DE69434487T2

DE69434487T2 - Methode und vorrichtung zur fuzzy logicsteuerung mit automatischem abstimmverfahren

Info

Publication number: DE69434487T2
Application number: DE69434487T
Authority: DE
Inventors: Joe S. Qin
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2014-07-14
Also published as: JPH09501525A; CN1129037A; WO1995004956A1; DE69434487D1; US6330484B1; EP0713587A1; SG65583A1; CN1072368C; EP0713587B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Fuzzylogik-Steuerung (FLC) wird seit einigen Jahren in der Industrie häufig angewandt. Viele der Anwendungen sind zwar vom Umfang her relativ klein, etwa in Waschmaschinen, Aufzügen, Kraftfahrzeugen und Videokameras, es besteht jedoch ein erhebliches Interesse hinsichtlich der Anwendung von Fuzzylogik-Systemen für die Prozeßsteuerung. Auf dem Gebiet der Prozeßsteuerung laufen Forschungsarbeiten in bezug auf die Anwendung von Fuzzylogik-Steuerungen ähnlich wie herkömmliche Proportional-Integral-Differential- bzw. PID-Steuereinheiten.
Bei typischen Anwendungen richtet ein Bediener eine FLC durch Einstellen bestimmter Steuerungsparameter ein, die innerhalb der Steuereinheit existieren, um zu versuchen, das Ansprechverhalten der Steuereinheit zu optimieren. Eine manuelle Abstimmung von Fuzzylogik-Steuereinheiten ist zwar möglich, ist jedoch häufig zeitaufwendig und fehleranfällig. Außerdem kann sich der zu steuernde Prozeß im Lauf der Zeit verändern, was eine Neueinstellung erfordert.
Vorgehensweisen zum automatischen Abstimmen werden auf Prozeßsteuereinheiten und ihre Varianten angewandt. Beispielsweise wird in der US-PS 4 549 123 und in der Patentanmeldung Nr. 08/070090, angemeldet am 28. Mai 1993 (auf dieselbe Erwerberin wie die vorliegende Anmeldung übertragen), ein gesteuertes induziertes Schwingungsverfahren angewandt, um die Endverstärkung, die Endperiode und Zeitverzögerung des zu steuernden Prozesses zu bestimmen. Nachdem diese Prozeßcharakteristiken abgeleitet sind, werden Abstimmungsregeln angewandt, um die Prozeßsteuerungsparameter der PID-Steuereinheit zu bestimmen.
Bisher sind jedoch noch keine Verfahren oder Einrichtungen zum automatischen Abstimmen von Fuzzylogik-Steuereinheiten vorgeschlagen worden, so daß einem Bediener nur die manuelle Abstimmung nach der Versuch-und-Irrtum-Methode übrig bleibt.
IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON FUZZY SYSTEMS, 8. März 1992, San Diego, USA, S. 389–397, W. DAUGHERITY ET AL "PERFORMANCE EVALUATION OF A SELF TUNING FUZZY CONTROLLER" zeigt die iterative Entwicklung von Skalierungsfaktoren auf der Basis von Leistungsmeßwerten wie Prozentsatz des Überschwingens, Erreichungszeit und Prozentsatz der Schwingungsamplitude, welche die Fähigkeit einer Steuereinheit zum Steuern des Prozesses bezeichnen. Diese Leistungsmeßwerte sind keine dynamischen Prozeßcharakteristiken, wie sie in den Patentansprüchen angegeben sind, weil sie keine inhärente Operation oder Qualität des Prozesses selber bezeichnen.
EP 0 241 286 zeigt die Kombination aus einer Fuzzy-Folgerungseinheit und einer PID-Steuereinheit zum Berechnen der Steuerungsparameter einer PID-Steuereinheit. Dieses Dokument zeigt weder das Einstellen einer Fuzzylogik-Steuereinheit noch die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern zur Anwendung beim Abstimmen einer Fuzzylogik.
PROCEEDINGS OF THE 1992 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, CONTROL, INSTRUMENTATION, AND AUTOMATION, Vol. 2, 9. November 1992, SAN DIEGO, USA, S. 971–976, H. HONG ET AL, "A DESIGN OF AUTOTUNING PID CONTROLLER USING FUZZY LOGIC", ähnlich EP 0 241 286 , zeigt ein automatisches Abstimmungsverfahren für ein Steuerungssystem mit PID-Steuereinheit. Dieses Dokument zeigt weder die Abstimmung einer Fuzzylogik-Steuereinheit noch die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern zur Verwendung beim Einstellen einer Fuzzylogik-Steuereinheit.
US-A-5 231 335 zeigt die Anwendung von Fuzzy-Folgerungen, z.B. Fuzzylogik-Regeln, zur Steuerung der Leistung und des Betriebs eines ersten und eines zweiten Motors. Dieses Dokument zeigt weder ein Verfahren zum Abstimmen der Fuzzy-Folgerungen noch die Fuzzylogik-Steuereinheit, welche die Folgerungen nutzt.
IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, 18. 10. 92, Chicago, USA, S. 1603–1608, Zheng J. et al., STFC-self tuning Fuzzy Controller", zeigt eine selbstabstimmende Fuzzy-Steuereinheit, die Mengen von Abstimmungsregeln aufweist, die dazu bestimmt sind, den Prozeß iterativ abzustimmen und zu steuern. Dieses Dokument zeigt nicht die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern auf der Basis von dynamischen Prozeßcharakteristiken zur Verwendung beim Abstimmen einer Fuzzylogik-Steuereinheit.
IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics 23, 1992, Nr. 4, New York, USA, S. 973–980, Raju et al., "Adaptive hierarchical Fuzzy Controller", XP-418404, zeigt ähnlich dem Dokument D5 eine adaptive hierarchische Fuzzy-Steuereinheit, die Mengen von Abstimmungsregeln aufweist, die dazu bestimmt sind, den Prozeß iterativ abzustimmen und zu steuern. Dieses Dokument zeigt nicht die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern auf der Basis von dynamischen Prozeßcharakteristiken zur Verwendung beim Abstimmen einer Fuzzylogik-Steuereinheit.
Second IEEE International Conference on Fuzzy Systems, 28. 3. 1993, San Francisco, California, 28.3.–1.4.1993, Vol. 1, S. 291–296, Boscolo A. et al., "Computer aided tuning tool for Fuzzy Controllers", XP-371440, zeigt ein System auf der Basis eines Prozeßmodells zur Bestimmung der Steuerungsparameter, die bei einer tatsächlichen Fuzzylogik-Steuereinheit anzuwenden sind. Dieses Dokument zeigt nicht die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern auf der Basis von dynamischen Prozeßcharakteristiken, die dem Betrieb des Prozesses selbst innewohnen.
Fuzzy sets and Systems (51), 1992, Nr. 1, Amsterdam, Niederlande, S. 29–40, Maeda M. et al., "A self-tuning Fuzzy-Controller", XP-306831, zeigt eine iterativ selbstabstimmende Fuzzy-Steuereinheit, die eine anfängliche Menge von Steuerungsparametern schätzt, die für ein ideales Ansprechen des Prozesses erforderlich sind. Die Fuzzy-Steuereinheit fährt fort, die geschätzten Steuerungsparameter einzustellen, bis eine endgültige Menge von Steuerungsparametern bestimmt ist. Dieses Dokument zeigt nicht die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern auf der Basis von dynamischen Prozeßcharakteristiken, die dem Betrieb des Prozesses selbst innewohnen.
Second IEEE International Conference on Fuzzy Systems, 28.3.1993, San Francisco, California, 28.3.–1.4.1993, Vol. 1, S. 309–314, C-Y-Shieh et al., "A new self tuning fuzzy controller design and experiments", zeigt eine selbstabstimmende Fuzzy-Steuereinheit, die eine "Näherungs"-Regel als Basis für eine iterative Abstimmungstechnik verwendet. Die Fuzzy-Steuereinheit stellt iterativ einen Einstellfaktor α ein, um die Näherungsregel und damit den Ausgang der Fuzzy-Steuereinheit zu modifizieren. Dieses Dokument zeigt nicht die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern auf der Basis von dynamischen Prozeßcharakteristiken, die dem Betrieb des Prozesses selbst innewohnen.
Images of the Twenty-First Century, Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 11, 1989, Seattle, Washington, USA, Isaka S. et al., "An adaptive fuzzy controller for blood pressure regulation", zeigt ein selbstabstimmendes Verfahren für eine Fuzzy-Steuereinheit, die eine Expertenregel als eine Basis für das Abstimmungsverfahren nutzt. Die Expertenregel leitet und steuert die Einstellung der Steuerungsparameter, bis ein befriedigender Steuerungszustand erreicht ist. Dieses Dokument zeigt nicht die Berechnung von Fuzzylogik-Parametern auf der Basis von dynamischen Prozeßcharakteristiken, die dem Betrieb des Prozesses selbst innewohnen, sondern das Verfahren wirkt wie eine bekannte Rückkopplungsschleife, um das Prozeßverhalten iterativ zu optimieren.
Microprocessing and Microprogramming 35 (1992), September, Nr. 1/5, Amsterdam, NL, Nowe A., "A self-tuning robust fuzzy controller", beschreibt eine allgemeine Lehre in bezug auf das Abstimmen einer Fuzzy-Steuereinheit. Dieses Dokument zeigt keineswegs die Steuerung eines Prozesses, und noch weniger basiert es auf den Fuzzylogik-Parametern, die von dynamischen Prozeßcharakteristiken abgeleitet sind, die dem Betrieb des Prozesses selbst innewohnen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fuzzylogik-Steuerung mit automatischer Selbstabstimmung bereit, wodurch die oben angesprochenen Nachteile der bekannten Vorgehensweisen beseitigt werden.
Allgemein bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine automatisch abstimmbare Fuzzylogik-Steuereinheit. Die dynamischen Charakteristiken des zu steuernden Prozesses werden bestimmt und dazu genutzt, Prozeßsteuerungsparameter zur Anwendung mit der Fuzzylogik-Steuereinheit zu berechnen, um den Prozeß zu steuern.
Ein Verfahren zum automatischen Abstimmen einer Fuzzylogik-Steuereinheit, die verwendet wird, um einen Prozeß auf eine vorbestimmte Weise zu steuern, ist in Patentanspruch 1 angegeben, bevorzugte Ausführungsformen sind in Unteransprüchen definiert. Der Prozeß erzeugt mindestens eine Prozeßvariable und hat mindestens einen Steuerungseingang, der mit der Fuzzylogik-Steuereinheit verbunden ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bestimmen einer Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken aus dem Prozeß zum Abstimmen einer Proportional-Integral-Differential-Regel- oder Steuereinheit; Berechnen von Fuzzy-Steuerungsparametern als Funktionen der dynamischen Prozeßcharakteristiken zum Einstellen der Fuzzylogik-Steuereinheit; und Einstellen der Fuzzylogik-Steuereinheit unter Nutzung der Fuzzy-Steuerungsparameter zur Steuerung des Prozesses, wobei der Schritt des Bestimmens die folgenden Schritte aufweist: Bewirken, daß der Prozeß eine gesteuerte induzierte Schwingung erfährt; und Bestimmen der Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken aus dem Prozeß zum Einstellen einer Proportional-Integral-Differential-Regel- oder Steuereinheit während der Schwingung des Prozesses.
Ein automatisch einstellbares Steuerungssystem ist in Patentanspruch 13 definiert, wobei Unteransprüche davon bevorzugte Ausführungsformen darstellen. Das System weist folgendes auf: eine Fuzzylogik-Steuereinheit, die einstellbare Steuerungsparameter hat und zur Steuerung eines Prozesses ausgebildet ist; und ein Abstimmungsmodul zum Berechnen von Steuerungsparametern für die Fuzzylogik-Steuereinheit und zum Abstimmen der Fuzzylogik-Steuereinheit unter Nutzung dieser Steuerungsparameter.
Das Abstimmungsmodul ist ausgebildet, um dynamische Prozeßcharakteristiken des Prozesses zu bestimmen und um eine endgültige Menge der Steuerungsparameter, die eine gewünschte Steuerungsgüte des Prozesses ermöglichen, als Funktionen der dynamischen Prozeßcharakteristiken zu bestimmen, d.h. ohne Verwendung eines Prozeßmodells und ohne eine Änderung der Steuerungsparameter in der Fuzzylogik-Steuereinheit während des Abstimmungsvorgangs, der zum Bestimmen der endgültigen Menge von Steuerungsparametern dient.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockbild einer Fuzzylogik-Steuereinheit;
2 ist ein Blockbild einer automatisch abstimmbaren Fuzzylogik-Steuereinheit, die mit einem Prozeß in einem geschlossen Prozeßsteuerungssystem verbunden ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockbild einer beispielhaften Ausführungsform einer automatisch abstimmbaren Fuzzylogik-Steuerinheit zur Steuerung eines Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Blockbild einer anderen Ausführungsform einer automatisch abstimmbaren Fuzzylogik-Steuereinheit zur Steuerung eines Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Blockbild noch einer anderen Ausführungsform einer automatisch abstimmbaren Fuzzylogik-Steuereinheit zur Steuerung eines Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung;
6A und 6B sind Diagramme eines Prozeßeingangs- und Prozeßausgangssignals während einer Abstimmung mit gesteuerter induzierter Schwingung der Fuzzylogik-Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A, B, C und D zeigen beispielhafte Elementfunktionen, die in der Fuzzylogik-Steuereinheit der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
8A und B sind tabellarische Darstellungen von beispielhaften Regeln der Fuzzylogik-Steuereinheit, die bei der vorliegenden Erfindung angewandt werden;
9A und B sind ein beispielhaftes Blockbild und ein entsprechendes mathematisches Modell eines Prozesses, der gesteuert wird, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen;
10A, B, C und D sind Diagramme, die vergleichsweise die Leistung der Fuzzylogik-Steuereinheit der vorliegenden Erfindung während der Steuerung des in 9A gezeigten Prozesses veranschaulichen;
11 ist eine Tabelle, die vergleichsweise die Leistung der Fuzzylogik-Steuereinheit der vorliegenden Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Eine bei der vorliegenden Erfindung verwendete Fuzzylogik-Steuereinheit (FLC) 10 besteht aus drei Basisteilen, die in 1 gezeigt sind. Gemäß 1 wandelt ein Eingangssignal-Fuzzifizierungsblock 11 das kontinuierliche Eingangssignal bzw. die -signale in linguistische Fuzzy-Variablen wie beispielsweise Klein, Mittel und Groß unter Anwendung von sogenannten Elementfunktionen (die nachstehend im einzelnen beschrieben werden) um. Typische kontinuierliche Eingangssignale sind in 1 gezeigt und sind ein Fehlersignal e und eine Fehlersignaländerung Δe seit der letzten von dem Fehlersignal genommenen Stichprobe. Andere kontinuierliche Eingangsvariablen können ebenfalls als Eingangssignale dem Fuzzifizierungsblock 11 zugeführt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die FLC 10 jede Art von Fuzzylogik-Steuereinheit sein, was beispielsweise Zadeh-Fuzzylogik-Steuereinheiten und Lukasiewicz-Fuzzylogik-Steuereinheiten einschließt.
Der Fuzzymaschinenblock 12 führt eine Regelfolgerung und die Einbringung von menschlichen Erfahrungen als linguistische Regeln aus. Der Defuzzifizierungsblock 13 wandelt den gefolgerten Steuervorgang, der von dem Fuzzymaschinenblock 12 erzeugt wird, wieder in ein kontinuierliches Signal zurück, das zwischen gleichzeitig erfüllten Regeln gemäß der Bestimmung durch den Fuzzymaschinenblock 12 interpoliert. Wegen der Aktion des Defuzzifizierungsblocks 13 wird die Fuzzylogik manchmal als kontinuierliche Logik oder interpolative Folgerung bezeichnet. Der Fuzzymaschinenblock 12 und der Defuzzifizierungsblock 13 werden nachstehend mehr im einzelnen beschrieben.
Zwei ausgeprägte Merkmale der FLC 10 sind, daß menschliche Erfahrungen integriert werden können und daß die Fuzzylogik eine nichtlineare Beziehung bereitstellt, die durch die Elementfunktionen des Fuzzifizierungsblocks 11, die Regeln des Fuzzymaschinenblocks 12 und die Interpolation des Defuzzifizierungsblocks 13 induziert ist. Diese Merkmale machen die Fuzzylogik vielversprechend für die Prozeßsteuerung, wobei herkömmliche Steuerungstechniken nicht gut wirksam sind und Erfahrungen von Bedienern existieren.
Die FLC 10 weist ferner einen Akkumulator bzw. Speicher 14 auf, der die Funktion hat, die Steuerungänderungen Δu, die über die Zeit auftreten, zu speichern, um die Steuerung u zu erzeugen. Das heißt mit anderen Worten, da die FLC in einem Abtastdatenmodus arbeitet, wird die Steuerung u für jeden Zeitpunkt als die Steuerung für den vorhergehenden Abtastzeitpunkt, addiert zu der Steuerungsänderung, berechnet. Das heißt mit anderen Worten, u(t + Δt) = u(t) + Δu, wobei Δt das Abtastintervall ist.
In 2 ist ein Blockbild eines automatisch einstellbaren Fuzzylogik-Prozeßsteuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Prozeß 16 kann jede Art von Prozeß sein, der gesteuert werden soll. Im Betrieb wird ein Ausgangssignal oder eine Prozeßvariable y von dem Prozeß 16 erfaßt und einem Summierblock 17 zugeführt zum Vergleich mit einem Sollwert sp. Die Differenz zwischen der Prozeßvariablen y und dem Sollwert sp ist ein Fehlersignal e, das der FLC 14 gemeinsam mit der Steuerungsfehleränderung Δe zugeführt wird. Die Steuerungsfehleränderung Δe ist gleich der Differenz zwischen dem aktuellen Steuerungsfehler und dem Steuerungsfehler von dem vorhergehenden Abstastintervall. Anders ausgedrückt ist Δe = e(t) – e(t – Δt). Im Regelungsbetrieb wird die Steuerung u, die von der FLC 10 erzeugt wird, dem Prozeß 16 zugeführt. Dabei wirkt die FLC 10 zum Treiben der Prozeßvariablen y so, daß sie im wesentlichen gleich dem Sollwert sp ist.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Abstimmungssystem 18 vorgesehen, das verschiedene Meßgrößen erfaßt, die innerhalb des Fuzzylogik-Steuerungssystems vorhanden sind, um die dynamischen Prozeßcharakteristiken des Prozesses 16 zu bestimmen. Wie 2 zeigt, umfassen die Größen, die von dem Abstimmungssystem 18 gemessen werden können, beispielsweise die Prozeßvariable y, den Sollwert sp, das Fehlersignal e und die Steuerung u. Es versteht sich aber, daß innerhalb des Fuzzylogik-Steuerungssystems andere Meßgrößen als die in 2 gezeigten von dem Abstimmungssystem 18 gemessen werden können, um die dynamischen Prozeßcharakteristiken des Prozesses 16 zu bestimmen.
Nachdem von dem Abstimmungssystem 18 die dynamischen Prozeßcharakteristiken bestimmt worden sind, berechnet das Abstimmungssystem 18 gemäß der vorliegenden Erfindung geeignete Steuerungsparameter für die FLC 10, die durch eine Leitung 19 an die FLC 10 übermittelt werden. Dann wird der Prozeß 16 danach als geschlossenes System von der neu abgestimmten FLC 10 gesteuert, bis eine Neuabstimmung gewünscht oder erforderlich ist.
3 zeigt ein Blockbild einer spezifischen Ausführungsform eines Abstimmungssystems 18 zum automatischen Abstimmen einer Fuzzylogik-Steuereinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform von 3 besteht das Abstimmungssystem 18 aus einem Abstimmungsmodul 21 und einem Schalter 22. Bei dieser Ausführungsform hat das Abstimmungsmodul 21 die Funktion, die dynamischen Charakteristiken des Prozesses 16 zu bestimmen.
Das kann erreicht werden durch ein Modellanpassungs-Abstimmungsverfahren, bei dem eine Signaturanalyse an der Prozeßvariablen y ausgeführt wird, um aus einer Vielzahl von gespeicherten mathematischen Modellen das Modell auszuwählen, das den Prozeß 16 am genauesten charakterisiert. Dann werden, nachdem die dynamischen Charakteristiken des Prozesses 16 aus dem ausgewählten Modell bestimmt sind, die Steuerungsparameter für die FLC 10 berechnet und von dem Abstimmungsmodul 21 durch Aktivierung des Schalters 22 zu der FLC 10 übermittelt. Das Modellanpassungs-Abstimmungsverfahren ist Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt.
Das Abstimmungsmodul 21 in 3 kann auch wirksam sein, um die dynamischen Prozeßcharakteristiken des Prozesses 16 durch Anwendung eines Mustererkennungsverfahrens der Prozeßcharakterisierung zu bestimmen, wie in der US-PS 4 602 326 angegeben ist. Bei dem Mustererkennungs-Abstimmungsverfahren werden die Charakteristiken des Prozesses 16 durch Beobachten der Prozeßvariablen y in bezug auf ihr Ansprechen auf einen den Prozeß störenden Zustand bestimmt. Das Muster der Prozeßvariablen y, das als Ergebnis der Prozeßstörung erzeugt wird, wird dann analysiert, um die dynamischen Charakteristiken des Prozesses 16 zu bestimmen. Dann werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Steuerungsparameter für die FLC 10 aus den bestimmten Prozeßcharakteristiken berechnet, und diese Steuerungsparameter werden von dem Abstimmungsmodul 21 über den steuerbaren Schalter 22 an die FLC 10 übertragen.
4 zeigt ein Blockbild einer anderen Ausführungsform einer automatisch abstimmbaren Fuzzylogik-Prozeßsteuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform von 4 weist das Abstimmungssystem 18 einen steuerbaren Signalerzeuger 41, ein Abstimmungsmodul 42, einen steuerbaren Schalter 43 und einen Summierblock 44 auf. Diese Ausführungsform ist wirksam, um die dynamischen Charakteristiken des Prozesses 16 zu bestimmen durch Injektion eines von dem steuerbaren Signalerzeuger 41 erzeugten Erregungssignals in die geschlossene Schleife des Prozesses 16, des Summierblocks 17 und der FLC 10. Das wird erreicht durch Schließen des Schalters 43, so daß das von dem steuerbaren Signalerzeuger 41 erzeugte Erregungssignal zu der Steuerung u, die von der FLC 10 erzeugt wird, hinzuaddiert wird. Die Injektion des Erregungssignals veranlaßt die Schleife, auf eine gesteuerte Weise zu schwingen, und während dieser gesteuerten induzierten Schwingung bestimmt das Abstimmungsmodul 42 die dynamischen Charakteristiken des Prozesses 16. Aus diesen dynamischen Charakteristiken werden die Steuerungsparameter für die FLC 10 durch das Abstimmungsmodul 42 berechnet und durch die Leitung 19 zu der FLC 10 übertragen. Nach beendeter Abstimmung wird der Schalter 43 geöffnet, und der Prozeß 16 wird danach als geschlossener Kreis durch die abgestimmte FLC 10 gesteuert.
Eine solche Signalinjektionsmethode zur Bestimmung der Charakteristiken des Prozesses 16 ist beispielsweise in der Anmeldung mit der Anmeldungsnummer 07/753 271, angemeldet am 30. August 1991 (auf dieselbe Erwerberin wie die vorliegende Anmeldung übertragen), angegeben.
5 zeigt ein Blockbild noch einer anderen Ausführungsform eines automatisch abstimmbaren Fuzzylogik-Prozeßsteuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform von 5 weist das Abstimmungssystem 18 ein Abstimmungsmodul 51, einen steuerbaren Signalerzeuger 52 und einen steuerbaren Schalter 53 auf. Im Gebrauch bringt das Abstimmungsmodul 51 entweder automatisch oder unter Einwirkung eines Bedieners den Schalter 53 in Position 2, welche die Steuerung u, die von der FLC 10 erzeugt wird, durch das Ausgangssignal des steuerbaren Signalerzeugers 18 ersetzt. Das Abstimmungsmodul 51 steuert dann den Betrieb des steuerbaren Signalerzeugers 52 durch Überwachen der Prozeßvariablen y, des Fehlersignals e und des Ausgangssignals des steuerbaren Signalerzeugers 18, um die gesteuerte induzierte Schwingungsabstimmung der FLC 10 auszuführen.
Nach Beendigung des induzierten Schwingungsabstimmungsvorgangs stellt das Abstimmungsmodul 51 den Schalter 53 wieder in Position 1 zurück und berechnet die dynamischen Prozeßcharakteristiken für den Prozeß 16. Aus diesen dynamischen Prozeßcharakteristiken berechnet das Abstimmungsmodul 51 dann Steuerungsparameter und übermittelt sie auf Leitung 19 an die FLC 10. Danach wird der Prozeß 16 als geschlossene Schleife durch die abgestimmte FLC 10 gesteuert, bis eine Neuabstimmung gewünscht oder verlangt wird.
Wie bereits erwähnt, zeigen die US-PS 4 549 123 und die Anmeldung mit der Anmeldungsnummer 08/070 090, angemeldet am 28. Mai 1993, jeweils gesteuerte induzierte Schwingungsprozesse, die verwendet werden können, um die dynamischen Prozeßcharakteristiken des Prozesses 16 zu bestimmen.
Es ist zu beachten, daß jedes der in den 1 bis 5 vorhandenen Elemente entweder in Hardware realisiert oder in einem entsprechend programmierten Digitalcomputer implementiert sein kann, der mit Software entweder in Form separater Programme oder von Modulen eines gemeinsamen Programms programmiert ist.
Die 6A und 6B zeigen in Diagrammform einen Bereich eines beispielhaften Abstimmungsvorgangs mit induzierter Schwingung, der zum automatischen Abstimmen einer FLC dienen kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, daß auch andere Arten von automatischen Abstimmungsvorgängen angewandt werden können, beispielsweise die Modellanpassungs-Mustererkennung oder die Signalinjektion, und die Erörterung der gesteuerten induzierten Schwingung sollte nur als beispielhaft für die vorliegende Erfindung angesehen werden.
6A zeigt das Ausgangssignal y des Prozesses 16, und 6B zeigt das Eingangssignal u des Prozesses 16, wenn der Schalter 53 (5) in die Position 2 gebracht und mit dem Ausgang des Signalerzeugers 52 verbunden ist. Um eine gesteuerte induzierte Schwingung zu induzieren, führt der Signalerzeuger 52 ein Rechteckwellensignal zu, das einen wählbaren Spitze-Spitze-Wert von 2d hat und um den Wert des Steuersignals u zentriert ist, bevor die induzierte Schwingung ausgelöst wurde. Wie in 6A zu erkennen ist, zeigt das Prozeßausgangssignal y eine Schwingung, die einen Spitze-Spitze-Wert von 2a und eine Periode T_u hat. Diese Periode ist auch als die Endperiode des Prozesses 16 bekannt.
Unter Anwendung von Abstimmungsmethoden wie Internal Model Control bzw. IMC-Abstimmung, Cohen-and-Coon-Abstimmung, Ziegler-Nichols-Abstimmung oder modifizierte Ziegler-Nichols-Abstimmung, um nur einige zu nennen, wird dann der ausgewählte Abstimmungsprozeß dazu genutzt, aus den Größen d, a und T_u, die von der in den 6A und 6B gezeigten induzierten Schwingung abgeleitet sind, dynamische Prozeßcharakteristiken zu berechnen einschließlich der proportionalen Verstärkung K_C und der Integralzeitkonstanten T_i, die abstimmbare Parameter sind, die zur Steuerung einer Proportional-Integral- bzw. PI-Steuereinheit genutzt werden. Dann werden diese automatisch abgeleiteten dynamischen Prozeßcharakteristiken K_C und T_i genutzt, wie noch im einzelnen erläutert wird, um Parameter zu berechnen, die genutzt werden, um die FLC 10 abzustimmen.
Zur besseren Erläuterung der Abstimmung der FLC gemäß der vorliegenden Erfindung mag eine kurze Erläuterung von Fuzzylogik-Steuereinheiten bzw. FLCs vorteilhaft sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die funktionelle Beziehung, die durch die FLC 10 repräsentiert ist, wie folgt beschrieben werden: Δu = FLC(Δe, e) (1)wobei FLC() die nichtlineare Beziehung der FLC darstellt, Δu die Steuerungsänderung darstellt, e der Steuerungsfehler und Δe die Steuerungsfehleränderung ist. Da die FLC in einem Abtastdatenmodus arbeitet, wird die Steuerung u für jeden Zeitpunkt als die Steuerung für den vorhergehenden Abtastzeitpunkt, addiert zu der Steuerungsänderung, berechnet. Das heißt mit anderen Worten, u(t + Δt) = u(t) + Δu, wobei Δt das Abtastintervall ist. Der Steuerungsfehler e für jede Abtastperiode ist gleich der Differenz zwischen dem Sollwert sp und der Meßgröße y. Die Steuerungsfehleränderung Δe ist gleich der Differenz zwischen dem aktuellen Steuerungsfehler und dem Steuerungsfehler aus dem vorhergehenden Abtastintervall. Mit anderen Worten, Δe = e(t) – e(t – Δt).
Fuzzyelementfunktionen, die in dem Fuzzifizierungsblock 11 verwendet werden, können auf der Basis von bereits vorhandenem Wissen über den Prozeß definiert werden. Zur Verdeutlichung, wie die Elementfunktionen für den Steuerungsfehler e, die Steuerungsfehleränderung Δe und die Steuerungsänderung Δu definiert werden, ist es zweckmäßig, die skalierten Variablen zu verwenden:

wobei S_e,
und
Skalierungsfaktoren für e* bzw. Δe bzw. Δu sind. e*, Δe* und Δu* sind so skaliert, daß sie jeweils Werte haben, die größer oder gleich –1 und kleiner oder gleich 1 sind. Mögliche Mengen von Fuzzyelementfunktionen für e*, Δe* und Δu* sind in den 7A, B, C und D angegeben. Die Anzahl von Elementfunktionen für jede Variable kann in Abhängigkeit von der für diese Variable geforderten Auflösung veränderlich sein. Allgemein gesagt, bieten mehr Elementfunktionen mehr Freiheitsgrade für die funktionelle Beziehung der Steuereinheit.
Wie von Ying et al., "Fuzzy Control Theory: A Non-Linear Case", Automatica, 26(3), S. 513–520 (1990) erörtert wird, kann eine herkömmliche PID-Steuereinheit reproduziert werden unter Verwendung einer FLC mit zwei Elementfunktionen für jede Eingangsvariable e* und Δe* und mit linearer Defuzzifizierung.
7A zeigt zwei Elementfunktionen, die als Eingangsvariablen e* und Δe* dienen können, und 7B zeigt drei Elementfunktionen für die Steuerungsänderung Δu*, wenn der Steuerungsfehler e* und die Steuerungsfehleränderung Δe* für die Verwendung von zwei Elementfunktionen konditioniert sind, die in 7A gezeigt sind.
Ebenso zeigt 7D fünf Elementfunktionen, die für die Steuerungsänderung Δu* verwendet werden, wenn der Steuerungsfehler e* und die Steuerungsfehleränderung Δe* für die Verwendung der vier in 7C gezeigten Elementfunktionen konditioniert sind. In jeder der 7A, B, C und D sind die Elementunterteilungen symmetrisch von –1 bis 1, und die folgenden Adjektive werden verwendet, um die verschiedenen Elementfunktionen zu beschreiben:
NL- negativ groß
NS- negativ klein
ZO- Null
PS- positiv klein
PL- positiv groß
Wie oben gesagt wurde, ist der Fuzzymaschinenblock 12 wirksam, um für die Operation der Elementfunktionen des Fuzzifizierungsblocks 11 Folgerungsregeln anzuwenden. Im allgemeinen kann die Folgerungsregel für eine FLC wie folgt beschrieben werden:
{Wenn e* A_i ist und Δe* B_i ist, dann mache Δu* zu C_i}. (5)
wobei A_i, B_i und C_i jeweils Adjektive für e*, Δe* und Δu* sind. Diese Adjektive sind die oben unter Bezugnahme auf die 7A–D erwähnten Deskriptoren (negativ groß, negativ klein, Null usw.). Eine Grundforderung dieser Regeln ist, daß sie eine negative Rückführungssteuerung aus Gründen der Stabilität ausführen. Eine beispielhafte Menge von vier Regeln ist in Tabellenform in 8A angegeben, und 8B zeigt eine beispielhafte Menge von sechzehn Regeln. Vier Regeln werden verwendet, wenn jedes von e* und Δe* von zwei Elementfunktionen konditioniert ist (7A), und sechzehn Regeln werden verwendet, wenn jedes von e* und Δe* von vier Elementfunktionen konditioniert ist (7C).
Nachdem die Regeln angewandt sind, um die erforderliche Steuerungsänderung Δu* aus den Elementfunktionen des Steuerungsfehlers e* und der Steuerungsfehleränderung Δe* zu etablieren, wird die Defuzzifizierung der skalierten Steuerungsänderung Δu* von dem Defuzzifizierungsblock 13 ausgeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die bekannte Schwerpunktmethode der Defuzzifizierung angewandt, aber andere Arten von Defuzzifizierungsmethoden wären ebenfalls annehmbar, beispielsweise die Massenmittelpunkt-Defuzzifizierung und die verallgemeinerte Schwerpunkt-Defuzzifizierung.
Die Defuzzifizierung unter Anwendung der Schwerpunktmethode verwendet entweder die Lukasiewicz-Logik oder die Zadeh-Logik oder eine Kombination aus Lukasiewicz- und Zadeh-Logik. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zadeh-UND-Funktion verwendet, und entweder die Lukasiewicz-ODER-Funktion oder die Zadeh-ODER-Funktion wird verwendet.
Nach der Defuzzifizierung wird die skalierte Steuerungsänderung Δu* durch Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor
deskaliert, um die deskalierte Steuerungsänderung Δu zu erhalten. Dann wird, wie oben beschrieben, die Steuerungsänderung Δu (die positiv oder negativ sein kann) zu der während des letzten Abtastintervalls u(t) angewandten Steuerung addiert, um die Steuerung zu erhalten, die für das momentane Abtastintervall u(t + Δt) anzuwenden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abstimmung innerhalb des Abstimmungssystems 18 (siehe auch die 2 bis 5) erreicht durch Berechnen von Werten für die Skalierungsfaktoren S_e,
und
als Funktionen von dynamischen Prozeßcharakteristiken, die während eines automatischen Abstimmungsprozesses von dem gesteuerten Prozeß abgeleitet werden.
Auf bekannte Weise werden aus den vorgenannten Abstimmungsvorgängen dynamische Prozeßcharakteristiken wie etwa die kritische Verstärkung K_C und die Integralzeitkonstante T_i für den betrachteten Prozeß bestimmt. Wie oben gesagt wurde, berechnet ein gesteuerter induzierter Schwingungsprozeß die proportionale Verstärkung K_C und die Integralzeitkonstante T_i aus den Meßgrößen a, d und T_u. Nachdem K_C und T_i bestimmt sind, werden die FLC-Skalierungsfaktoren S_e,
und
gemäß den folgenden Gleichungen in Beziehung gesetzt, wenn die Lukasiewicz-ODER-Logik für die Defuzzifizierung angewandt wird:
Wenn für die Defuzzifizierung die Zadeh-ODER-Logik angewandt wird, werden S_e,
und
durch die folgenden Berechnungen in Beziehung gesetzt:
Wenn für die Selbstabstimmung die gesteuerte induzierte Schwingung auf der Basis von Ziegler-Nichols-Abstimmungsregeln angewandt wird, können die Gleichungen (6) bzw. (8) als die Gleichungen (10) bzw. (11) geschrieben werden:
In jedem Fall wird der Steuerungsfehler-Skalierungsfaktor S_c gemäß der Gleichung berechnet:
In jeder der Gleichungen (6) bis (12) gelten die nachstehenden Definitionen: 0 ≤ α = Max(|e*|, |Δe*|) ≤ 1,0 (13)
und Δt ist das Abtastintervall, T_u, a und d sind die Meßgrößen, die während der gesteuerten induzierten Schwingung bestimmt wurden, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. α ist ein Faktor, der den Stabilitätsspielraum der FLC einstellt.
In der Praxis muß, um den Steuerungsfehler-Skalierungsfaktor S_e, die Anderung des Steuerungsfehler-Skalierungsfaktors
und den Steuerungs-Skalierungsfaktor
zu berechnen, einer von den drei bestimmt werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
als eine Funktion der maximalen Ansprechgeschwindigkeit der Stelleinheit, die durch die Steuerung u gesteuert wird, bestimmt. Typische Stelleinheiten sind beispielsweise Ventile, Pumpen und Heizelemente, von denen jede inhärent einer Ratenbegrenzung unterliegt. Wenn die Ratenbegrenzung niemals erreicht wird, wird ein maximaler möglicher Steuerungsfehler e_m (der eine Funktion des Betriebsbereichs der FLC ist) bestimmt.
Nachdem die maximale Geschwindigkeit der Stelleinheit Δu_m bestimmt ist, wird zum Abstimmen der FLC
gleich
vorgegeben, und S_e und
werden aus den Gleichungen (10) und (12) (oder den Gleichungen (11) und (12)) berechnet. Wenn als Ergebnis der Berechnungen S_e als kleiner oder gleich e_m bestimmt wird, wird die Abstimmung beendet. Wenn jedoch der berechnete S_e größer als e_m ist, dann wird der Steuerungsfehler-Skalierungsfaktor S_e gleich e_m vorgegeben, und
und
werden aus neugeordneten Gleichungen (10) und (12) (oder aus neugeordneten Gleichungen (11) und (12)) berechnet, und die Abstimmung wird abgeschlossen.
Zur Verdeutlichung der Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Steuerungsbeispiele angegeben. Die 9A und 9B zeigen ein beispielhaftes Blockbild eines gesteuerten Prozesses, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, und ein mathematisches Modell des Prozesses. Dabei weist der Prozeß einen Behälter 60 auf, der eine Flüssigkeit 61 enthält. Der Behälter 60 hat eine Abgabeöffnung 62, aus der Flüssigkeit 61 mit konstanter Rate abgegeben wird. Die Flüssigkeit strömt unter Steuerung durch Ventile 63 und 64 in den Behälter 60. Eine Flüssigkeitspegel-Detektiereinrichtung 66 erzeugt eine Meßvariable y, die den Pegel der Flüssigkeit 61 in dem Behälter 60 anzeigt, und eine Steuereinheit 67 steuert das Ventil 63 als eine Funktion der Meßvariablen y und eines Sollwerts sp, um den Pegel der Flüssigkeit 61 in dem Behälter 60 zu steuern.
Das Ventil 64 wird von einem Laststeuerungssignal q gesteuert, um eine Bewertung der Leistung der Steuereinheit 66 in Abhängigkeit von Störungen des Pegels der Flüssigkeit 61 in dem Behälter 60 zu ermöglichen.
9B repräsentiert ein mathematisches Modell des Prozesses von 9A. Die Slew Rate des Ventils 63 ist im Modell durch einen Slew-Rate-Begrenzungsblock 68 gezeigt, und die Beiträge zu der Meßvariablen y als Resultat des Steuerungssignals u und des Laststeuerungssignals q sind im Modell durch Blöcke 69 bzw. 70 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf die Diagramme der 10A–D sind beispielhafte Diagramme gezeigt, welche die abgestimmte FLC der vorliegenden Erfindung mit einer Standard-PI-Steuereinheit in Abhängigkeit von Änderungen des Sollwerts und von Laständerungen vergleichen. Nahe dem Anfang jedes Diagramms ist der Sollwert stufenweise von 3 auf 6 Einheiten erhöht, und nahe der Mitte jedes Diagramms ist das Laststeuerungssignal von 0 auf 3 Einheiten stufenweise erhöht.
In 10A ist das Ansprechverhalten der PI-Steuereinheit, die unter Anwendung von IMC-Abstimmungsvorgängen abgestimmt ist, durch die Kurve 71 gezeigt, und das Ansprechverhalten einer automatisch abgestimmten FLC ist durch die Kurve 72 gezeigt. Die abgestimmten Parameter für die PI-Steuereinheit, die zur Erzeugung des Diagramms von 10A verwendet wurden, waren folgende: T_i = 10 und K_c = 4; und die abgestimmten Parameter für die FLC-Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung waren
= 4,
= 0,279 und S_e = 11,16.
Unter Bezugnahme auf 10B wurden die gleichen schrittweisen Änderungen des Sollwerts und der Last wie in 10A bei denselben Steuereinheiten mit denselben Einstellungen angewandt, aber in die Meßvariable y wurde Zufallsrauschen eingeführt, um die hydraulische Schwankung der Oberfläche der Flüssigkeit 61 in dem Behälter 60 zu simulieren. Das Ansprechverhalten der abgestimmten PI-Steuereinheit ist durch die Kurve 73 bezeichnet, und das Ansprechverhalten der abgestimmten FLC-Steuereinheit ist durch die Kurve 74 bezeichnet.
10C zeigt Kurven, welche die Leistung einer abgestimmten PI-Steuereinheit, die unter Anwendung des automatischen induzierten Schwingungsprozesses gemäß der Beschreibung in der Anmeldung Nr. 08/070 090, angemeldet am 28. Mai 1993 (gesteuerte induzierte Schwingung), abgestimmt wurde, vergleicht. In 10C waren die abgestimmten Parameter, die zur Erzeugung der Kurve 76 der PI-Steuereinheit angewandt wurden, folgende: K_C = 3,73 und T_i = 4,55, und die abgestimmten Parameter, die zur Abstimmung der FLC-Steuereinheit zum Erzeugen der Kurve 77 angewandt wurden, waren:
= 4,0,
= 0,279 und S_e = 11,16.
10D vergleicht die Leistung derselben Steuereinheiten, die zum Erzeugen der Kurven von 7C verwendet wurden, mit der Überlagerung von Zufallsrauschen, um eine hydraulische Bewegung zu simulieren. Die Kurve 78 ist eine abgestimmte PI-Steuereinheit, und die Kurve 79 ist eine abgestimmte FLC-Steuereinheit.
11 zeigt eine Tabelle, die den berechneten Integralabsolutfehler bzw. IAE (ein Maß für das Steuerungsverhalten) für die FLC der vorliegenden Erfindung und die PI zeigt, die in den 10C und 10D gemeinsam aufgetragen sind.

Claims

Verfahren zum automatischen Abstimmen einer Fuzzylogik-Steuereinheit (10), die verwendet wird, um einen Prozeß (16) auf eine vorbestimmte Weise zu steuern, wobei der Prozeß mindestens eine Prozeßvariable (y) erzeugt und mindestens einen Steuerungseingang (u) hat, der mit der Fuzzylogik-Steuereinheit verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken aus dem Prozeß zum Abstimmen einer Proportional-Integral-Differential-Regel- oder Steuereinheit; Berechnen von Fuzzy-Steuerungsparametern als Funktionen der dynamischen Prozeßcharakteristiken zum Einstellen der Fuzzylogik-Steuereinheit (10); und Einstellen der Fuzzylogik-Steuereinheit unter Nutzung der Fuzzy-Steuerungsparameter zur Steuerung des Prozesses, wobei der Schritt des Bestimmens die folgenden Schritte aufweist: Bewirken, daß der Prozeß eine gesteuerte induzierte Schwingung erfährt; und Bestimmen der Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken aus dem Prozeß zum Einstellen einer Proportional-Integral-Differential-Regel- oder Steuereinheit während der Schwingung des Prozesses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bewirkens die folgenden Schritte aufweist: Trennen der Fuzzylogik-Steuereinheit (10) von dem mindestens einen Steuerungseingang (u); und Verbinden des mindestens einen Steuerungseingangs mit einer steuerbaren Signalerzeugungseinrichtung (41), um zu bewirken, daß der Prozeß eine gesteuerte induzierte Schwingung erfährt.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den folgenden Schritt aufweist: erneutes Verbinden der Fuzzylogik-Steuereinheit (10) mit dem mindestens einen Steuerungseingang nach dem Einstellschritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bewirkens den folgenden Schritt aufweist: Injizieren eines Erregungssignals in eine geschlossene Schleife, welche die Fuzzylogik-Steuereinheit (10) und den Prozeß aufweist, um zu bewirken, daß die geschlossene Schleife eine induzierte Schwingung erfährt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens den folgenden Schritt aufweist: Bestimmen der Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken durch ein Modellabgleichverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens den folgenden Schritt aufweist: Bestimmen der Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken durch ein Mustererkennungsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dynamischen Prozeßcharakteristiken die Endverstärkung und Endperiode des Prozesses aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsparameter Skalierungsfaktoren (S) für die Fuzzylogik-Steuereinheit aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Skalierungsfaktoren einen Steuerungsfehler-Skalierungsfaktor, eine Änderung des Steuerungsfehler-Skalierungsfaktors und eine Änderung des Steuerungs-Skalierungsfaktors aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die dynamischen Prozeßcharakteristiken die kritische Verstärkung (K_c) und die Integralzeitkonstante (T_i) des Prozesses aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die dynamischen Prozeßcharakteristiken und die Steuerungsparameter durch die folgenden Gleichungen miteinander in Beziehung sind:
wobei: K_c die kritische Verstärkung des Prozesses ist, T_i die Integralzeitkonstante des Prozesses ist,
die Änderung des Steuerungs-Skalierungsfaktors ist,
die Änderung des Steuerungsfehler-Skalierungsfaktors ist, S_c der Steuerungsfehler-Skalierungsfaktor ist, Δt die Abtastrate der Fuzzylogik-Steuereinheit ist, und α der Stabilitätsspielraum-Einstellfaktor ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die dynamischen Prozeßcharakteristiken und die Steuerungsparameter durch die folgenden Gleichungen miteinander in Beziehung sind:
wobei: K_c die kritische Verstärkung des Prozesses ist, T_i die Integralzeitkonstante des Prozesses ist,
die Änderung des Steuerungs-Skalierungsfaktors ist,
die Änderung des Steuerungsfehler-Skalierungsfaktors ist, S_c der Steuerungsfehler-Skalierungsfaktor ist, Δt die Abtastrate der Fuzzylogik-Steuereinheit ist, und α der Stabilitätsspielraum-Einstellfaktor ist.
Automatisch einstellbares Steuerungssystem, das folgendes aufweist: eine Fuzzylogik-Steuereinheit (10), die einstellbare Steuerungsparameter hat und zur Steuerung eines Prozesses ausgebildet ist; und ein Einstellmodul (21) zum Berechnen von Steuerungsparametern für die Fuzzylogik-Steuereinheit (10) und zum Einstellen der Fuzzylogik-Steuereinheit (10) unter Nutzung dieser Steuerungsparameter; dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellmodul (21) ausgebildet ist, um dynamische Prozeßcharakteristiken des Prozesses zum Einstellen einer Proportional-Integral-Differential-Regel- oder Steuereinheit zu bestimmen und um eine endgültige Menge der Steuerungsparameter, die eine gewünschte Steuerungsgüte des Prozesses ermöglichen, als Funktionen der dynamischen Prozeßcharakteristiken zu bestimmen ohne Verwendung eines Prozeßmodells und ohne Änderung der Steuerungsparameter innerhalb der Fuzzylogik-Steuereinheit während des Einstellprozesses, der angewandt wird, um die endgültige Menge von Steuerungsparametern zu bestimmen, indem bewirkt wird, daß der Prozeß eine gesteuerte induzierte Schwingung erfährt; und die Vielzahl von dynamischen Prozeßcharakteristiken aus dem Prozeß zum Einstellen einer Proportional-Integral-Differential-Regeleinrichtung während der Schwingung des Prozesses bestimmt wird.
Automatisch einstellbares Steuerungssystem nach Anspruch 13, wobei das Abstimmungsmodul (18) folgendes aufweist: eine steuerbare Signalerzeugungseinrichtung (41), die mit dem System (18) selektiv verbindbar ist, um zu bewirken, daß das System eine induzierte Schwingung erfährt; und eine Einstelleinrichtung (42) zum selektiven Verbinden der steuerbaren Signalerzeugungseinrichtung (41) mit dem System, zum Bestimmen der dynamischen Prozeßcharakteristiken während der induzierten Schwingung, und zum Berechnen der einstellbaren Steuerungsparameter als Funktionen der dynamischen Prozeßcharakteristiken.
Automatisch einstellbares Steuerungssystem nach Anspruch 14, das ferner einen Schalter (22) aufweist, um die steuerbare Signalerzeugungseinrichtung (41) und die Fuzzylogik-Steuereinheit (10) alternierend mit dem System zu verbinden.
Automatisch einstellbares Steuerungssystem nach Anspruch 14, das ferner einen Schalter (43) aufweist, um die steuerbare Signalerzeugungseinrichtung (41) alternierend mit dem System zu verbinden und davon zu trennen, um ein Erregungssignal selektiv in das System (18) zu injizieren.
Automatisch einstellbares Steuerungssystem nach Anspruch 13, wobei das Einstellmodul (21, 42, 51) eine Modellabgleich-Einstelleinrichtung aufweist.
Automatisch einstellbares Steuerungssystem nach Anspruch 13, wobei das Abstimmungsmodul (21, 42, 51) eine Mustererkennungs-Einstelleinrichtung aufweist.