswerte der PID- Regelparameter im Voranpassungsteil 19 gemäß den charakteristischen Parametern, die mit Hilfe der Identifikationssignale erhalten werden, berechnet.
Im Gegensatz dazu gibt, wenn ein den Regelkreismodus darstellendes Modusauswählsignal von außen in das Modusauswählteil 18 eingegeben wird, das Teil 18 die geregelte Variable PV von der Regelstrecke 12 an den Subtrahierer 16 weiter und gibt weiterhin ein Operationssignal an das Anpassungsteil 17 und ein Operationsstopsignal an das Voranpassungsteil 19 aus. Zu diesem Zeitpunkt leitet das Voranpassungsteil 19 die Anfangswerte der gewonnenen PID-Regelparameter und dergleichen an das Anpassungsteil 17 weiter.
Eine Funktionsweise des Anpassungsteils 17 wird nachfolgend entsprechend einem in Fig. 4 gezeigten Flußdiagramm beschrieben. Man beachte, daß die Anfangswerte der PID-Regelparameter, die Abtastperiode 51, die Amplitude PA des Identifikationssignals U und dergleichen, die vom Voranpassungsteil 19 zur Verfügung gestellt werden, vom Anpassungsteil 17 verwendet werden. Darüber hinaus steht im voraus fest, ob ein Filterprozeß bei einer Identifikation einer Regelstrecke, die später beschrieben wird, durchgeführt wird oder nicht.
In Schritt B1 werden der addierte Werte MVa (manipulierte Variable MV + Identifikationssignal U) und die geregelte Variable PV während einer vorbestimmten Zeitdauer abgetastet.
In Schritt B2 wird ein dynamisches Charakteristikmodell der Regelstrecke 12 auf der Basis der abgetasteten addierten Werte MVa und der geregelten Variable PV mit Hilfe einer sequentiellen (folgenden) Fehlerquadratmethode abgeschätzt. Das heißt, die Pulsübertragungsfunktion der Regelstrecke 12 kann erhalten werden.
In Schritt B3 wird das geschätzte dynamische Charakteristikmodell in ein Modell im Frequenzbereich übertragen.
In Schritt B4 werden die PID-Regelparameter auf der Basis des Modells (der Pulsübertragungsfunktion) im Frequenzbereich mit Hilfe eines Partialmodellangleichverfahrens berechnet. Das heißt, die PID-Regelparameter werden im Partialmodellangleichverfahren durch Angleichen der Antwortcharakteristiken im Frequenzbereich eines vorbestimmten Referenzmodells an jene des geschätzten dynamischen Charakteristikmodells gewonnen.
Wie oben beschrieben, werden die PID-Regelparameter im Anpassungsteil 17 berechnet und im Regelteil 11 eingestellt. Die Prozeßregelung wird mit Hilfe dieser PID- Regelparameter durchgeführt.
Wie oben beschrieben worden ist, braucht ein Bediener entsprechend der vorliegenden Erfindung verschiedene Parameter nicht zu berechnen oder berechnete Parameter im Gegensatz zum konventionellen Verfahren einzugeben.
Zum Beispiel kann, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Einstellwert SV in einen Einstellwertfilter 21 eingegeben werden, bevor er in den Addierer 14 eingegeben wird.
Zusätzlich kann, wie in Fig. 6 gezeigt, eine geregelte Variable PV in das Anpassungsteils 17 mit Hilfe eines Schalters 22 eingegeben werden. Im Normalfall wird eine geregelte Variable PV in das Anpassungsteil 17 über den Schalter 22 eingegeben. Wenn viele externe Störungen vorhanden sind, wird der Schalter 22 durch ein Schaltsignal so geschaltet, daß er eine geregelte Variable PV durch ein Regelvariablenfilter 23 in das Anpassungsteil 17 eingibt.
Die obige Ausführungsform ist mit Bezug auf eine PID- Operation beschrieben worden. Jedoch kann die gleiche Regelung auch mit Bezug auf eine PI-Operation und eine PD-Operation durchgeführt werden.
In der obigen Ausführungsform berechnet das Voranpassungsteil 19 die Anfangswerte der PID-Regelparameter durch das Schrittantwortverfahren von Ziegler-Nichols. Die Anfangswerte der PID-Regelparameter können jedoch durch andere Verfahren berechnet werden.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Parametern, die einem anpassungsfähigen Steuer- bzw. Regelgerät zur Steuerung bzw. Regelung eines Prozesses bzw. einer Regelstrecke zuzuführen sind, das die Schritte enthält:

(b) Erzeugen eines Identifikationssignals;

(c) Subtrahieren einer geregelten Variable, die von einer Regelstrecke ausgegeben wird, von einem eingestellten Wert, um einen Differenzwert zu erhalten;

(d) Regeln einer manipulierten Variable entsprechend dem Differenzwert;

(e) Addieren des Identifikationssignals zur manipulierten Variable, um so der Regelstrecke einen addierten Wert zuzuführen; und

(f) Abtasten des addierten Werts und der geregelten Variable, die von der Regelstrecke ausgegeben wird, gemäß dem addierten Wert während einer gewünschten Zeitdauer, um Abtastwerte zu erhalten;

gekennzeichnet durch weiterhin enthaltend die Schritte:

(a) Auswählen eines von einem Offenkreismodus und einem Regelkreismodus, wobei im Schritt (c) die ausgegebene geregelte Variable bei einer Subtraktion, die durchgeführt wird, wenn der Regelkreismodus gewählt wird, benutzt wird;

(g) Gewinnen erster Regelparameter durch Detektion charakteristischer Parameter, die einen Zustand der Regelstrecke darstellen, aus den abgetasteten Werten, wenn der Offenkreismodus gewählt wird; und

(h) Gewinnen der Prozeßregelparameter durch Angleichen eines charakteristischen Modells der Regelstrecke, die mit den Abtastwerten abgeschätzt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die manipulierte Variable entsprechend einem der primären Regelparameter und der Prozeßregelparameter geregelt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Parameter eine Totzeit und einen Gradienten einschließen.

4. Vorrichtung zur Gewinnung von Parametern, die einem anpassungsfähigen Regelgerät zur Prozeßregelung zuzuführen sind, enthaltend:

Erzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung eines Identifikationssignals;

Subtraktionseinrichtung (16) zur Subtraktion einer geregelten Variable, die von der Regelstrecke ausgegeben ist, von einem eingestellten Wert, um einen Differenzwert zu erhalten;

Regeleinrichtung (11) zur Regelung einer manipulierten Variable entsprechend dem Differenzwert; Additionseinrichtung (15) zur Addition des Identifikationssignals zur manipulierten Variable, um so der Regelstrecke (12) einen addierten Wert zuzuführen; und

Abtasteinrichtungen (17, 19) zur Abtastung der addierten Werte und der geregelten Variable, die von der Regelstrecke (12) ausgegeben ist, gemäß dem addierten Wert während einer gewünschten Periode, um Abtastwerte zu erhalten;

gekennzeichnet durch

Modusauswähleinrichtung (18) zur Auswahl eines von einem Offenkreismodus und einem Regelkreismodus, wobei die ausgegebene geregelte Variable der Subtraktionseinrichtung (16) zugeführt ist, wenn der Regelkreismodus gewählt ist;

erste Gewinnungseinrichtung (19) zur Gewinnung der primären Regelparameter durch Detektion der charakteristischen Parameter, die einen Zustand der Regelstrecke darstellen, aus den Abtastwerten, wenn der Offenkreismodus gewählt ist; und

zweite Gewinnungseinrichtung (17) zur Gewinnung der Prozeßregelparameter durch Angleichen eines charakteristischen Modells der Regelstrecke, die durch die Abtastwerte abgeschätzt ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch weiterhin enthaltend:

Additionseinrichtung (14) zur Addition des Identifikationssignals zu einem eingestellten Wert, um einen addierten Wert zu erhalten, und zum Anlegen des addierten Werts an die Subtraktionseinrichtung (16) als den eingestellten Wert, von dem die geregelte Variable, die von der Regelstrecke ausgegeben ist, zu subtrahieren ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die manipulierte Variable entsprechend einem der primären Regelparameter und der Prozeßregelparameter geregelt ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Parameter eine Totzeit und einen Gradienten einschließen.