DE69117652T2

DE69117652T2 - Adaptiver Regler in einem Prozessregelsystem und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE69117652T2
Application number: DE69117652T
Authority: DE
Inventors: Morton Sklaroff
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1990-10-24
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: CA2052556A1; JPH04342001A; AU8573191A; US5170341A; KR920008564A; ES2084118T3; EP0482900A3; EP0482900A2; EP0482900B1; DE69117652D1; AU642042B2; KR100188830B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Regler vom PID-Typ und insbesondere auf einen automatisch abgestimmten Regler vom PID-Typ und ein adaptives Steuerverfahren für diesen.
In einem herkömmlichen Prozeß-Regelsystem mit Rückkopplung wird ein Betrieb mit proportionalem, integralem und verzögerndem Verhalten (PID) in Bezug auf eine Abweichung (e) zwischen einem Sollwert (sp) und einer Prozeßvariablen (pv), die aus dem Prozeß zurückgeführt wird, durchgeführt und das Ergebnis des PID-Betriebs wird als ein Steuersignal dem Prozeß zugeführt. Um eine optimale Steuerung des Prozesses durchzuführen, ist es erforderlich, daß die PID-Parameter zur Ausführung des entsprechenden PID-Betriebs auf ihre Optimalwerte eingestellt werden. Herkömmlicherweise werden die PID-Parameter manuell eingestellt. Um die manuelle Einstellung zu verwirklichen, sind ein Verfahren mit einer Schrittantwort und ein Verfahren mit einer Grenzempfindlichkeit wohlbekannt. Bei beiden Verfahren braucht es jedoch eine lange Zeit für die Messung der Charakteristik und die Prozeßsteuerung wird angehalten, während die Messung bewirkt wird, so daß der Wert der zu diesem Zeitpunkt erhaltenen pv nicht der am meisten erwünschte ist.
Andererseits sind Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen die PID-Parameter automatisch (d.h. nicht manuell) festgestellt werden. Ein solches automatisches Verfahren ist in dem US-Patent 4 602 326 beschrieben, bei welchem die PID-Parameter gemäß vorgeschriebenen Beziehungen berechnet werden, die durch Überschwing- und Zeitperiodencharakteristiken definiert sind.
Die vorliegende Erfindung gibt ein Prozeß-Regelsystem mit einem adaptiven Regler vor, der eine Prozeßvariable eines Prozesses regelt und eine vorbestimmte Übertragungsfunktion und vorbestimmte zugeordnete Prozeßparameter aufweist, wobei der adaptive Regler automatisch an den Prozeß angepaßt wird, so daß ein Ausgangs- Regelsignal des adaptiven Reglers, das dem Prozeß aufgeschaltet wird, den Prozeß zur Ausgabe eines Prozeßvariablen-Signales veranlaßt, das vorbestimmte Charakteristiken besitzt, wobei das System aufweist: Eine Einrichtung zur Ausgabe einer Stufenfunktion für das Ausgangs-Regelsignal mit einem Wert, bei dem das Prozeßvariablen-Signal dem Sollwert-Signalwert entspricht, wobei das Sollwertsignal in das Prozeßregelsystem eingegeben wird; eine differenzbildende Einrichtung zur Ausgabe eines Fehlersignales zwischen dem Prozeßvariablen-Signal und dem Sollwert-Signalwert; eine Einrichtung zur Rückführung des Prozeßvariablen-Signales zu dem Regler, um den Prozeß zu identifizieren; eine Einrichtung zur Berechnung von Anpaßparametem, die die Reglerverstärkung, die Integrations-Zeitkonstante und die Differentiations-Zeitkonstante umfassen für den adaptiven Regler; eine Binrichtung zur Überwachung des Prozeßvariablen-Signales, unabhängig von dem Fehlersignal, nachdem eine Ausregelung aufgetreten ist; eine Einrichtung zur Einstellung der Anpaßparameter, um Prozeßparameteränderungen zu kompensieren, wenn irgendeine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal ohne entsprechende Änderung in dem Sollwertsignal auftritt, wobei die Binstelleinrichtung Mittel umfaßt, um festzustellen, ob das Prozeßvariablen- Signal oszilliert, um daraufhin die Integrations-Zeitkonstante zu erhöhen, wenn die Oszillationsfrequenz der Prozeßvariablen gleich oder geringer als eine Frequenz entsprechend der Integrations-Zeitkonstante ist, eine Einrichtung, um die Differentiations- Zeitkonstante auf die Oszillationsperiode einzustellen, wenn die Oszillationsfrequenz größer als die Frequenz entsprechend der Integrations-Zeitkonstante ist, eine Einrichtung zur Reduzierung der Reglerverstärkung, wenn sich die Oszillation nach den Einstellungen der Einstelleinrichtung fortsetzt, eine Einrichtung zur Feststellung, ob das Prozeßvariablen- Signal ein gedämpftes Oszillationssignal ist, woraufhin die Differentiations-Zeitkonstante auf die Periode der gedämpften Oszillation eingestellt wird, eine Einrichtung, um festzustellen, ob die Rückführung des Prozeßvariablen-Signales zur Ausregelung exzessiv ist, woraufhin die Integrations-Zeitkonstante und die Differentiations-Zeitkonstante im Wert vermindert wird, und eine Einrichtung, um festzustellen, ob sich die Reglerverstärkung so ändert, daß ein unterschiedlicher adaptiver Reglerausgang erforderlich ist um das Prozeßvariablen-Signal bei gleichem Sollwert-Signalwert beizubehalten, woraufhin eine neue Reglerverstärkung errechnet wird; eine Einrichtung zur Wiederholung der Prozedur, beginnend mit der Einrichtung zur Ausgabe einer Stufenfunktion, wenn keine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal auftritt und ein neuer Sollwert eingegeben wird; und eine Einrichtung zur Wiederholung des Betriebs der Einstelleinrichtung, wenn kein neuer Sollwert eingegeben wird.
Die vorliegende Erfindung gibt ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Prozeß- Regelsystems mit einem adaptiven Regler vor, der eine Prozeßvariable eines Prozesses regelt und eine vorbestimmte Übertragungsfunktion und vorbestimmte zugeordnete Prozeßparameter aufweist, wobei der adaptive Regler automatisch an den Prozeß angepaßt wird, so daß ein Ausgangs-Regelsignal des adaptiven Reglers, das dem Prozeß aufgeschaltet wird, den Prozessor zur Ausgabe eines Prozeßvariablen-Signales veranlaßt, das vorbestimmte Charakteristiken besitzt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Beim Empfang eines Eingangs, der dem Regelprozeß den Beginn vorgibt
a) Ausgabe einer Stufenfunktion für das Ausgangs-Regelsignal mit einem Wert, bei dem das Prozeßvariablen-Signal dem Sollwert-Signalwert entspricht, wobei das Sollwertsignal in das Prozeßregelsystem eingegeben wird;
b) Rückführung des Prozeßvariablen-Signales zu dem Regler, um den Prozeß zu identifizieren;
c) Berechnung von Anpaßparametern, die die Regelverstärkung, die Integrations- Zeitkonstante und die Differentiations-Zeitkonstante umfassen für den adaptiven Regler;
d) Überwachung des Prozeßvariablen-Signales nach der Ausregelung;
e) wenn irgendeine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal ohne eine entsprechende Änderung in dem Sollwert-Signal auftritt;
i) Einstellung der Anpaßparameter, um Prozeßparameteränderungen zu kompensieren, was umfaßt;
a) Feststellung, ob das Prozeßvariablen-Signal oszilliert, woraufhin, wenn die Oszillationsfrequenz der Prozeßvariablen gleich oder geringer als eine Frequenz entsprechend der Integrations- Zeitkonstanten ist,
i) die Integrations-Zeitkonstante erhöht wird, andernfalls ii) die Differentiations-Zeitkonstante auf die Oszillationsperiode eingestellt wird,
und iii) wenn die Oszillation sich fortsetzt nach den Einstellungen des Schrittes (e.i.a.i. und e.i.a.ii) die Reglerverstärkung vermindert wird;
b) Feststellung, ob das Prozeßvariablen-Signal ein gedämpftes Schwingungssignal ist, woraufhin die Differentiations-Zeitkonstante auf die Periode dieser gedämpften Schwingung eingestellt wird;
c) Feststellung, ob die Rückkehr des Prozeßvariablen-Signales bei der Ausregelung exzessiv ist, woraufhin die Integrations-Zeitkonstante und die Differentiations-Zeitkonstante im Wert vermindert werden;
d) Feststellung, ob sich die Prozeßverstärkung so ändert, daß ein unterschiedlicher adaptiver Reglerausgang erforderlich ist, um das Prozeßvariablen-Signal mit dem gleichen Sollwert-Signalwert aufrechtzuerhalten, woraufhin eine neue Prozeßverstärkung berechnet wird; und
ii) fortfahren zu dem Schritt (f),
iii) andernfalls, wenn keine Anderung in dem Prozeßvariablen-Signal auftritt, fortfahren zu dem Schritt (f); und
f) wenn ein neuer Sollwert eingegeben wird,
i) Wiederholung des Verfahrens beginnend mit dem Schritt (a);
andernfalls ii) Wiederholung des Schrittes (e).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Steuersystems, welches einen adaptiven Regler der vorliegenden Erfindung umfaßt und wobei der adaptive Regler das hierfür vorgesehene Verfahren verwendet;
Figuren 2A bis 2C, die zusammen Figur 2 bilden, zeigen Blockdiagramme des typischen Steuersystems oder von Teilen davon;
Figur 3 zeigt ein Flußdiagramm des adaptiven Steuerverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegende Erfindung;
Figur 4 zeigt einen typischen Verlauf einer Prozeßvariablen als Funktion der Zeit für einen Prozeß mit zwei Verzögerungen; und
Figur 5 zeigt ein Flußdiagramm der Prozeß-Änderungskompensation gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Gemäß Figur 1 ist ein Blockdiagramm eines Regelsystems dargestellt, welches den adaptiven Regler der vorliegenden Erfindung enthält. Das Steuersystem umfaßt einen Prozeß 10, der ein Signal, die Prozeßvariable (pv) ausgibt, entsprechend einem vorbestimmten Parameter, wie beispielsweise der Temperatur, des Druckes, des Flusses, usw. Ein Eingangssignal des Systems 1, der Sollwert (sp) besitzt einen zugeordneten Wert, der einen gewünschten Wert für den Ausgang bzw. die Prozeßvariable vorgibt. Das Sollwertsignal und das Prozeßvariablen-Signal werden einer differenzbildenden Einrichtung 23 eingegeben, welche ein Fehlersignal e ausgibt, welches sodann auf einen Anpaßschaltkreis 21 und einen Regler 22 aufgeschaltet wird. Der Regler 22 kann ein Mikroprozessor sein, wie dies dem Fachmann wohlbekannt ist. Der Anpaßschaltkreis 21 und der Regler 22 arbeiten miteinander zusammen, um einen adaptiven Regler gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Der Regler 22 empfängt das Fehlersignal und erzeugt ein Ausgangssignal C&sub0;, welches das Ausgangssignal des Prozesses 10 veranlaßt, dem Eingangssignal zu folgen, so daß sp=pv ist, an welchem Zeitpunkt eine Ausregelung aufiritt. Die differenzbildende Einrichtung 23, der Anpaßschaltkreis 21 und der Regler 22 können zusammengepackt werden, um einen industriellen Regler 20 zu bilden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Ausgangssignal (Prozeßvariable pv) direkt dem Regler 22 zugeführt. Auf diese Weise kann der Regler unter Sofiwaresteuerung das Fehler-Eingangssignal und den Eingang des Prozeßvariablen- Signales entkoppeln, um dadurch den Regler 22 in die Lage zu versetzen, den Prozeß 10 direkt zu überwachen. Auf diese Weise kann, nachdem der adaptive Regler 21, 22 (manchmal der Einfachheit halber als Regler 22 bezeichnet) anfänglich den Prozeß (weiter unten zu beschreiben) identifiziert hat und sich selbst angepaßt hat im Fall, wo eine Veränderung des Prozeßparameters auftritt, dies leicht durch den adaptiven Regler festgestellt werden. Die festgestellte Änderung kann in einer oder mehreren Variablen der Prozeßverstärkung, den Zeitkonstanten oder der Totzeit (d.h. in einer Veränderung in dem Prozeß 10) liegen. Veränderungen in dem Prozeß 10 und somit der Prozeßparameter können ein Schwingen von pv hervorrufen oder veranlassen, daß pv in eine gedämpfte Oszillation übergeht. In einem solchen Fall erfordert der Regler 22 eine Kompensation der Änderungen durch seine PID-Parameter um pv auf dem Sollwert beizubehalten. Somit paßt der adaptive Regler der vorliegenden Erfindung sich selbst automatisch neu auf Grund von Änderungen an, die in dem Prozeß 10 ohne jede entsprechende Änderung des Sollwertsignales festgestellt. werden.
Gemäß Figur 2a, welche zusammen mit den Figuren 2b und 2c Figur 2 bildet, ist ein Blockdiagramm eines typischen Regelsystems dargestellt. Figur 2a umfaßt eine Einrichtung 200 mit einem Ein- und einem Ausgang und einer Übertragungsfunktion T(s). Ein Eingangssignal IN und der Ausgang der Einrichtung D 200 (OUT) sind an eine differenzbildende Einrichtung 23 angeschlossen, welche einen Fehler e an den Eingang der Einrichtung ausgibt, so daß gilt:
Auf Grund eines Schritt-Einganges ergibt sich
Gemäß Figur 2b ist ein Blockdiagramm einer typischen Einrichtung eines Regelsystems ähnlich demjenigen in Figur 2a dargestellt, wobei die Einrichtung von Figur 2a in zwei Einrichtungen 201, 202 aufgespalten ist. Die Übertragungsfunktion der Blöcke 201, 202 entspricht in der Kombination derjenigen der Einrichtung 200 in Figur 2a. Somit ergibt sich die Übertragungsfunktion der aufgeteilten Einrichtungen von Figur 2b wie folgt:
T(s) = G&sub1;(s) G&sub2;(s) (3)
wobei:
pv = Prozeßvariable (aktueller Wert)
sp = Sollwert (gewünschter oder befohlener Wert)
G&sub1;(s) = Übertragungsfunktion des industriellen Reglers 20 (oder des Reglers 22)
G&sub2;(s) = Übertragungsfunktion des Prozesses 10
Die meisten industriellen Prozesse bestehen aus einer oder zwei Verzögerungen mit oder ohne Totzeit. Somit nehmen die entsprechenden Übertragungsfunktionen die folgende Form an:
a) Einzelverzögerung ohne Totzeit
b) Doppelverzögerung ohne Totzeit
c) Einzelverzögerung mit Totzeit
d) Doppelverzögerung mit Totzeit
Der Block 202 besitzt eine Übertragungsfunktion G&sub2;(s), welche eine Funktion des Prozesses 10 ist und daher im wesentlichen vorgegeben ist; somit ist keine Steuerung der Prozeßparameter gegeben, die ausgeübt werden kann. Der Block 201 besitzt eine Übertragungsfunktion G&sub1;(s) entsprechend der Übertragungsfunktion des Reglers 20. Die Übertragungsfunktion G&sub1;(s) ist steuerbar und kann wie folgt dargestellt werden
Der Block 201 ist weiter unterteilt wie dies in Figur 2(c) dargestellt ist, so daß gilt: Gain
Somit ist G&sub1;(s) = K(s) I(s) S(s) und es ergibt sich in Abhängigkeit von dem Typ des Prozesses G&sub2;(s):
a) Einzelverzögerung ohne Totzeit
G&sub1;(s) = K(s) I(s)
b) Doppelverzögerung ohne Totzeit
G&sub1;(s) = K(s) I(s) S(s)
c) Einzelverzögerung mit Totzeit
G&sub1;(s) = K(s) I(s)
b) Doppelverzögerung mit Totzeit
G&sub1;(s) = K(s) I(s) S(s)
In Abhängigkeit von dem Prozeß 10 (d.h. G&sub2;(s)) ist der Regler 20 in der Lage, ein kritisch gedämpftes System vorzugeben, indem K(s) I(s) und/oder S(s) geschaltet werden (durch Einstellung einer geeigneten Konstanten entsprechend irgendeinem vorbestimmten Wert oder entsprechend Null oder irgendeiner anderen äquivalenten Einrichtung). Die Anpaßkonstanten (oder PID-Konstanten, welche K, I und S hier entsprechen), werden wie folgt festgelegt:
Gc = Reglerverstärkung
Ti = Integrations-Zeitkonstante
Td = Verzögerungs-Zeitkonstante
a = Mengen-Verstärkungskoeffizient, welcher mit 0,125 im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung festgelegt ist.
Gemäß Figur 3 ist ein Flußdiagramm des adaptiven Regelverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Verfahren des bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung startet mit der Auslösung des Regelprozesses (Block 300). Bei der Auslösung des Prozesses bringt ein Benutzer den Prozeß auf ungefähr 10 % seines Bereiches durch eine Handsteuerung. Der Benutzer wählt einen Sollwert entsprechend einer Prozeßvariablen mit niedrigem Wert aus, wobei die Prozeßvariable typischerweise ungefähr 10 % der maximalen Ausgangsleistung beträgt (z.B. würde die Prozeßvariable eine ungefähr 10-prozentige Ventilöffnung anzeigen, wenn die Prozeßvariable ein Ventil steuert oder sie würde einen Brenner mit 10 % einschalten, um einen Ausgang mit geringer Hitze zu erhalten, wenn die Prozeßvariable einen Ofen steuert,...). Wenn schließlich eine Ausregelung bei diesem Anlaufmodus aufirin (sp = pv), so befindet sich der Prozeß im wesentlichen in einem Wartezustand.
Wenn die automatische Regelung starten soll, so wird ein gewünschter Sollwert in das Regelsystem eingegeben und dem automatischen Prozeß wird der Beginn befohlen, der allgemein eine Handbetätigung, wie beispielsweise das Niederdrücken eines Drucklmopfes "Automatischer Start" (Block 305) ist. Der Regler 20 berechnet einen Ausgangswert C&sub0;, welcher voraussetzt, daß die Prozeßvariable dem Sollwert entspricht. Diese Berechnung basiert auf dem Ausgang des Reglers, der erforderlich war, um pv auf den 10 %-Wert zu bringen. Der Regler 20 gibt ein Schrittsignal zu dem berechneten Wert (Block 310) aus und beginnt die Totzeit (Block 315) zu identifizieren. Der Regler schaut nach der Prozeßvariablen, um eine Bewegung nach der Ausgabe der Schrittänderung zu starten und er mißt die Zeit, die es braucht, von der Schrittänderung bis zu irgendeinem vorbestimmten geringen Zuwachs in dem Wert pv. Diese Zeit wird als Totzeit DT bezeichnet. Wenn der Wert der Prozeßvariablen unmittelbar nach Ausgabe des Schrittsignales anwächst, so stellt der Regler fest, daß keine Totzeit vorliegt (DT = 0). Das Verfahren fährt fort, die Art des Prozesses 10 zu identifizieren, der in dem Steuersystem 1 (Block 320) enthalten ist. Wenn der Wert pv anzusteigen beginnt, so mißt der Regler 22 die Neigung. Wenn die Neigung kontinuierlich vom Beginn des Anstiegs anwächst, so wird dem Prozeß eine Einfachverzögerung zugeordnet. Eine Prozeß-Zeitkonstant T&sub1; und eine Verstärkung K im eingeschwungenen Zustand werden aus den Gleichungen 4 und 5 berechnet.
wobei:
PV&sub1; und PV&sub2; zwei Messungen von PV während ihres Anstiegs sind. PV&sub1; und PV&sub2; sind zwei Neigungsmessungen, die PV&sub1; und PV&sub2; entsprechen. C&sub0; ist die Schrittgröße des Reglerausganges.
Wenn der Wert von pv anzusteigen beginnt, so mißt der Regler die Neigung. Wenn die Neigung auf ein Maximum ansteigt und sodann abfällt, so weist der Prozeß zwei Verzögerungen auf Die Zeit vom Beginn des Anstiegs bis zu dem Punkt der maximalen Neigung wird gemessen und als t&sub1; bezeichnet. Die Prozeß-Zeitkonstanten T&sub1;, T&sub2; und die Verstärkung K im eingeschwungenen Zustand werden gemäß dem Verfahren berechnet, wie es unten beschrieben ist. Gemäß Figur 4 ist ein Verlauf der Prozeßvariablen in Abhängigkeit von der Zeit für ein System mit zwei Verzögerungen dargestellt.
Aus der allgemeinen Gleichung
Kco = PV + (T&sub1; + T&sub2;) PV wird
CoK = mfnt&sub1; + PV&sub1; leicht hergeleitet.
Wobei: m = tan x = PV&sub1;, und
PV&sub1; = Prozeßvariable bei t&sub1;
Ferner
Wobei; n = T&sub1;/T&sub2;
Durch Messen von t&sub1;, PV&sub1; & PV&sub2;, durch Kenntnis von C&sub0; und durch Wahl von fn = 3,3 können K, T&sub1; und T&sub2; vernünftig angenähert werden.Diese Annäherung wird verwendet für die anfängliche Anpassung des Reglers (welche weiter unten beschrieben wird), um Gc, Ti und Td (Block 325) zu berechnen.
Wenn sich der Prozeß der Ausregelung annähert (Block 330) so wird ein genauer Wert von K gemessen und ein neuer Wert von fn berechnet. Hieraus werden neue Werte von T&sub1; und T&sub2; berechnet und der Regler wird genauer neu angepaßt (Block 335).
Nach erneuter Berechnung im Block 335 überwacht der Regler pv und sp. Wenn eine Prozeß-Parameteränderung auftritt, ohne eine entsprechende Änderung in dem Sollwert sp (Block 340), so werden Änderungen in den Prozeßparametem bestimmt. Wenn keine Änderung von pv ohne eine entsprechende Änderung auftritt, so wird ein Sollwert überwacht, um festzustellen, ob ein neuer Sollwert eingegeben ist (Block 345). Wenn kein neuer Sollwert eingegeben ist, fährt der Regler 22 fort, das System zu überwachen und die gewünschte pv am Ausgang aufrechtzuerhalten. Wenn ein neuer Sollwert eingegeben wird (Block 345), so startet der Prozeß erneut mit der Ausgabe des Schrittes im block 310 und wiederholt die Festlegung der Totzeit bei der Berechnung der Prozeßparameter (Blöcke 310 bis 335).
Wenn eine Veränderung der Prozeßvariablen festgestellt wird ohne die entsprechende Änderung in dem Sollwert (Block 340, so werden Veränderungen in den Prozeßparametern festgestellt.
Gemäß Figur 5 ist ein Flußdiagramm der Prozeß-Änderungskompensation dargestellt.
Wenn Änderungen in den Prozeßparametem eine Oszillation von PV mit einer Frequenz w&sub0; (Block 400) hervorrufen, so gilt
(Ti = Integrations-Zeitkonstante)
Der Regler 22 verschiebt seine Frequenz, so daß gilt:
wi = 0,5 w&sub0;.
Wenn w&sub0; > wi
Der Regler verschiebt seine Frequenz, so daß gilt: wd = w&sub0; wobei:
(Td = Verzögerungs-Zeitkonstante)
Wenn sich die Oszillation fortsetzt, so wird der Regler seine Verstärkung auf die Hälfte reduzieren.
Wenn Änderungen in dem Prozeß veranlassen, daß PV in eine gedämpfte Oszillation bei einer Frequenz wo übergeht (Block 405) so bildet der Regler 22:
wd = w&sub0;
Wenn eine Prozeßstörung auftritt und die Zeit bis zur Ausregelung beträgt:
t > DT + T + T&sub2; (Block 410)
Wobei:
t = Zeit
DT = Totzeit
T&sub1; & T&sub2; = Prozeß-Zeitkonstanten
so wird der Regler 22 die Frequenz erhöhen, indem er wi und Wd mit 1,3 multipliziert.
Wenn sich die Prozeßverstärkung verändert, so daß ein unterschiedlicher Ausgang des Reglers erforderlich ist, um PV auf dem gleichen Sollwert beizubehalten (Block 415), so wird die neue Prozeßverstärkung bestimmt durch
wobei:
Kn = Neue Prozeßverstärkung
Ko = Alte Prozeßverstärkung
Coo = Alter Ausgang des Reglers
Con = Neuer Ausgang des Reglers
In der oben beschriebenen Weise paßt sich der Prozeßregler automatisch selbst Änderungen in dem Prozeß an, ohne Eingriff von außen.
Die Regler-Anpassung ist im Anhang A beschrieben. Andere Prozesse können in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung identifiziert werden, wie beispielsweise jene Prozesse 10 mit drei Verzögerungen. Diese Prozesse treten typischerweise mit zwei Verzögerungen und einer Totzeit auf. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung identifiziert den Prozeß als solchen und der Regler 22 wird in geeigneter Weise angepaßt, wie dies zuvor beschrieben wurde.

ANHANG A

Im allgemeinen gibt es drei Verfahren der verwendeten Regleranpassung. Diese Verfahren gelten für Soliwertänderungen in Prozessen mit und ohne Totzeit und für Prozeßparameteränderungen in jedem Prozeß.
Die Übertragungsfunktion des Reglers ist durch die PID-Gleichung mit realen Nullstellen gegeben.
wobei:
Gc = Reglerverstärkung
Ti = Integrations-Zeitkonstante
Td = Verzögerungs-Zeitkonstante
a = Mengen-Verstärkungskoeffizient
( a = 0,125)
Für Sollwertänderungen in Prozessen ohne Totzeit besteht die Regleranpassung in der Streichung von Polstellen. Die Nullstellen von EQ(A) werden angepaßt, um die Prozeß- Polstellen in EQ(B) zu streichen.
wobei: K = Prozeßverstärkung im eingeschwungenen Zustand
T&sub1;, T&sub2; = Prozeß-Zeitkonstanten
(T&sub1; > T&sub2;)
Bei der Anpassung mit Polstellen-Streichung gilt:
Für Sollwertänderungen in Prozessen mit Totzeit ist die Regleranpassung eine solche wie sie von E. B. Dahlin entwickelt wurde. Die Prozeß-Übertragungsfunktion ist gegeben durch:
wobei: DT = Totzeit
Bei der Dahlin-Anpassung gilt:

Claims

1. Prozeß-Regelsystem (1) mit einem adaptiven Regler (22), der eine Prozeßvariable (PV) eines Prozesses regelt und eine vorbestimmte Übertragungsfunktion und vorbestimmte zugeordnete Prozeßparameter aufweist, wobei der adaptive Regler automatisch an den Prozeß angepaßt wird, so daß ein Ausgangs-Regelsignal (C&sub0;) des adaptiven Reglers, das dem Prozeß aufgeschaltet wird, den Prozeß zur Ausgabe eines Prozeßvariablen- Signales veranlaßt, das vorbestimmte Charakteristiken besitzt, wobei das System aufweist:

eine Einrichtung zur Ausgabe einer Stufenfunktion für das Ausgangs-Regelsignal mit einem Wert, bei dem das Prozeßvariablen-Signal dem Sollwert-Signalwert (SP) entspricht, wobei das Sollwertsignal in das Prozeßregelsystem eingegeben wird;

eine differenzbildende Einrichtung zur Ausgabe eines Fehlersignales zwischen dem Prozeßvariablen-Signal und dem Sollwert-Signalwert;

eine Einrichtung zur Rückftihrung des Prozeßvariablen-Signales zu dem Regler, um den Prozeß zu identifizieren;

eine Einrichtung zur Berechnung von Anpaßparametern, die die Reglerverstärkung (Gc), die Integrations-Zeitkonstante (T&sub1;) und die Differentiations-Zeitkonstante (Td) umfassen, für den adaptiven Regler;

eine Einrichtung zur Überwachung des Prozeßvariablen-Signales unabhängig von dem Fehlersignal, nachdem eine Ausregelung aufgetreten ist;

eine Einrichtung zur Einstellung der Anpaßparameter, um Prozeßparameteränderungen zu kompensieren, wenn irgendeine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal ohne entsprechende Anderung in dem Sollwertsignal auftritt, wobei die Einstelleinrichtung Mittel umfaßt, um festzustellen, ob das Prozeßvariablen-Signal oszilliert, um daraufhin die Integrations-Zeitkonstante (Ti) zu erhöhen, wenn die Oszillationsfrequenz (W&sub0;) der Prozeßvariablen (PV) gleich oder geringer als eine Frequenz (Wi) entsprechend der Integrations-Zeitkonstante ist, eine Einrichtung, um die Differentiations-Zeitkonstante (Td) auf die Oszillationsperiode einzusteflen, wenn die Oszillationsfrequenz (W&sub0;) größer als die Frequenz (Wi) entsprechend der Integrations-Zeitkonstante ist, eine Einrichtung zur Reduzierung der Reglerverstärkung (Gc), wenn sich die Oszillation nach den Einstellungen der Einstelleinrichtung fortsetzt, eine Einrichtung zur Feststellung, ob das Prozeßvariablen-Signal ein gedämpftes Oszillationssignal ist, woraufhin die Differentiations-Zeitkonstante (Td) auf die Periode der gedämpften Oszillation eingestellt wird, eine Einrichtung, um festzustellen, ob die Rückführung des Prozeßvariablen-Signales zur Ausregelung exzessiv ist, woraufhin die Integrations- Zeitkonstante (Ti) und die Differentiations-Zeitkonstante (Td) im Wert vermindert wird, und eine Einrichtung, um festzustellen, ob sich die Reglerverstärkung so ändert, daß ein unterschiedlicher adaptiver Reglerausgang erforderlich ist, um das Prozeßvariablen- Signal bei gleichem Sollwert-Signalwert beizubehalten, woraufhin eine neue Reglerverstärkung errechnet wird;

eine Einrichtung zur Wiederholung der Prozedur beginnend mit der Einrichtung zur Ausgabe einer Stufenfunktion, wenn keine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal auftritt und ein neuer Sollwert eingegeben wird; und

eine Einrichtung zur Wiederholung des Betriebs der Einstelleinrichtung, wenn kein neuer Sollwert eingegeben wird.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ausftihrung einer anfänglichen Regleranpassung, eine Einrichtung zum Abwarten einer Ausregelung und einer Einrichtung zur Berechnung endgültiger Werte von Anpaßparametern, um den adaptiven Regler genauer anzupassen.

3. Verfahren zum Betrieb eines Prozeß-Regelsystems (1) mit einem adaptiven Regler (22), der eine Prozeßvariable (PV) eines Prozesses regelt und eine vorbestimmte Übertragungsfunktion und vorbestimmte zugeordnete Prozeßparameter aufweist, wobei der adaptive Regler automatisch an den Prozeß angepaßt wird, so daß ein Ausgangs-Regelsignal (Co) des adaptiven Reglers, das dem Prozeß aufgeschaltet wird, den Prozessor zur Ausgabe eines Prozeßvariablen-Signales veranlaßt, das vorbestimmte Charakteristiken besitzt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Beim Empfang eines Eingangs, der dem Regelprozeß den Beginn vorgibt,

a) Ausgabe einer Stufenfunkion für das Ausgangs-Regelsignal mit einem Wert, bei dem das Prozeßvariablen-Signal dem Sollwert-Signalwert (SP) entspricht, wobei das Sollwertsignal in das Prozeßregelsystem eingegeben wird;

b) Rückführung des Prozeßvariablen-Signales zu dem Regler (22), um den Prozeß zu identifizieren;

c) Berechnung von Anpaßparametern, die die Regelverstärkung (Gc), die Integrations-Zeitkonstante (T&sub1;) und die Differentiations-Zeitkonstante (Td) umfassen, für den adaptiven Regler;

d) Überwachung des Prozeßvariablen-Signales nach der Ausregelung;

e) Wenn irgendeine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal ohne eine entsprechende Änderung in dem Sollwert-Signal auftritt,

i) Einstellung der Anpaßparameter, um Prozeßparameteränderungen zu kompensieren, was umfaßt:

a) Feststellung, ob das Prozeßvariablen-Signal oszilliert, woraufhin, wenn die Oszillationsfrequenz (Wo) der Prozeßvariablen gleich oder geringer als eine Frequenz (Wi) entsprechend der Integrations-Zeitkonstanten ist,

i) die Integrations-Zeitkonstante erhöht wird,

andernfalls ii) die Differentiations-Zeitkonstante auf die Oszillationsperiode eingestellt wird,

und iii) wenn die Oszillation sich fortsetzt nach den Einstellungen des Schrittes (e.i.a.i. und e.i.a.ii) die Reglerverstärkung vermindert wird;

b) Feststellung, ob das Prozeßvariablen-Signal ein gedämpftes Schwingungssignal ist, woraufhin die Differentiations-Zeitkonstante auf die Periode dieser gedämpften Schwingung eingestellt wird;

c) Feststellung, ob die Rückkehr des Prozeßvariablen-Signales bei der Ausregelung exzessiv ist, woraufhin die Integrations-Zeitkonstante und die Differentiations-Zeitkonstante im Wert vermindert werden;

d) Feststellung, ob sich die Prozeßverstärkung so ändert, daß ein unterschiedlicher adaptiver Reglerausgang erforderlich ist, um das Prozeßvariablen-Signal bei dem gleichen Sollwert-Signalwert aufrechtzuerhalten, woraufhin eine neue Prozeßverstärkung berechnet wird; und

ii) Fortfahren zu dem Schritt (f),

iii) andernfalls, wenn keine Änderung in dem Prozeßvariablen-Signal auftritt, fortfahren zu dem Schritt (f); und

f) wenn ein neuer Sollwert eingegeben wird:

i) Wiederholung des Verfahrens beginnend mit dem Schritt (a);

andernfalls ii) Wiederholung des Schrittes e).

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch :

i) Ausführung einer anfänglichen Regleranpassung; ii) Abwarten, ob eine Ausregelung auftritt; und iii) Berechnung von endgültigen Werten der Anpaßparameter, um den adaptiven Regler genauer anzupassen.