DE69719715T2

DE69719715T2 - Prozesssteuerungssystem mit asymptotischer selbsteinstellung

Info

Publication number: DE69719715T2
Application number: DE69719715T
Authority: DE
Inventors: E. Brigham; Hehong Zou
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: US5818714A; EP0853775B1; DE69719715D1; CA2231733A1; EP0853775A1; WO1998006016A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen industriellen Prozeßregler mit komplexitätsarmer und robuster Selbstabstimmung, der in leistungsarmen und Speicheranwendungen implementiert sein kann, z. B. in einem am Einsatzort montierten bzw. Vorortregler, einem Handgerät oder in einem Personalcomputer.
Zu Vorortreglern gehören verschiedene Geräte, z. B. Geber, Aktoren, Wandler, Schalter, Ventilstellungsregler und autonome Regler. Vorortregler werden in Prozeßleit- bzw. -regelsystemen eingesetzt, um den Prozeß zu regeln, Prozeßgrößen zu messen und Ausgaben als Darstellung der Prozeßgrößen zur Übertragung zu Zentralreglern oder Vorortregelelementen (z. B. Ventilen) über Prozeßregelkreise zu erzeugen. Zu den Kreisen gehörten Zweidraht-, Dreidraht- und Vierdrahtkreise. Auch andere Kreise wurden verwendet, z. B. optische und Hochfrequenz-Regelkreise.
Vorortregler sind in einem Vorortbereich angeordnet, in dem Strom- und Spannungspegel normalerweise begrenzt sind, um für Eigensicherheit zu sorgen. Oft werden die Einheiten über den Regelkreis gespeist. Ein gesonderter Wandler erfaßt jede Prozeßgröße und führt die erfaßte Größe zu einem Geber zur Übertragung zum Zentralregler. Regler können sich in einer Zentralleitwarte oder vor Ort befinden und die Wandlerausgaben kombinieren, um geeignete Regelausgangssignale zu erzeugen. Normalerweise werden Regelausgangssignale über einen gesonderten Regelkreis zu entfernten Aktoren gesendet, z. B. zu Ventilen oder Motorstellantrieben, die den Prozeß gemäß den Regelausgangssignalen regeln. In bestimmten Anwendungen wählen Regler den geeignetsten Befehlssatz für Prozeßregelausrüstungen aus.
In einer Anwendung verfügt der Geber selbst über eine Regelfunktion, die die Regelausgangssignale direkt zu den entfernten Geräten führt, wodurch der Zentralregler umgangen wird. Eine Regelfunktion kann auch in anderen Vorortregelelementen vorgesehen sein, z. B. Ventilen. Diese Art von Regler wird als "intelligenter" Vorortregler bezeichnet und ist in der US-A-5485400 näher offenbart.
Der Regelalgorithmus oder die Regelgleichung, der (die) durch den Regler im Geber oder in der Zentralleitwarte abgearbeitet wird, ist speziell auf den Prozeß zugeschnitten, in dem der Regler verwendet wird. Es gibt mehrere grundsätzliche Regelalgorithmen, u. a. Proportional- (P), Proportional-Integral- (PI), Proportional-Differential- (PD) und Poportional- Integral-Differential- (PID) Regelalgorithmen. Die Leistung des Regelalgorithmus ist durch Regelparameter bestimmt, z. B. KP, TI und TD, die der Proportionalverstärkung, Integralzeit bzw. Differentialzeit für einen idealtypischen PID-Regelalgorithmus entsprechen. In einigen Anwendungen ist KP durch einen Proportionalbereichsparameter PB ersetzt, der eine Funktion von KP ist. Es gibt auch andere Arten von PID-Regelalgorithmen, z. B. Parallel- und Reihengleichungen. Diese Algorithmen haben entsprechende Parameter, die den idealtypischen Parametern ähneln. Die Regelparameter werden auf der Grundlage eines Modells des zugrundeliegenden Prozesses abgestimmt, um den Prozeß optimal zu betreiben.
Eine der wichtigsten Aufgaben beim Abstimmen der Regelparameter ist das Festlegen des anfänglichen Prozeßmodells und Schätzen der entsprechenden Modellparameter. Ein Modell für einen nicht selbstregulierenden Prozeß, z. B. einen Pegelregelprozeß, kann als Integrationsgleichung festgelegt sein. Die entsprechenden Modellparameter werden durch Stören des Prozesses und Beobachten eines Verhaltens der Prozeßgröße geschätzt.
Mehrere Abstimmverfahren stehen zur Verfügung, um die Regelparameter abzustimmen, sobald die Prozeßmodellparameter bestimmt sind. Beim offen-prozeßgekoppelten Ziegler-Nichols- Abstimmverfahren wird die Prozeßgröße y(t) manuell oder automatisch auf einen stabilen Zustand YSS geregelt, und eine Sprungfunktion wird auf ein Regelsignal u(t) angewendet. Danach werden die Prozeßmodellparameter durch Beobachten des Verhaltens der Prozeßgröße geschätzt. Normalerweise ist die Schätzung der Prozeßmodellparameter gegenüber dem stationären Wert YSS empfindlich. Es ist schwierig, gewünschte geschlossen-prozeßgekoppelte Reaktionen zu erhalten, wenn der stabile Zustand YSS nicht ideal hergestellt ist, bevor die Sprungfunktion startet, oder wenn das Vorortregelelement Hysterese zeigt.
Im modifizierten Frequenzbereichs- (geschlossen-prozeßgekoppelten) Verfahren nach Ziegler-Nichols wird ein Relaisrückführungssignal zum stationären Regelsignal u(t) = USS addiert und zwischen zwei Werten hin- und hergeschaltet, um Grenzzyklusschwingungen der Prozeßgröße zu bewirken, anhand derer sich Frequenzbereichsparameter (Grenzperiode TU und Verstärkung KU) schätzen lassen. Danach werden die Regelparameter gemäß einer auf Experimenten beruhenden Formel erzeugt. Die Schätzung von Frequenzparametern TU und KU ist ebenfalls gegenüber YSS empfindlich. Zusätzlich erschweren Last und Ventilreibung die Abstimmung und können zu suboptimal abgestimmten Kreisen führen. Zum robusten und wiederholbaren Abstimmen ist oft eine Vorabstimmstufe notwendig, um einen stabilen Zustand YSS zu haben, bevor die Störung auf den Prozeß Anwendung findet. Die Notwendigkeit einer Vorabstimmung erhöht die Komplexität des Algorithmus und die Abstimmzeit. Die zusätzliche Komplexität macht es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, einen solchen Abstimmalgorithmus in Anwendungen zu implementieren, die ein begrenztes Leistungs-, Speicher- und Rechenvermögen haben, z. B. in Gebern zur Vorortregelung. Diese Verfahren und andere Abstimmverfahren sind in K. Astrom und B. Wittenmark, Adaptive Control, Addison-Wesley Publishing Company, Kapitel 8 (1989) beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche festgelegt. Insbesondere verfügt das Prozeßregelsystem der Erfindung über einen Regler mit einem Prozeßgrößeneingang und einem Regelausgang. Der Regler erzeugt ein Regelausgangssignal am Regelausgang als Funktion einer gemessenen Prozeßgröße, die am Prozeßgrößeneingang empfangen wird. Ein Selbstabstimmglied ist mit dem Regler gekoppelt. Das Selbstabstimmglied regt einen nicht selbstregulierenden Prozeß an, schätzt ein Prozeßmodell auf der Grundlage eines Schnitts zwischen steigenden und fallenden Asymptoten der gemessenen Prozeßgröße und stimmt dann die Regelfunktion auf den Prozeß auf der Grundlage des Prozeßmodells ab.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Darstellung eines Pegelregelsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines in Fig. 1 gezeigten Gebers, der einen Regler aufweist.
Fig. 3 ist eine Darstellung eines Prozeßregelsystems der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung eines asymptotischen Selbstabstimmverfahrens der Erfindung.
Fig. 5 ist ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung von Testdaten des asymptotischen Selbstabstimmverfahrens der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines Ventils mit einem erfindungsgemäßen Regler.

NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Prozeßregelsystem mit einem robusten Selbstabstimmungsmerkmal, das berechnungsmäßig so einfach ist, daß das System in einem leistungsarmen Vorortregler in einem Prozeßregelsystem implementiert sein kann.
Fig. 1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform, in der das Prozeßregelsystem der Erfindung von Nutzen ist. Das Prozeßregelsystem verfügt über einen Hauptregler 10, einen Geber 12, einen Behälter 14, ein Eingangsventil 16 und ein Ausgangsventil 18. Der Hauptregler 10 ist mit dem Geber 12 und dem Eingangsventil 16 über einen Zweidraht-Prozeßregelkreis 20 verbunden. Der Kreis kann z. B. eine 4-20-mA- oder eine 10-50-mA-Stromschleife aufweisen, durch die der Hauptregler 10, der Geber 12 und das Ventil 16 durch Variieren des Strompegels über die Schleife miteinander kommunizieren können. In einer alternativen Ausführungsform kommunizieren der Hauptregler 10, der Geber 12 und das Ventil 16 durch Variieren des Spannungspegels auf der Schleife 20. Gleichzeitig kommunizieren der Hauptregler 10 und der Geber 12 digital über die Schleife 20 auf trägermodulierte Weise, z. B. im HART®-Protokoll.
Zum Einsatz können andere Kommunikationssysteme kommen, u. a. ein Fieldbus-Standard, der derzeit von der Fieldbus Foundation verwendet wird. Alternativ überträgt die Schleife 20 basisbandmodulierte digitale Signale, z. B. im DE-Protokoll. Zusätzlich können der Hauptregler 10 und Geber 12 über optische Einzel- oder Doppelfasern optisch oder durch Hochfrequenz miteinander kommunizieren. Ein Beispiel für einen optischen Regelkreis ist in der US-A-5333114 offenbart.
Der Hauptregler 10 weist einen Regler 22 und eine Stromquelle 23 auf, die für den Strom und das Regeln des Kreises 20 sorgen. Der Hauptregler 10 kann in einer Zentralleitwarte oder an einem abgesetzten Feldstandort mit dem Geber 12 positioniert sein. Der Hauptregler 10, der Geber 12 und das Ventil 16 können in vielfältigen Konfigurationen miteinander gekoppelt sein, die in der US-A-5485400 (Warrior et al.) näher diskutiert sind.
In der Ausführungsform von Fig. 1 repräsentiert die Größe des Stroms bzw. der Wert eines digitalen Signals, der (das) durch den Kreis 20 läuft, eine Regelausgabe u(t), die den Zufluß in den Behälter 14 durch Regeln der Position des Ventils 16 regelt. Vorzugsweise weist der Geber 12 seine eigene Regelfunktion auf, die den Betrieb des Kreises 20 vom Hauptregler 10 übernehmen und eine variable Strommenge aufnehmen kann, um die Regelausgabe u(t) einzustellen. Die Position des Ventils 18 regelt den Abfluß aus dem Behälter 14. Das Ventil 18 wird durch ein Ventilregelsignal o(t) eingestellt, das durch einen Geber 26 über eine Zweidraht-Prozeßregelschleife 28 zugeführt wird, die mit dem Kreis 20 parallel (gestrichelt gezeigt) gekoppelt sein kann, wobei der Kreis 20 kaskadenartig ist. Diese Parallelkonfiguration heißt Mehrpunktkonfiguration. Das Ventilregelsignal o(t) kann auch durch einen separaten Kreis zugeführt werden, der mit dem Geber 12 oder Hauptregler 10 verbunden ist.
Ein Sensor 24 ist mit dem Behälter 14 zum Messen eines Pegels y(t) von Fluid im Behälter gekoppelt. Die zeitliche Pegeländerung dy(t)/dt ist eine Funktion der Positionen der Ventile 16 und 18. Die Regelausgabe u(t) hat eine "Direktwirkung" auf die Prozeßgröße y(t), da eine Erhöhung von u(t) eine Erhöhung von y(t) bewirkt. Das Signal o (t) hat eine "Umkehrwirkung" auf die Prozeßgröße y(t), da eine Erhöhung von o(t) eine Verringerung von y(t) nach sich zieht. Der Sensor 24 kann jeden geeigneten Prozeßgrößensensor je nach zu regelnder Anwendung aufweisen, z. B. einen Absolut- oder Differenzdrucksensor, einen Ultraschallsensor oder einen Mikrowellensensor. Verwendet werden können auch andere Arten von Sensoren, die ein Signal als Darstellung des Fluidpegels im Behälter 14 erzeugen können. Das Pegelregelsystem von Fig. 1 ist ein Beispiel für einen nicht selbstregulierenden Prozeß. Die Erfindung kann auch mit anderen nicht selbstregulierenden Prozessen verwendet werden. Ein nicht selbstregulierender Prozeß ist eine Regelstrecke, bei der die gemessene Prozeßgröße y(t) anhaltend zu- oder abnimmt, solange nicht die Regelausgabe u(t) gleich einem stationären Wert USS ist (d. h. wenn die Zu- und Abflüsse in einem Pegelverfahren nicht gleich sind).
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Gebers 12 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Geber 12 ist ein "intelligenter" Geber, da er Berechnungsfähigkeiten hat, z. B. die von einem Mikroprozessor durchgeführten. Der Geber 12 verfügt über ein robustes, explosionssicheres Gehäuse 34 zum Einbau vor Ort, einen Eingangsanschluß 36, einen Ausgangsanschluß 38, eine Eingangs-Ausgangs-Schaltung 40, einen Demodulator 42, einen Digital/Analog- (D/A) Wandler 44, einen Modulator 46, einen Mikroprozessor 48, einen Analog/Digital- (A/D) Wandler 50, einen Prozeßgrößensensor 52, eine Taktschaltung 54 und einen Speicher 56. Die Taktschaltung 54 ist mit dem Mikroprozessor 48 verbunden, um die Betriebsabfolge des Mikroprozessors zu steuern.
Der Eingangsanschluß 36 ist mit dem Hauptregler 10 (in Fig. 1 gezeigt) gekoppelt, während der Ausgangsanschluß 38 mit dem Ventil 16 (auch in Fig. 1 gezeigt) gekoppelt ist. Die Eingangs-Ausgangs-Schaltung 40 ist zwischen dem Eingangsanschluß 36 und Ausgangsanschluß 38 gekoppelt. Die Schaltung 40 weist eine Eingangsfilterschaltung 70, einen Spannungsregler 72, eine Stromsenke 74 und eine Stromsenke 76 auf, die im Kreis 20 in Reihe geschaltet sind. Die Eingangs-Ausgangs- Schaltung 40 empfängt Prozeßsignale vom Kreis 20 am Eingangsanschluß 36 und liefert Regelausgangssignale u(t) am Ausgangsanschluß 38 als Funktion der Prozeßsignale. Der Spannungsregler 72 in der Eingangs-Ausgangs-Schaltung 40 empfängt Strom vom Kreis 20 und liefert eine geregelte Spannung zum Speisen aller verschiedenen Elemente des Gebers 12.
Zu den beim Erzeugen der Regelausgabe u(t) verwendeten Prozeßsignalen gehören Sollwerte als Darstellung eines erwünschten Prozeßzustands, durch den Prozeß erzeugte Prozeßgrößen, Kommandos oder ganze oder teilweise Befehlssätze zum Operieren des Mikroprozessors 48, Koeffizienten von Termen für solche Befehlssätze und Statusabfragen vom Hauptregler 10. Die Eingangsfilterschaltung 70 empfängt die Prozeßsignale und führt die Signale zum Demodulator 42. Der Demodulator 42 demoduliert modulierte Prozeßsignale von der Stromschleife und führt entsprechende digitale Informationen zum Mikroprozessor 48. Bei Bedarf können die Informationen im Speicher 56 gespeichert werden.
Außerdem empfängt der Mikroprozessor 48 Prozeßsignale vom Prozeßgrößensensor 52. Der Sensor 52 mißt eine Prozeßgröße y(t), z. B. einen Pegel gemäß Fig. 1, und führt die Messung zum A/D-Wandler 50, der die Messung für den Mikroprozessor 48 digitalisiert. Danach können die Prozeßgrößenmessungen im Speicher 56 zur Analyse gespeichert oder über den Kreis 20 zurück zum Hauptregler 10 übertragen werden. Der Mikroprozessor 48 sendet digitale Informationen zum Hauptregler 10 über den Modulator 46 und die Stromsenke 76, was die Informationen auf den Kreis 20 moduliert. In einer alternativen Ausführungsform sind der Sensor 52 und A/D-Wandler 50 außerhalb des Gebers 12 angeordnet. In dieser Ausführungsform wird die durch den Sensor 52 gemessene Prozeßgröße zum Mikroprozessor 48 über den Kreis 20 zusammen mit anderen Prozeßgrößen von unterschiedlichen Sensoren übertragen.
Die Stromsenke 74 stellt die Regelausgabe u(t) ein, indem sie den Pegel des durch den Kreis 20 fließenden Stroms einstellt. Der Mikroprozessor 48 betreibt die Stromsenke 74 über den D/A-Wandler 44 auf der Grundlage eines Regelalgorithmus oder einer Softwareroutine, der (die) im Speicher 56 gespeichert ist, und als Funktion der gemessenen Prozeßgröße y(t), gespeicherter Regelparameter und Befehle, die vom Hauptregler 10 erhalten werden. Zum Beispiel kann der Hauptregler 10 einen Sollwert YSET bzw. ein Kommando zum Mikroprozessor 48 führen, der (das) den Mikroprozessor anweist, die Regelausgabe u(t) so einzustellen, daß sich die Prozeßgröße y(t) dem Sollwert YSET nähert.
Erfindungsgemäß weist der Speicher 56 auch einen Selbstabstimmalgorithmus oder eine Softwareroutine auf, der (die) die vom Regelalgorithmus verwendeten Regelparameter in Übereinstimmung mit dem zu regelnden Prozeß abstimmt. Der Selbstabstimmalgorithmus veranlaßt den Mikroprozessor 48, die Regelausgabe u(t) zeitlich abzustimmen und ein Verhalten der Prozeßgröße y(t) zu beobachten. Anhand dieses Verhaltens kann der Mikroprozessor 48 Modellparameter für den Prozeß schätzen und die Modellparameter zum Berechnen der erwünschten Regelparameter verwenden.
Die anhand von Fig. 2 diskutierten Kommunikationsverfahren und Geberverbindungen dienen nur als Beispiele. Andere Konfigurationen können auch verwendet werden, z. B. die eines Reglers, der mit einer Überwachungshauptstelle verbunden ist, und in der US-A-5333114 beschrieben sind.

SELBSTABSTIMMUNG

Fig. 3 veranschaulicht die Selbstabstimm- und Regelfunktionen, die durch den Mikroprozessor 48 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden. Ein Regelsystem 100 weist einen Summierpunkt 102, einen PID-Regler 104, eine Abstimmschaltung 106, einen Umschaltpunkt 108 und einen Prozeß 110 auf. Für eine "umgekehrt wirkende" Regelausgabe wird ein Prozeßgrößen-Sollwert YSET zu einem positiven Eingang des Summierpunkts 102 geführt, und die gemessene Prozeßgröße y(t) wird zu einem negativen Eingang des Summierpunkts 102 geführt. Für eine "direkt wirkende" Regelausgabe wird YSET zu einem negativen Eingang des Summierpunkts 102 geführt, und y(t) wird zu einem positiven Eingang des Summierpunkts 102 geführt. Der Ausgang des Summierpunkts 102 erzeugt ein Fehlersignal e(t), das die Differenz zwischen dem Sollwert YSET und der gemessenen Prozeßgröße y(t) darstellt. Das Fehlersignal e(t) wird zum PID-Regler 104 geführt. Der PID-Regler 104 weist einen Proportionalverstärkungsblock 112, einen Integralblock 114 und einen Differentialblock 116 auf. In einer alternativen Ausführungsform wird die gemessene Prozeßgröße y(t) direkt zum Differentialblock 116 statt über den Summierpunkt 102 geführt. Die Ausgaben der Blöcke 112, 114 und 116 werden zu positiven Eingängen eines Summierpunkts 118 geführt. Während der geschlossen-prozeßgekoppelten Regelung liefert die Ausgabe des Summierpunkts 118 die Regelausgabe u(t) zur Regelstrecke 110. Die Grundfunktion des PID-Reglers 104 als Normalformregler ist durch Gleichung 1 festgelegt:
wobei KP, TI und TD abgestimmte Regelparameter sind, die die Leistung des PID-Reglers 104 bestimmen. Die Regelparameter werden erfindungsgemäß so abgestimmt oder modifiziert, daß sie den Kennwerten des Prozesses 110 im Inbetriebnahmestadium oder an einem beliebigen Punkt im Verlauf der Prozeßregelung entsprechen. Mit der Erfindung können auch andere Formen von PID-Reglern zum Einsatz kommen, z. B. Reihen- und Parallelformen. Die nachfolgend diskutierten Gleichungen lassen sich leicht abwandeln, um diese anderen Formen von PID-Reglern zu erfassen.
Die Abstimmschaltung 106 verfügt über eine Abstimmsteuerschaltung 122, eine Anregungsschaltung 122, eine Prozeßmodell-Schätzschaltung 126 und eine Regelparameter-Vorschriftenschaltung 128. Die Abstimmsteuerschaltung 122 ist mit der Anregungsschaltung 124, Prozeßmodell-Schätzschaltung 126 und Regelparameter-Vorschriftenschaltung 128 gekoppelt, um die Gesamtfunktion der Abstimmschaltung 106 zu steuern. Die Anregungsschaltung 124 führt ein offen-prozeßgekoppeltes Anregungssignal, das zeitlich variiert, über den Umschaltpunkt 108 zum Prozeß 110. Das Anregungssignal dient als Regelausgangssignal im Verlauf einer offen-prozeßgekoppelten Selbstabstimmstufe. Der Umschaltpunkt 108 kann ein echter Schalter oder eine Übergabe der Regelung von einem Algorithmus oder einer Softwareroutine zum (zur) nächsten sein. Danach beobachtet die Modellschätzschaltung 126 das Verhalten der gemessenen Prozeßgröße y(t) und erzeugt ein Modell des Prozesses 110, was später näher beschrieben wird. Dieses Modell wird zur Regelparameter-Vorschriftenschaltung 128 zum Abstimmen der Regelparameter für den PID-Regler 104 auf der Grundlage eines ausgewählten Satzes von Abstimmvorschriften geführt. Danach werden das Prozeßmodell und die abgestimmten Regelparameter im Speicher 56 (Fig. 2) gespeichert und können zum Hauptregler 10 über den Prozeßregelkreis 20 geführt werden, um die Überwachungs- oder Kaskadenregelung des Prozesses zu optimieren. Das Prozeßmodell kann zu anderen in Kaskade verbundenen Geräten zur Verwendung in zusätzlichen Abstimmverfahren geführt werden.
Ferner verfügt die Abstimmschaltung 106 über eine Auslöseschaltung 134, eine Abstimmwarnschaltung 136 und eine Echtzeituhr 138, die mit der Abstimmsteuerschaltung 122 gekoppelt sind oder darin eingebaut sein können. Die Auslöseschaltung 134 löst die Abstimmsteuerschaltung 122 aus, um die Selbstabstimmfunktion der Erfindung auf der Grundlage von Auslösesignalen durchzuführen, die durch eine Auslöseeingabe 140, die Abstimmwarnschaltung 136 oder Echtzeituhrschaltung 138 zugeführt werden. Die Auslöseeingabe 140 wird durch den Mikroprozessor 48 (Fig. 2) als Reaktion auf Kommandos zugeführt, die vom Hauptregler 10 über den Prozeßregelkreis 20 erteilt werden. Die Kommandos können bedarfsweise durch den Benutzer oder auf Anforderung des Hauptreglers 10 initiiert werden. Alternativ kann die Echtzeituhr 138 die Selbstabstimmfunktion auf der Grundlage einer ausgewählten Zeitperiode auslösen, z. B. jede halbe Stunde. In einer alternativen Ausführungsform ist die Echtzeituhr 138 im Hauptregler 10 eingebaut und führt das Auslösesignal zum Auslöseeingang 140 über den Prozeßregelkreis 20.
Die Abstimmwarnschaltung 136 löst die Selbstabstimmfunktion über eine Auslöseausgabe 142 aus. In der geschlossenprozeßgekoppelten Regelstufe beobachtet die Abstimmsteuerschaltung 122 e(t), u(t) und y(t) und berechnet passiv neue Regelparameter über die Schaltungen 126 und 128. Die Abstimmwarnschaltung 136 vergleicht die neuen Berechnungen mit den zuvor gespeicherten Betriebsparametern der Prozeßregelung. Übersteigt die Differenz zwischen den Berechnungen einen festgelegten Bereich, löst die Abstimmwarnschaltung 136 die Selbstabstimmfunktion über die Auslöseschaltung 134 aus oder benachrichtigt den Benutzer oder Hauptregler 10 über eine Warnausgabe 144. Außerdem überprüft die Abstimmwarnschaltung 136 passiv das geschätzte Prozeßmodell mit dem Prozeß durch Einsetzen aktueller Werte von y(t) und u(t) in die Modellgleichung (später diskutiert), um zu kontrollieren, ob das Modell richtig ist. Wenn nicht, löst die Schaltung 136 die Selbstabstimmfunktion aus oder gibt eine Warnung am Ausgang 144 aus, Ferner überwacht die Schaltung 136 e(t) und y(t) nach einer Sollwertänderung oder einer größeren Störung im Prozeß und gibt eine Warnung aus, wenn die erwünschte Leistung (z. B. kritisch gedämpft) nicht vorliegt. Zum Beispiel kann das Integral des Quadrats des Fehlersignals e(t) oder das Integral des Absolutwerts des Fehlers mit einem Schwellwert verglichen werden, der im Speicher 56 gespeichert ist. Übersteigt das Fehlerintegral den Schwellwert, gibt die Schaltung 136 eine Warnung aus. Zusätzlich überwacht die Schaltung 136 y(t) in der Abstimmstufe. Reagiert y(t) nicht oder falsch, erzeugt die Schaltung 136 einen Abstimmstörungsalarm am Ausgang 144. Der Anwender kann Maßnahmen ergreifen, um die Selbstabstimmfunktion zu korrigieren, z. B. durch Ändern ausgewählter Werte der Regelausgabe u(t), die von der Selbstabstimmfunktion verwendet werden, oder durch Ändern eines später beschriebenen Leistungsfaktors α.
Fig. 4 ist ein Diagramm der Wellenformen der Regelausgabe u(t) und der Prozeßgröße y(t) während des asymptotischen Abstimmverfahrens der Erfindung. Die Abstimmsteuerschaltung 122 schaltet die Regelausgabe u(t) zwischen zwei vom Benutzer ausgewählten Werten U&sub1; und U&sub2; hin und her, während die Prozeßmodell-Schätzschaltung 126 die Prozeßgröße y(t) überwacht, während sie ansteigt und abfällt. Durch dieses Verfahren kann sie die Geschwindigkeit, mit der die Prozeßgröße ansteigt/abfällt, und die Zeitverzögerung bestimmen, die auftritt, bevor die Regelstrecke auf die Regeländerung reagiert:
Sobald das asymptotische Abstimmverfahren eingeleitet ist, überwacht die Abstimmsteuerschaltung 122 das Vorzeichen von e(t), um zu bestimmen, ob y(t) kleiner oder größer als YSET ist. Ist e(t) positiv, liegt Y(t) anfangs unter YSET. In der Stufe 1 ist der Regelkreis am Umschaltpunkt 108 geöffnet, und die Anregungsschaltung 124 führt u(t) zwangsweise auf den Wert U&sub2; zu einer Umschaltzeit tSW1, um y(t) zwangsweise in Richtung zu einem oberen Übergangswert UTP zu führen. Erreicht die Prozeßgröße y(t) den oberen Übergangswert UTP, schaltet die Regelausgabe u(t) auf den Wert U&sub1; zu einer Umschaltzeit tSW2 um, um Y(t) zwangsweise nach unten in Richtung zu einem unteren Übergangswert LTP in der Stufe 2 zu führen: Erreicht die Prozeßgröße y(t) den unteren Übergangswert LTP, schaltet die Regelausgabe u(t) wieder auf U&sub2; zu einer Umschaltzeit tSW3 um, um die nächste Stufe zu starten. Die Anzahl von Stufen im Selbstabstimmverfahren kann in alternativen Ausführungsformen variiert sein, aber in einer bevorzugten Ausführungsform gibt es mindestens zwei aufeinanderfolgende Stufen, die einen Aufwärts-Abwärts-Übergang oder einen Abwärts-Aufwärts-Übergang der Prozeßgröße y(t) erzeugen. Der Einsatz mehrerer Stufen minimiert den Einfluß von Prozeßlaständerungen während des Abstimmverfahrens. Die letzte Stufe in der Folge ist beendet, wenn die Prozeßgröße y(t) den Sollwert YSET, zu einer Zeit tA statt den oberen oder unteren Übergangswert UTP und LTP erreicht. Zur Zeit tA endet das asymptotische Selbstabstimmverfahren, und das Prozeßregelsystem 100 wird ein geschlossener PID-Regelkreis, der u(t) einstellt, um die Prozeßgröße auf den Sollwert y(t) = YSET zu bringen.
Wäre das Vorzeichen von e(t) zur Zeit tU01 Positiv, so wäre die in Fig. 4 gezeigte Anregungswellenform u(t) invertiert. Die Anregungsschaltung 124 würde u(t) = U&sub2; anwenden, so daß y(t) zu YSET ansteigt, dann u(t) = U&sub1;, so daß y(t) fällt, und danach u(t) = U&sub2;, so daß y(t) wieder steigt.
Durch zeitliches Variieren der Regelausgabe u(t) während des Selbstabstimmverfahrens hat die Abstimmschaltung 106 die Fähigkeit, alle Systemparameter mit wiederholbaren und robusten Ergebnissen genau zu schätzen, so daß der PID-Regler 104 die erwünschte Leistung liefert.
Die Prozeßverstärkungskonstante läßt sich durch Betrachten der Pegelabgleichgleichung, des Pegelprozesses von Fig. 1 schätzen, die sich wie folgt ausdrücken läßt:
dy(t)/dt = m&sub1;u(t - L) - m&sub2;o(t) Gl. 2
Gleichung 2 geht davon aus, daß die Ventile 16 und 18 lineare Betätigungskennwerte haben, und vernachlässigt einen Druckhöheneffekt auf die Ventile. Gleichwohl kann die Erfindung auch mit Ventilen verwendet werden, die nichtlineare Betätigungskennwerte haben. L ist die Prozeßverzögerungszeit, und ml und m&sub2; sind Prozeßverstärkungskonstanten, die dem Volumenfluß in und aus dem Behälter 14 dividiert durch die Fläche des Behälters 14 entsprechen.
Ist die Regelausgabe u(t) in einem stationären Zustand USS und verschwindet der Verzögerungszeiteffekt, gilt:
dy(t)/dt = 0 = m&sub1;USS - m&sub2;o(t) Gl. 3
Steigt y(t) (siehe Fig. 4), ist u(t) = U&sub2; und
RR = dy(t)/dt = m&sub1;(U&sub2; - USS) Gl. 4
Nimmt ähnlich y(t) ab (siehe Fig. 4), ist u(t) = U&sub1; und
RF = dy(t)/dt = m&sub1;(USS - U&sub1;) Gl. 5
RA und RF sind die zeitlichen Änderungen der Prozeßgröße y(t) für die entsprechenden Regelsignale U&sub2; bzw. U&sub1;. Stellt man Gleichung 4 und 5 nach ml um, läßt sich folgende mathematische Beziehung ableiten:
Somit läßt sich die Prozeßverstärkungskonstante durch Vergleichen der steigenden und fallenden Änderungsgeschwindigkeiten der Prozeßgröße y(t) bestimmen. Da der Prozeß ein In¬ tegralprozeß ist, sollte der Prozeß bei einer konstanten Regelausgabe u(t) einer Geraden folgen, nachdem die zeitliche Änderung dy(t)/dt ihren Maximalwert erreicht und die Systemverzögerungszeit und Zeitkonstante zur Ruhe gekommen sind. Die Geraden lassen sich zum Bestimmen der steigenden und fallenden Änderungsgeschwindigkeiten verwenden.
Gemäß der Ausführungsform von Fig. 4 gibt es fünf Linien, die mit Line&sub1; bis Line&sub5; bezeichnet sind, bei denen es sich um aufeinanderfolgende Asymptoten der Prozeßgröße y(t) handelt. Die Steigungen dieser Linien stellen die steigenden und fallenden Änderungsgeschwindigkeiten der Prozeßgröße y(t) dar. Die Gleichung für LineI (I = 1, 2, 3, 4, 5) ist durch y(t) = AIt + BI gegeben, wobei AI die Steigung der LineI, t die Zeit und BI der Y-Schnittpunkt der LineI ist. Berechnet wird jede Linie durch Erhalten eines Satzes aufeinanderfolgender Pegelabtastungen und ihrer entsprechenden Zeiten und anschließendes Durchführen einer Anpassung der Daten an eine Kurv nach der Fehlerquadratmethodee. Ein Satz von N Datenpaaren (tn, yn) für n = 1 bis N liefert die folgenden Gleichungen:
In Matrixform heißt dies:
Diese Gleichung kann zur Schätzung von A und B gelöst werden, während der kleinste quadratische Fehler minimiert wird, was zu folgender Gleichung führt:
Mit der Gleichung für jede LineI wird die Prozeßverzögerungszeit L durch Ermitteln der Zeit, zu der sich zwei aufeinanderfolgende Linien schneiden, und dann tINT, (z. B. tINT1, tINT2, tINT3 und t = INT4 in Fig. 4) geschätzt, indem die Differenz zwischen der Schnittzeit tINT und der entsprechenden Regelausgabe-Umschaltzeit tSW (z. B. tSW1, tSW2, tSW3 und tSW4 in Fig. 4) berechnet wird. Die Gleichungen für zwei aufeinanderfolgende Linien oder Asymptoten lauten:
y&sub1;(t) = A&sub1;·t + B&sub1;; für u(t) = U&sub1;, wenn t < tSW
y&sub2;(t) = A&sub2;·t + B&sub2;; für u(t) = wenn U&sub2;, t ≥ SW Gl. 10
Am Schnitt tINT gilt
y&sub1;(tINT) = A&sub1;·tINT + B&sub1; = y&sub2;(tINT) = A&sub2;·tINT + B&sub2; Gl. 11
was folgendes ergibt:
Mit der durch Gleichung 6 bestimmten Prozeßverstärkungskonstante m&sub1;, den Liniengleichungen für zwei aufeinanderfolgende Asymptoten in der Bestimmung anhand Gleichung 9 und der Schnittzeit tINT in der Bestimmung anhand von Gleichung 12 schätzt die Prozeßschätzschaltung 126 die Prozeßverstärkungskonstante m&sub1;, die Verzögerungszeit L und das stationäre Regelsignal UEST nach folgenden Gleichungen:
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verzögerungen und Änderungsgeschwindigkeiten für eine Anzahl von Aufwärts-Abwärts-Übergängen und Abwärts-Aufwärts-Übergängen gemittelt, um die Auswirkungen von Störungen auf die Messungen abzuschwächen. Gleichungen 13 und 14 werden so berechnet, daß A&sub1; das Mittel der Steigungen für die "Abwärts"-Linien (Line&sub2; und Line&sub4; in Fig. 4) und A&sub2; das Mittel der Steigungen für die "Aufwärts"-Linien (Line&sub1;, Line&sub3; und Line&sub5; in Fig. 4) ist. Die Verzögerungszeit wird in Gleichung 15 für jeden Aufwärtsübergang berechnet (LU23 und LU45 in Fig. 4) und dann gemittelt, um eine mittlere "Aufwärts"-Verzögerungszeit LU zu erhalten. Die Verzögerungszeit wird auch für jeden Abwärtsübergang berechnet (LD12 und LD34 in Fig. 4) und dann gemittelt, um eine mittlere "Abwärts"-Verzögerungszeit LD zu erhalten. Um den ungünstigsten Fall zu kompensieren, wird die Gesamtprozeßverzögerungszeit L als Maximum von LU und LD geschätzt. Die Gleichungen 13-14 lassen sich leicht abwandeln, um Werte für einen Prozeß zu schätzen, der umkehrt wirkt, indem U&sub1; und U&sub2; ausgetauscht werden.
Sobald die Prozeßmodellparameter geschätzt sind, werden die Parameter zur Regelparameter-Vorschriftenschaltung 128 geführt, die die Regelparameter KP, TI und TD nach ausgewählten Regeln bzw. Vorschriften abstimmt. Obwohl jeder geeignete Vorschriftensatz erfindungsgemäß verwendet werden kann, weist die Schaltung 128 vorzugsweise interne modellbasierte Regelabstimmvorschriften auf. Mit den Gleichungen 9 sowie 13-15 lassen sich die Prozeßmodellparameter mit sehr geringer Berechnungskomplexität schätzen. Mit IMC-Abstimmvorschriften können die entsprechenden Regelparameter für PID-Regler abgeleitet werden aus:
wobei KP, TI und TD die Proportionalverstärkung, Integralzeit bzw. Differentialzeit des PID-Reglers 104 sind und τ eine gewünschte geschlossen-prozeßgekoppelte Antwortzeitkonstante ist. Die Regelparameter für P-, PI- und PD-Regler unterscheiden sich etwas von denen in den Gleichungen 16 und 17 und finden sich in Internal Model Control, PID Controller Design, 25 Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 252-65 (1986). Erfindungsgemäß ist die Zeitkonstante τ als Funktion eines Leistungsfaktors α festgelegt, wobei gilt:
t = α L Gl. 19
Vorzugsweise ist der Leistungsfaktor α größer als 1, um die erwünschten Leistungsgrade zu erfassen. Beispielsweise erzeugt α = 2 ein kritisch gedämpftes Regelkreisverhalten. Ein kleinerer α-Wert erzeugt eine aggressivere, schnellere Reaktion, und ein größerer α-Wert erzeugt eine eher konservative, langsamere Antwort. Durch Einsetzen von Gleichung 19 in die Gleichungen 16-18 werden die entsprechenden abgestimmten PID-Regelparameter zu:
Daher können die abgestimmten PID-Regelparameter KP, TI und TD durch die Regelparameter-Vorschriftenschaltung 128 mit geringer Berechnungskomplexität berechnet werden. Der Leistungsfaktor α wird zur Schaltung 128 über eine Eingabe 132 und die Steuerschaltung 122 geführt. In der Ausführungsform von Fig. 2 wird der Leistungsfaktor α zum Mikroprozessor 48 durch den Hauptregler 10 als digitaler Wert geführt, der auf dem Kreis 20 moduliert ist.

Beispiel

Das in den Gleichungen 9 sowie 13-15 widergespiegelte Schätzverfahren für Prozeßparameter wurde experimentell getestet. Ein Rosemount-Vorortregler (auch als 3095LC bekannt) wurde über ein HART®-Modem mit einem Personalcomputer (PC) verbunden, auf dem Intellution®-Software lief, um den in Fig. 1 beschriebenen Pegelprozeß zu regeln. Die Intellution®-Software sendete Anforderungen an den Vorortregler, um die Regelausgabe u(t) zwischen U&sub1; und U&sub2; hin und her zu schalten, und empfing dann kontinuierliche Folgeabtastungen der Prozeßgröße y(t) über das HART®-Modem. Die Empfangsdaten wurden zeitmarkiert, was eine Größenabtastperiode zwischen 1,0 Sekunden und 2,8 Sekunden zeigte. Ein Muster der Daten ist nachfolgend gezeigt und in Fig. 5 aufgetragen, wobei fünf Ausgleichsasymptoten punktiert dargestellt sind:
y&sub1;(t) = 0,2311t + 38,71 für u(t) = 100%, wenn 0 ≤ t < 17,3 s
y&sub2;(t) = -0,4034t + 51,61 für u(t) = 0%, wenn 17,3 ≤ t < 36,25 s
y&sub3;(t) = 0,2378t + 26,17 für u(t) = 100%, wenn 36,25 ≤ t < 70,2 s
y&sub4;(t) = -0,4031t + 72,90 für u(t) = 0%, wenn 70,2 ≤ t < 88,21 s
y&sub5;(t) = 0,2348t + 14,24 für u(t) = 100%, wenn 88,21 ≤ t < 110 s
Gl. 23
Aus diesen Daten wird deutlich, daß das Asymptotenschätzverfahren der Erfindung sehr robust ist, da die Steigungen jeder Linie verhältnismäßig wiederholbar sind, was zu wiederholbaren Schätzungen der Prozeßverstärkungskonstante und der Prozeßverzögerungszeit führt, wodurch konsistente PID- Abstimmergebnisse zustande kommen.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Prozeßmodell-Schätzschaltung 126 und die Regelparameter-Vorschriftenschaltung 128 kombiniert, und die Regelparameter werden direkt als Funktion von A&sub1;, B&sub1;, A&sub2; und B&sub2; berechnet. Die Gleichungen für die Prozeßmodellparameter werden in die Regelparametergleichungen so eingefügt, daß getrennte Berechnungen der Prozeßmodellparameter unnötig sind.
In der vorherigen Diskussion wurde angenommen, daß der Prozeß linear ist. Für einen nichtlinearen Prozeß, z. B. eine Regelstrecke mit nichtlinearen Ventilkennwerten und Druckhöheneffekten auf das Ventil, ersetzt die wirkliche stationäre Ventilposition bei der normalen geschlossen-prozeßgekoppelten Regelung am Ende der Zeitfolge tA den Schätzwert UEST in Gleichung 13 für eine stärker verbesserte Leistung.
Die Selbstabstimmschaltung der Erfindung kann z. B. auch in einem Ventilregler implementiert sein. Fig. 6 ähnelt Fig. 2 und ist ein Blockschaltbild eines Ventilreglers 160 mit einer Eingangsfilterschaltung 162, einem Spannungsregler 164, einer einstellbaren Stromsenke 166, einem Strommeßumformer 168, einem Demodulator 170, einem A/D-Wandler 172, einem Modulator 174, einem Mikroprozessor 176, einem Speicher 179, einer Taktschaltung 180, einem D/A-Wandler 182 und einem Aktor 184. Die Schaltung 162, der Regler 164 und der Strommeßumformer 168 sind mit einem Prozeßregelkreis 186 zum Empfangen der gemessenen Prozeßgröße y(t) und der modulierten digitalen Daten, z. B. eines Sollwerts YSET, vom Kreis in Reihe geschaltet.
Der Demodulator 170 demoduliert die Daten und führt die Daten zum Mikroprozessor 176 zur Analyse. Der Regler 164 empfängt Strom vom Kreis 186 und liefert eine geregelte Spannung zum Speisen der Elemente des Ventilreglers 160. Der Strommeßumformer 168 mißt den analogen Strompegel y(t) im Kreis 186, der durch den A/D-Wandler 172 in digitale Daten für den Mikroprozessor 176 umgewandelt wird. Der Mikroprozessor 176 sendet Daten über den Kreis 186 durch Modulieren des Stroms über die Senke 166 mit dem Modulator 174, z. B. durch das HART®-Protokoll. Der Selbstabstimmalgorithmus, der Regelalgorithmus, die Prozeßmodell- und die Abstimmparameter sind im Speicher 178 zum Konfigurieren des Mikroprozessors 176 gespeichert, um den Aktor 184 über den D/A-Wandler 182 als Funktion der gemessenen Prozeßgröße y(t) und des Sollwerts YSET zu steuern.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Selbstabstimmschaltung der Erfindung in einer Motorregelung für eine Pumpe implementiert. Diese Ausführungsform hat eine ähnliche Struktur und Funktion wie die anhand von Fig. 6 gezeigte und diskutierte.
Die asymptotische Selbstabstimmschaltung der Erfindung hat mehrere Vorteile, die in bisherigen Abstimmtechniken nicht gegeben sind. Die asymptotische Selbstabstimmschaltung erzeugt genaue wiederholbare Modellparameter mit nur einfachen Berechnungen. Durch die einfachen Berechnungen kann die Selbstabstimmschaltung in leistungsarmen und speicherarmen Anwendungen implementiert sein, z. B. in Vorortreglern. Eine 4-20-mA-Stromschleife liefert nur wenige Milliampere, nachdem der Signalbereich abgezogen ist, um alle elektronischen Komponenten in der Einheit zu speisen. Dies begrenzt die Komplexität der Komponenten und die Speicherkapazität. Ein typischer Speicher in einem Geber kann z. B. auf 8 Kbytes bis 64 Kbytes begrenzt sein.
Die asymptotische Selbstabstimmschaltung der Erfindung erfordert keine umfangreichen Eingriffe durch den Anwender. Im Gegensatz zum offen-prozeßgekoppelten Ziegler-Nichols-Test erfordert die Selbstabstimmschaltung der Erfindung nicht, daß Benutzer einen stabilen Zustand herstellen müssen, bevor der Test durchgeführt wird, sondern hat eine Fähigkeit zur Einschätzung der stabilen Zustandsbedingungen. Der Anwender führt das Abstimmverfahren durch, indem er Anfangsgrößen, z. B. gewünschte U&sub1;- und U&sub2;-Pegel bildet, wählt einen gewünschten Leistungsfaktor α aus und initiiert dann das Selbstabstimmverfahren. Die Selbstabstimmschaltung der Erfindung kann als Handbetrieb oder Automatikbetrieb implementiert sein, und sie läßt sich in der Stufe der Kreisinbetriebnahme bei Systeminitialisierung oder zu jeder anderen Zeit betreiben, zu der der Benutzer eine Abstimmung des Kreises wünscht. Für den Automatikbetrieb kann die Selbstabstimmschaltung die Prozeßgröße nahe an den Sollwert führen und die Abstimmung ohne Anwendereingriffe automatisch starten. Im Handbetrieb führt der Benutzer die Prozeßgröße nahe an den Sollwert und initiiert dann die Abstimmung über den Hauptregler 10.
Die Selbstabstimmschaltung der Erfindung erzeugt eine gelenkte Störung des Prozesses. Die aufeinanderfolgenden, sich schneidenden Asymptoten lassen sich anhand der gemessenen Prozeßgröße bestimmen, wenn die Prozeßgröße zwischen einem steigenden und fallenden Zustand umschaltet, wobei es sich um ein Umschalten vom steigenden zum fallenden Zustand oder um ein Umschalten vom fallenden zum steigenden Zustand handeln kann. Im Gegensatz zur Abstimmung auf der Grundlage einer geschlossen-prozeßgekoppelten Relaisregelung oder anderen Frequenzbereichstechniken kann die Erfindung so beschränkt sein, daß sie in einer festgelegten Zone arbeitet. Zum Beispiel bevorzugen einige Anwender möglicherweise eine u(t)-Störung von nur 10% und 75% des Vollbereichs. Die Selbstabstimmschaltung ist einfach, benutzerfreundlich, wiederholbar und robust. Sie kann verwendet werden, um Regelparameter für P-, PI-, PD-, PID- und andere Arten von Reglern, z. B. Fuzzy-Logik-Regler, abzustimmen. Geeignete Fuzzy-Logik- Regler sind im Beitrag "Auto-Tuned Fuzzy Logic Control" von J. Qin, ACC Conference 1994, Baltimore, Maryland beschrieben, der hierin durch Verweis eingefügt ist. Außerdem kann die Abstimmschaltung in Mehrkreisregelanwendungen zum Einsatz kommen, z. B. Matrixreglern und Kaskadenreglern.
Die Abstimmschaltung kann als Softwareroutine oder als Algorithmus implementiert sein, die (der) im Speicher zur Ausführung durch einen programmierten Rechner, z. B. einen Mikroprozessor, gespeichert ist. In alternativen Ausführungsformen ist die Schaltung in digitaler oder analoger Hardware implementiert. Die Abstimmschaltung kann sich im Geber, im Ventil oder im Hauptregler 10 befinden. Der Hauptregler 10 kann in einer Zentralleitwarte, an einem entfernten Standort nahe dem Sender oder Ventil oder in einem Handkonfigurator angeordnet sein, der zum Konfigurieren des Gebers in der Inbetriebnahmestufe dient. Die Abstimmschaltung kann die Prozeßmodellparameter schätzen und die Regelparameter in unterschiedlichen Berechnungsstufen abstimmen, oder sie kann die Prozeßmodellparametergleichungen in die Regelparametergleichungen so einfügen, daß es nur eine Berechnungsstufe gibt. Erfindungsgemäß können auch andere Konfigurationen genutzt werden.

Claims

1. Prozeßregelvorrichtung (100) zum Regeln eines Prozesses über ein Regelausgangssignal u(t) als Funktion einer gemessenen Prozeßgröße y(t) mit:

einer Regeleinrichtung (102, 104, 108) mit einem Prozeßgrößeneingang und einem Regelausgang, wobei die Regeleinrichtung das Regelausgangssignal u(t) am Regelausgang als Reaktion auf die am Prozeßgrößeneingang empfangene gemessene Prozeßgröße y(t) und auf der Grundlage von Regelfunktionsparametern erzeugt; und

einer Abstimmeinrichtung (106) mit:

einer Anregungseinrichtung (124) mit einem Anregungsausgang, der mit dem Regelausgang gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Anregungssignals mit einer Wellenform, die die Prozeßgröße y(t) veranlaßt, zwischen maximal steigenden und maximal fallenden Zuständen umzuschalten, wobei die steigenden und fallenden Zustände sich schneidende steigende und fallende Asymptoten haben;

einer Schätzeinrichtung (126) zum Bestimmen der steigenden und fallenden Asymptoten und zum Schätzen eines Prozeßmodells auf der Grundlage der Asymptoten und des Schnitts zwischen den Asymptoten; und

einer Parameterberechnungseinrichtung (128), die mit der Schätzeinrichtung (126) gekoppelt ist, zum Berechnen der Regelfunktionsparameter auf der Grundlage des Prozeßmodells.

2. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Schätzeinrichtung (126) eine Einrichtung zum Bestimmen einer Steigung A und eines Schnittpunkts B der steigenden und fallenden Asymptoten nach folgendem Ausdruck aufweist:

für n = 1 bis N, wobei N eine Anzahl von Abtastungen der Prozeßgröße, tn die Zeit, zu der jede Abtastung n erfolgt, und y(tn) die Prozeßgröße zur Zeit tn ist.

3. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Schätzeinrichtung (126) die steigende Asymptote mit einer Gleichung y(t) = A&sub1;t + B&sub1; bestimmt, wobei t die Zeit ist, y(t) die Prozeßgröße im zeitlichen Verlauf ist und A&sub1; und B&sub1; eine Steigung bzw. ein Schnittpunkt der steigenden Asymptote sind, und die fallende Asymptote mit einer Gleichung y(t) = A&sub2;t + B&sub2; bestimmt, wobei A&sub2; und B&sub2; eine Steigung bzw. ein Schnittpunkt der fallenden Asymptote sind.

4. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Anregungsausgangswellenform einen Pegel U&sub1; während des fallenden Zustands der Prozeßgröße und einen Pegel U&sub2; während des steigenden Zustands der Prozeßgröße y(t) hat und wobei die Schätzeinrichtung (126) eine Prozeßverstärkungskonstante ml nach folgendem Ausdruck berechnet:

5. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die Anregungswellenform die Prozeßgröße y(t) veranlaßt, zwischen dem steigenden und fallenden Zustand zu wechseln, und wobei die Schätzeinrichtung (126) die Asymptoten jedes der steigenden und fallenden Zustände bestimmt und die Steigung A&sub1; im Ausdruck von Anspruch 4 als Mittel der Steigungen der steigenden Zustände sowie die Steigung A&sub2; als Mittel der Steigungen der fallenden Zustände berechnet.

6. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Anregungsausgangswellenform von einem ersten Pegel auf einen zweiten Pegel zu einer Umschaltzeit tsw umschaltet und sich die steigende und fallende Asymptote zu einer Schnittzeit tINT schneiden und wobei die Schätzeinrichtung (126) eine Prozeßverzögerungszeit L auf der Grundlage einer Differenz zwischen der Schnittzeit tINT und der Umschaltzeit tSW schätzt.

7. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Schätzeinrichtung (126) die Prozeßverzögerungszeit L nach folgendem Ausdruck schätzt:

8. Prozeßregelvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die Anregungswellenform die Prozeßgröße veranlaßt, mehrere steigende-fallende Übergänge und mehrere fallende-steigende Übergänge zu haben und wobei die Schätzeinrichtung (126) eine Abtastprozeßverzögerungszeit LD für jeden steigenden-fallenden Übergang und eine Abtastprozeßverzögerungszeit LU für jeden fallenden-steigenden Übergang nach dem Ausdruck in Anspruch 6 schätzt, die Abtastprozeßverzögerungszeiten LU mittelt, die Abtastprozeßverzögerungszeiten LD mittelt und eine Gesamtprozeßverzögerungszeit als Maximum der gemittelten Abtastverzögerungszeiten LU und LD bestimmt.

9. Intelligenter Vorortregler (12, 160), der durch einen Prozeßregelkreis (20, 186) gespeist wird und einen Prozeß über ein Regelausgangssignal u(t) als Funktion einer gemessenen Prozeßgröße y(t) regelt, mit:

einer Eingangs-Ausgangs-Schaltung (40, 164), die so konfiguriert ist, daß sie mit dem Prozeßregelkreis verbunden ist, und zum Empfangen von Strom ausschließlich vom Prozeßregelkreis (20, 186);

einem Regler (100) mit einem Prozeßgrößeneingang und einem Regelausgang, wobei der Regler (100) das Regelausgangssignal u(t) am Regelausgang als Reaktion auf die am Prozeßgrößeneingang empfangene gemessene Prozeßgröße y(t) und auf der Grundlage von Regelfunktionsparametern erzeugt;

einer Abstimmschaltung mit:

einer Anregungsschaltung (106) mit einem Anregungsausgang, der mit dem Regelausgang verbunden ist und ein Anregungssignal erzeugt, das zu einer Zeit tSW zwischen einem ersten Pegel, mit dem die Prozeßgröße in einer ersten Richtung entlang einer ersten Asymptote variiert, und einem zweiten Pegel umschaltet, mit dem die Prozeßgröße in einer zweiten Richtung entlang einer zweiten Asymptote variiert, die gegenläufig zur ersten Richtung ist, wobei sich die erste und zweite Asymptote zu einer Zeit tINT schneiden;

einer Schätzschaltung (126), die mit dem Prozeßgrößeneingang gekoppelt ist und die eine Verzögerungszeit L des Prozesses als Reaktion auf die Prozeßgröße y(t) schätzt, wobei L = tin - tSW; ein der Parameterberechnungsschaltung (128), die mit der Schätzschaltung (126) und dem Regler (104) gekoppelt ist und die die Regelfunktionsparameter auf der Grundlage der Verzögerungszeit L und von Regelfunktionsvorschriften berechnet; und

einem Speicher (56, 178), der mit dem Regler (104) und der Abstimmschaltung (126) gekoppelt ist und der die Regelfunktionsparameter und die Regelfunktionsvorschriften speichert.

10. Intelligenter Vorortregler (12, 160) nach Anspruch 9, wobei die Eingangs-Ausgangs-Schaltung (40, 164) so konfiguriert ist, daß sie mit dem Prozeßregelkreis (20, 186) gekoppelt ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zweidraht-, Dreidraht- und Vierdraht-Prozeßregelkreisen besteht.

11. Verfahren zum Bestimmen von Abstimmparametern für ein Prozeßregelsystem (100), das einen Prozeß über ein Regelausgangssignal u(t) als Funktion einer gemessenen Prozeßgröße y(t) und eines Sollwerts YSET regelt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

zeitliches Variieren des Regelausgangssignals u(t), so daß die gemessene Prozeßgröße y(t) aufeinanderfolgend zwischen einem steigenden Zustand und einem fallenden Zustand umschaltet;

Bestimmen einer steigenden Asymptote der gemessenen Prozeßgröße y(t) im steigenden Zustand;

Bestimmen einer fallenden Asymptote der gemessenen Prozeßgröße y(t) im fallenden Zustand;

Schätzen eines Prozeßmodells auf der Grundlage der steigenden und fallenden Asymptote und eines Schnitts zwischen den Asymptoten; und

Berechnen von Regelfunktionsparametern für das Prozeßregelsystem (100) auf der Grundlage des Prozeßmodells.