EP1514160A1 - Control system and control method, particularly for a non-linear time-variant process - Google Patents

Control system and control method, particularly for a non-linear time-variant process

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Publication number
EP1514160A1
EP1514160A1 EP03740087A EP03740087A EP1514160A1 EP 1514160 A1 EP1514160 A1 EP 1514160A1 EP 03740087 A EP03740087 A EP 03740087A EP 03740087 A EP03740087 A EP 03740087A EP 1514160 A1 EP1514160 A1 EP 1514160A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
variable
controller
manipulated variable
trajectories
predetermined
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03740087A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernd-Markus Pfeiffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1514160A1 publication Critical patent/EP1514160A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/041—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a variable is automatically adjusted to optimise the performance

Definitions

  • Control device and method in particular for a non-linear, time-variant process
  • the invention relates to a control device, in particular for a non-linear, time-variant process, according to the preamble of claim 1 and a control method according to the preamble of claim 5.
  • the temperature should be despite external disturbances, e.g. B. by an exotherm of the reaction, as precisely as possible to ensure defined conditions for the reaction and a defined product quality.
  • Conventional PID controllers are often used for this task.
  • a uniform controller design would therefore always constitute a compromise between these two requirements and would lead to the fact that neither the start-up nor the later maintenance of the controlled variable is really satisfactory.
  • the invention has for its object to provide a control device and a method, which is characterized by an improved control behavior, in particular in the regulation of setpoint changes and malfunctions in a non-linear, time-variant process.
  • the new control device of the type mentioned has the features specified in the characterizing part of claim 1. Further developments of the control device are described in the dependent claims, a new control method in claim 5.
  • the invention has the advantage that the control device achieves both rapid correction of setpoint changes and good correction of faults at the operating point.
  • the trajectories for controlling the process can be predetermined with different setpoint changes without great effort.
  • the regulation runs along predetermined trajectories, i. H. with a predetermined course of the manipulated variable and a predetermined course of the controlled variable.
  • the actual controller in the conventional sense, especially a linear PI or
  • the PID controller only has to correct deviations between the predetermined course of the controlled variable and the currently measured controlled variable.
  • the courses of the manipulated and control variables can be predetermined as a trajectory for a complete cycle and stored in the memory.
  • the memory content is then read out cyclically in order to regulate the process in the desired manner.
  • the regulation along predetermined trajectories is not based on the regulation of processes with repeated recurring processes, but rather can be used to control any process.
  • the trajectories are predetermined for different types of setpoint changes, for example jump-shaped or ramp-shaped, and can be adapted to the respective case in accordance with the respective parameters of the setpoint change, for example the starting value, slope or end value.
  • the trajectories for a time-optimal adjustment of a setpoint change are determined and stored in a memory.
  • the trajectories can be determined empirically by test drives or mathematically if the process can be described with sufficient accuracy by a model.
  • Providing means by which the predetermined course of the controlled variable can be changed by an operator to form a corrected reference variable has the advantage that manual interventions in the process control can be carried out if necessary. This makes it possible, for example, at
  • memory space can advantageously be saved, since not for every setpoint change, but only for different ones Types of setpoint changes trajectories must be predetermined and saved.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a control loop
  • FIG. 2 shows a diagram with two trajectories
  • FIG. 3 shows a diagram for explaining a trajectory adjustment
  • Figures 4 and 5 curves of the setpoint and the actual values or the manipulated variables for comparing the new control device with a conventional PI controller in a setpoint jump and
  • Figures 6 and 7 curves of the setpoint and the actual values or the manipulated variables for comparing the disturbance behavior of the new control device and a conventional PI controller.
  • a device for controlling a process 1 has a controller 2, which in the exemplary embodiment shown is designed as a PI controller, by means of which a manipulated variable y can be determined from a comparison between a reference variable w and a controlled variable x.
  • the manipulated variable y is guided to a summing element 3, which is followed by a limiting block 4.
  • Predetermined trajectories are stored in a memory 6, ie at least one predefined course of the manipulated variable y and the controlled variable x as the desired reaction to a change in the setpoint.
  • the process is usually planned in advance. This planned sequence is specified by a sequence controller 7.
  • the control unit 7 reads out corresponding trajectories from the memory 6 and preset values xt corresponding to the predetermined course of the controlled variable via a summing element 8 as Command variable w fed to controller 2 and default values yt corresponding to the predetermined course of the manipulated variable are superimposed on the manipulated variable y determined by the controller 2 to form an optimized manipulated variable y 1 with the aid of the summing element 3.
  • the controller 2, the summing element 3 and the limiting block 4 are components of a commercially available regulator module 5, the summing element 3 being conventionally provided for the connection of disturbance variables.
  • the application of the predetermined course of the manipulated variable to the disturbance variable input of the commercially available controller module 5 has the advantage that an manipulated variable y "that effectively affects the process is limited by the limiting block 4 in accordance with the controller's configuration -Controller 2. So that trajectories assigned to each possible setpoint value change do not have to be stored in the memory 6, an adaptation device 9 is connected downstream of the memory 6, by means of which trajectories of a certain type are adapted to the respective parameters of setpoint value changes of the assigned type This means that the trajectories need only be saved for different types of setpoint changes, and the respective parameters are received by the adapting device 9 from the sequence controller 7.
  • the signal of which is applied to the user mmierglied 8 is guided, operator intervention can take place.
  • the signal corresponding to the respective operator intervention is superimposed as a correction value on the default value xt to form a corrected reference variable w.
  • FIG. 2 shows an example of trajectories for a heating process of a reactor in a batch process. This is a desired change in temperature as controlled variable x from an initial value of 20 ° C to an end value of 180 ° C.
  • the time t is in seconds on the x-axis of the diagram and for the scaling on the y-axis the heating output in percent and the temperature in ° C for scaling the controlled variable.
  • the trajectories or ver In an implementation with digital signal processing, runs are each to be understood as a series of default values that are assigned to the respective times. These can be generated algorithmically or - as in the exemplary embodiment above - stored in a memory.
  • a course 20 of the manipulated variable clearly shows that for a time-optimal heating process, a certain time is run with maximum heating power and then this is suddenly reduced. Only an optimal time of the switching process with an arrow 21 has to be determined experimentally or by calculation. If a dynamic model for describing the process behavior is known, a mathematical optimization, ie a mathematical calculation of the optimal course of the trajectories, can be carried out on the basis of simulation calculations. It is also possible to take economic boundary conditions into account, for example to minimize energy consumption.
  • the empirically determined or mathematically calculated, ie predetermined courses of the trajectories are stored in a memory so that they are available for regulating the process along these trajectories.
  • Deviations can be caused by external interference, e.g. B. fluctuations in the ambient temperature or the temperature of the heating steam, or changing raw material properties, such as. B. the temperature of the raw materials or their specific heat capacity.
  • B. fluctuations in the ambient temperature or the temperature of the heating steam or changing raw material properties, such as. B. the temperature of the raw materials or their specific heat capacity.
  • the manipulated variable and the controlled variable can be specified by the stored trajectory curve.
  • phase of constant travel in which no setpoint changes are specified, can be understood as a trajectory with zero slope. It is therefore no longer necessary to read out values from the memory all the time, instead it is only necessary to ensure that the values of the controlled variable and the manipulated variable last read from the memory, that is to say the end values of the last trajectory, are recorded.
  • trajectories assigned to the respective batch can be predetermined. These trajectories can each be viewed as part of the recipe and stored together with it in a database.
  • ki represents an integration time, ti a delay and n the order of a delay element.
  • the optimal trajectory can be comparatively easily calculated using the second set of limit values of the Laplace transform.
  • a square-wave pulse is sufficient as the manipulated variable y (t) with a maximum heating output y max and a precisely calculable time duration.
  • Such a pulse is described as the superposition of two time-shifted step functions h (t) to:
  • the second limit set of the Laplace transform provides the stationary end value of this curve with:
  • the first limit on the right side of this equation is 1.
  • the final value therefore depends on the integration time of the process, the maximum manipulated variable and the duration of the heating pulse. Surprisingly, however, it is independent of the delay ti and the order n of the process model.
  • the optimal length of a heating pulse can be calculated in a simple manner, with which a process with ITn behavior can be optimally heated by a temperature difference ⁇ x degrees:
  • Identification means the determination of the integration time, the delay and the order of the ITn model, through which the behavior of the process can best be simulated mathematically.
  • a device 9 can be provided for adapting a trajectory representing a certain type to different environmental conditions.
  • This has the advantage that the number of trajectories to be saved is reduced and thus the storage space required for storing the trajectories is reduced.
  • a possibility for adapting a trajectory to different ambient temperatures will be described below with reference to FIG. 3.
  • the reaction temperature in a batch process ie the end point of a trajectory for a heating process, is part of the product-specific recipe in the example described and is therefore fixed.
  • the ambient temperature or the temperature of the raw materials used can be subject to certain fluctuations.
  • a curve X ⁇ (t) of the controlled variable x which was determined by adapting the curve x o (t) to changed environmental conditions from the curve x 0 (t) for a setpoint jump from an initial value SP beginn , ⁇ to an end value SP end shown with a broken line.
  • the adapted curve X ⁇ (t) can be determined by taking an expansion factor f into account.
  • the elongation factor f is set to
  • the described adaptation of a trajectory to an original trajectory can be regarded as completely equivalent to an embodiment in which, in addition to the original trajectory, the adapted trajectory is also stored in the memory and, based on the initial value, the corresponding trajectory is selected to regulate the process.
  • the advantage of an adaptation device can be seen in the fact that the required memory requirement is also reduced due to a reduction in the number of trajectories to be stored.
  • the expansion factor f has a value of approximately 1, there is no need to adjust the heating pulse, which is output as the associated manipulated variable, since the controller constantly compensates for differences between the predetermined trajectory and the current course of the controlled variable. In the event of major deviations of the expansion factor f from the value 1, it may be sensible to recalculate the duration of the heating pulse according to the formula already mentioned above.
  • the parameters of the controller can be calculated from the measured time profiles of the controlled variable when heating up with a pulse-shaped profile of the manipulated variable, for example for a PI controller using the method described in EP-PS 0 520 233 already mentioned above.
  • the controller may have to cool in the reaction phase while heating is required when starting up.
  • a different dynamic behavior of the process for heating and cooling can be achieved, for example, by a controller with a split range function at the output.
  • the controller can optimally compensate for disturbances thanks to the regulation along a predetermined trajectory, which is primarily important for the regulation of setpoint changes. rations are designed specifically for the working point in the constant phase, without taking into account the heating process. During the heating process, the controller only has to correct small deviations in the actual course of the controlled variable from the predetermined trajectory. As for such small ones
  • Deviations even a process with strong non-linearities in the respective operating point can be linearized well, the controller design, i. H. the suitable definition of the type and parameters of controller 2 (FIG. 1) is facilitated by the new control device.
  • a further improvement of the controller design can, however, be achieved if the process is linearized not by an operating point or a rest position, but by a trajectory. The calculation principle for this is explained below.
  • n i.e. the order of the process model
  • the input u is (without restriction of generality) a scalar, i.e. a one-dimensional manipulated variable.
  • the simulation is based on an ITI model of a process with an integration time of 10 seconds and a delay of 100 seconds.
  • the transfer function of the process model is therefore:
  • the time t in seconds is plotted on the abscissa of the diagrams shown in FIGS. 4 to 7.
  • FIG. 4 shows a jump 40 of the setpoint value, which is used to compare the management behavior.
  • the conventional PI controller regulates this setpoint jump, as can be seen on the course 41 of the controlled variable with conventional PI controllers, comparatively slowly with an overshoot of approximately 10 to 20%.
  • improved management behavior means a corresponding gain in production speed and an increased throughput in the process engineering system.
  • a pulse-shaped course 50 of the manipulated variable is generated during regulation along predetermined trajectories.
  • the conventional PI controller outputs a course 51 of the manipulated variable, which starts in a jump and slowly decreases.
  • the course 50 of the manipulated variable corresponds, together with the course 42 (FIG. 4), to the controlled variable of a time-optimal control.
  • the fault behavior of the two regulations is compared on the basis of FIGS. 6 and 7.
  • the target value in turn has a step 64.
  • a 20% fault acts on the input of the process for a period of 10 seconds. Faults are thus simulated when starting up and during stationary operation.
  • a course 62 of the controlled variable according to FIG. 6 for a control loop with a conventional PI controller again shows a strong overshoot when starting up. The fault is corrected comparatively slowly.
  • a disturbance of the same size with arrow 61 in the constant phase has to be compensated for in both cases by the controller alone, since here the regulation along a trajectory would not give any advantages if the controller parameters were initially set the same.
  • the disturbance in the constant phase is therefore corrected in a comparable manner.
  • the controller could be better optimized for the disturbance behavior in the case of regulation along predetermined trajectories, since it does not have to be able at the same time to compensate for large setpoint jumps without excessive overshoot with good control behavior.
  • the new control device and the new control method were explained in more detail above using an exemplary embodiment with an ITn process and a PI controller for better understanding. However, they can easily be used with other types of process and / or controller and are in no way limited to the types mentioned.

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Abstract

The invention relates to a control system and to a control method. The control system comprises a controller that determines a manipulated variable (y) based on a comparison between a reference variable (w) and a controlled variable (x). In order to control a process (1) along predetermined trajectories, i.e. having essentially predetermined courses (20, 22) of the manipulated variable and of the controlled variable, courses are stored in a memory (6), and first set points (yt) corresponding to the predetermined course (20) of the manipulated variable (y), which is determined by the controller, are superimposed in order to form an optimized manipulated variable (y'), and second set points (xt) corresponding to the predetermined course (22) of the controlled variable of the reference variable (w) are fed to the controller (2). This results in obtaining an improved control behavior, particularly in batch processes.

Description

Beschreibungdescription
Regeleinrichtung und -verfahren, insbesondere für einen nichtlinearen, zeitvarianten ProzessControl device and method, in particular for a non-linear, time-variant process
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung, insbesondere für einen nichtlinearen, zeitvarianten Prozess, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Regelverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The invention relates to a control device, in particular for a non-linear, time-variant process, according to the preamble of claim 1 and a control method according to the preamble of claim 5.
Eine derartige Regeleinrichtung ist bereits aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 298 22 424 Ul bekannt.Such a control device is already known from German utility model DE 298 22 424 Ul.
Bei Batch-Prozessen in der Verfahrenstechnik, z. B. bei einer Temperaturregelung eines Batch-Reaktors, werden häufig wiederkehrende Abläufe von einer Regelung durchfahren. Die Herstellung jeder einzelnen Charge eines Produkts verläuft nach einem vorgegebenen Rezept in mehreren Phasen. Dabei wird üblicherweise der Reaktor mit den erforderlichen Rohstoffen gefüllt, auf eine Reaktionstemperatur aufgeheizt, eine gewisse Zeit auf möglichst konstanter Temperatur gehalten, danach abgekühlt und entleert . Es besteht also bei der Regelung von Batch-Prozessen die Notwendigkeit, den Prozess von immer wieder ähnlichen Anfangsbedingungen heraus in den gleichen Arbeitspunkt zu fahren und die Regelgröße in diesem Arbeits- punkt stabil zu halten. Produktabhängig werden immer wieder ähnliche Temperaturen, Mischungsverhältnisse usw. eingestellt. Beim Anfahren der Reaktionstemperatur muss ein unter Umständen großer nichtlinearer Arbeitsbereich nach Möglichkeit zeitoptimal durchfahren werden, da der Aufheizvorgang möglichst schnell erfolgen soll. In der Konstantphase soll die Temperatur trotz äußerer Störungen, z. B. durch eine Exo- thermie der Reaktion, möglichst genau gehalten werden, um definierte Bedingungen für die Reaktion und eine definierte Produktqualität sicherzustellen. Häufig werden für diese Aufgabe konventionelle PID-Regler eingesetzt. An die Regeleinrichtung werden je nach Arbeitsbereich, also je nachdem, ob sich der Prozess in der Aufheizphase oder in der Konstantphase befindet, unterschiedliche Anforderungen gestellt. Das erfordert im Prinzip unterschiedliche Reglerentwürfe. Ein einheitlicher Reglerentwurf würde daher immer einen Kompro- miss zwischen diesen beiden Anforderungen bilden und dazu führen, dass weder das Anfahren noch das spätere Konstanthalten der Regelgröße wirklich zufriedenstellend erfolgt. Aus dem eingangs genannten Gebrauchsmuster ist zur Auflösung dieses Konflikts zwischen einem Reglerentwurf für gutes Füh- rungsverhalten und einem Reglerentwurf für gutes Störungsverhalten bekannt, die beiden Arbeitsphasen "Anfahren" und "Regeln" getrennt zu betrachten. Der Einschwingvorgang, d. h. das "Anfahren" , wird mit Hilfe von Vorwissen, das in einem Speicher hinterlegt wird, beschleunigt und ein Überschwingen über den Arbeitspunkt hinaus weitgehend vermieden. Zum Erwerb dieses Vorwissens werden Einschwingvorgänge der Stellgröße auf Anregungen, d. h. Sollwertänderungen oder definierte Störungen, ausgewertet. Anhand der Aufzeichnungen der Einschwingvorgänge wird jeder Anregung ein Stellgrößenverlauf zugeordnet. Der Regler wird bei einer Sollwertänderung in dieIn batch processes in process engineering, e.g. B. in a temperature control of a batch reactor, recurring processes are often run through by a control. The production of each individual batch of a product follows a predetermined recipe in several phases. The reactor is usually filled with the necessary raw materials, heated to a reaction temperature, kept at a constant temperature for a certain time, then cooled and emptied. When regulating batch processes, there is therefore a need to drive the process out of similar starting conditions again and again to the same working point and to keep the controlled variable stable in this working point. Similar temperatures, mixing ratios etc. are always set depending on the product. When starting up the reaction temperature, a possibly large non-linear working area has to be run through in an optimal time, since the heating process should take place as quickly as possible. In the constant phase, the temperature should be despite external disturbances, e.g. B. by an exotherm of the reaction, as precisely as possible to ensure defined conditions for the reaction and a defined product quality. Conventional PID controllers are often used for this task. Depending on the work area, i.e. depending on whether the process is in the heating-up phase or in the constant phase, different demands are made. In principle, this requires different controller designs. A uniform controller design would therefore always constitute a compromise between these two requirements and would lead to the fact that neither the start-up nor the later maintenance of the controlled variable is really satisfactory. To resolve this conflict between a controller design for good management behavior and a controller design for good fault behavior, it is known from the utility model mentioned at the beginning to consider the two working phases "starting" and "control" separately. The settling process, ie the "starting", is accelerated with the help of prior knowledge, which is stored in a memory, and overshooting beyond the working point is largely avoided. In order to acquire this knowledge, transient processes of the manipulated variable are evaluated based on suggestions, ie setpoint changes or defined faults. Based on the recordings of the transient processes, a control variable curve is assigned to each excitation. The controller is in the event of a change in the setpoint
Betriebsart "Nachführen" geschaltet und der vorbestimmte Verlauf der Stellgröße auf einen Nachführeingang des Reglers und über diesen auf den Prozess gegeben. Wenn der Prozess auf die Änderung der Stellgröße reagiert hat, wird der PID-Regler wieder in die Betriebsart "Regeln" geschaltet. Der PID-Regler übernimmt somit die Peineinstellung und stabilisiert den Prozess im gewünschten Arbeitspunkt. Bei einer derartigen, ereignisgesteuerten Ablaufsteuerung für die Phase des Aufheizens handelt es sich jedoch um eine rückkopplungsfreie Steue- rung, also um einen offenen Regelkreis. Das hat den Nachteil, dass die Möglichkeit fehlt, Störungen während des Aufheizvor- gangs durch eine Rückkopplung, wie sie in einem geschlossenen Regelkreis vorhanden ist, zu kompensieren.Operating mode "tracking" switched and the predetermined course of the manipulated variable is given to a tracking input of the controller and via this to the process. If the process has reacted to the change in the manipulated variable, the PID controller is switched back to the "Control" mode. The PID controller takes over the fine adjustment and stabilizes the process at the desired operating point. Such an event-controlled sequence control for the heating phase is, however, a feedback-free control, that is to say an open control loop. This has the disadvantage that there is no possibility of compensating for disturbances during the heating process by means of feedback, as is present in a closed control loop.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung und ein -verfahren zu schaffen, die sich durch ein verbessertes Regelverhalten, insbesondere bei der Ausregelung von Sollwertänderungen und -Störungen an einem nichtlinearen, zeitvarianten Prozess, auszeichnen.The invention has for its object to provide a control device and a method, which is characterized by an improved control behavior, in particular in the regulation of setpoint changes and malfunctions in a non-linear, time-variant process.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Regeleinrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Weiterbildungen der Regeleinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen, ein neues Regelverfahren in Anspruch 5 beschrieben.To solve this problem, the new control device of the type mentioned has the features specified in the characterizing part of claim 1. Further developments of the control device are described in the dependent claims, a new control method in claim 5.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Regeleinrichtung sowohl ein schnelles Ausregeln von Sollwertänderungen als auch ein gutes Ausregeln von Störungen am Arbeitspunkt erzielt werden. Insbesondere, wenn wie bei Batch-Prozessen der Verlauf des Sollwerts vorbekannt ist, können die Trajek- torien zur Regelung des Prozesses bei verschiedenen Sollwertänderungen ohne größeren Aufwand vorbestimmt werden. Die Regelung verläuft entlang vorab bestimmter Trajektorien, d. h. mit einem vorbestimmten Verlauf der Stellgröße und einem vorbestimmten Verlauf der Regelgröße. Der eigentliche Regler im herkömmlichen Sinne, insbesondere ein linearer PI- oderThe invention has the advantage that the control device achieves both rapid correction of setpoint changes and good correction of faults at the operating point. In particular, if, as with batch processes, the course of the setpoint is already known, the trajectories for controlling the process can be predetermined with different setpoint changes without great effort. The regulation runs along predetermined trajectories, i. H. with a predetermined course of the manipulated variable and a predetermined course of the controlled variable. The actual controller in the conventional sense, especially a linear PI or
PID-Regler, muss nur noch Abweichungen zwischen dem vorbestimmten Verlauf der Regelgröße und der aktuell gemessenen Regelgröße ausregeln. Bei einem Batch-Prozess mit immer wiederkehrenden Zyklen können die Verläufe von Stell- und Regel- große für einen vollständigen Zyklus als Trajektorie vorbestimmt und im Speicher hinterlegt werden. Der Speicherinhalt wird dann zyklisch ausgelesen, um den Prozess in der gewünschten Weise zu regeln. Durch die Regelung des Prozesses entlang vorbestimmter Trajektorien ist beispielsweise bei einer Temperaturregelung eines Batch-Reaktors ein zeitoptimales Aufheizen ohne Überschwinger möglich, wobei zugleich die Robustheit des geschlossenen Regelkreises ständig erhalten bleibt. Es gibt keine gesteuerte Phase mit Umschaltschwellen zwischen gesteuertem und geregeltem Betrieb und den mit derartigen Umschaltvorgängen verbundenen Schwierigkeiten. Die Regelung entlang vorbestimmter Trajektorien ist jedoch nicht auf die Regelung von Prozessen mit immer wieder- kehrenden Abläufen beschränkt, sondern kann vielmehr bei der Regelung beliebiger Prozesse angewendet werden. Für verschiedene Typen von Sollwertänderungen, beispielsweise sprungför- mige oder rampenförmige , werden die Trajektorien vorbestimmt und können entsprechend der jeweiligen Parameter der Soll- wertänderung, beispielsweise Anfangswert, Steigung oder Endwert, an den jeweiligen Fall angepasst werden.PID controller, only has to correct deviations between the predetermined course of the controlled variable and the currently measured controlled variable. In the case of a batch process with recurring cycles, the courses of the manipulated and control variables can be predetermined as a trajectory for a complete cycle and stored in the memory. The memory content is then read out cyclically in order to regulate the process in the desired manner. By regulating the process along predetermined trajectories, for example in the case of temperature control of a batch reactor, time-optimal heating is possible without overshoots, while at the same time the robustness of the closed control loop is constantly maintained. There is no controlled phase with switching thresholds between controlled and regulated operation and the difficulties associated with such switching processes. However, the regulation along predetermined trajectories is not based on the regulation of processes with repeated recurring processes, but rather can be used to control any process. The trajectories are predetermined for different types of setpoint changes, for example jump-shaped or ramp-shaped, and can be adapted to the respective case in accordance with the respective parameters of the setpoint change, for example the starting value, slope or end value.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Trajektorien für eine zeitoptimale Ausregelung einer Sollwertanderung ermittelt und in einem Speicher hinterlegt werden. Die Bestimmung der Trajektorien kann empirisch durch Versuchsfahrten oder mathematisch erfolgen, wenn der Prozess durch ein Modell ausreichend genau beschrieben werden kann.It is advantageous if the trajectories for a time-optimal adjustment of a setpoint change are determined and stored in a memory. The trajectories can be determined empirically by test drives or mathematically if the process can be described with sufficient accuracy by a model.
Mittel vorzusehen, durch welche der vorbestimmte Verlauf der Regelgröße von einem Bediener zur Bildung einer korrigierten Führungsgröße veränderbar ist, hat den Vorteil, dass bei Bedarf manuelle Eingriffe in die Prozessregelung vorgenommen werden können. Dadurch ist es möglich, beispielsweise beiProviding means by which the predetermined course of the controlled variable can be changed by an operator to form a corrected reference variable has the advantage that manual interventions in the process control can be carried out if necessary. This makes it possible, for example, at
Veränderung der Prozessparameter, korrigierend einzugreifen.Change of process parameters, corrective intervention.
Wenn eine oder mehrere Trajektorien im Speicher hinterlegt werden, die beispielsweise durch Dehnen oder Stauchen an verschiedene Umgebungsbedingungen, beispielsweise eine geänderte Anfangstemperatur bei einem AufheizVorgang, anpassbar sind, so kann in vorteilhafter Weise Speicherplatz eingespart werden, da nicht für jede Sollwertänderung, sondern lediglich für verschiedene Typen von Sollwertänderungen Trajektorien vorbestimmt und abgespeichert werden müssen.If one or more trajectories are stored in the memory, which can be adapted to different environmental conditions, for example by stretching or compressing, for example a changed starting temperature during a heating process, then memory space can advantageously be saved, since not for every setpoint change, but only for different ones Types of setpoint changes trajectories must be predetermined and saved.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Based on the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention as well as configurations and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild eines Regelkreises,Show it: FIG. 1 shows a block diagram of a control loop,
Figur 2 ein Diagramm mit zwei Trajektorien,FIG. 2 shows a diagram with two trajectories,
Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer Tra- jektorienanpassung,FIG. 3 shows a diagram for explaining a trajectory adjustment,
Figuren 4 und 5 Verläufe des Sollwerts und der Istwerte bzw. der Stellgrößen zum Vergleich der neuen Regeleinrichtung mit einem herkömmlichen PI -Regler bei einem Sollwertsprung undFigures 4 and 5 curves of the setpoint and the actual values or the manipulated variables for comparing the new control device with a conventional PI controller in a setpoint jump and
Figuren 6 und 7 Verläufe des Sollwerts und der Istwerte bzw. der Stellgrößen zum Vergleich des Störverhaltens der neuen Regeleinrichtung und eines herkömmlichen PI-Reglers.Figures 6 and 7 curves of the setpoint and the actual values or the manipulated variables for comparing the disturbance behavior of the new control device and a conventional PI controller.
Eine Einrichtung zur Regelung eines Prozesses 1 weist gemäß Figur 1 einen Regler 2 auf, der in dem gezeigten Ausführungs- beispiel als PI -Regler ausgeführt ist, durch den aus einem Vergleich zwischen einer Führungsgröße w und einer Regelgröße x eine Stellgröße y ermittelbar ist. Die Stellgröße y ist auf ein Summierglied 3 geführt, welchem ein Begrenzungsblock 4 nachgeschaltet ist. In einem Speicher 6 sind vorbestimmte Trajektorien hinterlegt, d. h. zumindest ein vorbestimmter Verlauf der Stellgröße y und der Regelgröße x als gewünschte Reaktion auf eine Sollwertanderung. Bei Prozessen, insbesondere bei Batch-Prozessen mit immer wiederkehrendem Ablauf, ist der Ablauf meist vorhergeplant. Dieser geplante Ablauf wird durch eine Ablaufsteuerung 7 vorgegeben. Soll die Regelgröße x von einem Zustand in einen anderen verfahren werden, d. h. tritt eine Sollwertänderung auf, so werden durch die Ablaufsteuerung 7 der Sollwertänderung entsprechende Tra- jektorien aus dem Speicher 6 ausgelesen und Vorgabewerte xt entsprechend dem vorbestimmten Verlauf der Regelgröße über ein Summierglied 8 als Führungsgröße w dem Regler 2 zugeführt sowie Vorgabewerte yt entsprechend dem vorbestimmten Verlauf der Stellgröße der durch den Regler 2 ermittelten Stellgröße y zur Bildung einer optimierten Stellgröße y1 mit Hilfe des Summierglieds 3 überlagert. Der Regler 2, das Summierglied 3 und der Begrenzungsblock 4 sind Bestandteile eines handelsüblichen Reglerbausteins 5, wobei das Summierglied 3 herkömmlicherweise zur StörgrößenaufSchaltung vorgesehen ist. Die Aufschaltung des vorbestimmten Verlaufs der Stellgröße auf den Störgrößeneingang des handelsüblichen Reglerbausteins 5 hat dabei den Vorteil, dass eine effektiv auf den Prozess einwirkende Stellgröße y" gemäß der Projektierung des Reglers durch den Begrenzungsblock 4 begrenzt wird. Damit kann beispielsweise ein Integrator-Windup des PI -Reglers 2 vermieden werden. Damit in dem Speicher 6 nicht für jede mögliche Soll- wertänderung zugeordnete Trajektorien hinterlegt werden müssen, ist dem Speicher 6 eine Anpasseinrichtung 9 nachgeschaltet, durch welche Trajektorien eines bestimmten Typs an die jeweiligen Parameter von Sollwertänderungen des zugeordneten Typs angepasst werden können. Dadurch wird erreicht, dass lediglich für verschiedene Typen von Sollwertänderungen Verläufe der Trajektorien abgespeichert werden müssen. Die jeweiligen Parameter erhält die Anpasseinrichtung 9 von der Ablaufsteuerung 7. Mit Hilfe einer Eingabevorrichtung 10, deren Signal auf das Summierglied 8 geführt ist, können Hand- eingriffe des Bedieners erfolgen. Das dem jeweiligen Bedienereingriff entsprechende Signal wird als Korrekturwert dem Vorgabewert xt zur Bildung einer korrigierten Führungsgröße w überlagert .According to FIG. 1, a device for controlling a process 1 has a controller 2, which in the exemplary embodiment shown is designed as a PI controller, by means of which a manipulated variable y can be determined from a comparison between a reference variable w and a controlled variable x. The manipulated variable y is guided to a summing element 3, which is followed by a limiting block 4. Predetermined trajectories are stored in a memory 6, ie at least one predefined course of the manipulated variable y and the controlled variable x as the desired reaction to a change in the setpoint. For processes, particularly batch processes with a recurring process, the process is usually planned in advance. This planned sequence is specified by a sequence controller 7. If the controlled variable x is to be moved from one state to another, ie if a setpoint change occurs, the control unit 7 reads out corresponding trajectories from the memory 6 and preset values xt corresponding to the predetermined course of the controlled variable via a summing element 8 as Command variable w fed to controller 2 and default values yt corresponding to the predetermined course of the manipulated variable are superimposed on the manipulated variable y determined by the controller 2 to form an optimized manipulated variable y 1 with the aid of the summing element 3. The controller 2, the summing element 3 and the limiting block 4 are components of a commercially available regulator module 5, the summing element 3 being conventionally provided for the connection of disturbance variables. The application of the predetermined course of the manipulated variable to the disturbance variable input of the commercially available controller module 5 has the advantage that an manipulated variable y "that effectively affects the process is limited by the limiting block 4 in accordance with the controller's configuration -Controller 2. So that trajectories assigned to each possible setpoint value change do not have to be stored in the memory 6, an adaptation device 9 is connected downstream of the memory 6, by means of which trajectories of a certain type are adapted to the respective parameters of setpoint value changes of the assigned type This means that the trajectories need only be saved for different types of setpoint changes, and the respective parameters are received by the adapting device 9 from the sequence controller 7. With the aid of an input device 10, the signal of which is applied to the user mmierglied 8 is guided, operator intervention can take place. The signal corresponding to the respective operator intervention is superimposed as a correction value on the default value xt to form a corrected reference variable w.
Figur 2 zeigt ein Beispiel von Trajektorien für einen Auf- heizvorgang eines Reaktors in einem Batch-Prozess . Es handelt sich dabei um eine gewünschte Änderung der Temperatur als Regelgröße x von einem Anfangswert 20° C auf einen Endwert 180° C. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Zeit t in Se- künden, auf der y-Achse für die Skalierung der Stellgröße die Heizleistung in Prozent und für die Skalierung der Regelgröße die Temperatur in °C aufgetragen. Die Trajektorien oder Ver- laufe sind in einer Realisierung mit digitaler Signalverarbeitung jeweils als Reihen von Vorgabewerten zu verstehen, die den jeweiligen Zeiten zugeordnet sind. Diese können algorithmisch erzeugt oder - wie im obigen Ausführungsbeispiel - in einem Speicher hinterlegt werden. An einem Verlauf 20 der Stellgröße ist deutlich zu sehen, dass für einen zeitoptimalen Aufheizvorgang eine bestimmte Zeit mit maximaler Heizleistung gefahren und diese dann plötzlich zurückgenommen wird. Lediglich ein optimaler Zeitpunkt des Umschaltvorgangs bei einem Pfeil 21 muss experimentell oder durch Berechnung bestimmt werden. Falls ein dynamisches Modell zur Beschreibung des Prozessverhaltens bekannt ist, kann eine mathematische Optimierung, d. h. eine mathematische Berechnung des optimalen Verlaufs der Trajektorien, auf der Basis von Simu- lationsrechnungen durchgeführt werden. Dabei ist es zudem möglich, wirtschaftliche Randbedingungen, beispielsweise zur Minimierung des Energiebedarfs, zu berücksichtigen. Die empirisch ermittelten oder mathematisch berechneten, also vorbestimmten Verläufe der Trajektorien werden in einem Speicher hinterlegt, damit sie zur Regelung des Prozesses entlang dieser Trajektorien zur Verfügung stehen. Bei der Regelung eines realen Prozesses lassen sich die vorbestimmten Trajektorien im Allgemeinen nicht exakt reproduzieren. Ursachen für Abweichungen können äußere Störeinflüsse, z. B. Schwankungen der Umgebungstemperatur oder der Temperatur des Heizdampfes, oder sich ändernde Rohstoffeigenschaften, wie z. B. die Temperatur der Rohstoffe oder ihre spezifische Wärmekapazität, sein. In vorteilhafter Weise müssen nur die Abweichungen, die sich beim Regelungsvorgang ergeben, durch den Regler 2 (Figur 1) ausgeregelt werden, während die prinzipiellen Verläufe derFIG. 2 shows an example of trajectories for a heating process of a reactor in a batch process. This is a desired change in temperature as controlled variable x from an initial value of 20 ° C to an end value of 180 ° C. The time t is in seconds on the x-axis of the diagram and for the scaling on the y-axis the heating output in percent and the temperature in ° C for scaling the controlled variable. The trajectories or ver In an implementation with digital signal processing, runs are each to be understood as a series of default values that are assigned to the respective times. These can be generated algorithmically or - as in the exemplary embodiment above - stored in a memory. A course 20 of the manipulated variable clearly shows that for a time-optimal heating process, a certain time is run with maximum heating power and then this is suddenly reduced. Only an optimal time of the switching process with an arrow 21 has to be determined experimentally or by calculation. If a dynamic model for describing the process behavior is known, a mathematical optimization, ie a mathematical calculation of the optimal course of the trajectories, can be carried out on the basis of simulation calculations. It is also possible to take economic boundary conditions into account, for example to minimize energy consumption. The empirically determined or mathematically calculated, ie predetermined courses of the trajectories are stored in a memory so that they are available for regulating the process along these trajectories. When controlling a real process, the predetermined trajectories cannot generally be reproduced exactly. Deviations can be caused by external interference, e.g. B. fluctuations in the ambient temperature or the temperature of the heating steam, or changing raw material properties, such as. B. the temperature of the raw materials or their specific heat capacity. Advantageously, only the deviations that arise during the control process have to be corrected by the controller 2 (FIG. 1), while the basic courses of the
Stellgröße und der Regelgröße durch den jeweils abgespeicherten Trajektorienverlauf vorgegeben werden.The manipulated variable and the controlled variable can be specified by the stored trajectory curve.
Selbstverständlich ist es möglich, eine abgespeicherte Tra- jektorie je nach vorherrschender Umgebungsbedingung anzupassen oder verschiedene Trajektorienverlaufe jeweils für ver- schiedene Umgebungsbedingungen zu bestimmen und die jeweils am besten geeignete Trajektorie zur Regelung zu verwenden.Of course, it is possible to adapt a saved trajectory depending on the prevailing environmental condition or to set different trajectory courses for determine different environmental conditions and use the most suitable trajectory for the control.
Im Allgemeinen genügt es, Trajektorien für die Ausregelung von Sollwertänderungen vorzubestimmen. Die Phase der Konstantfahrt, in welcher keine Sollwertänderungen vorgegeben werden, kann als eine Trajektorie mit der Steigung Null aufgefasst werden. Es müssen somit nicht mehr ständig Werte aus dem Speicher ausgelesen werden, sondern es ist lediglich sicherzustellen, dass die zuletzt aus dem Speicher gelesenen Werte der Regelgröße und der Stellgröße, also die Endwerte der letzten Trajektorie, festgehalten werden.In general, it is sufficient to predefine trajectories for the adjustment of setpoint changes. The phase of constant travel, in which no setpoint changes are specified, can be understood as a trajectory with zero slope. It is therefore no longer necessary to read out values from the memory all the time, instead it is only necessary to ensure that the values of the controlled variable and the manipulated variable last read from the memory, that is to say the end values of the last trajectory, are recorded.
Falls in einem Batch-Prozess für verschiedene Chargen jeweils voneinander abweichende Reaktionstemperaturen im Rezept vorgeschrieben sind, können unterschiedliche, der jeweiligen Charge zugeordnete Trajektorien vorbestimmt werden. Diese Trajektorien können jeweils als Teil des Rezepts angesehen und zusammen mit diesem in einer Datenbank hinterlegt werden.If different reaction temperatures are specified in the recipe for different batches in a batch process, different trajectories assigned to the respective batch can be predetermined. These trajectories can each be viewed as part of the recipe and stored together with it in a database.
Im Folgenden soll anhand eines Beispiels erläutert werden, auf welche Weise bei einem bekannten Prozessmodell eine Trajektorie für eine sprungfδrmige Sollwertänderung berechnet werden kann. Es wird ein Prozess angenommen, dessen Verhalten mathematisch mit einem ITn-Modell beschrieben werden kann. Eine Übertragungsfunktion G(s) für das ITn-Modell lautet:In the following, an example will be used to explain how, in the case of a known process model, a trajectory for an abrupt change in the setpoint value can be calculated. A process is assumed, the behavior of which can be described mathematically using an ITn model. A transfer function G (s) for the ITn model is:
G(s) = sftjS + l)n G (s) = sftjS + l) n
Darin stellen der Kehrwert von ki eine Integrationszeit, ti eine Verzögerung und n die Ordnung eines Verzögerungsgliedes dar. Für dieses Prozessmodell kann die optimale Trajektorie mit dem zweiten Grenzwertsatz der Laplace-Transformation vergleichsweise einfach berechnet werden. Zum optimalen Aufhei- zen genügt ein Rechtecktimpuls als Stellgrößenverlauf y(t) mit einer maximalen Heizleistung ymax und einer genau be- rechenbaren zeitlichen Dauer. Ein solcher Impuls wird als Überlagerung zweier zeitverschobener Sprungfunktionen h(t) beschrieben zu:The reciprocal of ki represents an integration time, ti a delay and n the order of a delay element. For this process model, the optimal trajectory can be comparatively easily calculated using the second set of limit values of the Laplace transform. For optimal heating, a square-wave pulse is sufficient as the manipulated variable y (t) with a maximum heating output y max and a precisely calculable time duration. Such a pulse is described as the superposition of two time-shifted step functions h (t) to:
y(t) = ymax(h(t) - h(t - ts) ) ,y (t) = y max (h (t) - h (t - t s )),
d. h. , es wird vom Zeitpunkt t=0 bis zum Zeitpunkt t=ts geheizt. Die Laplace-Transformierte dieses Eingangssignals lautet:that is, heating takes place from time t = 0 to time t = t s . The Laplace transform of this input signal is:
Damit wird die Laplace-Transformierte X(s) der Regelgröße berechnet zuThe Laplace transform X (s) is thus calculated for the controlled variable
X(s) = G(s)Y(s) ki v J max - (1J- - ec~tsS)'X (s) = G (s) Y (s) ki v J max - (1 J - - e c ~ tsS ) '
S^S + l)n S ^ S + l) n
Den stationären Endwert dieses Verlaufs liefert der zweite Grenzwertsatz der Laplace-Transformation mit:The second limit set of the Laplace transform provides the stationary end value of this curve with:
Der erste Grenzwert auf der rechten Seite dieser Gleichung hat den Wert 1. Zur Berechnung des zweiten Grenzwerts auf der rechten Gleichungsseite wird die Bernoulli-L 'Hospital ' seheThe first limit on the right side of this equation is 1. To calculate the second limit on the right side of the equation, see Bernoulli-L 'Hospital'
Regel angewendet und folglich Zähler und Nenner des Quotienten nach s abgeleitet. Es wird also die folgende Berechnung durchgeführt :Rule applied and consequently numerator and denominator of the quotient derived from s. The following calculation is carried out:
Damit ergibt sich der gesuchte Endwert des Verlaufs x(t) der Regelgröße zu: lim x(t) = kiymaxts t→ oThe end value of the curve x (t) of the controlled variable is: lim x (t) = k iymax t s t → o
Der Endwert ist damit von der Integrationszeit des Prozesses, der maximalen Stellgröße und der Dauer des Heizimpulses abhängig. Überraschenderweise ist er jedoch unabhängig von der Verzögerung ti und der Ordnung n des Prozessmodells. Anhand der Bestimmungsgleichung für den Endwert kann in einfacher Weise die optimale Länge eines Heizimpulses berechnet werden, mit dem man einen Prozess mit ITn-Verhalten zeitoptimal um eine Temperaturdifferenz Δx Grad aufheizen kann:The final value therefore depends on the integration time of the process, the maximum manipulated variable and the duration of the heating pulse. Surprisingly, however, it is independent of the delay ti and the order n of the process model. Using the determination equation for the final value, the optimal length of a heating pulse can be calculated in a simple manner, with which a process with ITn behavior can be optimally heated by a temperature difference Δx degrees:
Δx kiYnΔx k iYn
Eine Möglichkeit zur Identifikation eines Prozesses, dessen Verhalten näherungsweise durch ein ITn-Modell beschrieben werden kann, ist in der EP-PS 0 520 233 angegeben. Unter Identifikation wird dabei die Bestimmung der Integrationszeit, der Verzögerung und der Ordnung des ITn-Modells ver- standen, durch welches das Verhalten des Prozesses am besten mathematisch nachgebildet werden kann.One possibility for identifying a process whose behavior can be approximately described by an ITn model is given in EP-PS 0 520 233. Identification means the determination of the integration time, the delay and the order of the ITn model, through which the behavior of the process can best be simulated mathematically.
Gemäß Figur 1 kann eine Einrichtung 9 zur Anpassung einer quasi einen bestimmten Typ repräsentierenden Trajektorie an verschiedene Umgebungsbedingungen vorgesehen werden. Das hat den Vorteil, dass die Zahl der abzuspeichernden Trajektorien vermindert und somit der für die Hinterlegung der Trajektorien erforderliche Speicherplatz reduziert wird. Zur Erläuterung soll im Folgenden anhand Figur 3 eine Möglichkeit zur Anpassung einer Trajektorie an verschiedene Umgebungstemperaturen beschrieben werden. Die Reaktionstemperatur in einem Batch-Prozess, d. h. der Endpunkt einer Trajektorie für einen Aufheizvorgang, ist in dem beschriebenen Beispiel Teil des produktspezifischen Rezepts und damit fest vorgegeben. Aufgrund von jahreszeitlichen Schwankungen, beispielsweise zwischen Sommer und Winter, kann jedoch die Umgebungstemperatur oder die Temperatur der verwendeten Rohstoffe gewissen Schwankungen unterworfen sein. Es besteht die Möglichkeit, lediglich eine Trajektorie im Speicher zu hinterlegen und diese entsprechend den jeweiligen Umgebungsbedingungen zu dehnen oder zu stauchen, wie es in Figur 3 beispielhaft dargestellt ist. Damit ist es möglich, einen glatten Verlauf der Regelgröße vom jeweiligen Anfangszustand zum gewünschten End- zustand zu erreichen, ohne dass für die verschiedenen Umgebungsbedingungen jeweils gesonderte Trajektorien hinterlegt werden müssten. In Figur 3 sind die Zeit t in Sekunden auf der Abszisse und die Temperatur in °C als Regelgröße x auf der Ordinate aufgetragen. Ein Verlauf x0 (t) der Regelgröße x als abgespeicherte Trajektorie für einen Sollwertsprung von einem Anfangswert SPanf,o auf einen Endwert SPend ist in Figur 3 mit durchgezogener Linie eingezeichnet. Ein Verlauf Xι(t) der Regelgröße x, der durch Anpassung des Verlaufs xo(t) an geänderte Umgebungsbedingungen aus dem Verlauf x0(t) für einen SollwertSprung von einem Anfangswert SPanf,ι auf einen Endwert SPend ermittelt wurde, ist mit einer durchbrochenen Linie dargestellt. Ausgehend von dem ursprünglichen Verlauf x0(t) kann der angepasste Verlauf Xι(t) durch Berücksichtigung eines Dehnungsfaktors f ermittelt werden. Der Dehnungs- faktor f wird festgelegt zuAccording to FIG. 1, a device 9 can be provided for adapting a trajectory representing a certain type to different environmental conditions. This has the advantage that the number of trajectories to be saved is reduced and thus the storage space required for storing the trajectories is reduced. For explanation purposes, a possibility for adapting a trajectory to different ambient temperatures will be described below with reference to FIG. 3. The reaction temperature in a batch process, ie the end point of a trajectory for a heating process, is part of the product-specific recipe in the example described and is therefore fixed. However, due to seasonal fluctuations, for example between summer and winter, the ambient temperature or the temperature of the raw materials used can be subject to certain fluctuations. There is the option of merely storing a trajectory in the memory and expanding or compressing it according to the respective environmental conditions, as is shown by way of example in FIG. 3. It is thus possible to achieve a smooth course of the controlled variable from the respective initial state to the desired final state without having to store separate trajectories for the different environmental conditions. In FIG. 3, the time t in seconds is plotted on the abscissa and the temperature in ° C. as the controlled variable x on the ordinate. A curve x 0 (t) of the controlled variable x as a stored trajectory for a setpoint jump from an initial value SP beginn , o to an end value SP end is shown in FIG. 3 with a solid line. A curve Xι (t) of the controlled variable x, which was determined by adapting the curve x o (t) to changed environmental conditions from the curve x 0 (t) for a setpoint jump from an initial value SP beginn , ι to an end value SP end shown with a broken line. Starting from the original curve x 0 (t), the adapted curve Xι (t) can be determined by taking an expansion factor f into account. The elongation factor f is set to
f _ S Pend - S Panf,l f _ SP end - SP anf, l
SP, end SP a. nf,0SP, end SP a. nf, 0
Mit diesem Dehnungs faktor f wird der Verlauf Xι (t ) berechnet zu :With this expansion factor f, the course Xι (t) is calculated to:
Xl(t) = SPend - (spend - x0(t))f . Xl (t) = SP end - (sp end - x 0 (t)) f.
Da bereits nach einer Feststellung des neuen Anfangswerts SPanf,I der angepasste Verlauf Xι(t) der Regelgröße x vollständig aus dem abgespeicherten, ursprünglichen Verlauf x0(t) be- rechenbar ist, kann die beschriebene Anpassung einer Trajektorie an eine ursprüngliche Trajektorie im Hinblick auf das Regelverhalten als völlig gleichwirkend mit einer Ausführungsform angesehen werden, bei welcher zusätzlich zur ur- sprünglichen Trajektorie auch die angepasste Trajektorie im Speicher hinterlegt wird und anhand des Anfangswerts die entsprechende Trajektorie zur Regelung des Prozesses ausgewählt wird. Der Vorteil einer Anpasseinrichtung ist darin zu sehen, dass der erforderliche Speicherbedarf wegen einer Verringe- rung der Anzahl der abzuspeichernden Trajektorien ebenfalls reduziert wird. Falls der Dehnungsfaktor f einen Wert von etwa 1 hat, kann auf eine Anpassung des Heizimpulses, der als zugehörige Stellgröße ausgegeben wird, verzichtet werden, da der Regler ständig Unterschiede zwischen der vorbestimmten Trajektorie und dem aktuellen Verlauf der Regelgröße ausgleicht. Bei größeren Abweichungen des Dehnungsfaktors f vom Wert 1 kann es dagegeben sinnvoll sein, die Dauer des Heizimpulses gemäß der bereits oben angeführten Formel neu zu berechnen.Since already after a determination of the new initial value SP beginn , I the adapted curve Xι (t) of the controlled variable x is completely derived from the stored, original curve x 0 (t) With regard to the control behavior, the described adaptation of a trajectory to an original trajectory can be regarded as completely equivalent to an embodiment in which, in addition to the original trajectory, the adapted trajectory is also stored in the memory and, based on the initial value, the corresponding trajectory is selected to regulate the process. The advantage of an adaptation device can be seen in the fact that the required memory requirement is also reduced due to a reduction in the number of trajectories to be stored. If the expansion factor f has a value of approximately 1, there is no need to adjust the heating pulse, which is output as the associated manipulated variable, since the controller constantly compensates for differences between the predetermined trajectory and the current course of the controlled variable. In the event of major deviations of the expansion factor f from the value 1, it may be sensible to recalculate the duration of the heating pulse according to the formula already mentioned above.
Aus den gemessenen Zeitverläufen der Regelgröße beim Aufheizen mit einem impulsförmigen Verlauf der Stellgröße können bei hinreichend linearem Prozessverhalten die Parameter des Reglers berechnet werden, beispielsweise für einen PI-Regler nach dem in der bereits oben angeführten EP-PS 0 520 233 beschriebenen Verfahren. Bei vielen Batch-Prozessen sind jedoch die Nichtlinearitäten so gravierend, dass sie nicht einfach vernachlässigt werden können. Falls in der prozesstechnischen Anlage eine exotherme Reaktion stattfindet, muss der Regler gegebenenfalls in der Reaktionsphase kühlen, während beim Hochfahren geheizt werden muss. Ein unterschiedliches dynamisches Verhalten des Prozesses bei Heizen und Kühlen kann beispielsweise durch einen Regler mit Split-Range-Funktion am Ausgang erreicht werden. In vorteilhafter Weise kann der Reg- 1er dank der Regelung entlang einer vorbestimmten Trajektorie, die vorwiegend bei der Ausregelung von Sollwertänderungen von Bedeutung ist, optimal auf die Kompensation von Stö- rungen speziell für den Arbeitspunkt in der Konstantphase ausgelegt werden, ohne Rücksicht auf den Aufheizvorgang zu nehmen. Beim AufheizVorgang hat der Regler nur kleine Abweichungen des tatsächlichen Verlaufs der Regelgröße von der vorbestimmten Trajektorie auszuregeln. Da für solch kleineWith sufficiently linear process behavior, the parameters of the controller can be calculated from the measured time profiles of the controlled variable when heating up with a pulse-shaped profile of the manipulated variable, for example for a PI controller using the method described in EP-PS 0 520 233 already mentioned above. In many batch processes, however, the non-linearities are so serious that they cannot simply be neglected. If an exothermic reaction takes place in the process engineering system, the controller may have to cool in the reaction phase while heating is required when starting up. A different dynamic behavior of the process for heating and cooling can be achieved, for example, by a controller with a split range function at the output. Advantageously, the controller can optimally compensate for disturbances thanks to the regulation along a predetermined trajectory, which is primarily important for the regulation of setpoint changes. rations are designed specifically for the working point in the constant phase, without taking into account the heating process. During the heating process, the controller only has to correct small deviations in the actual course of the controlled variable from the predetermined trajectory. As for such small ones
Abweichungen selbst ein Prozess mit starken Nichtlinearitäten im jeweiligen Arbeitspunkt gut linearisierbar ist, wird zudem der Reglerentwurf, d. h. die geeignete Festlegung von Typ und Parametern des Reglers 2 (Figur 1) , durch die neue Regelein- richtung erleichtert. Eine weitere Verbesserung des Reglerentwurfs kann jedoch erreicht werden, wenn der Prozess nicht um einen Arbeitspunkt oder um eine Ruhelage, sondern um eine Trajektorie linearisiert wird. Das Berechnungsprinzip hierzu wird im Folgenden erläutert .Deviations even a process with strong non-linearities in the respective operating point can be linearized well, the controller design, i. H. the suitable definition of the type and parameters of controller 2 (FIG. 1) is facilitated by the new control device. A further improvement of the controller design can, however, be achieved if the process is linearized not by an operating point or a rest position, but by a trajectory. The calculation principle for this is explained below.
Die Systemdynamik werde im Zustandsraum durch ein System nichtlinearer Differentialgleichungen beschrieben.System dynamics are described in the state space by a system of nonlinear differential equations.
x = f(x, u)x = f (x, u)
Die Anzahl der Zustände im VektorThe number of states in the vector
x =x =
Xrxr
definiert die Systemordnung n, also die Ordnung des Prozessmodells, der Eingang u sei (ohne Beschränkung der Allgemeinheit) ein Skalar, also eine eindimensionale Stellgröße.defines the system order n, i.e. the order of the process model, the input u is (without restriction of generality) a scalar, i.e. a one-dimensional manipulated variable.
Gegeben sei eine Trajektorie in der allg. FormThere is a trajectory in the general form
u = ut(t) , x = xt(t) .u = u t (t), x = x t (t).
Ein Zustand in der Nähe der Trajektorie wird beschrieben durch x = xt 4- Δx .A state near the trajectory is described by x = x t 4- Δx.
Dieser Ansatz wird in die Differentialgleichung eingesetzt und in eine Taylor-Reihe entwickelt :This approach is used in the differential equation and developed in a Taylor series:
x xt + Δx = f(xt + Δx, ut + Δu) = f(xt, ut) + xx t + Δx = f (x t + Δx, u t + Δu) = f (x t , u t ) +
Wenn man die Taylor-Reihe nach den ersten Gliedern abbricht, verbleibt eine lineare Zustands-Differentialgleichung der FormIf one breaks off the Taylor series after the first terms, a linear state-differential equation of the form remains
Δx = AΔ e = f(xt, ut) - xt = 0 Δx = AΔ e = f (x t , u t ) - x t = 0
Im allgemeinen Fall können die Koeffizientenmatrizen dieser Differentialgleichung zeitvariant sein, z. B. A=A(t) . Oft lassen sie sich jedoch zumindest näherungweise konstant setzen, oder auf einen definierten Bereich eingrenzen, so dass sie für einen Reglerentwurf genutzt werden können.In general, the coefficient matrices of this differential equation can be time-variant, e.g. B. A = A (t). However, they can often be set at least approximately constant, or limited to a defined area, so that they can be used for a controller design.
Anhand der in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Simulationsergebnisse sollen im Folgenden die Vorteile der neuen Regeleinrichtung zusätzlich verdeutlicht werden. Der Simulation liegt ein ITl-Modell eines Prozesses mit einer Integrationszeit von 10 Sekunden und einer Verzögerung von 100 Sekunden zugrunde. Die Ubertragungsfunktion des Prozessmodells lautet somit :On the basis of the simulation results shown in FIGS. 4 to 7, the advantages of the new control device are to be clarified in the following. The simulation is based on an ITI model of a process with an integration time of 10 seconds and a delay of 100 seconds. The transfer function of the process model is therefore:
0.10.1
G(s) s(100s + 1)G (s) s (100s + 1)
Zum Vergleich wird ein herkömmlicher PI-Regler verwendet, dessen Verstärkung KP=0,05 und Nachstellzeit Ti=1600 s entsprechend dem in der bereits erwähnten EP-PS 0 520 233 beschriebenen Entwurfsverfahren gesetzt sind. Auf der Abszisse der in den Figuren 4 bis 7 gezeigten Diagramme ist jeweils die Zeit t in Sekunden aufgetragen.For comparison, a conventional PI controller is used, whose gain K P = 0.05 and reset time Ti = 1600 s are set in accordance with the design method described in the already mentioned EP-PS 0 520 233. The time t in seconds is plotted on the abscissa of the diagrams shown in FIGS. 4 to 7.
Figur 4 zeigt einen sprungförmigen Verlauf 40 des Sollwerts, der zum Vergleich des Führungsverhaltens verwendet wird. Der herkömmliche PI-Regler regelt diesen Soll ertsprung, wie am Verlauf 41 der Regelgröße mit herkömmlichen PI-Regler sichtbar ist, vergleichsweise langsam mit einem Überschwingen von etwa 10 bis 20% aus. Ein Verlauf 42 der Regelgröße, welcher mit der neuen Regeleinrichtung erzeugt wird, zeigt deutlich, dass die Regelung entlang vorbestimmter Trajektorien sehr viel schneller und überschwingungsfrei den neuen Sollwert anfährt . Ein derart verbessertes Führungsverhalten bedeutet in der Praxis einen entsprechenden Gewinn an Produktionsge- schwindigkeit und einen gesteigerten Durchsatz in der prozesstechnischen Anlage.FIG. 4 shows a jump 40 of the setpoint value, which is used to compare the management behavior. The conventional PI controller regulates this setpoint jump, as can be seen on the course 41 of the controlled variable with conventional PI controllers, comparatively slowly with an overshoot of approximately 10 to 20%. A course 42 of the controlled variable, which is generated with the new control device, clearly shows that the control along predetermined trajectories approaches the new setpoint much faster and without overshoot. In practice, such improved management behavior means a corresponding gain in production speed and an increased throughput in the process engineering system.
Wie in Figur 5 gezeigt, wird bei der Regelung entlang vorbestimmter Trajektorien ein impulsförmiger Verlauf 50 der Stellgröße erzeugt. Der herkömmliche PI-Regler gibt dagegen einen Verlauf 51 der Stellgröße aus, der sprungförmig beginnt und langsam abfällt. Der Verlauf 50 der Stellgröße entspricht gemeinsam mit dem Verlauf 42 (Figur 4) der Regelgröße einer zeitoptimalen Regelung.As shown in FIG. 5, a pulse-shaped course 50 of the manipulated variable is generated during regulation along predetermined trajectories. The conventional PI controller, on the other hand, outputs a course 51 of the manipulated variable, which starts in a jump and slowly decreases. The course 50 of the manipulated variable corresponds, together with the course 42 (FIG. 4), to the controlled variable of a time-optimal control.
Anhand der Figuren 6 und 7 wird das Störungsverhalten der beiden Regelungen verglichen. Der Sollwert weist wiederum einen sprungförmigen Verlauf 64 auf. An den durch einen Pfeil 60 und einen Pfeil 61 markierten Zeitpunkten bei etwa t=60 s bzw. t=2060 s wirkt jeweils für die Dauer von 10 Sekunden eine Störung von 20% auf den Eingang des Prozesses. Störungen sind somit beim Hochfahren und beim stationären Betrieb simuliert. Ein Verlauf 62 der Regelgröße gemäß Figur 6 für einen Regelkreis mit einem herkömmlichen PI-Regler zeigt wieder ein starkes Überschwingen beim Hochfahren. Die Störung wird vergleichsweise langsam ausgeregelt. Dagegen macht ein Verlauf 63 der Regelgröße, der mit der neuen Regeleinrichtung ge- wonnen wird, deutlich, dass die Regelung entlang Trajektorien auch in der Lage ist, Störungen während der Aufheizphase zu kompensieren, und dass sich der Verlauf 63 der Regelgröße vergleichsweise schnell wieder an den Verlauf der Trajektorie des ungestörten Aufheizvorgangs anschmiegt.The fault behavior of the two regulations is compared on the basis of FIGS. 6 and 7. The target value in turn has a step 64. At the points in time marked by an arrow 60 and an arrow 61 at approximately t = 60 s and t = 2060 s, a 20% fault acts on the input of the process for a period of 10 seconds. Faults are thus simulated when starting up and during stationary operation. A course 62 of the controlled variable according to FIG. 6 for a control loop with a conventional PI controller again shows a strong overshoot when starting up. The fault is corrected comparatively slowly. On the other hand, a course 63 of the controlled variable, which with the new control device It becomes clear that the control along trajectories is also able to compensate for disturbances during the heating-up phase and that the course 63 of the controlled variable comparatively quickly resumes the course of the trajectory of the undisturbed heating-up process.
Eine gleichgroße Störung beim Pfeil 61 in der Konstantphase muss dagegen in beiden Fällen allein durch den Regler ausgeglichen werden, da hier die Regelung entlang einer Trajek- torie bei zunächst gleicher Einstellung der Reglerparameter keine Vorteile ergeben würde. Die Störung in der Konstantphase wird daher in vergleichbarer Weise ausgeregelt . Wie bereits oben näher erläutert, könnte jedoch bei einer Regelung entlang vorbestimmter Trajektorien der Regler besser auf das Störverhalten optimiert werden, da er nicht gleichzeitig in der Lage sein muss, mit gutem Führungsverhalten große SollwertSprünge ohne allzu starkes Überschwingen auszuregeln.A disturbance of the same size with arrow 61 in the constant phase, on the other hand, has to be compensated for in both cases by the controller alone, since here the regulation along a trajectory would not give any advantages if the controller parameters were initially set the same. The disturbance in the constant phase is therefore corrected in a comparable manner. As already explained in more detail above, however, the controller could be better optimized for the disturbance behavior in the case of regulation along predetermined trajectories, since it does not have to be able at the same time to compensate for large setpoint jumps without excessive overshoot with good control behavior.
In Figur 7 sind ein Verlauf 70 einer Stellgröße mit herkδmm- lichem Regler sowie ein Verlauf 71 einer Stellgröße mit der neuen Regelung entlang vorbestimmter Trajektorien eingezeichnet. Es ist deutlich erkennbar, dass die beiden Regelungsarten als Reaktion auf eine Störung in der Konstantphase etwa beim Zeitpunkt t=2060 s etwa ähnlich zur Ausregelung der Störung reagieren, da hier überwiegend Regler mit gleicher Parametrierung von Bedeutung sind.FIG. 7 shows a curve 70 of a manipulated variable with a conventional controller and a curve 71 of a manipulated variable with the new control along predetermined trajectories. It can be clearly seen that the two types of control react in response to a fault in the constant phase, approximately at time t = 2060 s, approximately similar to the control of the fault, since controllers with the same parameterization are predominantly important here.
Die neue Regeleinrichtung und das neue Regelverfahren wurden oben anhand eines Ausführungsbeispiels mit einem ITn-Prozess und einem PI-Regler zum besseren Verständnis näher erläutert. Sie sind aber ohne Weiteres mit anderen Prozess- und/oder Reglertypen anwendbar und keinesfalls auf die genannten Typen beschränkt . The new control device and the new control method were explained in more detail above using an exemplary embodiment with an ITn process and a PI controller for better understanding. However, they can easily be used with other types of process and / or controller and are in no way limited to the types mentioned.

Claims

Patentansprüche claims
1. Regeleinrichtung, insbesondere für einen nichtlinearen, zeitvarianten Prozess (1), mit einem Regler (2), insbesondere einem linearen PI- oder PID-Regler, durch den aus einem Vergleich zwischen einer Führungsgröße (w) und einer Regelgröße (x) eine Stellgröße (y) ermittelbar ist, d a du r ch ge kenn z e i c hne t , dass zur Regelung des Prozesses (1) entlang vorbestimmter Trajektorien, d. h. mit einem im Wesentlichen vorbestimmten Verlauf (20) der Stellgröße und einem im Wesentlichen vorbestimmten Verlauf (22) der Regelgröße, Mittel (3, 6, 8) vorgesehen sind, durch welche erste . Vorgabewerte (yt) entsprechend dem vorbestimmten Verlauf (20) der Stellgröße der durch den Regler (2) ermittelten Stell- große (y) zur Bildung einer optimierten Stellgröße (y1) überlagerbar sind und durch welche zweite Vorgabewerte (xt) entsprechend dem vorbestimmten Verlauf (22) der Regelgröße dem Regler (2) als Führungsgröße (w) zuführbar sind.1. Control device, in particular for a non-linear, time-variant process (1), with a controller (2), in particular a linear PI or PID controller, by means of which a comparison between a reference variable (w) and a control variable (x) The manipulated variable (y) can be determined, since you can see that to control the process (1) along predetermined trajectories, ie with an essentially predetermined course (20) of the manipulated variable and an essentially predetermined course (22) the controlled variable, means (3, 6, 8) are provided, by means of which first. Default values (yt) corresponding to the predetermined profile (20) of the manipulated variable of the manipulated variable (y) determined by the controller (2) can be superimposed to form an optimized manipulated variable (y 1 ) and by means of which second preset values (xt) according to the predetermined profile (22) of the controlled variable can be fed to the controller (2) as a reference variable (w).
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h g e ke nn z e i c hn e t , dass Trajektorien mit Vorgabewerten (xt, yt) für eine zeitoptimale Ausregelung einer Sollwertänderung in einem Speicher (6) abgespeichert sind.2. Control device according to claim 1, so that trajectories with default values (xt, yt) for a time-optimal adjustment of a setpoint change are stored in a memory (6).
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a dur c h g e ke n n z e i c hn e t , dass Mittel (8, 10) vorgesehen sind, durch welche von einem Bediener Korrekturwerte den zweiten Vorgabewerten (xt) zur Bildung einer korrigierten Führungsgröße überlagerbar sind.3. Control device according to claim 1 or 2, so that means (8, 10) are provided by which correction values can be superimposed by an operator on the second default values (xt) to form a corrected reference variable.
4. Regeleinrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, da du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass Mittel (9) vorgesehen sind, durch welche die Trajektorien an verschiedene Umgebungsbedingungen anpassbar sind.4. Control device according to one of the preceding claims, since you r c h g e k e nn z e i c hn e t that means (9) are provided by which the trajectories can be adapted to different environmental conditions.
5. Regelverfahren, insbesondere für einen nichtlinearen, zeitvarianten Prozess (1) , mit einem Regler (2) , insbesondere einem linearen PI- oder PID-Regler, durch den aus einem Vergleich zwischen einer Führungsgröße (w) und einer Regelgröße (x) eine Stellgröße (y) ermittelt wird, dadur ch ge kennz e i c hne t , dass zur Regelung des Prozesses (1) entlang vorbestimmter Trajektorien (20, 22), d. h. mit einem im Wesentlichen vorbestimmten Verlauf (20) der Stellgröße und einem im Wesentlichen vorbestimmten Verlauf (22) der Regelgröße, erste Vorgabewerte (yt) entsprechend dem vorbestimmten Verlauf (20) der Stellgröße der durch den Regler (2) ermit- telten Stellgröße (y) zur Bildung einer optimierten Stellgröße (y1) überlagert werden und dass zweite Vorgabewerte (xt) entsprechend dem vorbestimmten Verlauf (22) der Regelgröße als Fuhrungsgröße (w) dem Regler (2) zugeführt werden. 5. Control method, in particular for a non-linear, time-variant process (1), with a controller (2), in particular a linear PI or PID controller, by means of which a manipulated variable (y) is determined from a comparison between a reference variable (w) and a controlled variable (x), which means that the process (1) Along predetermined trajectories (20, 22), ie with a substantially predetermined course (20) of the manipulated variable and an essentially predetermined course (22) of the controlled variable, first default values (yt) corresponding to the predetermined course (20) of the manipulated variable Controllers (2) determined manipulated variable (y) are superimposed to form an optimized manipulated variable (y 1 ) and that second preset values (xt) are fed to the controller (2) as a guide variable (w) in accordance with the predetermined course (22) of the controlled variable ,
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