DE69129241T2

DE69129241T2 - Selbsteinstellender regler

Info

Publication number: DE69129241T2
Application number: DE69129241T
Authority: DE
Inventors: Edgar H. Foxboro Ma 02035 Bristol; Peter D. Wellesley Hills Ma 02181 Hansen
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2011-10-29
Also published as: KR100194451B1; DE69129241D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf sich selbst einstellende, adaptive Steuereinrichtungen bzw. Regler zum Steuern eines Prozesses und insbesondere auf Muster erkennende, sich selbst einstellende Steuereinrichtungen bzw. Regler.
Der Mustererkennungsansatz bei der Selbsteinstellung ist ein eigenständiger Ansatz, bei dem eine zur direkten Auswirkung führende Rückkopplung einer überwachten Prozeßvariablen bzw. Regelgröße zur Festlegung der gewünschten Aktion für die Optimierung des Prozesses eingesetzt wird. Genauer gesagt, überwacht ein mit Mustererkennung arbeitender, sich selbst einstellender Regler ein bei geschlossener Schleife vorhandenes Ansprechmuster einer Prozeßmeßgröße auf natürlich auftretende, ungemessene Störungen, die durch eine Änderung des Einstellpunkts oder der Last hervorgerufen werden, kontinuierlich und bewertet ein solches Ansprechmuster automatisch. Nach jeder Störung werden die bei geschlossener Schleife vorhandenen Fehlerantwortcharakteristika wie etwa ein Überschwingen und der Abfall identifiziert und mit gewünschten Eigenschaften verglichen. Unterschiede zwischen den gewünschten Eigenschaften und den gemessenen Eigenschaften werden dann dazu benutzt, automatisch neue Einstellwerte für die Justierung des Reglers in Abhängigkeit von den Anforderungen des Prozesses zu generieren, um hierdurch einen Sollverlauf der Fehlerantwort zu erhalten. Der Sollverlauf wird derart gewählt, daß der integrierte absolute Fehler näherungsweise bzw. approximierend minimiert wird.
Das erste erfolgreiche, adaptive Prozeßsteuerungssystem mit automatischer Identifizierung und Bewertung der Prozeßantworteigenschaften eines bei geschlossener Schleife vorhande nen Antwortmusters wurde von Edgar H. Bristol, II, erfunden und ist in der US-PS 3 798 426 offenbart. Bei dem Verfahren von Bristol wird das Adaptionssystem dadurch angestoßen, daß das bei geschlossener Schleife vorhandene Antwortmuster, das von einer Störung mit einer Größe, die ein vorab ausgewähltes Störungsband überschreitet, herrührt, erfaßt wird. Sobald das Adaptionssystem angestoßen ist, werden die Totzeit und Anstiegszeit dadurch ermittelt, daß die Zeitdauer gemessen wird, die benötigt wird, bis das Antwortmuster einen vorbestimmten Prozentsatz des Extremwerts der Störung während dessen erstem halbem Zyklus erreicht. Es wird davon ausgegangen, daß die Totzeit in einer signifikanten Beziehung mit jeglicher Prozeßtotzeit steht, die am deutlichsten im frühen Stadium der Antwort der Meßgröße ist, und es wird ferner angenommen, daß die Anstiegszeit in einer signifikanten Beziehung mit der natürlichen Periode der geschlossenen Prozeßschleife steht.
Die gemessene Anstiegszeit wird normiert, damit Bewertungsintervalle für den Adaptionsprozeß bereitgestellt werden. Die Skalierungskonstanten, die zur Festlegung dieser Intervalle benutzt werden, werden derart ausgewählt, daß der erste halbe Zyklus bei einer Resonanzantwort während eines Bewertungsintervalls erzeugt wird, und der erste volle Zyklus während eines weiteren Intervalls vollständig gebildet wird. Das Antwortmuster wird bewertet, indem die integrierte Differenz zwischen dem gemessenen Regelfehler des Prozesses, der mit Hilfe der Größe der ersten Fehlerantwortspitze standardisiert ist, und einem Sollwert für jedes der Bewertungsintervalle berechnet wird. Die integrierten Differenzen werden dazu benutzt, die Betriebsparameter des Reglers so zu adaptieren, daß der Regelvorgang während der nächsten Prozeßstörung verbessert ist.
Bei einem effektiven, adaptiven Prozeßregelsystem müssen mehrere kritische Parameter durch einen Betreiber festgelegt werden. Als Beispiel ist die korrekte Auswahl der Skalierungskonstanten im Hinblick auf die Defmierung der geeigneten Bewertungsintervalle kritisch. Es können keine universellen Skalierungskonstanten für unterschiedliche Arten von Prozessen benutzt werden. Bei diesem Steuersystem ist es auch erforderlich, daß der Betreiber einen geeigneten Sollwert für jedes Bewertungsintervall auswählt. Diese Sollwerte werden üblicherweise auf der Grundlage der Erfahrungen des Betreibers mit einem jeweiligen Prozeß gewonnen.
Ein verbesserter, mit Musterkennung arbeitender, sich selbst einstellender Regler wurde von Thomas W. Kraus entwickelt. Gemäß dem Verfahren von Kraus wird der adaptive Prozeß dann eingeleitet, wenn der Fehler eine nominale Störungsschwelle überschreitet.
Sobald er eingeleitet ist, wird das bei geschlossener Schleife vorhandene Antwortmuster überwacht, um die drei ersten aufeinanderfolgenden Extremwerte oder "Spitzenwerte" und deren relativ zu dem ersten Spitzenwert gesehenen Zeitpunkte ihres Auftretens zu erfassen.
Da es üblich ist, eine übermäßig gedämpfte Regelschleifenantwort ohne drei Spitzen zu haben, wird bei dem adaptiven Prozeß von Kraus das Antwortverhalten automatisch als übermäßig gedämpft eingestuft, wenn die zweite Spitze nach der Erfassung der ersten Spitze nicht innerhalb einer vorab festgelegten Wartezeitdauer ermittelt wird. Falls eine zweite Spitze gefunden wird, wird nach der dritten Spitze während einer Zeitdauer gesucht, die proportional ist zu der Zeitdauer zwischen der ersten und der zweiten Spitze. Falls die zweite oder die dritte Spitze nicht erfaßt wird, wird die Suche nach dem Spitzenwerten beendet und es werden "Pseudo" - Spitzenwerte zugeordnet.
Die Eigenschaften des bei geschlossener Schleife erhaltenen Antwortmusters wie etwa das Überschwingen, die Dämpfung und die Periode, werden dann unter Heranziehung der gemessenen Extremwerte des Antwortmusters berechnet. Die Unterschiede zwischen diesen gemessenen Eigenschaften und den gewünschten Eigenschaften werden dann dazu benutzt, neue Betriebsparameter für die Steuerung zu berechnen, um hierdurch die Regelwirkung zu optimieren. Dieses Verfahren ist in größeren Einzelheiten in der US-PS 4 602 326 beschrieben, die an Thomas Kraus ausgegeben und mit dem Titel "Pattern-Recognition, Self-tuning Controller (Mit Mustererkennung arbeitender, sich selbst einstellender Regler)" versehen ist. Wie in den beiden Patenten von Bristol und Kraus, die hiermit durch Bezugnahme in vorliegende Beschreibung einbezogen werden, beschrieben ist, stimmt das System den Regler auf die letzte Störung ab. Dies kann zu einer nicht optimalen Einstellung des Reglers für die nächste Störung führen, falls der Prozeß nicht linear ist.
Bei dem System von Kraus sind ferner kritische Parameter vorhanden, die durch den Betreiber festgelegt werden müssen. Als Beispiel ist bei dem System von Kraus die Auswahl der vorab festgelegten Warteperiode kritisch, insbesondere wenn der Prozeß in einem breiten Bereich von Zuständen arbeitet. Diese Warteperiode ist kritisch, da sie ebenfalls zu einer Wartezeit führt, bevor die Spitzenwertsuche aktiviert wird. Falls sie nicht korrekt eingestellt ist, kann das System möglicherweise nicht effizient arbeiten. Das System besitzt weiterhin die Tendenz, die Abstimmung des Prozesses einzuengen, wenn der zweite und der dritte Spitzenwert in dem Störungsband verloren gehen. Nach mehreren Störungen kann die Antwort zu übermäßigen Schwingungen führen, wodurch das System veranlaßt wird, den Prozeß übermäßig zu korrigieren, was zu einer übermäßigen Dämpfung der Antwort führt. Weiterhin werden die Schwellwerte für das Störungsband entweder vom Benutzer gewählt, oder während eines vorhergehenden Abstimmvorgangs bei einem Zustand mit offener Schleife festgelegt. Er spricht nicht adaptiv auf Änderungen der Zustände bei einem Prozeß mit geschlossener Schleife an.
Die "ISA Transactions", Band 27, Nr.2, 1988, Seiten 43 bis 50, bezieht sich auf einen adaptiven PID-Regler mit Mustererkennung, der auf einem Ziegler-Nichols - Verfahren zum Abstimmen der Reglerparameter beruht. Ein Referenzmodell des Prozesses wird konstruiert und in den internen Aufbau des Reglers eingefügt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Das Ausgangssignal des Reglers wird sowohl an den aktuellen Prozeß als auch an das Prozeßmodell angelegt, wobei der Typ des Prozesses beispielsweise als ein Typ mit zweifacher Nacheilungsverzögerung eingestuft wird, wie dies durch Gleichung 1 gegeben ist. Der Regler wird dann auf der Grundlage der Parameter des Prozeßmodells abgestimmt.
In "Proceedings of the 27th IEEE Conference on Decision and Control", Band 3/3, 1988, Seiten 1947 bis 1951, ist ein sich selbst einstellender PID-Regler offenbart, bei dem eine Reihe von Expertensystemregeln und eine Ziegler-Nichols-Abstimmung zur Steuerung der Schwingungsantworten zum Einsatz kommen. Eine halbe Periode der Fehlerantwort kann gemessen werden, und es kann ein Ziegler-Nichols-Verhältnis für das Verhältnis zwischen der Integrationszeit und der halben Periode zum Einsatz kommen, um einen neuen Parameter für die Integrationszeit zu berechnen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine adaptive Steuereinrichtung bzw. einen adaptiven Regler zu schaffen, der bzw. die einen Einstellalgorithmus enthält, der gegenüber den Mustermerkmalen der Fehlerantwort auf eine Störung empfindlich ist, jedoch weniger empfindlich ist gegenüber dem Typ oder der Form der Störung und deren Position relativ zu einer dominanten Prozeßverzögerung.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schnellere Erholung gegenüber einer übermäßig stark gedämpften Einstellung bereitzustellen, wozu gewissermaßen eine zweite oder gewissermaßen eine dritte Spitze unter Verwendung eines Knieerfassungs schemas lokalisiert werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anzahl von kritischen Parametern, die der Benutzer zur Erzielung der gewünschten optimierten Steuerungswirkung festlegen muß, zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verschlechternde Verstellung im Hinblick auf einen Typ einer Störung zu verhindern, wenn ein zweiter Typ einer Störung oder eine Änderung des Sollpunkts auftreten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine adaptive Einstellung zu verhindern, wenn sowohl der Sollwert als auch der Meßwert der Mustermerkmale des Regelfehlers von den Störungen nicht unterschieden werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wartezeit adaptiv zu bestimmen, nachdem ein Spitzenwert erfaßt worden ist, um hierdurch sicherzustellen, daß die zusätzlichen Spitzen nicht gefunden werden können, bevor die Suche nach diesen Spitzenwerten beendet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abstimmung eines nicht linearen Prozesses zum Beginn einer Übergangsantwort unter Heranziehung von erfolgreichen, früheren Einstellvorgängen abzustimmen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aktualisieren des Störungsbands während Ruheperioden zwischen isolierten Fehlerantworten zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sich selbst einstellenden Regler bereitzustellen, der einen Parameter des Prozeßtyps ermittelt, durch den ein Prozeß zwischen dominanter Nacheilung und dominanter Verzögerung unterschieden wird, um hierdurch bei der Auswahl der Einstellparameter zu helfen, die für den bestimmten Typ des Prozesses geeignet sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum automatischen Einstellen der Steuerungsparameter eines sich selbst abstimmenden Reglers, gemäß der Definition in dem Patentanspruch 1 oder 24, und auch ein sich selbst einstellendes Steuersystem gemäß der Definition im Patentanspruch 28.
Im allgemeinen schafft die Erfindung eine sich selbst einstellende Steuereinrichtung bzw. einen sich selbst einstellenden Regler, durch die bzw. den eine bei geschlossener Schleife vorhandene Fehlerantwort zur Festlegung von geeigneten Änderungen der Reglerparameter charakterisiert wird, um hierdurch das Verhalten des Prozesses als Reaktion auf eine Störung zu verbessern. Diese Fehlerantwort oder dieses Fehlersignal kann direkt anhand einer Stellgröße des Prozesses berechnet werden, wenn der Benutzer lediglich daran interessiert ist, nur einen Parameter wie etwa das Proportionalband des Reglers anzupassen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch das Fehlersignal in Form der Differenz zwischen einem Sollpunkt und einem Meßgrößensignal des Prozessors berechnet, um hierdurch automatisch mehr als einen Parameter des Reglers zu justieren. Eine Realisierung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch eine vernünftige Auswahl der Mustermerkmale, die anhand des Fehlersignals zur Verfügung stehen, die Einstellung der Reglerparameter weniger empfindlich gegenüber der Form und der Position der Störung gemacht werden.
Zu diesem Zweck wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum automatischen Einstellen der Reglerparameter eines sich selbst einstellenden Reglers geschaffen, der zum Regeln eines Prozesses, der ein Prozeßmeßgrößensignal umfaßt, zum Einsatz kommt. Das Verfahren schließt die Erzeugung eines Fehlersignals ein, das eine bei geschlossener Schleife vorhandene Antwort des Prozesses auf einen Störzustand repräsentiert. Drei aufeinanderfolgende Amplitudenwerte des Fehlersignais werden ausgewählt und gemessen, um hierdurch gemessene Abfall- und Überschwingeigenschaften zu erzeugen. Die drei aufeinanderfolgenden Amplituden werden derart ausgewählt, daß die gemessene Abfallcharakteristik größer ist als die Überschwingcharakteristik. Mindestens einer der Steuerparameter des Reglers wird dann automatisch so eingestellt, daß der Unterschied zwischen einer der gemessenen Eigenschaften und der Solleigenschaften, oder zwischen beiden gemessenen Eigenschaften und Solleigenschaften, verringert wird.
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung wird der Typ des zu regelnden Prozesses bestimmt und es wird der ermittelte Prozeßtyp dazu benutzt, Änderungen der Regelparameter zur Erzielung einer raschen Konvergenz auf die Solleigenschaften zu berechnen. Hierbei ist anzumerken, daß der Typ des Prozesses durch den Benutzer mitgeteilt oder automatisch auf der Grundlage von Informationen, die durch die Fehlerantwort und die aktuellen Regelparameter bereitgestellt werden, bestimmt werden kann. Genauer gesagt wird der den Prozeßtyp angebende Parameter als ein interpolierender oder extrapolierender Faktor benutzt, durch den Reglerparameter und Antwortcharakteristika auf der Grundlage von vorbestimmten, von mindestens zwei unterschiedlichen Prozessen stammenden Daten miteinander in Bezug gesetzt werden.
Der Schritt der Messung von Amplitudenwerten kann das Messen von vier oder mehr aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten von lokalen Extremwerten des Fehlersignals umfassen. Falls der vierte Amplitudenwert benötigt wird, jedoch nicht ermittelt werden kann, kann er unter Verwendung der zuvor gemessenen Amplituden geschätzt werden. Drei der vier aufeinanderfolgenden Amplitudenwerte werden dann zusammengefaßt, um hieraus die charakteristischen Abkling- und Überschwingwerte für die Justierung von mindestens einem der Steuerparameter zu ermitteln. Der Schritt der Lokalisierung und Messung der Amplituden kann weiterhin das Lokalisieren eines Knies bzw. eines abknickenden Verlaufs in dem Fehlersignal umfassen, das bzw. der zeitlich später liegt als ein erster lokaler Extremwert. Das Zeitintervall zwischen einem ersten lokalen Extremwert und dem Knie bestimmt eine Zeitskala für die Fehlersignalantwort. Dieses Zeitintervall kann dann dazu benutzt werden, ein Zeitintervall für die Suche nach einem zweiten lokalen Extremwert festzulegen. Falls dieses Intervall vor der Lokalisierung eines lokalen Extremwerts ausläuft, wird das Knie dann als der Amplitudenwert benutzt, und es endet die Suche nach Spitzenwerten.
Gemäß eine weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann das Verfahren zum automatischen Einstellen der Steuerparameter des sich selbst einstellenden Reglers weiterhin den Schritt der Abtastung einer vom Benutzer ausgewählten Prozeßvariablen dann, wenn eine neue Störungsantwort detektiert wird, umfassen. Die vom Benutzer ausgewählte Prozeßvariable kann in Unterbereiche unterteilt sein, wobei jeder Unterbereich einem Satz von zuvor adaptierten Steuer- bzw. Reglerparametern entspricht. Der Unterbereich der vom Benutzer ausgewählten Variablen legt fest, welcher Satz der gespeicherten Reglerparameter am besten für die gerade ermittelte Störung geeignet ist. Das Vorzeichen der anfänglichen Fehlerantwort kann auch dazu benutzt werden, zuvor gespeicherte Sätze von Reglerparametern zu katalogisieren und aus diesen auszuwahlen.
Ein Voreilungs-Nacheilungsfilter kann ebenfalls vorgesehen werden, um ein Sollpunktsignal zu filtern, um hierdurch ein übermäßiges Fehlerüberschwingen als Reaktion auf eine Änderung des Sollpunkts in einem Fall zu verhindern, bei dem der Regler gut auf eine Laststörung abgeglichen ist. Die Nacheilung wird gleich groß festgelegt wie die Integrationszeit des Reglers. Das Verhältnis zwischen Voreilung und Nacheilung kann adaptiert werden, damit ein gewünschter Überschwingungssollwert erzielt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden, detaillierteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wobei in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen in allen jeweiligen Ansichten jeweils die gleichen Teile bezeichnen.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines adaptiven, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden Prozeßsteuersystems bzw. Prozeßregelsystems.
Fig. 2 zeigt ein Fehlersignal, das eine bei geschlossener Schleife erhaltene Antwort des in Fig. 1 dargestellten adaptiven Prozeßsteuersystems repräsentiert.
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten adaptiven Prozeßregelsystems.
Fig. 4 bis 6 zeigen Ablaufdiagramme, die die Betriebszustände des in Fig. 3 dargestellten Prozessors veranschaulichen.
Fig. 7 zeigt ein Fehlersignal, das ein Knie aufweist, das eine übermäßig gedämpfte Antwort anzeigt, bei der lediglich ein Spitzenwert vorhanden ist, der lokalisiert und bestätigt werden kann.
Fig. 8 und 9 zeigen Ablaufdiagramme, die die Arbeitsweise des Prozessors zur Bestimmung von korrigierenden Steuerparametern für den Prozeß angeben.
Fig. 10 bis 12 zeigen Verhaltensdarstellungen bzw. Kennfelder, die anhand von experimentellen Daten für eine PI-Regelung eines eine reine Verzögerung aufweisenden Prozesses, eines eine integrierende und verzögernde Komponenten enthaltenen Prozesses, und eine PID-Regelung eines mit integrierender und verzögernder Komponente versehenen Prozesses erzeugt wurden.

Detaillierte Beschreibung des Einsatzes

Die vorliegende Erfindung arbeitet mit einer Verhaltensrückkopplung zur Aktualisierung der Parameter eines PID-Reglers im Anschluß an jede signifikante Regelfehlerantwort auf natürlich auftretende Störungen. Das Verhalten wird unter Verwendung der Merkmale des Musterverlaufs der Fehlerantwort, des Überschwingens und des Abfallverhältnisses gemessen, die von der Amplitude und der Zeitskala unabhängig sind. Die Mustermerkmale einer isolierten Fehlerantwort stellen eine vollständige Information für die Aktualisierung der Steuerparameter bereit, wenn die Antwort oszillatorisch ist und das Abklingen nicht gleich ist wie das Überschwingen. Die Zielwerte für die Fehlerantwortmerkmale sind so gewählt, daß die Zeitskala der Antwort optimiert ist, wenn die Zielwerte durch eine geeignete Einstellung der Reglerparameter, wie etwa des Proportionalfaktors, der Integrationszeit und der Differentialzeit realisiert werden. Hierbei ist anzumerken, daß das Verhältnis zwischen der Differentialzeit und der Integrationszeit unter Verwendung der Kenntnisse des Typs des zu regelnden Prozesses programmiert werden kann. Der Prozeßtyp kann durch eine Interpolation oder Extrapolation von gemessenen Verhältnisdaten für das Verhältnis zwischen der Integrationszeit und der Periode mit gleichartigen Daten bestimmt werden, die für bekannte extreme Prozeßtypen wie etwa für reine Verzögerung und Integration und Verzögerung bzw. Integration und Totzeit gespeichert sind. Alternativ kann der Prozeßtyp auch von dem Benutzer oder dem Betreiber bezeichnet werden. Die Kenntnis des Prozeßtyps wird nicht nur für eine programmierte Adaption der Differentialzeit verwendet, sondern wird auch dazu benutzt, die Konvergenzrate des Proportionalbands und der Integrationszeit durch eine Interpolation oder Extrapolation von Daten, die mit dem gemessenen Verhalten zusammenhängen, zur Erreichung der Abstimmkonstanten für spezielle Prozeßtypen zu verbessern.
Für eine oszillatorische Antwort wird das Überschwingen aus dem Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzenhöhen berechnet. Das Abfallverhältnis ist die halbe Periode des Spitze - zu - Spitze - Verhältnisses, das drei aufeinanderfolgende Spitzenhöhen enthält. Die Differentialzeit läßt sich auch durch eine Verhaltensrückkopplung ermitteln, bei der eine volle Periode des Abklingverhältnisses benutzt wird, bei dem das Spitze - zu - Spitze - Verhältnis von vier aufeinanderfolgenden Spitzen beinhaltet. Jedoch ist diese Verhaltensmessung sehr empfindlich gegenüber Störungen, so daß eine programmierte Anpassung hinsichtlich der Differentialzeit auf der Grundlage einer Messung des Prozeßtyps bevorzugt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird weiterhin die Erkennung eines Beginns einer Antwort dazu ausgenutzt, den am meisten geeigneten Satz aus gespeicherten Sätzen von zuvor adaptierten PID-Abstimmungen zu wählen. An dem Ende der Antwort wird dieser Satz der gespeicherten Sätze von PID-Abstimmungen aktualisiert. Die PID-Abstimmungen werden mit der Richtung der Fehlerantwort und/oder mit Unterbereichen einer vom Benutzer festgelegten Variablen korreliert.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, gemäß der ein adaptives Prozeßregelsystem 10 ein sich selbst einstellendes Steuer- bzw. Reglersystem 12 und einen Prozeß 14 umfaßt, der durch eine gesteuerte Prozeßvariable bzw. Prozessorregelgröße 16 wie etwa die Temperatur, den Druck, den Pegel oder die Konzentration charakterisiert ist. Das sich selbst einstellende Reglersystem 12 besteht vorzugsweise aus einem PID-Regler 18 und einem Adapter 20 zum automatischen Justieren oder Abstimmen der Reglerparameter des Reglers zur Optimierung des bei geschlossener Schleife vorhandenen Verhaltens. Generell werden die Abstimm- bzw. Einstellparameter 25 (diese werden nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert) unter Heranziehung der Werte der gesteuerten Prozeßvariablen bzw. der Prozeßstellgröße 16 und eines Sollpunkts (Sollwerts) 26, der Differenz zwischen diesen Werten (diese ist als ein Fehlersignal 29 definiert und wird durch einen Summierverstärker 23 erzeugt) des Ausgangssignals 22 des Reglers und einer vom Benutzer festgelegten Variablen 31 berechnet. Die Regelparameter sind die einstellenden "Konstanten" bzw. "Einstellkonstanten", die ein Proportionalband (P), eine Integrationszeit (I), eine Differentialzeit (D) und das Voreilungs/Nacheilungs - Verhältnis eines Sollpunktkompensators umfassen können. Unter Verwendung einiger oder aller dieser Reglerparameter erzeugt der Regler 18 ein Steuersignal 22, das von einem Steuerelement 24 wie etwa von einem Ventil, zum Regeln des Prozesses 14 empfangen wird.
Der Prozeß 14 spricht auf Änderungen des Steuerelements 24 derart an, daß der Wert der Regelgröße 16 bei nicht vorhandenen Störungen 28 der Last im wesentlichen gleich groß wird wie der gewünschte Wert, der durch den Sollpunkt 26 repräsentiert ist. Das gewünschte Ergebnis besteht folglich darin, daß das Prozeßregelsystem auf Steuerfehler anspricht, die durch Änderungen des Sollpunkts 26 oder der Lasten 28 des Prozesses 14 hervorgerufen werden. Falls zum Beispiel die Größe der Änderung der Last ausreichend groß ist, um den Prozeß 14 dazu zu veranlassen, daß merkliche Änderungen des Werts der Prozeßregelgröße 16 auftreten, spricht der Regler 18 unter der Voraussetzung, daß seine Parameter gut eingestellt sind, demgemäß mit einem korrigierenden Eingriff seines Ausgangssignals 21 an, um hierdurch die Wirkungen der Störung zu beseitigen. Falls der Antwortverlauf des Fehlers eine nicht optimale Unterdrückung der Störung anzeigt, aktualisiert der Adapter 20 die Regelparameter, um hierdurch den Regler für die nächste Störung zu konditionieren.
Eine allgemeine Beschreibung des in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden, adaptiven Prozeßregelsystems 10 läßt sich am besten im Hinblick auf das Verhalten des Fehlersignals 29 als Funktion der Zeit geben, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Dieses Fehlersignal repräsentiert die bei geschlossener Schleife vorhandene Antwort des adaptiven Prozeßregelsystems 10 auf eine störende Einwirkung, die zu einem Unterschied zwischen dem Sollpunkt 26 und dem Wert der Prozeßregelgröße 16 führt. Die dargestellte störende Einwirkung wird durch eine Störung der Last 28 (wie etwa durch eine Änderung der Produktionsrate) verursacht, die den Wert der Prozeßregelgröße 16 in erheblichem Ausmaß stört. Wie vorstehend angegeben, könnte die Störung jedoch auch durch eine plötzliche Änderung des Sollpunkts 26 hervorgerufen sein. Auf der vertikalen Achse des Diagramms ist der Meßwert (E) des Fehlersignals aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit (T) mit einem beliebigen Basiswert dargestellt. Bei isolierten Schwingungsfällen bzw. Fällen mit isolierten Schwingungen ist das Fehlersignal 29 durch bis zu vier Spitzenwerte (auch als lokale Extremwerte bezeichnet) charakterisiert, die Spitzenwerte E1, E2, E3 und E4 aufweisen, die jeweils zu Zeitpunkten T1, T2, T3 bzw. T4 auftreten. Die integrierende Wirkung des Reglers 18 führt gegebenenfalls zu einer derartigen Positionierung des Ventils 24, daß der gemessene Wert des Fehlersignals im wesentlichen gleich null wird, was demjenigen Zustand entspricht, bei dem die Prozeßregelgröße 16 wieder auf ihren gewünschten Wert bzw. Sollwert zurückgekehrt ist bzw. sich auf diesen geändert hat. Ein Störungsband (NB) hat einen Wert, der der erwarteten von Spitze zu Spitze auftretenden Änderung des Fehlersignals (PPNB) während der Ruheintervalle zwischen isolierten Störungen entspricht und so gezeigt ist, daß es auf der horizontalen Zeitachse zentriert angeordnet ist. Während der Betätigungen des Systems 10 wird der Wert des Störungsbands angepaßt, was im weiteren Text näher erläutert wird.
Unter Verwendung der gemessenen Amplituden des Fehlersignals und der Zeitpunkte von deren Auftreten kann die bei geschlossener Schleife vorhandene Antwort des adaptiven Prozeßregelsystems 10 im Hinblick auf das Abklingen, das Überschwingen und die Zeitperiode charakterisiert werden, wobei diese Größen Verhaltenswerte darstellen, die den Regelungstechnikern zur Beschreibung des Verhaltens der Regelschleife gut bekannt sind. Diese Verhaltensgrößen können dann zusammen mit den Steuerparametern PID dazu benutzt werden, den Typ des Prozesses wie etwa einen Totzeitprozeß, einen Prozeß mit integralem und Totzeitverhalten (von Nacheilung dominiert), oder einen dazwischenliegenden Typ zu ermitteln. Neue Regelparameter werden zum Verstellen der Abfall und Überschwingwerte auf Sollwerte für diesen Prozeß berechnet. Spezifische Details im Hinblick auf das Messen dieser Verhaltensgröße und im Hinblick auf das Berechnen der geeigneten Regelparameter werden im weiteren Text erläutert.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Dort ist ein noch detailliertes Blockschaltbild eines bevorzugten, interagierenden PID-Reglers 18 des digitalen Typs in Form eines äquivalenten analogen Reglerelements dargestellt, das zur Erläuterung der adaptiven Regelung beitragen soll. Der PID-Regler 18 umfaßt vier Filter: ein proportiönales Filter 30, ein integrales Filter 32, ein Differentialfilter 34 und ein Sollpunktfilter 38. Das proportionale Filter 30 ist im wesentlichen die inverse Größe zu der Proportionalbandkonstante P und wird dazu benutzt, das Ansprechverhalten des Ausgangssignals 22 des Reglers auf einen Fehler 29 zu bestimmen. Das integrale Filter 32 empfängt ein integrales Rückkopplungseingangssignal, das das Steuersignal 22 sein kann, und erzeugt ein nacheilendes, positives Rückkopplungssignal bzw. Mitkopplungssignal 33. Das integrale Filter 32 ist ein Nacheilungsfilter erster Ordnung, dessen Zeitkonstante der Integrationszeitkonstante 1 entspricht. Das Differentialfilter 34 wird in der Rückkopplungsmeßschleife gemäß der Darstellung eingesetzt und arbeitet als ein Filter mit Voreilung/Nacheilung. Das Differentialfilter 34 kann einen Nacheilungsausdruck zweiter Ordnung enthalten, um hierdurch hochftequente Meßstörungen zu dämpfen und damit eine nicht notwendige Aktivität des Ventus zu verhindern. Der proportionale, integrale und differenzielle Term in diesen Filtern sind die Steuerparameter, die durch den Adapter 20 über die Leitungen 25a bis 25c bestimmt und gesteuert werden und die nachfolgend in größeren Einzelheiten beschrieben werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Regler 18 weiterhin einen Begrenzer 36, der so eingestellt ist, daß er verhindert, daß das Ausgangssignal 22 aus dem Bereich des Steuerelements 24 heraustritt.
Während des Betriebs des Systems 10 wird der Sollpunkt 26 vorzugsweise an den Regler 18 über das Filter 38 angelegt. Dieses Filter enthält die Integrationszeit I und eine "Konstante" k gemäß der Darstellung. Wie durch die gestrichelten Linien veranschaulicht ist, ist das Filter 38 bei einem Reglereinsatz nicht erforderlich; das heißt bei einem Einsatz mit einem konstanten Sollpunkt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Filter 38 jedoch vorzugsweise vorhanden, um zu verhindern, daß eine Änderung des Sollpunkts einen übermäßigen Überschwingungszustand hervorruft, insbesondere im Fall eines Prozesses mit dominanter Nacheilung. In gleichartiger Weise wie bei den anderen Abstimmparametern in dem Regler 18 werden diese Terme anfänglich durch vorab eingestellte, vorab abgestimmte oder Vorgabewerte festgelegt und anschließend durch den Adapter 20 über die Leitung 25d gesteuert.
Das Ausgangssignal des Filters 38 wird anschließend über einen Summierverstärker 409 mit dem Ausgangssignal des Differentialfilters 34 zusammengefaßt. Das resultierende Signal wird dann mit dem umgekehrten Wert der Proportionalkonstante P des proportionalen Filters 30 multipliziert und über einen Summierverstärker 42 mit dem Ausgangssignal des integralen Filters 32 addiert. Die Summe wird dann, sofern erforderlich, durch das Filter 36 begrenzt, um hierdurch ein Steuersignal 22 für das regelnde Ventil 24 zu erzeugen. Das Ausgangssignal des integrierenden Filters 32 ist ein positives Rückkopplungssignal bzw. ein Mitkopplungssignal, das eine integrale Einwirkung auf den Steuerfehler bewirkt, wenn das Ausgangssignal 22 des Reglers zwischen den Grenzen des Begrenzers 36 liegt, jedoch ein integrierendes Hochschaukeln verhindert, wenn das Ausgangssignal 22 des Reglers bei einem der Grenzwerte liegt. Der Adapter 20 überwacht das Ausgangssignal 22 des Reglers zur Erfassung einer Ausgangssignalbegrenzung.
Für den Fachmann ist es klar, daß anstelle des Einsatzes des Steuersignals 22 zur direkten Steuerung des Ventils dieses Signal 22 auch als ein Sollpunkt für einen zweiten Regler (nicht gezeigt) benutzt werden könnte. Die Prozeßregelgröße dieses zweiten Reglers würde dann zu dem integralen Filter 32 als ein externes integriertes bzw. integrales Rückkopplungssignal zurückgespeist. In ähnlicher Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen adaptiven Prozeßregelsystem ist die primäre Prozeßmessung oder der gemessene Wert dem Differentialfilter 34 und dem Adapter 20 zur Verfügung gestellt, wie dies auch bezüglich des Ausgangssignals des Reglers (oder des integralen Rückkopplungssignals) und des Sollpunkts der Fall ist.
In Fig. 3 ist auch ein detailliertes Blockschaltbild des Adapters 20 gezeigt, der einen Prozessor 50 enthält, der das Ausgangssignal 22 des Reglers oder das integrale Rückkopplungssignal, die Regelgröße 16, den Sollpunkt 26, das Fehlersignal 29 und die vom Benutzer ausgewählte Variable 31 empfängt und diese in Abhängigkeit von einem Programm, das in einem Festwertspeicher (ROM) 52 gespeichert ist, zur Erzeugung von Einstellparametern (P, I, D, und k) verarbeitet. Diese Parameter werden nachfolgend an den Regler 18 über die Leitungen 25a bis 25d angelegt. Ein Direktzugriffsspeicher (RAM) 54 ist vorgesehen und dient dazu, den Datenspeicher und Register zu bilden, die von dem Mikroprozessor zur Realisierung der Softwarevorgänge in dem ROM benötigt werden.
Wenn der Prozessor 50 zum ersten Mal initialisiert wird, werden vorab festgelegte Steuerparameter (die in dem RAM 54 oder in einem nicht gezeigten Speicher des Reglers 18 gespeichert sein können) zu dem Prozessor 50 übertragen. Diese Abstimmparameter können dadurch erhalten worden sein, daß eine Vorabstimmung benutzt wird, die ähnlich ist wie die in dem vorstehend angesprochenen Patent von Kraus erläuterte Vorabstimmung ist, oder können auch durch einen Betreiber ausgewählt worden sein. Andere Einstellungen werden ebenfalls zu dem Prozessors 50 gespeist und enthalten eine minimale Wartezeit WMIN und eine maximale Wartezeit WMAX für die Bereitstellung von Zeitfenstern für die Suche nach Spitzenwerten, einen Ausdruck für ein anfängliches Störungsband NB und Sollverhaltenswerte, die in ähnlicher Weise durch den Betreiber ausgewählt werden können. Die minimale Wartezeit WMIN wird bei der Bestätigung von Spitzen benutzt, was im weiteren Text näher erläutert wird. Typischerweise wird dieser Wert auf das zwei-fache oder drei-fache der Abtastzeit des Adapters eingestellt und verhindert, daß das System einen Spitzenwert herausgreift, der durch eine übermäßige Differenzierwirkung verursacht worden ist. Eine noch detaillierte Beschreibung im Hinblick auf diese weiteren Einstellungen findet sich im nachstehenden Text.
Es wird nun auf die Flußdiagramme Bezug genommen, die in den Fig. 4 bis 6 gezeigt sind. Die Arbeitsweise des Prozessors 50 nach seiner Initialisierung (Schritt 70) kann allgemein im Hinblick auf sechs primäre Betriebszustände erläutert werden. Die primären Betriebszustände enthalten einen Ruhezustand 56, vier Zustände (Zustände 1 bis 4), bei denen der Prozessor nach vier aufeinanderfolgenden Spitzen 58, 60, 62 und 64 sucht, und einen Festlegungs- bzw. Einstellzustand 68.

Ruhezustand und Einstellzustand

Während des Ruhezustands 56 oder des Einstellzustands 68 sucht der Prozessor nach einem neuen oder einem noch andauernden Übergang. Falls das Fehlersignal während des Einstellzustands innerhalb des Störungsbands während einer angemessenen Zeit (einer halben oder vollen Periode) bleibt, wird der Einstellzustand 68 beendet und es tritt der Prozessor in den Ruhezustand 56 ein, siehe die Schritte 74 und 76.
Die Unterscheidung zwischen diesen Zuständen besteht darin, daß dann, wenn das Fehlersignal 29 das Störungsband zuzüglich 1 % des vollen Meßbereichs überschreitet, während sich der Prozessor in dem Einstellzustand befand, das Fehlersignal dann als eine andauernde Schwingung (oder eine überlappende Antwort) deklariert wird. Eine isolierte Störung wird erkannt, wenn die Antwort von dem Ruhezustand beginnt. Danach beginnt der Prozessor 50 mit einer Suche nach Mustermerkmalen des Fehlersignals 29, siehe den Schritt 78.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Der Ruhezustand und der Einstellzustand sind mit der Bedingung verknüpft, daß der gemessene Wert des Fehlersignals zwischen dem oberen und dem unteren Pegel des Störungsbands liegt. Solange der Wert des Fehlersignals 29 zwischen diesen Pegeln verbleibt, wird keine neue Störung erkannt und es findet keine Änderung bei den Steuerparametern statt. Falls der Ruhezustand für mindestens eine Periode im Anschluß an eine adäquat gedämpfte Antwort andauert, Schritt 282, wird das Störungsband gemessen und aktualisiert, siehe die Schritte 84, 86 und 88.
Bei früheren, sich selbst einstellenden Systemen war das Störungsband ein festgelegter Wert, der von einem Benutzer ausgewählt oder während einer Vorabstimmungsphase mit Hilfe einer Messung bei offener Schleife gemessen worden ist. Gemäß der vorliegenden Methode wird das Störungsband im Zustand geschlossener Schleife gemessen und wird bei sich ändernden Prozeßbedingungen aktualisiert. Der Benutzer kann zu jedem Zeitpunkt einen Wert einfügen, der diesen adaptierten Wert übersteuert und erneut initialisiert.
Die Aktualisierung des Störungsbands erfordert es, daß die Ruheperiode für mindestens eine natürliche Periode der geschlossenen Schleife andauert, die während der letzten Störung ermittelt wurde, siehe die Schritte 76, 80 und 82. Bei dem Starten wird der Periodenzeitgeber auf den gleichen Wert wie die maximale Wartezeit WMAX, die durch den Benutzer gewählt ist, oder eine für die Vorabstimmung festgelegte Wartezeit eingestellt.
Das Störungsband wird aktualisiert, wenn eines der beiden folgenden Kriterien erfüllt ist:
1. Der neue Wert des Störungsbands ist kleiner als der vorhergehende Wert für das Störungsband; oder
2. a) der zuvor bestimmte Überschwingwert ist größer als oder gleich null; und
b) der Fehler ist keine andauernde Schwingung (das ist die zuletzt beobachtete Schwingung, die von einem Ruhezustand begonnen hat); und
c) das zuvor gemessene Abfallverhältnis ist kleiner als oder gleich groß wie das Soll-Abfallverhältnis zuzüglich 0,1.
Es ist anzumerken, daß die Erfüllung des zweiten Kriteriums erlaubt, daß das Störungsband auf größere oder kleinere Werte aktualisiert werden kann. Das neue, von Spitze zu Spitze gemessene Störungsband wird als der quadratische Mittelwert bzw. Effektivwert (RMS) der gemessenen Störungen (die während der Ruheperiode aufgetreten sind), multipliziert mit einem beliebigen Faktor berechnet, der vorzugsweise auf sechs Standardabweichungen eingestellt ist, Schritte 84, 86 und 88. Diese Kriterien werden auferlegt, um sicherzustellen, daß die Schleife weder übermäßig gedämpft ist noch zu gering gedämpft ist, wenn zugelassen wird, daß sich das Störungsband vergrößert.

Suche nach der ersten Spitze

Sobald das Fehlersignal 29 einen Schwellwert durchläuft, der mit dem Störungsband zusammenhängt, Schritt 74, tritt der Prozessor in den ersten der vier Zustände zur Lokahsierung von Spitzenwerten oder Amplituden ein, die so benutzt werden, als wären sie Spitzenwerte des Fehlersignals. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese Schwelle gleich groß eingestellt wie das Störungsband zuzüglich einem Prozent des Meßbereichs Der erste Zustand 58 schließt die Initialisierung eines Periodenzeitgebers (ein Zähler, der bei jedem neuen Fehlerwert inkrementiert wird), das Bestimmen des Vorzeichens des Fehlersignals und die Suche nach der ersten Spitze des Fehlersignals ein, siehe Schritt 90. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird das Vorzeichen des Fehlersignals dann, wenn es anfänglich negativ ist, derart korrigiert, daß die anfängliche Abweichung von dem Störungsband des hinsichtlich des Vorzeichens korrigierten Fehlers positiv ist. Wenn ferner das Fehlersignal zuerst detektiert wird, werden das unkorrigierte Vorzeichen des Fehlers und die vom Benutzer gewählte Variable 31 dazu benutzt, den wahrscheinlichen Prozeßbetriebszustand für die neue Antwort anzugeben. Auf der Basis des Werts des anfänglichen Fehlervorzeichens und/oder der ausgewählten Variablen werden in die Steuereinrichtung gespeicherte Abstimmwerte, die die früheren Erfahrungen bei der Befassung mit diesem Prozeßbetriebszustand am besten ausnutzen, eingeführt, Schritt 78.
Eine geeignete, vom Benutzer ausgewählte Variable kann den Sollpunkt 26 oder eine gemessene Last 28 enthalten, wodurch der neue abschließende Betriebszustand vorweggenommen wird. Als Beispiel kann der Sollpunkt als die vom Benutzer gewählte Variable benutzt und als ein Anzeiger für den zukünftigen Einstellwert der Prozeßregelgröße herangezogen werden. Falls zum Beispiel das nicht lineare Prozeßverhalten am stärksten von dem Wert der gesteuerten Messung abhängt, sollte der Sollpunkt (der die Regelgröße antizipiert), ausgewählt werden. Bei einem anderen Prozeß kann eine Variable für die gemessene Last (oder das Ausgangssignal des Reglers) eine bessere Wahl sein. Durch Auswahl der am besten geeigneten Abstimmung aus den früheren erfolgreichen Abstimmen ist das System besser imstande, sich mit einer Nichtlinearität des Prozesses zu befassen. Dies stellt eine Form einer adaptiven Verstärkungsfaktorplanung dar, die durch eine Rückkopplung des Verhaltens anstatt durch eine Programmierung bei offener Schleife auf der Basis eines identifizierten oder festgelegten Prozeßmodells dar.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden frühere Sätze der adaptiven Abstimmparameter PID und Voreilungs-Nacheilungs-Verhältnis gespeichert und in Abhängigkeit von der Richtung der Fehlerantwort und den Größenwerten der von dem Benutzer gewählten Variablen indexiert. Der Bereich der vom Benutzer ausgewählten Variablen kann unterteilt und in mehreren Unterbereichen indexiert werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bereich der ausgewählten spezifizierten Variablen in drei Unterbereiche unterteilt, derart, daß für jeden Unterbereich zwei Sätze der zur Abstimmung dienenden PID-Parameter vorhanden sind (der zu benutztende Satz hängt von dem anfänglichen Vorzeichen des Fehlersignals und von dem Unterbereich der vom Benutzer ausgewählten Variablen ab. Diese Einstellwerte werden ausgewählt und aktualisiert, um hierdurch frühere Erfahrungen im Hinblick auf die Verkraftung von neuen Störungen auszunutzen und diese Erfahrungen zu verbessern. Selbstverständlich kann dieses Konzept auch auf eine Mehrzahl von Unterbereichen für mehrere Variablen erweitert werden. Ferner ist anzumerken, daß der Benutzer auch wählen kann, daß keine Variable selektiert wird. Der gewählte Satz der Abstimmwerte hängt dann allein von dem anfänglichen Vorzeichen des Fehlers ab. Beispielsweise würde der Benutzer keine Variable wählen, wenn der Prozeß linear ist.
Die erste Spitze E1 wird dadurch lokalisiert, daß die aktuelle Größe des gemessenen Fehlersignals mit einem zuvor gemessenen Wert verglichen wird, was im folgenden als eine versuchsweise erste Spitze bezeichnet wird. Falls die aktuelle Größe des gemessenen Fehlersignals größer ist als die versuchsweise erste Spitze, wird der Wert der versuchsweisen ersten Spitze durch die Größe des aktuell gemessenen Fehlersignals ersetzt und es wird der Periodenzeitgeber auf null rückgesetzt Dieser neue versuchsweise Wert wird dann mit nachfolgend gemessenen Größen des Fehlersignals verglichen. Dieser rekursive Schritt dauert solange an, bis die maximale Wartezeit WMAX verstrichen ist oder bis die versuchsweise erste Spitze als eine zuverlässige Spitze bestätigt worden ist. Falls die Zeit seit der versuchsweisen ersten Spitze den Wert WMAX überschreitet, bevor die erste Spitze bestätigt wird, wird die versuchsweise erste Spitze als bestätigt erklärt und es wird der letzte gemessene Fehlerwert als eine nicht bestätigte zweite Spitze E2 eingestuft, siehe die Schritte 92 und 94. Dieses Kriterium wird dazu benutzt, die Spitzensuche zu beenden, wenn der Regler eine sehr schlechte Abstimmung zeigt. Der Prozessor 50 würde dann diese unvollständige Information dazu benutzen, die PID-Abstimmung weniger nachlässig zu machen, Schritt 48, was im weiteren Text näher erläutert wird.
Bevor der Spitzenzeitgeber WMAX erreicht, wird ein Versuch im Hinblick auf die Bestätigung, daß die versuchsweise Spitze die erste Spitze E1 und nicht etwa ein Störungsartefakt ist, ausgeführt. siehe Schritt 96. In der nachstehend angegebenen Tabelle 1 sind die bevorzugten Kriterien für die Bestätigung von Spitzen aufgelistet. Diese Kriterien werden so ausgewählt, daß lokale Störungsspitzen und Spitzen kurzer Periode, die durch einen übermäßigen (fehlerhaft abgestimmten) Differenziervorgang hervorgerufen werden, zurückgewiesen werden. Es ist anzumerken, daß tMIN den minimalen Wert bezeichnet, den der Periodenzeitgeber t&sub1; nach der ersten Spitze annehmen kann, bevor mit dem Zusammentragen von Informationen bezüglich einer bestimmten Spitze begonnen wird. Diese "Warte"-Zeit kann dazu benutzt werden, die Erfassung von einigen der hochfrequenten Schwingungsspitzen zu vermeiden, die das Ergebnis eines Differenziervorgangs sein können, der fehlerhaft bei einem eine reine Verzögerung enthaltenden Prozeß angewendet wird. Wie angegeben, wird die erste Spitze bestätigt, wenn die Differenz zwischen der versuchsweisen ersten Spitze und dem aktuellen Fehler das Störungsband überschreitet und der aktuelle Fehler kleiner ist als das 0,6-fache der versuchsweisen ersten Spitze. Das vorstehend beschriebene Verfahren hinsichtlich der Lokalisierung und der Bestätigung der ersten Spitze wird auch bei der Lokalisierung und der Bestätigung von weiteren Spitzen verwendet.

Suche nach der zweiten Spitze

Wenn angenommen wird, daß die erste Spitze lokalisiert und bestätigt worden ist, tritt der Prozessor 50 in den Zustand 2 ein, der allgemein mit den Schritten 100 bis 112 bezeichnet ist (Fig. 5). Amänglich wird der Periodenzeitgeber t&sub1; bei der ersten Spitze E1 auf null gestellt und wird dazu benutzt, die Zeit ab der ersten Spitze zu messen. Falls dieser Zeitgeber den Wert WMAX überschreitet, wird der versuchsweise zweite Spitzenwert als die zweite Spitze E2 benutzt und es wird die Abstimmung des Reglers eingeengt, um dieses träge Verhalten zu beschleunigen, siehe die Schritte 100 und 102. In diesem Zustand sucht der Prozessor 50 nach einer Amplitude, die eine zweite Spitze E2 oder ein Knie 114 in der Fehlerkurve (wie in Fig. 7 gezeigt) sein kann, die bzw. das benutzt werden kann, als wäre sie bzw. es eine nicht bestätigte zweite Spitze. Ein Knie ist ein Mustermerkmal einer übermäßig stark gedämpften Antwort, die lediglich eine Spitze (E1) besitzt.
Ein versuchsweises Knie wird bei einem Punkt an einer Tangente 115 lokalisiert, die durch die Fehlerantwort 29 und einen Punkt gezogen worden ist, der das 0,6-fache der Amplitude der ersten Spitze E1 bei t&sub1; = 0 aufweist. Eine versuchsweise halbe Periode wird auf das 1,5-fache der Zeitdauer ab der ersten Spitze bis zu dem versuchsweisen Knie gewählt, siehe Schritt 106. Ein Zeitintervall, das gleich groß ist wie das zweifache dieser versuchsweisen halben Periode, wird dazu benutzt, nach der zweiten Spitze zu suchen und diese zu bestätigen. Diese maximale Suchzeitdauer ist unabhängig von einer vorhergehenden Messung der Antwort oder einem vorhergehenden Wartezeitintervall, wie es in Kraus offenbart ist. Folglich wird ein endliches Suchzeitintervall für die Lokalisierung der zweiten Spitze selbst dann bereitgestellt, wenn eine zweite Spitze vorhanden ist. Das versuchsweise Knie wird verlassen, falls die Fehlerantwort 29 hinsichtlich ihrer Größe geringer wird als das negative Störungsband, da die zweite Spitze dann lokalisiert werden kann. Die versuchsweise halbe Periode wird dann derart geändert, daß sie der Zeitdauer zwischen der ersten Spitze und der versuchsweisen zweiten Spitze entspricht. Falls jedoch nach zwei versuchsweisen halben Perioden keine zweite Spitze bestätigt worden ist, wird die Suche nach Spitzen beendet und es wird auf die PID-Berechnungen übergegangen, siehe Schritt 102. Das Knie wird in gleicher Weise wie die nicht bestätigte zweite Spitze bestätigt und bei den PID-Berechnungen benutzt, falls während des Intervalls WMAX die Amplitudendifferenz zwischen der aktuell gemessenen Fehlerantwort 29 und einem entsprechenden Punkt auf der Tangente 115 gleich groß wird wie die Größe des Störungsbands, siehe Schritte 108 und 112. Tabelle 1 Test zur Bestätigung von Spitzen

Suche nach der dritten Spitze und der vierten Spitze

Wenn eine zweite Spitze bestätigt worden ist, wird die Suche nach einer dritten Amplitude begonnen, die erneut eine Spitze oder ein Knie sein kann (Zustand 3). Der gleiche Ablauf, der, wie zuvor beschrieben, zur Lokalisierung der zweiten Spitze eingesetzt wurde, wird durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die bestätigte halbe Periode nicht weiter revidiert wird. Falls während dey Suche die dritte versuchsweise Spitze die erste Spitze überschreitet und die zweite Spitze ebenfalls positiv ist, werden die beiden ersten Spitzen aufgegeben und es wird die Suche nach einer ersten Spitze erneut eingeleitet, siehe die Schritte 114 und 116. Falls die Prozeßregelgröße ihren Bereich während der Suche nach der dritten Spitze überschreitet, wird die Suche beendet und es wird die verletzte Bereichsgrenze als der Schätzwert für die nicht bestätigte dritte Spitze bei den neuen PID-Berechnungen benutzt, siehe die Schritte 118 und 120. Falls alternativ hierzu die versuchsweise dritte Spitze größer ist als die erste Spitze, jedoch die zweite Spitze negativ ist und das Produkt aus der ersten und der dritten Spitze nicht kleiner ist als das Quadrat der zweiten Spitze, wird die Antwort als instabil eingestuft, Schritt 120, und es wird die Suche nach Spitzen beendet und es werden neue PID-Berechnungen auf der Grundlage dieser Information begonnen. Falls die Antwort jedoch von dem Einstellzustand anstatt von dem Ruhezustand begonnen hat, was eine andauernde oder sich überlappende Antwort anzeigt, wird die Suche nach einer dritten Spitze beendet und es werden PID-Abstimmparameter, die unter Heranziehung dieser Information berechnet werden, in den Regler eingespeist, siehe Schritt 121.
Zwei halbe Perioden nach der zweiten Spitze werden zur Bestätigung der dritten Spitze zugelassen. Falls sie nicht innerhalb dieser Zeit bestätigt wird, wird die Suche beendet und es wird mit geeigneten PID-Berechnungen begonnen. Vorausgesetzt, daß die Zeit seit der zweiten Spitze zwei halbe Perioden nicht überschreitet, und das Fehlersignal 29 negativ bleibt, sucht der Prozessor 50 nach einem Knie in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben, Schritte 122, 124 und 126, wobei die Größe der zweiten Spitze benutzt wird. Falls der Kniewert kann bestätigt werden kann, wird er als die nicht bestätigte dritte Spitze benutzt, Schritte 12228 und 130.
Vorausgesetzt, daß die dritte Spitze bestätigt wird, wird nach einer vierten Spitze in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, für eine halbe Periode nach der dritten Spitze gesucht, siehe die Schritte 134 und 136 (Zustand 4), Fig. 6. Falls der versuchsweise vierte Spitzenwert bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kleiner ist als der zweite Spitzenwert, wird die Bestätigung der dritten Spitze zurückgenommen, und es werden neue PID- Abstimmungen auf der Grundlage dieser Information berechnet, die anzeigt, daß der Prozeß angesteuert, bzw. ungeregelt schwingt. Es gibt keinen Versuch, die vierte Spitze zu bestätigen.

Berechnung der neuen Regelparameter

Unter Verwendung der gemessenen Amplituden können Werte für Mustermerkmale des Fehlersignals bestimmt und dazu benutzt werden, den Satz von PID-Steuerparametem für die gerade abgeschlossenen Antworten zu aktualisieren, siehe Schritt 49 in Fig. 4. Die halbe Periode (T) und die dimensionslosen Mustermerkmale, die das Überschwingen (OVR) und den Abfall einschließen, werden entsprechend den nachstehend angegebenen Gleichungen bestimmt: ABFALL (DECAY)
Die Variable N hängt von der Anzahl von Spitzen ab, die lokalisiert und übersprungen wurden bevor drei aufeinanderfolgende Amplituden zur Berechnung der vorstehend angegebenen Mustermerktnale selektiert wurden. Das Überspringen von Spitzen wird nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben. Falls die vierte Spitze EA in dem Störungsband verloren gegangen ist oder eine fünfte Spitze benötigt wird, kann eine Spitze gemäß der nachstehend angegebenen Gleichung geschätzt werden:
Diese Gleichung beruht auf der Annahme, daß das Fehlersignal einen nahezu optimalen Abfall zeigt, bei dem die Realteile der drei dominanten Regelschleifen-Pole identisch sind.
Der Satz von aufeinanderfolgenden Spitzen, der zum Aktualisieren der Regelparameter eingesetzt wird, wird dadurch bestimmt, daß die Werte für den Abfall und das Überschwingen auf der Grundlage des ersten Satzes von drei Spitzen, die von dem Prozessor 50 lokalisiert wurden (N = 0), verglichen werden, siehe Schritt 140 in Fig. 8. Falls der Abfall kleiner ist als das Überschwingen, führt der Prozessor 50 dann einen "Spitzenschlupf" durch, das heißt es werden neue Werte für den Abfall und das Überschwingen auf der Basis des nächsten Satzes von drei Spitzen (N = 1) berechnet und ermittelt, ob ein zweiter Spitzenschlupf (N = 2) notwendig ist. Anders ausgedrückt, gibt ein Spitzenschlupf an, daß die zweite Spitze als die erste Spitze eingestuft wird, die dritte Spitze als die zweite Spitze deklariert wird, usw., wobei diese zum Zwecke der Auswahl von aufeinanderfolgenden Spitzen erfolgt, die zur Berechnung von neuen Abfall- und Überschwingwerten zur Bestimmung von korrigierenden Regelparametern benutzt werden. Vereinfacht gesagt, gilt dann, wenn:
daß ein Spitzenschlupf vorhanden ist.
Sobald ein N gefunden wird, bei dem das erste Produkt der Gleichung 5 größer als oder gleich groß wie das zweite Produkt ist, kann der erste der drei aufeinanderfolgenden, benutzten Spitzen getestet werden, um zu ermitteln, ob er eine Spitzensuche auslösen würde. Er sollte größer sein als ein Prozent des vollen Bereichs der Regelgröße zuzüglich des Störungsbands, damit die PID-Regelparameter berechnet werden können, siehe Schritt 142. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist, gibt es keine Aktualisierung von PID, da die Antwort nicht ausreichend groß ist, und es wird der Adapter auf den Einstellzustand umgeschaltet. Jedoch kann der Kompensatorfaktor k für den Sollpunkt auf der Grundlage des Überschwingens vor dem Spitzenschlupf justiert werden, vorausgesetzt, daß die Fehlerantwort durch eine Sollpunktstörung eingeleitet wurde. Der Kompensatorfaktor k für den Sollpunkt reicht von 0,2 für einen Prozeß mit dominanter Nacheilung bis zu 1,0 für einen Prozeß mit dominanter Verzögerung. Dieser Faktor wird um die Größe des Überschwingens verringert, um die das Sollüberschwingen vor dem Spitzenschlupf überschritten worden ist. Dieser Faktor wird im Anschluß an eine träge, isolierte Sollpunktantwort (negatives Überschwingen) um eine Größe verringert, die gleich groß ist wie die Abweichung des Überschwingens. Die Sollwerte für den Abfall und das Überschwingen werden ebenfalls nach einem Spitzenschlupf, jedoch noch vor einer Aktualisierung von P, I und D, (zeitweilig) geeignet justiert, siehe die Schritte 144, 146 und 148. Die Einstellung wird derart durchgeführt, daß keine Änderung bei der PID-Abstimmung vorhanden ist, wenn der Prozeß entweder durch einen Impuls, der einen Spitzenschlupf erfordert, oder durch eine Stufe bzw. einen Sprung, der keinen Schlupfvorgang erfordert, gestört worden ist.
Zu diesem Punkt sind das Überschwingen, der Abfall und das Verhältnis Integral - zu - halber Periode des Fehlersignals ermittelt worden, und können nun dazu benutzt werden, den PID-Einstellvorgang in Kategorien auf der Grundlage der Vollständigkeit der Informationen zu klassifizieren, die aus dem Fehlersignal erhalten werden können. Eine erste Kategorie, die allgemein mit den Schritten 150 und 152 angegeben ist, befaßt sich mit der Information in der nachstehend angegebenen Weise. Falls der Wert des Abfalls größer ist als 1,2 oder wenn die zweite oder die dritte Spitze außerhalb des Meßbereichs liegt, wird die Regelschleife als stark instabil erkannt, Schritt 150. In diesem Fall wird der Proportionalausdruck verdoppelt, der integrale Term gleich groß wie die halbe Periode eingestellt, und der Differentialterm gleich null gesetzt, siehe Schritt 152. Der Prozeßtyp (ptype) wird ebenfalls gleich 1,2 gesetzt.
Eine zweite Kategorie befaßt sich mit Informationen, die eine übermaßig stark gedämpfte Antwort mit lediglich einer bestätigten Spitze anzeigt und die allgemein durch die Schritte 154 bis 159 angegeben ist. Falls die halbe Periode größer ist als oder gleich groß wie WMAX, wird der proportionale Term halbiert und es wird der Differentialfaktor auf null gesetzt, siehe Schritte 155 und 156. Andernfalls wird der proportionale Ausdruck gemäß der nachfolgend angegebenen rekursiven Gleichung aktualisiert, siehe Schritt 157.
(6) P = P * (1+1,5 (ABFALL - ABFALLSOLLWERT))
Weiterhin wird die Integrationszeit mit 0,8 multipliziert, falls das Überschwingen kleiner ist als -0,075, siehe Schritte 158 und 159.
Es ist anzumerken, daß in diesem Fall die nicht bestätigte zweite Spitze E2 entweder das Knie 137 oder der niedrigste Wert war, der während der Suche nach der zweiten Spitze E2 gefunden wurde. Da ferner die dritte Spitze E3 keine Amplitude mit mehr als dem von Spitze zu Spitze reichenden Störungsband (PPNB) oberhalb der nicht bestätigten zweiten Spitze E2 haben kann, wird der Abfall auf der Basis dieses extremen Falls berechnet (vorausgesetzt, daß der Abfall seinen Sollwert nicht überschreitet). Dies führt dazu, daß das proportionale Band größer wird als es gewesen wäre, wenn der Fall bei der Gleichung 6 zu null angenommen worden wäre. Als Ergebnis dessen ist die Steuerung nicht über mäßig stark eingeengt, wenn die Antwort so klein ist, daß die zweite und die dritte Spitze nicht von den Störungen unterschieden werden können.
Eine dritte Kategorie ist allgemein durch die Schritte 162 bis 164 angezeigt. Dieser Fall tritt auf, wenn der Abfall minus des Überschwingens kleiner ist als 0,02, was anzeigt, daß die bei geschlossener Regelschleife vorhandene Antwort nahe bei derjenigen einer gedämpften quadratischen Antwort ist, siehe Schritt 162. Der proportionale und der integrale Ausdruck werden in der folgenden Weise berechnet. Falls der Prozeßtyp kleiner ist als 0,2, was ein Maß dafür darstellt, daß er zwischen einer reinen Verzögerung und einer Verzögerung mit Integration (das heißt nahe bei einer reinen Verzögerung) liegt, was während einer früheren Adaptierung ermittelt oder durch den Benutzer eingestellt worden ist, oder wenn der Abfall größer ist als 0,3, wird der integrale Ausdruck mit 1,4 multipliziert, siehe die Schritte 164 und 166. Die Bestimmung des Typs des Prozesses wird nachfolgend in größeren Einzelheiten erläutert. Der Ableitungsfaktor, ein Faktor, der auf den integralen Ausdruck zur Bestimmung der Ableitungszeit angewendet wird, wird durch 1,4 dividiert, um hierdurch die Ableitungszeit ungeändert zu halten. Falls der Abfall kleiner ist als oder gleich groß wie 0,3, wird der proportionale Ausdruck dann mit 0,8 multipliziert, siehe die Schritte 168 und 170. Andernfalls wird der proportionale Ausdruck mit 1,2 multipliziert, wenn der integrale Ausdruck größer ist als das eineinhalbfache der halben Periode, siehe die Schritte 169 und 171. Falls der Abfall größer ist als 0,9, wird der proportionale Ausdruck dann mit 1,4 multipliziert, siehe die Schritte 172 und 174. Andernfalls bleibt der proportionale Ausdruck ungeändert.
Falls der Prozeß der Einstellung von PID nicht bereits so kategorisiert worden ist, daß er eine unvollständige Information gemäß den vorstehend angegebenen drei Kategorien aufweist, ermittelt der Prozessor dann, ob die Antwort von einem Ruhezustand ausging, ob der Abfall abzüglich des Uberschwingens kleiner ist als 0,6 und ob die halbe Periode kleiner ist als WMAX, siehe Schritt 176. Falls diese Kriterien erfüllt sind, wird der Prozeßtyp dann auf der Basis der neuen Information aktualisiert, die als vollständig beurteilt worden ist, siehe Schritt 178. Der Typ des Prozesses kann sich von 0,0 für eine reine Verzögerung bis zu 1,0 für eine integrale Verzögerung ändern und bei einem statisch instabilen Prozeß sogar noch größer werden. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Prozeßtyp ptype anhand der nachfolgend angegebenen Gleichung ermittelt:
(7) ln(I/T) = ptype (gemessen) * ln(I/T) integral/Verzögerung + (1 - ptype) * ln(I/T) Verzögerung
Das Verhältnis ln(I/T) auf der linken Seite der Gleichung in (7) ist bekannt, da I der aktuelle Reglerwert für die Integrationszeit ist und T die gemessene halbe Periode bezeichnet. Die Verhältnisse ln(I/T) auf der rechten Seite der Gleichung (7) für die Prozesse mit Integration und Verzögerung bzw. mit Verzögerung, werden anhand der Verhältniswerte interpretiert, die in dem ROM 52 gemäß Fig 3 gespeichert sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden insgesamt 27 Verhältniswerte für jede der drei extremen Prozeßreglerkombinationen gespeichert, die in den graphischen Darstellungen gemäß den Fig. 10 bis 12 gezeigt sind. Diese Verhältniswerte, die ln(P/Po), ln(I/Io) und ln(I/T) für jeden der neun mit A bis 1 bezeichneten Punkte enthalten, sind in den graphischen, in den Fig. 10 bis 12 gezeigten Darstellungen für PI- und PID - Regelung von Prozessen mit reiner Verzögerung und solchen mit integralem Anteil und Verzögerungsanteil gezeigt. (Die PI- und PID - Regelung von Prozessen mit reiner Verzögerung sind in Fig. 10 zusammengefaßt, da der optimale differenzielle Term D gleich null ist.) Diese Verhältnisse sind experimentell vorab bestimmt worden. Der Index null bezieht sich auf einen Referenzwert A, der beliebig so gewählt ist, daß er ein Überschwingen von 0,1 und einen Abfall von 0,2 besitzt. Das proportionale Band P, die Integrationszeit I und das D/I-Verhältnis sind Werte, die zur Erzielung der gemessenen Abfall- und Überschwingwerte benötigt werden. Es ist anzumerken, daß experimentelle Daten benutzt werden, die unter Ver wendung von anderen Verhältnissen erzeugt wurden, die gleichartige Informationen tragen. Auch wenn diese Datenpunkte in den Ebenen "Abfall" und "Abfall minus Überschwingen" gleichmäßig beabstandet sind, können weiterhin auch andere Abstände und auch unterschiedliche Anzahlen von Punkten zum Zwecke der Interpolation der der Extrapolation gewählt werden.
Unter Herabziehung des gemessenen Abfalls und des gemessenen Überschwingens des Prozesses kann zum Beispiel ein Punkt M auf den drei graphischen Darstellungen aufgetragen werden, die in den Fig. 10 bis 12 gezeigt sind. Unter Heranziehung einer biquadratischen Interpolation, die dem Fachmann bekannt ist, wird die Gewichtsfunktion, die mit jedem der gespeicherten Datenpunkte verknüpft ist, bestimmt und dazu benutzt, die Verhältnissätze ln(P/P&sub0;), ln(I/I&sub0;) und ln(I/T) für jede Prozeßreglerkombination zu finden. Die biquadratische Interpolation wurde gewählt, da die Kurven, die durch die experimentellen Daten generiert wurden, Parabeln ähnelten. Falls der Regler keine differenzielle Wirkung haben soll, können die gespeicherten Datenwerte für ln(I/T) bei den angegebenen Punkten, die in den Fig. 10 und 11 mit A bis J bezeichnet sind, dazu benutzt werden, den Prozeßtyp (ptype) unter Verwendung der vorstehend angegebenen Gleichung (7) zu bestimmen.
Das Bekanntsein der aktuellen Integrationszeit I und des proportionalen Bands P des Prozeßtyps sowie der Verhältnisse ln(P/P&sub0;) und ln(I/I&sub0;) sowohl für einen Prozeß mit Integration und Verzögerung als auch für einen Prozeß mit Verzögerung erlaubt es dem Prozessor nun das proportionale Band P&sub0; und die Integrationszeit I&sub0; zu berechnen, die dazu notwendig sind, die aktuellen Werte für den Abfall und das Überschwingen bei dem Referenzpunkt A zu bringen (Überschwingen 0,1 und Abfall 0,2). Es ist anzumerken, daß die Werte für das Überschwingen und den Abfall bei dem Referenzpunkt A als die bevorzugten Sollwerte gewählt sind. Diese neuen Parameterwerte werden dadurch berechnet, daß hinsichtlich P&sub0; und I&sub0; auf der linken Seite der Gleichungen 8 bzw. 9 gelöst wird, siehe Schritt 180 und Fig. 9. integral Verzögerung
Falls der Benutzer Sollwerte für den Abfall und das Überschwingen auswählt, die sich von den Referenzwerten unterscheiden, können das proportionale Band PT und die Integrationszeit IT gemäß den nachstehenden Ausführungen berechnet werden, wobei die Ausdrücke P und I in den Gleichungen 8 und 9 durch PT und IT ersetzt werden. P&sub0; und I&sub0; können dann eliminiert werden, wie dies durch die nachstehend angegebenen Gleichungen angegeben ist:
Bei den vorstehenden Gleichungen wurde angenommen, daß es keinen differenziellen Term D gibt. Falls der Regler eine differenzielle Wirkung haben soll, ist es zunächst notwendig, die Daten anhand der Fig. 11 und 12 zu interpolieren oder zu extrapolieren, wozu ein Differentialfaktor (dfact) benutzt wird, was im folgenden kurz erläutert wird, um hierdurch Werte für: integral Verzögerung
zu erhalten, die in den Gleichungen 7 bis 9 benutzt werden.
Unter Verwendung dieser interpolierten Verhältniswerte werden die neuen Regelparameter, durch die die gemessenen Werte für die Dämpfung und das Überschwingen zu den Sollwerten bewegt werden, in gleichartiger Weise wie vorstehend beschrieben, berechnet, wobei die nachstehend angegebenen Gleichungen benutzt werden. Bei den gemessenen Bedingungen bezeichnet dfact das Verhältnis von D zu I. integral Verzögerung
Für die Sollbedingungen kann der neue Differentialfaktor dfact unter Verwendung einer empirisch bestimmten Beziehung für D/I mit ptype festgelegt werden, siehe Schritt 178. Falls ptype kleiner ist als 0,03 (ein Prozeß mit dominanter Verzögerung) wird der Dfactor permanent auf null solange geklemmt, bis der Benutzer diese Entscheidung übersteuert; wenn aber andererseits das Überschwingen größer ist als null:
(17) dfact = 2,2 - 1,25 * ptype
Falls sowohl der gemessene Abfall als auch das gemessene Überschwingen gleich groß sind wie ihre Sollwerte, würde das Interpolationsverfahren selbst dann keine Änderung des proportionalen Bands oder der Integrationszeit anzeigen, wenn eine Änderung in dem Differentialfaktor auftreten wurde. Eine Korrektur wird auf der Basis der Verschiebung des Referenzwerts P&sub0; und I&sub0; mit und ohne eine differenzierende Wirkung in dem Regler bei einem Prozeß mit Integration und Verzögerung ausgeführt. Diese Korrektur wird auf der Grundlage des Produkts aus der Änderung von dfact und ptype proportionalisiert.
Falls das Fehlersignal von dem Einstellzustand begonnen hat oder der Abfall minus Überschwingen größer ist 0,6, werden die Parameteränderungen durch zwei dividiert, siehe die Schritte 182, 184 und 186. Damit eine rasche Erholung von einem stark verstimmten Zustand erreicht wird, wird die Integrationszeit so justiert, daß sie in den erwarteten Bereich, relativ zu der halben Periode, fällt. Die Kriterien zur Bestimmung dieses Zustands sind in den Schritten 188 bis 198 vorgestellt. Falls das Überschwingen größer ist als null, wird nicht zugelassen, daß die Integrationszeit das 1,5-fache der halben Periode überschreitet, siehe die Schritte 187, 188 und 190. Falls mindestens eine Spitze bestätigt wird, wird die Integrationszeit zwangsweise so festgelegt, daß sie mindestens das 0,25-fache der halben Periode beträgt, siehe die Schritte 192 und 194. Auch wenn drei Spitzen bestätigt worden sind, wird die Antwort nicht durch den quadratischen Term dominiert, und es ist die Integrationszeit kleiner als das 0, 35-fache (1,0 + ptype), multipliziert mit der Zeitdauer zwischen den Spitzen 2 uns 3. Die Integrationszeit wird mit einem Faktor von 1,4 multipliziert, siehe die Schritte 196 und 198. Diese Schritte verhindern, daß die Integrationszeit zu klein wird, wenn die Störung allmählich angelegt wird. Die Ableitung wird anschließend durch Multiplizieren des Ableitungsfaktors mit dem integralen Wert, multipliziert mit 0,16, berechnet, siehe Schritt 200. Jedoch wird nicht zugelassen, daß die Ableitungszeit das 0,25-fache der halben Periode überschreitet. Die Steuerparameter werden dann in dem Regler 18 aktualisiert, siehe Fig. 3, Schritt 202. Der Prozessor kehrt anschließend zu dem Einstellzustand 68 zurück, siehe Fig. 4.
Auch wenn die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel derselben gezeigt und beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, daß unterschiedliche Änderungen hinsichtlich der Form und der Einzelheiten ausgeführt werden können. Zum Beispiel kann ein gleichartiges Schema auch bei einem nicht interagierenden PID-Regler eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Einstellen der Steuerparameter eines sich selbst einstellenden Reglers (12), der zum Regeln eines Prozesses (14) verwendet wird, der ein gemessenes Prozeßvariablensignal (16) umfaßt, mit den Schritten

Erzeugen eines Fehlerantwortsignals (29), das die bei geschlossener Regelschleife auftretende Antwort des Prozesses auf einen Störzustand repräsentiert,

Feststellen und Messen von Amplitudenwerten des Fehlerantwortsignals (29) und Erzeugen eines Abfallsignals, das den Abfall des Fehlerantwortsignals repräsentiert, und eines Überschwingsignals, das das Überschwingen des Fehlerantwortsignals repräsentiert, jeweils als Funktion der gemessenen Amplitudenwerte, um hierdurch Mustermerkmale des Fehlerantwortsignals zu charakterisieren,

Auswählen eines Satzes aus drei aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten des Fehlerantwortsignals als Funktion des Abfallsignals und des Überschwingsignals des Fehlerantwortsignals, um hierdurch gemessene Abfall- und Überschwingcharakteristika derart zu erzeugen, daß die gemessene Abfallcharakteristik größer ist als die gemessene Überschwingcharakteristik, um hierdurch Amplitudenwerte einer ausgewählten Prozeßantwort bzw. einer Antwort eines ausgewählten Prozesses auszuwählen, und

automatisches Einstellen mindestens eines der Steuerparameter des Reglers als Funktion der Prozeßantwort, um hierdurch den Unterschied zwischen einem der gemessenen Charakteristika und einer Sollcharakteristik zu verbessern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Messung von Amplitudenwerten das Messen von Amplitudenwerten enthält, die für lokale Extremwerte des Fehlerantwortsignals repräsentativ sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Messens von Werten des Fehlerantwortsignals das Messen eines Fehlersignals enthält, das den Unterschied zwischen dem Prozeßvariablensignal und einem Sollpunktsignal repräsentiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des automatischen Einstellens der Steuerparameter den weiteren Schritt der Erzeugung eines Prozeßtyp-Signals, das den Typ des geregelten Prozesses repräsentiert, in Abhängigkeit von dem Abfallsignal und dem Überschwingsignal, und den Schritt der Einstellung der Steuerparameter in Abhängigkeit von dem Prozeßtyp enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt der automatischen Einstellung der Steuerparameter den Schritt des Vergleichens von gemessenen Daten von von mindestens zwei Typen von Prozessen stammenden interpolierten Daten enthält, um hierdurch das Prozeßtyp-Signal festzulegen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Vergleichens das Vergleichen von gemessenen Daten mit interpolierten Daten, die Steuerparameter enthalten, aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Vergleichens das Vergleichen von gemessenen Daten mit interpolierten Daten aufweist, die die Steuerparameter einschließlich proportionaler und integraler Zeitdaten enthalten.

8. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des automatischen Einstellens der Steuerparameter den Schritt des Vergleichens von gemessenen Daten mit interpolierten Daten von mindestens zwei Typen von Prozessen enthält, um hierdurch geeignete Änderungen in den Steuerparametem in Abhängigkeit von den interpolierten Daten und dem Prozeßtyp-Signal zu bestimmen.

9. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des automatischen Einstellens der Steuerparameter den Schritt des Vergleichens von gemessenen Daten mit extrapolierten Daten von mindestens zwei Typen von Prozessen enthält, um hierdurch geeignete Änderungen in den Steuerparametern in Abhängigkeit von den extrapolierten Daten und dem Prozeßtyp-Signal zu bestimmen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Ermittlung und Messung von Amplitudenwerten den Schritt der Ermittlung und Messung von mindestens vier aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten von lokalen Extremwerten des Antwortsignals enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Ermittlung und Messung der Amplitudenwerte den Schritt der Ermittlung eines knieförmigen Verlaufs bzw. einer Biegung des Antwortsignals, die eine zeitlich später als ein erster lokaler Extremwert auftretende Amplitude des Antwortsignals repräsentiert, und der Ermittlung der Zeitdauer zwischen dem ersten lokalen Extremwert und der Biegung zur Bestimmung einer Zeitskala der Antwort des Antwortsignals enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der erste lokale Extremwert als der erste von drei aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten ausoewählt wird und bei dem die Zeitskala zur Ermittlung einer maximalen Warteperiode für die Ermittlung einer zweiten Amplitude eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt der Auswahl der Amplitudenwerte den Schritt der Verwendung der Biegung als einen der Amplitudenwerte dann, wenn die maximale Warteperiode vor der Ermittlung eines zweiten lokalen Extremwerts abläuft, enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Zeitskala zur Berechnung einer maximalen Warteperiode für die Ermittlung eines dritten Amplitudenwerts herangezogen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt der Ermittlung und Messung der Amplitudenwerte den Schritt der Ermittlung des knieförmigen Verlaufs in einer zeitlich später als der zweite lokale Extremwert liegenden Lage enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt der Abtastung einer benutzergewählten Prozeßvariablen vor dem Schritt der Ermittlung und Messung von Amplitudenwerten, und der Auswahl von zuvor angepaßten Steuerparametern aus einem zuvor gespeicherten Satz von Steuerparametern auf der Grundlage eines abgetasteten Werts der benutzergewählten Prozeßvariablen enthält, um hierdurch eine verbesserte Abstimmung hinsichtlich der aktuellen Prozeßbedingung zu erzielen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Bereich der Prozeßvariablen in Unterbereiche unterteilt ist, wobei jeder Unterbereich einem Satz von zuvor angepaßten Steuerparametern entspricht.

18. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Auswahl von drei aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten den Schritt der Angabe des Vorzeichens des ersten Amplitudenwerts für die Ermittlung, ob er positiv oder negativ ist, und des Inver tierens der Werte der drei Amplitudenwerte dann, wenn das Vorzeichen der ersten Amplitude negativ ist, enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Filterns des Sollpunktsignals mittels eines Voreilungs-Nacheilungsfilters (Duofilters) enthält, um hierdurch ein übermäßiges Fehlerüberschwingen als Reaktion auf eine Sollpunktänderung zu verhindern, wenn der Regler gut auf eine Laststörung abgestimmt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des adaptiven Einstellens eines Verhältnisses zwischen Voreilung und Nacheilung des Duofilters zur Erzielung eines Soll-Überschwingwerts enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte der Erzeugung eines Fehlerstörungssignals als eine Funktion des Antwortsignals, das die bei geschlossener Regelschleife auftretende Antwort des Prozesses repräsentiert, und der Aktualisierung eines Störungsbands während eines Ruhezustands des Antwortsignals als Funktion des Fehlerstörungssignals enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt der Bestätigung der gemessenen Amplitudenwerte von lokalen Extremwerten enthält.

23. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Auswahl von aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten den Schritt der Auswahl von drei aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten von lokalen Extremwerten (E1, E2 und E3) derart enthält, daß das Quadrat des zweiten Extremwerts (E2) kleiner als oder gleich groß ist wie der erste, mit dem dritten Extremwert (E3) multiplizierte Extremwert (E1).

24. Verfahren zum automatischen Einstellen der Steuerparameter eines Reglers (12), der zum Regeln eines Prozesses (14) verwendet wird, der ein gemessenes Prozeßvariablensignals (16) erzeugt, um hierdurch eine Antwort mit ausgewählten Solleigenschaften zu erzielen, mit den Schritten

Erzeugen eines Fehlerantwortsignals (29), das eine bei geschlossener Regelschleife auftretende Antwort des Prozesses auf eine Störbedingung repräsentiert,

Erzeugen von Charakteristika des Fehlerantwortsignals einschließlich eines Abfallsignals, das den Abfall des Fehlerantwortsignals repräsentiert, eines Überschwingsignals, das das Überschwingen des Fehlerantwortsignals repräsentiert, und eines Periodensignals, das die Periode des Fehlerantwortsignals repräsentiert, als Funktion des Fehlerantwortsignals (29), um hierdurch die Antwort des Prozesses zu charakterisieren,

Auswählen von mindestens drei aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten, in Abhängigkeit von dem Abfallsignal und dem Überschwingsignals des Fehlerantwortsignals derart, daß der Abfall größer ist als das Überschwingen, um hierdurch Amplitudenwerten auszuwählen, die für eine ausgewählte Prozeßantwort repräsentativ sind,

Erzeugen eines Prozeßtyp-Signals, das für den Typ des geregelten Prozesses repräsentativ ist, in Abhängigkeit von dem Abfallsignal, dem Überschwingsignal und interpolierten Daten von mindestens zwei Prozeßtypen, und

automatisches Berechnen von mindestens einem der Steuerparameter des Reglers als Reaktion auf das Prozeßtyp-Signal, um hierdurch den Regler hinsichtlich einer Verbesserung der Differenz zwischen der ermittelten Charakteristik und der Sollcharakteristik einzustellen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Schritt der Berechnung von Steuerparametem das Identifizieren einer instabilen Prozeßantwort und das Erzeugen von mindestens einem Steuerparameter in Abhängigkeit von dem Prozeßtyp-Signal enthält.

26. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Schritt der Berechnung der Steuerparameter das Identifizieren einer übermäßig stark gedämpften Antwort und das Erzeugen von mindestens einem Steuerparameter als Funktion des Periodensignals enthält.

27. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Schritt der Berechnung von Steuerparametem das Identifizieren eines Antwortsignals, das eine gedämpfte, quadratische Antwort repräsentiert, und das Erzeugen von mindestens einem Steuerparameter in Abhängigkeit von dem Prozeßtyp-Signal enthält.

28. Selbstabstimmendes Steuersystem (10), mit

einem Regler (12), der Steuerparameter zum Regeln eines Prozesses (14) aufweist, der ein gemessenes Prozeßvariablensignal (16) enthält,

einer Einrichtung (23) zum Erzeugen eines Fehlerantwortsignals (29), das eine bei geschlossener Regelschleife auftretende Antwort des Prozesses auf eine Störbedingung repräsentiert,

einer Anpassungseinrichtung (20) zum automatischen Einstellen von Steuerparametern des Reglers, wobei die Anpassungseinrichtung (20) enthält:

eine Einrichtung (50) zum Messen von die Amplitude charakterisierenden Mustermerkmalen des Fehlerantwortsignals,

eine Einrichtung (50) zum Auswählen von drei aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten des Fehlerantwortsignals, um hierdurch gemessene Abfall- und Über schwingcharakteristika des Fehlerantwortsignals zu erzeugen, wobei die gemessene Abfallcharakteristik größer ist als die Überschwingcharakteristik und eine Einrichtung (50) zum automatischen Einstellen von mindestens einem der Steuerparameter des Reglers, um hierdurch die Differenz zwischen einer gemessenen Charakteristika und einer Sollcharakteristik zu verbessern.

29. Selbstabstimmendes Steuersystem nach Anspruch 28, bei dem die Einrichtung zum Einstellen von Steuerparametern enthält:

eine Einrichtung zum Erzeugen eines Prozeßtyp-Signals in Abhängigkeit von den gemessenen Charakteristika, wobei das Prozeßtyp-Signal den Typ des geregelten Prozesses repräsentiert, und

eine Einrichtung zum Berechnen von mindestens einem der Steuerparameter des Reglers in Abhängigkeit von dem Prozeßtyp-Signal.

30. Selbstabstimmendes Steuersystem nach Anspruch 28, bei dem die Einrichtung zum Bestimmen von Mustercharakteristika eine Einrichtung zum Ermitteln eines Überschwing- und Abfallverhältnisses des Antwortsignals enthält.

31. Selbstabstimmendes Steuersystem nach Anspruch 28, bei dem das Fehlersignal die Differenz zwischen dem Prozeßvariablensignal und einem Sollpunktsignal repräsentiert.

32. Regler nach Anspruch 28, bei dem das Abfallsignal eine dimensionslose Größe ist, die durch die Gleichung charakterisiert ist: Abfall

wobei E die Amplitude des mit einem ausgewählten Spitzenwert verknüpften Fehlers bezeichnet und N die Anzahl von Spitzenwerten repräsentiert, die übersprungen wurden, bevor die drei aufeinanderfolgenden Amplituden ausgewählt wurden.

33. Regler nach Anspruch 28, bei dem das Überschwingsignal eine dimensionslose Größe ist, die durch die Gleichung charakterisiert ist:

Überschwingen = - E(2+ N) / E(1+ N),

wobei. E die Amplitude des mit dem ausgewahlten Spitzenwert verknüpften Fehlers bezeichnet und N die Anzahl von Spitzenwerten repräsentiert, die vor der Auswahl der drei aufeinanderfolgenden Amplituden übersprungen wurden.

34. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Periodensignal in Abhängigkeit von dem Fehlerantwortsignal erzeugt wird, wobei das Periodensignal die Periode des Fehlerantwortsignals zur Charakterisierung der Antwort des Prozesses repräsentiert.

35. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Abfallsignal eine dimensionslose Größe ist, die durch die Gleichung repräsentiert ist: Abfall

36. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Überschwingsignal eine dimensionslose Größe ist, die durch die Gleichung charakterisiert ist:

Überschwingen = - E(2+N) / E(1+N),

wobei E die Amplitude des mit dem ausgewählten Spitzenwert verknüpften Fehlers bezeichnet und N die Anzahl von Spitzenwerten repräsentiert, die vor der Auswahl der drei aufeinanderfolgenden Amplituden übersprungen wurden.

37. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem das Periodensignal eine Zeitgröße ist, die durch die Gleichung charakterisiert ist:

T=T(2+N) - T(1+N),

wobei N die Anzahl von Spitzenwerten bezeichnet, die vor der Auswahl der drei aufeinanderfolgenden Amplituden übersprungen wurden.