DE69311314T2

DE69311314T2 - Adaptiver mustererkennungsregler

Info

Publication number: DE69311314T2
Application number: DE69311314T
Authority: DE
Inventors: Howard Haugstad; John Seem
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-25
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2013-10-26
Also published as: AU660906B2; US5355305A; US5506768A; ES2103566T3; MX9306803A; CA2125694A1; DE69311314D1; AU5725794A; EP0628181B1; WO1994010613A1; JPH07502850A; JP3370673B2; EP0628181A1; EP0628181A4

Description

Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen der Verstärkungs und Integrierzeitwerte eines Proportional-Integralreglers und spezifischer auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Einstellung der Verstärkungs- und Integrierzeitwerte eines Proportional-Integralreglers in Reaktion auf Muster in einem Rückkopplungssignal, das eine Regelgröße darstellt.

Hintergrund der Erfindung

Einschleifige Rückkopplungsregler ("Regler") werden im allgemeinen verwendet, um die Temperatur, Feuchtigkeit, den Druck und Strömungsmengen für Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Ausrüstungen einzuhalten. So kann zum Beispiel in einer Klimaanlage ein Regler verwendet werden, um den Strom des gekühlten Wassers durch eine Kühlrohrschlange zu regeln. In einem solchen System stellt der Regler die Strömungsmenge basierend auf einem Rückkopplungssignal ein, das die Temperatur der Luft, die aus der Rohrschlange ausgelassen wird (die "Regelgröße"), anzeigt. Das Rückkopplungssignal wird durch einen Sensor erzeugt, der zur überwachung der Regelgröße angeordnet ist.
Aufgabe solcher Regler ist es, das System so zu regeln, daß die Regelgröße, wie sie durch das Rückkopplungssignal abgetastet wird, auf einem gewünschten Pegel (dem "Sollwert") gehalten wird. So versucht zum Beispiel der Regler einer Klimaanlage die Temperatur der Luft einzuhalten, die bei einem spezifischen Pegel aus der Anlage ausgelassen wird. Wenn die aktuelle Temperatur der ausgelassenen Luft von der gewünschten Temperatur abweicht, muß der Regler den Strom des gekühlten Wassers entsprechend einstellen, um die aktuelle Lufttemperatur wieder in übereinstimmung mit der gewünschten Lufttemperatur zu bringen. Somit bewirkt der Regler, daß, wenn das Rückkopplungssignal anzeigt, daß die aktuelle Lufttemperatur niedriger ist als die gewünschte Temperatur, die Strömungsmenge des gekühlten Wassers verringert wird und das bewirkt, daß die aktuelle Temperatur der ausgelassenen Luft ansteigt. Ebenso ist es, wenn das Rückkopplungssignal anzeigt, daß die aktuelle Lufttemperatur höher ist, als die gewünschte Temperatur. Dann bewirkt der Regler, daß die Strömungsmenge des gekühlten Wassers erhöht wird und das bewirkt eine Verringerung der aktuellen Temperatur der ausgelassenen Luft.
Ein ideales Rückkopplungs-Regelsystem würde in der Lage sein die Regelgröße allein auf der Basis des Rückkopplungssignals auf dem Sollwert zu halten. Aktuelle Rückkopplungs-Regelsysteme erfordem jede zusätzliche Eingabewerte, die als Steuerparameter bekannt sind. Steuerparameter, die von einem Regler verwendet werden, bestimmen, wie ein System auf der Basis des Rückkopplungssignals und des Sollwertes zu regeln ist.
Ein Verfahren zum Regeln eines geschlossenen Regelkreises, bekannt als Proportional-Integralregelung (PI), ist beschrieben in Haines, R.W. HVAC Systems Design Handbook, TAB Professional and Reference Books, Blue Ridge Summit, PA (1988), beschrieben. Ein PI-Regler erfordert zwei Steuerparameter: Die Proportionalverstärkung und die Integrierzeit.
Da diese Steuerparameter direkt die Leistungsfähigkeit und die Stabilität eines PI-Reglers beeinflussen, ist es wichtig, die geeigneten Werte dieser Parameter zu bestimmen. Die geeigneten Werte können sich jedoch über die Anwendungszeit des Systems verändern. So kann zum Beispiel die Prozeßdynamik durch Bewuchs des Wärmeaustauschers, durch nichtlineares Verhalten im Prozeß selbst, durch äußere Veränderungen, Strömungsmengenveränderungen, große und häufige Störungen und durch unübliche Betriebszustände, wie z,B. Fehler, Starten und Abschalten, verändert werden. Der Einstellprozeß der Steuerparameter eines Reglers zur Kompensation solcher Systemveränderungen wird als Nachstimmen bezeichnet. Wenn ein Regler nicht nachgestimmt ist, kann das Regelverhalten schlecht sein. Die Regelgröße kann zum Beispiel instabil werden oder in Bezug auf den Sollwert in weiten Grenzen schwanken. Um daher eine ausreichende Leistungsfähigkeit zu sichern, müssen die Regler regelmäßig mit neuen Steuerparameterwerten nachgestimmt werden.
Bei adaptiven Regelverfahren werden die Steuerparameter während des Normalbetriebes automatisch eingestellt, um eine Anpassung an Veränderungen in der Prozeßdynamik zu erzielen. Daher ist kein operatoreingriff erforderlich. Weiterhin werden die Steuerparameter kontinuierlich auf den neuesten Stand gebracht, um eine herabgesetzte Leistungsfähigkeit zu verhüten, die zwischen den Abstimmungen der anderen Verfahren auftreten kann.
Es sind zahlreiche adaptive Regelverfahren entwickelt worden. Siehe zum Beispiel Harns, C.J. u. Billings, S.A., "Selbstabstimmung und adaptive Regelung: Theorie und Anwendungen, Peter Peregrinus LTD (1981). Es gibt drei Hauptmethoden für die adaptive Regelung: Adaptive Regelung mit Modellbezug ("MRAC"), Selbstabstimmungs-Regelung und adaptive Regelung durch Mustererkennung ("PRAC"). Die ersten beiden Methoden, MRAC und Selbstabstimmung basieren auf Systemmodellen, die im allgemeinen sehr komplex sind. Die Komplexität der Modelle ist durch die Notwendigkeit bedingt, unübliche oder unnormale Betriebszutände vorzusehen. Spezifisch stellt MRAC die Steuerparameter ein, bis das Verhalten des Systems auf ein Befehlssignal dem Verhalten eines Bezugsmodelles folgt. Die Selbstabstimmungs-Regelung beinhaltet das online- Bestimmen der Parameter eines Prozeßmodelles und das Einstellen der Steuerparameter, basierend auf den Parametern des Prozeßmodelles. Verfahren zur Durchführung der MRAC und der Selbstabstimmungs-Regelung werden in Aström, K.J. und Wittenmark, B, Adaptive Control, Addison-Wesely Publishing Company (1989) beschrieben.
Bei der PRAC werden die Parameter, die das Muster des Verhaltens des geschlossenen Regelkreises charakterisieren, nach bedeutenden Sollwertveränderungen oder Belastungsstörungen bestimmt. Die Steuerparameter sind dann basierend auf den charakteristischen Parametern des Verhaltens des geschlossenen Regelkreises eingestellt.
Ein adaptiver Regler mit Mustererkennung, bekannt als EXACT, wird durch Kraus, T.W. und Myron. T.J. in "Selbstabstimmender PID-Regler verwendet die Methode der Mustererkennung", Control Engineering (1984) Juni, S. 106-111; Bristol, E.H. und Kraus, T.W.. "Leben mit der Musteradaption", Proceedings American Control Conference 1984 in San Diego, CA, S. 888-892 und von Aström, K.J. und Hägglung, T. "Automatisches Abstimmen von PID- Reglern, Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC (1988) beschrieben. Der EXACT-Regler ist auch im US-Patent Nr. RE 33,267, erteilt an T.W. Kraus, verkörpert. Das EXACT- Verfahren erfordert, wie andere adaptive Regelverfahren, keinen Operatoreingriff, um bei Normalbetrieb die Steuerparameter einzustellen. Bevor jedoch der Normalbetrieb beginnnen kann, fordert EXACT eine sorgfältig überwachte Start- und Testperiode. Während dieser Periode muß ein Techniker die optimalen Ausgangswerte für die Reglerverstärkung, die Integrierzeit und die Vorhaltezeitkonstante bestimmen. Der Techniker muß auch das vorgesehene Rauschband und die maximale Wartezeit des Prozesses festlegen. Das Rauschband ist ein Wert, der die erwartetete Rauschamplitude auf dem Rückkopplungssignal darstellt. Die maximale Wartezeit ist die maximale Zeit, die der EXACT-Algorithmus auf eine zweite Spitze im Rückkopplungssignal nach dem Erkennen einer ersten Spitze wartet. Ferner kann, bevor ein EXACT-Regler in den Normalbetrieb geht, der Operator auch andere Parameter spezifizieren, wie zum Beispiel den maximalen Abklingfaktor, die maximale Überschreitung, die Parameter-Veränderungsgrenze, den Vorhaltfaktor und die Stellgröße.
Beim EXACT-Verfahren definiert der Wert der Parameter-Veränderungsgrenze, der als eine vorbestimmte Konstante zur Verfügung gestellt oder durch einen Anwender eingegeben werden kann, einen Bereich, innerhalb dessen die Parameterwerte des Reglers als gültig angesehen werden. So setzt zum Beispiel das EXACT-Verfahren die Proportionalverstärkung eines Reglers nicht auf einen Wert fest, der die obere Grenze des Bereiches überschreitet, der durch die Parameter-Veränderungsgrenze definiert ist. Durch Spezifizieren eines gültigen Parameterbereiches verhindert das EXACT-Verfahren, daß der Regler extreme Parameterwerte verwendet, die durch Hard- oder Softwarefehler oder -mängel entstehen können. Durch Begrenzung der Parameter auf Werte, die in den festgelegten Bereich fallen, verhindert jedoch das EXACT-Verfahren die Verwendung von Parameterwerten außerhalb des Bereiches selbst dann, wenn solche Werte zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit führen würden.
Ein zweiter adaptiver Regler mit Mustererkennung wird von Chuck Rohrer und Clay G. Nelser in "Selbstabstimmung unter Verwendung einer Mustererkennungsmethode", Johnson Controls, Inc., Research Brief 228 (v. 13. Juni 1986) beschrieben. Der Rohrer-Regler berechnet die optimalen Steuerparameter basierend auf einem Abklingfaktor, der wiederum durch die Neigungen des Rückkopplungssignals bestimmt wird. Ähnlich wie bei EXACT erfordert das Rohrer-Verfahren einen Techniker, um eine Vielzahl von Anfangswerten einzugeben, bevor der Normalbetrieb beginnen kann. Genauer gesagt, ein Operator muß die Anfangswerte für ein Proportionalband, eine Integrierzeit, ein Totzeitband, ein Abstimmungs- Rauschband, einen Abstimmungs-Veränderungsfaktor, einen Eingangsfilter und einen Ausgangsfilter festlegen.
Somit erfordern sowohl EXACT als auch der Rohrer-Regler einen Operator um zahlreiche Steuerparameter einzugeben, bevor der Normalbetrieb beginnen kann. Je zahlreicher die vom Operator ausgewählten Steuerparameter sind, desto schwieriger ist die Einstellung eines adaptiven Mustererkennungsreglers auf die optimale Leistungsfähigkeit und desto länger dauert es, einen adaptiven Mustererkennungsregler für den Betrieb vorzubereiten.
Die Erfindung, wie sie beansprucht ist, will die Nachteile der früheren PRAC-Systeme beseitigen. Sie stellt einen adaptiven Mustererkennungsregler mit weniger operator-spezifischen Regelgrößen zur Verfügung, als sie bei den zur Zeit zur Verfügung stehenden adaptiven Mustererkennungsreglern erforderlich sind. Sie sichert auch eine verbesserte Leistungsfähigkeit, insbesondere bei hohen Rauschwerten. Sie stellt weiterhin einen adaptiven Mustererkennungsregler mit einem variablen Abstimm-Rauschband zur Verfügung, das sich automatisch auf verschiedene Rauschpegel in dem Prozeß einstellt. Sie stellt ferner einen adaptiven Mustererkennungsregler, der effektiv einen Prozeß mit einer verringerten Anzahl von Stellgliedeinstellungen, und daher reduzierten Energiekosten, regelt, indem die Schwankungen des Regelgrößensignals verringert werden. Sie stellt ferner einen robusten adaptiven Mustererkennungsregler zur Verfügung, der eine relativ sichere Regelung ausführt, ohne die Werte seiner Parameter auf einen vorbestimmten Bereich zu begrenzen. Schließlich stellt sie einen adaptiven Mustererkennungsregler mit verringerten Hilfsmittelforderungen zur Verfügung und spezieller, mit weniger Speicher und weniger Rechenleistung als vorherige adaptive Mustererkennungsregler.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum dynamischen Einstellen der Steuerparameter eines Proportional-Integralreglers zur Verfügung, der zur Steuerung eines Stellgliedes vorgesehen ist, mit dem ein Verfahren beeinflußt wird mit den Schritten Abtasten eines Rückkopplungssignals, das einer Regelgröße des Verfahrens entspricht, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen, Erzeugen eines geglätteten Signals, das auf dem abgetasteten Signal basiert, Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels von dem abgetasteten Signal und Bestimmen eines Abstimmungs-Rauschbandes, das auf dem geschätzten Rauschpegel und dem gelätteten Signal basiert.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen adaptiven Mustererkennungsregler zur Verfügung, um ein Stellglied zu steuern, mit dem ein Verfahren beeinflußt wird. Der adaptive Mustererkennungsregler schließt einen Analog/Digital-Wandler zum Empfangen eines abgetasteten Rückkopplungssignals, das einer Regelgröße des Verfahrens entspricht und einen Prozessor ein. Der Prozesser erzeugt ein geglättetes Signal, das auf dem abgetasteten Rückkopplungssignal basiert, bestimmt einen geschätzten Rauschpegel des abgetasteten Signals und bestimmt ein Abstimmungs-Rauschband, das auf dem geschätzten Rauschpegel und dem geglätteten Signal basiert. Der Prozessor stellt die Verstärkungs- und Integrierzeitwerte ein, die vom Regler verwendet werden, wenn entweder die Differenz zwischen einem vorherigen Sollwert und einem aktuellen Sollwert oder die Differenz zwischen dem aktuellen Sollwert und dem geglätteten Signal außerhalb des Abstimmungs-Rauschbandes liegt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Hauptbestandteile eines geschlossenen Rückkopplungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2A ist ein Blockdiagramm, das einen adaptiven Mustererkennungsregler gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2B ist ein Blockdiagramm, das einen adaptiven Mustererkennungsregler gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Art und Weise darstellt, in der der Regler von Fig. 1 für das dynamische Einstellen der Steuerparameter gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann.
Fig. 4 ist eine Diagramm, das das Timing für die Bestimmung des Extremwertes in einem geglätteten Signal nach einer positiven Sollwertveränderung darstellt.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt die Hardware-Konfiguration eines geschlossenen PI- Regelsystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 10 enthält generell einen PI-Regler 20, ein Stellglied 28, ein Untersystem 32, das ein Verfahren steuert und einen Sensor 36. Der Regler 20 ist mit dem Stellglied 28 über einen Digital/Analog-Wandler 24 und mit dem Sensor 36 über einen Analog/Digital- Wandler 40 gekoppelt.
Das Stellglied 28 ist vorgesehen, den Betrieb des Untersystems 32 zu beeinflussen. Das Untersystem 32 kann zum Beispiel ein Klimaanlagen-Untersystem sein, für das das Stellglied 28 ein Ventil steuert, durch das gekühltes Wasser fließt. Der Sensor 36 ist vorgesehen, um die Regelgröße des Untersystems 32 zu überwachen, die durch das Stellglied 28 beeinflußt wird. Der Sensor 36 kann zum Beispiel ein Thermometer sein, das angeordnet ist, um die Temperatur der Luft zu überwachen, die aus dem Untersystem 32 ausgelassen wird. Der Sensor 36 überträgt ein Signal, das die Regelgröße (Temperatur) darstellt zum Analog/Digital- Wandler 40. Dieses Regelgrößensignal wird vorzugsweise durch einen Filter (nicht gezeigt) gefiltert, um Hochfrequenzsignale zu beseitigen. Der Analog/Digitalwandler 40 tastet das gefilterte Regelgrößensignal ab und überträgt ein abgetastetes Rückkopplungssignal zum Regler 20. Der Regler 20 vergleicht das abgetastete Rückkopplungssignal mit einem Sollwert 46, der den gewünschten Wert der Regelgröße darstellt, um das Ausmaß der Abweichung der Regelgröße vom Sollwert 46 zu bestimmen. Solche Abweichungen können durch Sollwertveränderungen oder Laststörungen verursacht werden. Basierend auf diesem Vergleich, bestimmt der Regler 20 wie das Stellglied 28 reagieren sollte, um zu bewirken, daß die Regelgröße zum Sollwert 46 zurückkehrt Nachdem die geeignete Reaktion bestimmt ist, erzeugt der Regler 20 ein Steuersignal über den Digital/Analog-Wandler 24 zum Stellglied 28. In Reaktion auf das Steuersignal verändert das Stellglied 28 in geeigneter Weise den Betrieb des Untersystems 32. Während dieses Prozesses werden die Steuerparameter des Reglers 20 nachgestimmt, um alle Prozeßveränderungen zu kompensieren. Vorzugsweise werden neue PI-Werte gewählt, um die integrierten Absolutfehler zwischen Sollwert 46 und der Regelgröße zu minimieren.
Ein wesentlicher Faktor für die Effizienz und die Leistungsfähigkeit des Systems 10 ist die Genauigkeit, mit der der Regler 20 die neuen PI-Werte nach einer jeden aufgetretenen Störung bestimmt. Ein adaptiver Mustererkennungsregler gemäß der vorliegenden Erfindung führt diese Bestimmung durch Charakterisierung der Reaktion des geschlossenen Regelkreises durch, da die Reaktion im abgetasteten Rückkopplungssignal wiedergegeben wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden zwei dimensionslose Parameter, ein Abklingfaktor und die Antwortzeit verwendet, um die Reaktion des geschlossenen Regelkreises zu charakterisieren. Der Abklingfaktor basiert auf einer Schätzung der Neigung des abgetasteten Rückkopplungssignals und die Antwortzeit ist eine Messung der Reaktionsgeschwindigkeit des Untersystems 32. Aus diesen beiden Parametern werden die optimale Verstärkung und die Integrierzeit des Reglers 20 bestimmt. Spezifischer, die Verstärkung des Reglers 20 wird basierend auf dem geschätzten Abklingfaktor eingestellt und die Integrierzeit des Reglers wird basierend auf der Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises eingestellt.
Fig. 2a zeigt einen adaptiven Mustererkennungsregler 20 gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführung enthält der Regler 20 in sich die Hard- und Software, die erforderlich ist, um den adaptiven Mustererkennungsregelprozeß auszuführen. Die Hardware kann einen Mikroprozessor 42 und einen Speicher 48 enthalten. Der Mikroprozessor 42 enthält ein Addierwerk 44 und eine Vergleichseinrichtung 46 und arbeitet entsprechend den im Speicher 48 gespeicherten Programminstruktionen. Der Speicher 48 kann ein ROM, EPROM, EEPROM, RAM, geladen mit den geeigneten Instruktionen, oder ein beliebiger anderer digitaler Informationsspeicher sein.
Fig. 2B zeigt eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführung wird der Bestimmungsprozeß der optimalen Steuerparameterwerte durch eine äußere Verarbeitungseinheit 62, wie zum Beispiel durch einen Personalcomputer ausgeführt. Die Verarbeitungseinheit 62 ist mit dem PI-Regler über ein Interface 64, wie zum Beispiel einen seriellen Interfaceport verbunden. Die Verarbeitungseinheit 62 empfängt das durch den Regler 60 erzeugte Steuersignal über eine Leitung 66 und das Rückkkopplungssignal vom Sensor 36 über eine Leitung 68. Basierend auf diesen Signalen bestimmt die Verarbeitungseinheit 62 die optimalen Steuerparameter für den Regler 60. Diese Parameter werden dann über das Interface 64 zum Regler 60 übertragen. Die äußere Verarbeitungseinheit 62 kann an den Regler 60 angeschlossen sein, um eine laufende Parameternachstimmung zu sichern oder sie kann von Zeit zu Zeit an sie angeschlossen sein, um das Nachstimmen auf einer periodischen Basis auszuführen. Wenn die Verarbeitungseinheit 62 nicht an den Regler 60 angeschlossen ist, bleiben die Betriebsparameter des Reglers 60 konstant bei den Werten, die durch die Verarbeitungseinheit 62 bei der zuletzt ausgeführten Nachstimmungsoperation erzeugt wurden. Eine ausführlichere Beschreibung der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erfolgt nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig.3.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Art und Weise darstellt, in der der Regler 20 für die Bestimmung der optimalen PI-Werte gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann. Die Implementierung umfaßt im all gemeinen den Schritt 101 für das Glätten des abgetasteten Rückkopplungssignals, den Schritt 102 für das Abschätzen eines Rauschpegels, den Schritt 103 für die Bestimmung eines Abstimmungs-Rauschbandes, den Schritt 104 für die Bestimmung, ob eine signifikante Sollwertveränderung vor sich gegangen ist und den Schritt 105 zur Bestimmung, ob eine signifikante Laststrung erfolgt ist. Die Implementierung umfaßt ferner den Schritt 106 zum Abschätzen eines Abklingfaktors und einer Anwortzeit des geschlossenen Regelkreises, den Schritt 107 für die Bestimmung, ob das Stellglied 28 gesättigt ist, den Schritt 108 zur Bestimmung, ob es eine kleine Veränderung im Reglerausgang gegeben hat und ob der Prozeß unter Kontrolle ist, den Schritt 110 zur Bestimmung einer durchschnittlichen Störungsgröße, den Schritt 112 für die Bestimmung einer geschätzten Verstärkung, den Schritt 114 zur Bestimmung einer geschätzten Integrierzeit und den Schritt 116 zur Bestimmung einer neuen Verstärkung und einer neuen Integrierzeit. Eine detailliertere Beschreibung dieser Schritte wird nachfolgend durchgeführt.
In Schritt 101 wird ein geglättetes Signal aus dem abgetasteten Rückkopplungssignal abgeschätzt. Das geglättete Signal basiert auf dem Erfüllen einer quadratischen Funktion durch fünf gleichmäßig voneinander beabstandete Punkte. Die Glättungstechniken werden auch verwendet, um die Neigungen des abgetastenen Rückkopplungssignals abzuschätzen. Die abgeschätzte Neigung des abgetasteten Rückkopplungssignals ("abgeschätzte Neigung") basiert auf der Erfüllung einer quadratischen Funktion durch sieben gleichmäßig voneinander beabstandete Punkte.
Spezifisch wird ein geglättetes Signal nach dem Verfahren für die Glättung eines diskreten Satzes von verrauschten Daten bestimmt, wie es in Francis Schied, Shaums Outline Series -- Theory and Problems of Numerical Analysis, McGraw-Hill Book Company, New York (1968) beschrieben ist. Dieses Verfahren basiert auf der Minimierung der Summe der Quadrate der Fehler zu einer Approximation durch Polynome. So wird zum Beispiel die Gleichung (1) verwendet, um die Summe der Quadrate für eine quadratische Funktion für fünf gleichmäßig voneinander beabstandete Punkte zu minimieren, wobei t der Wert des geglätteten Signals zur Zeit t, yt der aktuelle Wert des abgetasteten Rückkopplungssignals zur Zeit t, yt+jT der aktuelle Wert des abgetasteten Rückkopplungssignals zur Zeit t+jT und T die Zeit zwischen den Abtastungen ("Zeitschritt") ist.
Anders als bei vielen anderen Rausch-Kompensationstechniken, wie zum Beispiel das Herausfiltern der niedrigen Frequenzanteile, verändern die Glättungstechniken nicht die Reaktionsmuster eines geschlossenen Regelkreises und es ist daher kein Schaltvorgang zwischen der Formveränderung des Signals und der Beseitigung des Rauschens erforderlich. Die Gleichung 2 wird verwendet, um die Neigung des abgetasteten Rückkopplungssignals zur Zeit t basierend auf sieben gleichmäßig voneinander beabstandeten Punkten abzuschätzen.
Bei der Bestimmung der Neigungen ist es wichtig, die Zeit zu bestimmen, in der das abgetastete Rückkopplungssignal einen Extremwert erreicht und den Extremwert selbst. Ein Extremwert ist ein Punkt, an dem das Signal die Richtung umkehrt. Somit ist an den Punkten, an denen die Neigung des abgetasteten Rückkopplungssignals das Vorzeichen wechselt, ein örtlicher Extremwert vorhanden. Ein einfaches Verfahren zur Bestimmung eines örtlichen Extremwertes ist es, das Produkt der aktuellen Abschätzung der Neigung und der vorhergehenden Abschätzung der Neigung zu berechnen. Wenn dieses Produkt negativ ist, ist ein örtlicher Extremwert vorhanden. Ferner kann wegen der begrenzten Auflösung des A/D-Wandlers ein Extremwert auch durch den Übergang von einer Neigung ungleich Null zu einer Neigung Null charaktensiert sein. Wenn das der Fall ist, zeigt die Nullneigung eine Veränderung der Richtung an, die hinsichtlich der Auflösung des A/D-Wandlers zu klein war, um von einem konstanten Signal unterschieden zu werden.
Um die Reaktion eines geschlossenen Regelkreises korrekt zu charakterisieren, ist es erforderlich, die Neigungen und die Extremwerte des geglätteten Signals zur richtigen Zeit zu suchen. Die Zeit des Suchbeginns nach den Neigungen und Extremwerten ist für Laststörungen und Sollwertveränderungen unterschiedlich. Der Bestimmungsprozeß der Werte, die erforderlich sind, um die relevanten Neigungen des geglätteten Signals zu bestimmen, werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
Für Sollwertveränderungen beginnt die Suche nach den Minimalund Maximalwerten (210 bzw. 212) eines geglätteten Signals 202 unmittelbar nachdem eine Sollwertveränderung 203 aufgetreten ist. Im Gegensatz dazu beginnt die Suche nach den Extremwerten und Neigungen, wenn das geglättete Signal 202 außerhalb eines Abstimmungs-Rauschbereiches ("Trange") liegt, bestimmt durch den Betrag des geglätteten Signals 202 zur Zeit der Sollwertveränderung 204 und durch das Abstimmungs-Rauschband ("Tband"). Spezifischer, für positive Sollwertveränderungen beginnt die Suche nach den Extremwerten und den Neigungen, wenn das geglättete Signal 202 eine obere Grenze 200 überschreitet. Im dargestellten Beispiel überschreitet das geglätte Signal 202 die obere Grenze 200 an einem Punkt 211. Die obere Grenze 200 ist gleich dem geglätteten Signal 202 zur Zeit der Sollwertveränderung 204 plus dem Abstimmungs-Rauschband 206. Für negative Sollwertveränderungen beginnt die Suche nach den Extremwerten und Neigungen, wenn das geglättete Signal 202 unter eine untere Grenze (nicht gezeigt) abfällt, die durch das geglättete Signal 202 zur Zeit der Sollwertveränderung 204 minus dem Abstimmungs-Rauschband 206 definiert ist. Die Suche nach den Extremwerten ist somit verzögert, um eine ungenaue Charakterisierung einer Reaktion des geschlossenen Regelkreises basierend auf jeglichen kleinen Schwingungen 208 im geglätteten Signal 202 zu verhindern, die nach der Sollwertveränderung 203 auftreten können. Die Bestimmung eines Abstimmungs-Rauschbandes wird nachfolgend ausführlicher behandelt.
Für signifikante Laststörungen beginnt die Suche nach einem ersten Extremwert und nach den Minimal- und Maximalwerten der Neigungen sofort, nachdem eine signifikante Laststörung erkannt wurde. Eine signifikante Laststörung tritt auf, wenn das geglättete Signal die obere Abstimmungs-Rauschgrenze für zwei nacheinanderfolgende Abtastungen überschreitet oder unter die untere Abstimmungs-Rauschgrenze für zwei aufeinanderfolgende Abtastungen abfällt. Nachdem der erste Extremwert örtlich bestimmt wurde, beginnt die Suche nach den minimalen und maximalen Neigungen und nach dem zweiten und dritten Extremwert.
Wenn ein hoher Rauschpegel im abgetasten Rückkopplungssignal vorhanden ist, sind die Differenzen zwischen dem abgetasteten Rückkopplungssignal und dem in Schritt 101 bestimmten geglätteten Signal groß. Die Differenz zwischen dem abgetasteten Rückkopplungssignal und dem geglätteten Signal ist ein Maß des Rauschpegels. In der Stufe 102 wird ein exponentiell gewichteter, veränderlicher Durchschnittswert, wie er in Pandit, S.M. und Wu, S.M. "Timer Series and System Analysis with Applications" (Zeitgliedreihen und Systemanalyse mit Anwendungen), John Wiley & Sons Inc., New York (1983) beschrieben ist, verwendet, um einen Langzeit-Durchschnittswert des Rauschpegels ("abgeschätzter Rauschpegel") des abgetasteten Rückkopplungssignals zu bestimmen. Der exponentiell gewichtete, veränderliche Durchschnittswert ist eine digitale Version eines Exponentialfilters, wie er in Seborg, D.E., Edgar, T.F. und Mellichamp, D.A., Process Dynamics and Control (Prozeßdynamik und Prozeßsteuerung)", John Wiley & Sons, New York (1989) beschrieben ist.
Spezifischer, ein exponentiell gewichteter, veränderlicher Durchschnittswert wird nach der Gleichung 3 bestimmt, wobei n die Abschätzung des Rauschens für die Abtastung r ist, r ist der laufende Index der Anzahl der Abtastungen, die bei der Abschätzung des Rauschens verwendet werden, r-1 die Abschätzung des Rauschens für die Abtastung r-1 ist, λ eine exponentielle Glättungskonstante, r ist die Abschätzung des Signals für die Abtastung r basierend auf einem 5-Punkt-Quadratwert und yr ist der aktuelle Wert des Signals für die Abtastung r.
Der Wert für die exponentielle Glättungskonstante liegt normalerweise zwischen 0,0 und 0,3 und, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, ist er mit 0,001 gewählt, um einer Zeitkonstante für ein System erster Ordnung von etwa 1000 Abtastintervallen zu entsprechen. Der Anfangswert des gewichteten, veränderlichen Durchschnitts wird durch die ersten 1/Λ gemäß Gleichung 4 bestimmt.
In Schritt 103 wird ein Abstimmungs-Rauschband bestimmt. Das Abstimmungs-Rauschband spezifiziert die minimale Größe des Fehlers (die Differenz zwischen dem Sollwert und dem geglätteten Rückkopplungssignal), der auftreten muß, bevor ein Muster als Sollwertveränderung oder als Laststörung erkannt wird.
Das Abstimmungs-Rauschband wird nach Gleichcung 5 bestimmt, in der Tband das Abstimmungs-Rauschband, Ymax der maximale erwartete Wert für den Prozeßausgang, Ymin der erwartete minimale Wert für den Prozeßausgang, Rmin die minimale Auflösung des A/S- oder D/A- Wandlers, der im Regelsystem verwendet wird, α eine Konstante gleich 5,33 und der durchschnittliche Rauschpegel ist, wie er aus der Gleichung 3 bestimmt ist. Der erste Ausdruck der Gleichung 5 wird verwendet, um die Einstellung der Steuerparameter zu verhindern, wenn ein kleiner Grenzwertzyklus auf Grund des Fehlers, verbunden mit einer Quantifizierung vorhanden ist. Der zweite Ausdruck stellt das Abstimmungs-Rauschband ein, wenn ein großer Rauschbetrag im Regelgrößensignal vorhanden ist. Die Auflösung des A/D- oder D/A-Wandlers ist gleich 1/2Bits), wobei Bits die Anzahl der Auflösungsbits für den A/D oder D/A-Wandler ist.
Wie aus Gleichung 5 ersichtlich ist, vergrößert sich das Abstimmungs-Rauschband mit steigenden Durchschnittsrauschen. Der Wert von 5,33 für die Konstante α ist aus Optimierungen bestimmt, die den integrierten Absolutfehler für einen weiten Bereich von Systemen minimieren.
In Schritt 104 wird bestimmt, ob eine signifikante Sollwertveränderung aufgetreten ist. Eine signifikante Sollwertveränderung ist jede Sollwertveränderung mit einem größeren Betrag als das Abstimmungs-Rauschband, wie er in Schritt 103 bestimmt ist. Wenn eine signifikante Sollwertveränderung aufgetreten ist, geht die Regelung zu Schritt 106 über. Ansonsten geht die Regelung zu Schritt 105.
In Schritt 105 wird bestimmt, ob eine signifikante Laststörung aufgetreten ist. Genauer gesagt, wird die Differenz (Fehler) zwischen dem Sollwert und dem geglätteten Signal mit dem Abstimmungs-Rauschband verglichen. Wenn der Absolutwert des Fehlers das Abstimmungs-Rauschband für zwei aufeinanderfolgende Abtastungen überschreitet, wird angenommen, daß eine signifikante Laststörung aufgetreten ist.
Wenn entweder eine signifikante Sollwertveränderung oder eine signifikante Laststörung auftritt, wird zum Schritt 106 übergegangen. Ansonsten wartet der Regler 20 auf die nächste Rückkopplungssignalabtastung und nach deren Empfang beginnt die Programmabarbeitung wieder bei Schritt 101. Während des Schrittes 106 werden ein Abklingfaktor und eine Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises aus dem geglätteten Signal und der abgeschätzten Neigung bestimmt.
Genauer gesagt, wenn das geglättete Signal unterkritisch abgeklungen ist, wird die Gleichung 6 zur Bestimmung eines Abklingfaktors verwendet, es sei denn, daß S&sub1; und &sub2; nicht innerhalb eines festgelegten Zeitraumes bestimmt werden können
dslope=S&sub2; /S&sub1;
Für Sollwertveränderungen ist S&sub1; das Maximum des absoluten Wertes der Neigung zwischen der Zeit, in der das geglättete Signal außerhalb des Trange liegt und der Zeit des ersten Extremwertes und S&sub2; ist das Maximum des absoluten Wertes der Neigung zwischen der Zeit des ersten Extremwertes und des zweiten Extremwertes. Für Laststörungen ist S&sub1; das Maximum des absoluten Wertes der Neigung zwischen der Zeit des ersten Extremwertes und des zweiten Extremwertes und S&sub2;ist das Maximum des absoluten Wertes der Neigung zwischen der Zeit des zweiten Extremwertes und des dritten Extremwertes. Somit ist für signifikante Sollwertveränderungen der Abklingfaktor zwischen zwei Umkehrungen der Regelgröße bestimmt und für signifikante Laststörungen ist der Abklingfaktor innerhalb von drei Umkehrungen der Regelgröße bestimmt.
Der maximale Zeitbetrag für das Feststellen des Abklingfaktors und der Antwortzeit nach einer signifikanten Sollwertveränderung oder nach einer signifikanten Laststörung wird als Wartezeit bezeichnet. Die optimale Wartezeit hängt von den Verhältnissen des Abtastintervalls zur dominanten Zeitkonstante des Prozesses und des Abtastintervalls zur Totzeit ab.
Eine geeignete Wartezeit kann unter Verwendung numerischer Simulationen bestimmt werden. Die Gleichung 7 wird verwendet, um die minimale Wartezeit für einen Prozeß nach einer signifikanten Sollwertveränderung zu bestimmen, wobei Twait,set die Wartezeit, T die Zeit zwischen den Abtastungen und τ die Zeitkonstante des Prozesses ist.
Die Gleichung 8 wird verwendet, um die minimale Wartezeit für einen Prozeß nach einer signifikanten Belastungsstörung zu bestimmen, wobei Twait,load die Wartezeit und τ die Zeitkonstante des Prozesses ist.
Wie vorher erwähnt, wird die Gleichung 6 verwendet, um den Abklingfaktor zu bestimmen, wenn S&sub1; und S&sub2; innerhalb der spezifizierten Wartezeit bestimmt sind und eine geringe Überschreitung im geglätteten Signal vorhanden ist. Wenn die zweite Neigung, S&sub2;, nicht innerhalb der Wartezeit bestimmt ist, ist der Abklingfaktor gleich Null zu setzen. Gleichermaßen ist, wenn keine Überschreitung vorhanden und h < 2 Tband ist, der Abklingfaktor gleich Null zu setzen. Ferner ist, wenn S&sub2; größer als S&sub1; ist, der Abklingfaktor gleich eins zu setzen.
Die Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises ("Θ") wird durch die Gleichung 9 bestimmt, wobei h die Stärke der Anwort ist, S&sub1; wie vorher beschrieben bestimmt wird und T das Abtastintervall ist. Wenn jedoch S&sub2; größer ist als S&sub1; wird die Antwortzeit durch die Gleichung Θ = h/(S2T) bestimmt. Ferner wird, wenn S&sub2; nicht innerhalb der Wartezeit bestimmt wird oder wenn keine Überschreitung vorhanden ist und h < 2 Tband, Θ nicht bestimmt.
Θ=h / S&sub1;T
Die Stärke einer Antwort wird wiederum sowohl für Sollwertveränderungen als auch für Belastungsstörungen aus Gleichung 10 berechnet.
Für Gleichung 10 stellt h die Stärke der Antwort dar, maximum ist der maximale Wert des geglätteten Signals und minimum ist der minimale Wert des geglätteten Signals.
Für eine Anwort mit Überschreitung oder für eine instabile Antwort nach einer Laststörung, wird die Antwortstärke zwischen der Zeit der Störung und dem dritten Extremwert bestimmt. Für eine träge Antwort wird die Antwortstärke zwischen der Zeit der Laststörung und der Zeit der Laststörung plus der Wartezeit für die Laststörungen bestimmt.
Während des Schrittes 107 wird bestimmt, ob das Stellglied 28 gesättigt ist. Ein Stellglied kann nach einer großen Störung gesättigt werden, bei der die Last den Regelgrößenbereich überschreitet. Wenn das Stellglied 28 in den gesättigten Zustand kommt und der Last nicht entprochen werden kann, werden Verstärkung und Integrierzeit nicht auf den neuesten Stand gebracht, weil der Regler 20 alles das tut was er kann, um die Regelgröße zum Sollwert 46 zu bewegen. Der Regler 20 wartet auf die nächste Rückkopplungssignalabtastung und der Programmablauf beginnt erneut bei Schritt 101. Wenn der Last entsprochen werden kann und das Stellglied nicht geättigt ist, geht der Regler zum Schritt 110 über.
Während des Schrittes 108 wird bestimmt, ob eine kleine Veränderung im Reglerausgang aufgetreten ist und ob sich der Prozeß im Regelzustand befindet. Eine Veränderung wird als klein angesehen, wenn der Reglerausgang sich weniger als das Vierfache der Auflösung des D/A-Wandlers verändert. Die Veränderung im Prozeßausgang wird durch Subtraktion des minimalen Reglerausgangs vom maximalen Reglerausgang während des Zeitraumes der Antwortcharakterisierung bestimmt. Der Prozeß wird als "im Regelzustand befindlich" angesehen, wenn sich jede Abtastung der geglätteten Abschätzung des Prozeßausganges zwischen der oberen und unteren Abstimmungs-Rauschgrenze liegt. Wenn sich der Prozeß im Regelzustand befindet und die Veränderung klein ist, geht der Regler zum Schritt 101 zurück. Ansonsten geht er zum Schritt 110 weiter. Dieser Schritt kompensiert eine mögliche Ungenauigkeit in den Vorrichtungen, wie zum Beispiel bei den Ventilen, die verwendet werden, um den relevanten Prozeß zu regeln. So kann es zum Beispiel sein, daß eine kleine Veränderung im Reglerausgang keine Veränderung im Ausgang eines Ventils ergibt.
Während des Schrittes 110 wird eine durchschnittliche Störungsgröße bestimmt. Die durchschnittliche Störungsgröße ist ein Maß der Durchschnittsgröße einer Störung oder einer Sollwertveränderung. Ein exponetiell gewichteter, veränderlicher Durchschnittswert wird verwendet, um die durchschnittliche Störungsgröße zu bestimmen. Die durchschnittliche Störungsgröße wird verwendet, um die Verstärkung und die Integrierzeit des Reglers 20 auf der Basis der Größe der letzten vorhergehenden Störung in bezug auf die Größe der durchschnittlichen Störung einzustellen.
Die Größe einer Störung wird durch die Gleichung 11 bestimmt, wobei die Störungsgröße, Maximum eine Funktion, die die größte Zahl in einer Liste bestimmt, Ymaximum der maximale Wert des geglätteten Rückkopplungssignals, Minimum eine Funktion, die die kleinste Zahl in einer Liste bestimmt und minimum der minimale Wert des geglätteten Rückkopplungssignals ist. Sollwert ist der aktuelle Sollwert für eine Laststörung und ist im Falle einer Sollwertveränderung der neue Sollwert.
=Maximum( maximum,Setpoint)-Minimum( minimum,Setpoint)
Die Gleichung 12 wird verwendet, um eine durchschnittliche Störungsgröße abzuschätzen, wobei p die Abschätzung der Störungsgröße basierend auf p Mustern ist. p ist der laufende Index der Anzahl der charakterisierten Muster, λ ist die exponentielle Glättungskonstante, p-1 ist die Abschätzung der Störungsgröße basierend auf p-1 Mustern und p ist für die Störung p.
Für die ersten 1/λ wird die Gleichung 13 verwendet, um die durchschnittliche Störungsgröße zu bestimmen.
In Schritt 112 wird ein Schätzwert für die Verstärkung ("abgeschätzte Verstärkung") aus einer Gleichung bestimmt, die eine Funktion des Abklingfaktors ist. Die Gleichung sichert eine nahezu optimale Leistung durch Minimierung des integrierten Absolutfehlers und sie wird sowohl für Laststörungen als auch für Sollwertveränderungen verwendet.
Genauer gesagt wird das Verhältnis der abgeschätzten Verstärkung zur gegenwärtigen Verstärkung durch die Gleichung 14 bestimmt, wobei Kopt die abgeschätzte Verstärkung, K der gegenwärtige Wert
der Verstärkung ist. Die Konstanten sind in Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1
Die Koeffizientenwerte von Tabelle 1 werden durch lineare Regression zur Minimierung der Gleichung 15 abgeleitet.
Darauf wird die gegenwärtige Verstärkung mit dem Verhältnis multipliziert, das durch Gleichung 14 bestimmt ist, um eine abgeschätzte Verstärkung für eine Antwort mit einem Abklingfaktor 0,15 zu erhalten.
In Schritt 114 wird ein neuer Schätzwert der Integrierzeit ("abgeschätzte Integrierzeit") aus einer Gleichung bestimmt, die eine Funktion der Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises ist. Diese Gleichung stellt eine nahezu optimale Leistung zur Verfügung und sie wird sowohl für Belastungsstörungen als auch für Sollwertveränderungen verwendet.
Genauer gesagt, es wird das Verhältnis einer abgeschätzten Integrierzeit zum aktuellen Abtastintervall durch die Gleichung 16 bestimmt, wobei i,opt der Schätzwert der optimalen Integrierzeit, T das Abtastintervall für den Regler 20, Θ die Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises ist und die Konstanten der Tabelle 2 zu entnehmen sind. Tabelle 2
Darauf wird das gegenwärtige Abtastintervall mit dem durch Gleichung 16 bestimmten Verhältnis multipliziert, um die abgeschätzte Integrierzeit zu erhalten. Eine untere Grenze für die abgeschätzte Integrierzeit sind zwei Abtastintervalle.
In Schritt 116 werden neue Werte für die Verstärkung und die Integrierzeit ("abgeschtzte Verstärkungs- und Integrierzeitwerte") bestimmt. Die neuen Verstärkungs- und Integrierzeitwerte ersetzen die Verstärkungs- und Integrierzeitwerte, die durch den Regler 20 vor der letzten vorhergehenden signifikanten Belastungsstörung oder signifikanten Sollwertveränderung verwendet wurden. Die neuen Verstärkungs und Integrierzeitwerte basieren auf der abgeschätzten Verstärkung und der abgeschätzten Integrierzeit, bestimmt in den Schritten 112 bzw. 114, den aktuellen Werten der Verstärkung und der Integrierzeit, der Größe der Störung oder der Sollwertveränderung in bezug auf den Rauschpegel im abgetasteten Rückkopplungssignal (Signal-Rausch-Verhältnis) und auf der Größe der Störung oder der Sollwertveränderung für das aktuelle Muster in bezug auf die durchschnittliche Größe der Störungen oder der Sollwertveränderungen für die vor hergehenden Muster (Störungsgrößenverhältnis).
Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis groß ist und auch das Störungsgrößenverhältnis groß ist, werden die neuen Verstärkungsund Integrierzeitwerte gleich der abgeschätzten Verstärkung und der abgeschätzten Integrierzeit gesetzt. Wenn das Signal-Rausch- Verhältnis klein ist oder wenn das Störungsgrößenverhältnis klein ist, werden die Werte für die Verstärkung und die Integrierzeit nicht verändert. Die Integrierzeit wird jedoch aus dem Schätzwert der Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises auf den neuesten Stand gebracht, wenn der Abklingfaktor Null ist.
Genauer gesagt, der neue Verstärkungswert wird durch die Gleichung 17 bestimmt, wobei Knew der neue Wert der Verstärkung für den PI-Regler 20, Kold die Verstärkung, die aktuell im Regler 20 verwendet wird, λdist-size eine exponentielle Glättungskonstante gleich einer Funktion des Störungsgrößenverhältnisses, λsignal-noise eine exponentielle Glättungskonstante gleich einer Funktion eines Signal-Rausch-Verhältnisses und opt die abgeschätzte Verstärkung ist.
Der neue Integrierzeitwert wird durch die Gleichung 18 bestimmt, wobei Ti,new der neue Wert der Integrierzeit für den Regler 20, Ti,old die aktuell im Regler 20 verwendete Integrierzeit und i,opt die abgeschätzte Integrierzeit ist.
Die exponentiellen Glättungskonstanten λdist.-size und λsignal-noise variieren zwischen Null und Eins. Wenn beide Glättungskonstanten Eins sind, sind die neuen Werte für die Verstärkung und die Integrierzeit gleich den abgeschätzten Werten. Wenn eine der beiden Glättungskonstanten Null ist, werden die Verstärkung und die Integrierzeit nicht verändert.
Ob die Glättungskonstanten gleich Null oder Eins sind, hängt von ihrer Beziehung zu vorbestimmten Konstanten, d&sub1; und d&sub2; im Falle des Störungsgrößenverhältnisses und k&sub1; und k&sub2; im Falle des Signal-Rausch-Verhältnisses ab.
Wenn das Störungsgrößenverhältnis kleiner ist als d&sub1;, ist λdist.size gleich Null. Wenn das Störungsgrrößenverhältnis größer als d&sub2; ist, ist λdist.-size gleich Eins. Wenn das Störungsgrößenverhältnis zwischen d&sub1; und d&sub2; liegt, wird λdist.-size aus der Gleichung 19 bestimmt.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführung der Erfindung ist d&sub1; gleich 0,0 und d&sub2; gleich 2,19. Ferner ist während der Anfangsstörungen oder Sollwertveränderungen λdist.-size gleich Eins gesetzt, um die Konvergenzeigenschaften des adaptiven Reglers mit Mustererkennung während der Startphase zu verbessern. Die ersten fünf bis neun Störungen werden normalerweise als Anfangsstörungen angesehen.
Gleichermaßen ist λsignal-noise gleich Null, wenn das Signal-Rausch- Verhältnis kleiner als k&sub1; ist und wenn das Signal-Rausch-Verhältnis größer als k&sub2; ist, ist λsignal-noise gleich Eins. Wenn das Signal- Rauschverhältnis zwischen k&sub1; und k&sub2;liegt, wird die Gleichung 20 verwendet, um λsignal-noise zu bestimmen.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführung der Erfindung ist k&sub1; gleich 0,95 und k&sub2; gleich 1,27.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, stellt die vorliegende Erfindung einen adaptiven Regler mit Mustererkennung mit weniger operator-spezifizierten Regelgrößen zur Verfügung, als sie bei den zur Zeit verfügbaren adaptiven Reglern mit Mustererkennung erforderlich sind. Ferner stellt die vorliegende Erfindung einer Regler mit Mustererkennung mit verbesserter Leistungsfähigkeit und insbesondere einen Regler, der ein Stellglied in einer nahezu optimalen Art und Weise bei hohem Signalrauschen regelt. Die vorliegende Erfindung stellt auch einen adaptiven Regler mit Mustererkennung mit einem veränderlichen Abstimmungs-Rauschband zur Verfügung, das sich automatisch auf verschiedene Rauschpegel im Prozeß einstellt. Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen adaptiven Regler mit Mustererkennung zur Verfügung, der effektiv einen Prozeß mit einer verringerten Anzahl von Stellgliedeinstellungen regelt, und dadurch Energiekosten reduziert.

Claims

1. Verfahren zum dynamischen Einstellen der Steuerparameter eines Proportional-Integralreglers (20), der zur Steuerung eines Stellglieds (28) vorgesehen ist, mit dem ein Verfahren beeinflußt wird, gekennzeichnet durch die Schritte:

Abtasten eines Rückkopplungssignals, das einer Regelgröße des Verfahrens entspricht, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen;

Erzeugen eines abgetasteten Signal, das auf dem geglätteten Signal basiert;

Bestimmen eines geschätzten Rauschpegels von dem abgetasteten Signal;

Bestimmen eine Abstimmungs-Rauschbandes, das auf den geschätzten Rauschpegel und dem geglätteten Signal basiert; und

Einstellen der Verstärkungs und Integrierzeitwerte, die von dem Regler (20) verwendet werden, wenn entweder die Differenz zwischen einem vorhergehenden Sollwert und einem aktuellen Sollwert oder die Differenz zwischen dem aktuell Sollwert und dem geglätteten Signal außerhalb des Abstimmungs-Rauschbandes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines geglätteten Signals das Bestimmen eines geglätteten Abtastwertes, der auf Erfüllung einer quadratischen Funktion durch eine erste vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Punkten basiert, und das Abschätzen der Neigung des abgetasteten Signals umfaßt, das auf Erfüllung einer quadratischen Funktion durch eine zweite vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Punkten basiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens eines geschätzten Rauschpegels das Bestimmen eines aktuellen Rauschpegels, der auf der Differenz zwischen dem abgetasteten Signal und dem geglätteten Signal basiert, und das Bestimmen eines Langzeitdurchschnitt-Rauschpegels umfaßt, der auf einem exponentiell gewichteten veränderlichen Durchschnittswert des aktuellen Rauschpegels und des vorher bestimmten Rauschpegels basiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das Abstimmungs-Rauschband bestimmt wird, das auf dem Langzeitdurchschnitt-Rauschpegel und auf dem aktuellen Sollwert basiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einstellens der von der Steuerung (20) verwendeten Verstärkungs und Integierzeitwerte gekennzeichnet ist durch die Schritte:

Bestimmen, ob eine signifikante Veränderung des Sollwerts stattgefunden hat, indem das Abstimmungs-Rauschband mit der Differenz zwischen dem vorhergehenden Sollwert und dem aktuellen Sollwert verglichen wird;

Bestimmen, ob eine signifikante Laststörung stattgefunden hat, indem das Abstimmungs-Rauschband mit der Differenz zwischen dem aktuellen Sollwert und dem geglätteten Signal verglichen wird;

Bestimmen eines Abklingfaktors, der auf der Neigung des geglätteten Signals basiert;

Bestimmen einer Antwortzeit des geschlossenen Regelkreises, die auf der Größe des geglätteten Signals basiert;

Bestimmen einer durchschnittlichen Störungsgröße; Schätzen einer optimalen Verstärkung, die auf dem Abklingfaktor basiert;

Schätzen einer optimalen Integrierzeit, die auf der Antwortzeit basiert;

Bestimmen einer neuen Verstärkung und einer neuen Integrierzeit, die auf der geschätzten optimalen Verstärkung, der geschätzten optimalen Integrierzeit, den aktuellen Verstärkungs- und Integrierzeitwerten, die in dem Regler (20) verwendet werden, dem Signal-Rausch-Abstand des abgetasteten Signals und der Größe der aktuellen Laststörung oder der Veränderung des Sollwerts relativ zu der Durchschnitts- Störungsgröße basiert; und

Einstellen der Verstärkung und der Integrierzeit des Reglers (20) auf die neue Verstärkung und die neue Integrierzeit.

6. Verfahren nach Anspruch 5, außerdem gekennzeichnet durch den Schritt des Bestimmens, ob das Stellglied (28) gesättigt ist.

7. Vorrichtung zum dynamischen Einstellen der Steuerparameter eines Proportional-Integralreglers (20), der zur Steuerung eines Stellglieds (28) vorgesehen ist, mit dem ein Verfahren beeinflußt wird, gekennzeichnet durch:

einen Analog/Digital-Wandlern (40) zum Abtasten eines Rückkopplungssignals, das einer Regelgröße des Verfahrens entspricht, um ein abgetastetes Signal zu erzeugen; und

einen Prozessor (42), der dazu ausgestaltet ist, um einen geschätzten Rauschpegel von dem abgetasteten Signal zu bestimmen, ein Abstimmungs-Rauschband zu bestimmen, das auf dem geschätzten Rauschpegel und dem abgetasteten Signal basiert, und die von der Steuerung (20) verwendeten Verstärkungs- und Integrierzeitwerte einzustellen, wenn die Differenz zwischen einem vorhergehenden Sollwert und einem aktuellen Sollwert außerhalb des Abstimmungs-Rauschbandes liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (42) ein geglättetes Signal erzeugt, das auf dem abgetasteten Signal basiert, das Abstimmungs- Rauschband bestimmt, das auf den geschätzten Rauschpegel und dem geglätteten Signal basiert, und die Verstärkungs- und Integrierzeitwerte einstellt, die von dem Regler (20) verwendet werden, wenn die Differenz zwischen dem aktuellen Sollwert und den geglätteten Signal außerhalb des Abstimmungs-Rauschbandes liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (42) ein geglättetes Signal erzeugt, indem ein geglätteter Abtastwert bestimmt wird, der auf Erfüllung einer quadratischen Funktion durch eine erste vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Punkten basiert, und die Neigung des abgetasteten Signal schätzt, das auf Erfüllung einer quadratischen Funktion durch eine zweite vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Punkten basiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (42) einen geschätzten Rauschpegel bestimmt, indem ein aktueller Rauschpegel bestimmt wird, der auf der Differenz zwischen dem abgetasteten Signal und dem geglätteten Signal basiert, und ein Langzeitdurchschnitt- Rauschpegel bestimmt wird, der auf einem exponentiell gewichteten veränderlichen Durchschnittswert des aktuellen Rauschpegels und des vorher bestimmten Rauschpegels basiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (42) das Abstimmungs-Rauschband bestimmt, das auf dem Langzeitdurchschnitt-Rauschpegel und dem aktuellen Sollwert basiert.