NO172712B - System og fremgangsmaate for identifisering og oppdateringav avstemnings-konstanter - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et system for å bestemme konstanter som anvendes i et proses-styringssystem, som angitt i den innledende del av henholdsvis patentkrav 1 og 4.

Prosesstyringssystemer anvendes ofte til å styre industri-elle prosesser. Prosesstyringssystemene omfatter vanligvis aktivatorer slik som motoriserte ventiler, motoriserte potensiometre, hydrauliske ventiler, pneumatiske ventiler, motorstyrte vektarmer og lignende. Disse aktivatorer styrer slike ting som væskestrøm i prosessen eller mengden av elektrisitet som strømmer til visse komponenter i et elektrisk system. I datamaskinstyrte prosesstyringssystemer anvendes datamaskiner til å styre prosesstyringsaktivator-ene. Vanligvis har prosesstyringsaktivatorer ulineære karakteristika. Noen av de typiske ulineære karakteristika tilhørende aktivatorer er ulineær forsterkning, dødgang og ståksjon (statisk friksjon). For at prosesstyringssystemet skal virke riktig og effektivt, må operasjonskarakteristikk-ene for aktivatorene og den styrte prosess være kjent og tilgjengelig for de datamaskinstyrte styreorganer. Disse karakteristika er normalt betegnet som "avstemningskonstanter" eller "avstemningsparametre". Prosessen i å finne den beste verdi av avstemningskonstanter for aktivatorene og prosessen og å gjøre verdiene tilgjengelige for styreorganet betegnes "avstemning" av kontrollsløyfen.

Tidligere har avstemningskonstanter ofte blitt oppnådd ved en metode som er kjent som en manuell "støttest". Ved den manuelle støttest tilføres et bestemt kjent styresignal til aktivatoren, og den resulterende endring i utmatningen fra den styrte prosess måles. Størrelsen av styreinnmatningen til aktivatoren endres (støtes) og tilsvarende endring i utmatningen fra den styrete prosess måles. Disse prosedyrer gjentas så for et stort område av styreinnmatninger til aktivatoren, og på basis av innmatningsverdiene og de tilsvarende utmatningsendringer og ved å anvende disse matematiske formler, kan en operatør så manuelt beregne avstemningskonstantene for aktivatoren og prosessen. Denne manuelle støt- eller dunketest, på engelsk benevnt "bump-test" er en prosess som er møysommelig og tidkrevende og også er utsatt for mange menneskelige feil. Videre bevirker den også en merkbar, noen ganger utillatelig forstyrrelse i prosessen som skal styres av aktivatoren. Av disse grunner foretas den såkalte manuelle støttest vanligvis så skjelden som mulig.

Karakteristikkene for aktivatorene og prosessen endrer seg imidlertid stadig under operasjonen som et resultat av slitasje i deler, smøringsforhold, temperatur, aldring osv. Disse endringer i aktivatorens og prosessens karakteristika nødvendiggjør ganske ofte periodisk omberegning (fornyet avstemning) av styreparametrene for å holde sløyfene i deres beste tilstand. Slik det imidlertid er anført ovenfor, foreligger det uønskede karakteristika tilhørende den manuelle støttest og man må derfor velge mellom de uønskede resultater tilknyttet anvendelsen av feilaktige avstemningskonstanter i forhold til de uønskede virkninger ved manuelt å foreta den såkalte støttest.

I motsetning til den manuelle fremgangsmåte for å bestemme avstemningskonstanter, anvender den foreliggende fremgangsmåte et datamaskinbasert, automatisk system. Således kan avstemningskonstantene bestemmes uten å innføre menneskelige feil, og med liten eller ingen skadelig effekt på den styrte prosess. Dessuten, med det foreliggende system og prosess, kan avstemningskonstantene bestemmes langt hurtigere enn ved hjelp av den manuelle fremgangsmåte. Følgelig er det mulig med det foreliggende system å bestemme avstemningskonstanter ofte og automatisk slik at avstemning kan planlegges for periodisk utførelse, hvorved tillates anvendelsen av langt mer nøyaktige avstemningskonstanter ved drift og styring av prosessen.

Kjente fremgangsmåter og systemer av den innledningsvis angitte art finner man f.eks. i "ADVANCES IN INSTRUMENTA-TION, PROCEEDINGS OF THE ISA INTERNATIONAL CONFERENCE AND EXHIBIT", 18-21. oktober 1982, Philadelphia, Penn., vol. 37. del 3, sidene 1353-1362, Pittsburgh, USA, K. NAGAKAWA et al.: "An auto-tuning PID controller", US-A-4 096 425,

'' MEAS URE S-REGULATION-AUTOMATISME'', vol. 42, nr. 6, juni 1977, sidene 65-73, Paris, FR, G. ZWARG: "Regulation d'un processus termique", samt A. Schone "Prozessrechensysteme", 1981, sidene 415-428.

Det er således et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et system som automatisk oppdaterer avstemningskonstanter, samtidig som avstemningskonstantene bestemmes hurtig, nøyaktig og virkningsfullt med minimal forstyrrelse i den styrte prosess. Dette oppnås ved en fremgangsmåte og et system som ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved de trekk som er angitt i den karakteriser-ende del av henholdsvis patentkrav 1 og 4.

Ytterligere formål og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse samt tegninger som er gitt i eksempels form og ikke som en be-grensning av oppfinnelsen, hvilken er definert ved de etter-følgende patentkrav samt de tekniske ekvivalenter. Fig. 1 viser et skjematisk blokkskjerna over en utførelses-form av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser en skjematisk fremstilling av den foreliggende utførelsesform anvendt på en spesiell prosess. Utførelsesformen ifølge fig. 1 omfatter en prosesstyringsmodul som ved hjelp av en linje 12 er koblet til å sende styresignaler til en aktivator 14 for å etablere måleverdien for aktivatoren. Modulen 10 kan f.eks. være av den direkte digitale styretypen og kan være del av en prosesstyrings-datamaskin. Aktivatoren 14 kan f.eks. omfatte et elektro-mekanisk, pneumatisk eller hydraulisk servosystem. Prosess-styringsmodulen 10 og aktivatoren 14 benevnes felles som en prosesstyrer 16.

Aktivatoren 14 styrer den styrte prosessen 12, slik det

er angitt med linjen 22.\ Den styrte prosessen 20 kan reali-seres ved få eller mange fysiske komponenter og kan være av enkel eller komplisert type. Utmatningen fra prosessen er angitt med henvisningstallet 24, og det tilbakekoblede signal 26 overfører informasjon hva angår tilstanden på utgangen 24 til prosesstyringsmodulen 10. Prosesstyringsmodulen 10, den styrte prosessen 20 og tilbakekoblingssignalet 26 betegnes samlet som en prosesskontrollsløyfe,

og identifikasjonen av avstemningsparametere benevnes ofte som "avstemning av kontrollsløyfen".

En modul 44 for avstemningskonstant identifikasjon, hvilken modul kan være del av en datamaskin, er koblet til å overføre målverdisignaler 45 til aktivatoren 14,

og modulen 44 mottar tilbakekoblingssignalet via en linje 28 og sender signaler 48 til styremodulen 10. Signalene 48 overfører avstemningskonstantene som er beregnet av modulen 44. Under normal drift av kontroll-sløyfen, mottar aktivatoren 14 styresignaler via linjen 12 fra modulen 10, men ikke signaler 48. Under avstem-nings parameteridentifikasjonen mottar imidlertid aktivatoren 14 signaler 48 enten i tillegg til eller istedet for signaler via linjen 12, dvs. måleverdien for aktivatoren 14 kan etableres enten ved hjelp av modulen 44 alene^eller sammen med modulen 10.

I den hensikt å beskrive den foreliggende prosess, antas det at den styrte prosess 2 0 opererer under styringen av identifikasjonsmodulen 44 og ikke modulen 10. Identifikasjonsmodulen endrer gjentatte ganger målverdien for aktivatoren 14. De foretrukne parametere for serien av endringer avhenger av aktivatorer 14 og den styrte prosessen 20. Serien av endringer kan f.eks. være en serie av trinnfunksjoner, hvor hvert trinn har en varighet av 20 sekunder. Serien kan bestå av tre trinn som hver har ulik størrelse og adskilte 20 sekunder fra hverandre, og serien kan gjentas hvert 120 sekund. I praksis kan et datamaskinsystem anvendes til å generere serien av endringer, slik som trinnfunksjoner, og således kan datamaskinen programmeres til å gjenta en forut bestemt sekvens av endringer ved forut-bestemte intervaller for å sikre regelmessig avstemning av systemet.

Mens serien av endringer, slik som trinnfunksjoner, foretas med hensyn til målverdi for aktivatoren 14, blir de tilsvarende endringer i utmatningen fra den styrte prosessen ved 24 målt og matet tilbake til identifikasjonsmodulen 44 via linjen 28. Deretter fullføres en serie av matematiske beregninger og omdannelser i modulen 44 som anvender de målte endringer i utmatningen fra den styrte prosessen og den kjente serie av endringer i målverdien for aktivatoren 14, slik at avstemningskonstantene bestemmes.

Anvendelsen av disse matematiske omdannelser kan forstås under henvisning til det etterfølgende eksempel:

Eksempel

Inngangs- utgangsforholdet for en vanlig ulineær aktivator i kaskadeform med en prosess kan uttrykkes som følger:

hvor: U(n) = innmatning til aktivatoren 14 ved det n'te samplingtidspunkt.

Y(n) = utmatningen fra den styrte prosessen 20 ved det n'te samplingtidspunkt.

B(U(n)) = [sGN(U(n) x U(n-l)) - l} / 2; tilbakestøtfunksjon. SGN(X) = tegnfunksjon, dvs. tegnfunksjonen er lik 1 hvis X er større enn null og er lik -1 hvis X er mindre enn null. POS(x) er lik X hvis X er større enn null, er lik null hvis

X er mindre enn null; positiv funksjon av X.

NEG(x) er lik X hvis X er mindre enn null, er lik null hvis

X er større enn null; negativ funksjon av X.

A, PG, PS, PB, NG, NS og NB er avstemningskonstanter for det spesielle styringselementet hvor;

A = En konstant relatert til tidskonstanten for prosessen i åpen sløyfe.

PG = Kaskadeprosessens forsterkning for aktivatoren og prosessen når en positiv bevegelse foretas med hensyn til aktivatormålet.

NG = Kaskadeprosessforsterkningen i aktivatoren og prosessen når en negativ endring foretas med hensyn til aktivatormålet. PS = Staksjon hos aktivatoren og prosessen når en positiv endring foretas med hensyn til aktivatormålet.

NS = Staksjon hos aktivatoren og prosessen når en negativ endring foretas med hensyn til aktivatormålet.

PB = Dødgang i aktivatoren og prosessen og en positiv endring foretas med hensyn til aktivatormålet.

NB = Dødgang i aktivatoren og prosessen når en negativ endring foretas med hensyn til aktivatormålet.

Fra ligning 1 er det klart at inngangs- utgangsforholdet hos styringsaktivatoren og prosessen er høyst ulineær. Således anvendes, ifølge den foreliggende prosess, en første transformasjon på ligning 1 for å oppnå et sett av stykkevise lineære ligninger. Dette oppnås, i dette eksempel, på følgende måte: hvilket for P(.U(n)) større enn null gir

De følgende ligninger kan nå oppstilles:

Anvender man ligningene 4 og ligning 3, finner man følgende: for P(U(n)) større enn null: vil det så for N(U(n)) mindre enn null gjelde:

Ligningene 5 og 6 viser at Y(n+1) er lineært relatert til inngangsvariabler Y(u), VI, V2 og V3 i innbyrdes adskilte områder definert ved P(U(n)) større enn null og N(U(n)) mindre enn null. Ettersom VI, V2 og V3 er veldefinerte (i ligning 4), funksjoner av U (n), kan de beregnes sålenge som historien for U(n) er klart kjent.

neste trinnet i den foreliggende prosess er å anvende en lineær identifikasjonsmetode på de stykkevise lineære ligninger 5 og 6 ved å anvende de målte endringer i den styrte prosessen og serien av endringer med hensyn til måleverdien. Således bestemmes parameterene for de stykkevis lineære ligninger 5 og 6, nemlig A, Pl, P2, P3, NI,

N2 og N3. Den anvendte lineære identifikasjonsmetode kan være en vanlig metode slik som den velkjente minste kvadraters metode.

Såsnart parameterene i de stykkevise lineære ligninger bestemmes i dette spesielle eksempel, ved anvendelse av den inverse transformasjon av ligning 4 og parameterene A, Pl, P2, P3, NI, N2 og N3, kan de opprinnelige avstemningskonstanter A, PG, PS, PB, NG, NS og NB beregnes.

Den inverse transformasjon av ligningene 4 er ligningene

7 som følger:

I dette eksempel er samplingperioden, n, den foreliggende (eller referanse) perioden og n + 1 er en samplingperiode etter den foreliggende perioden. Således måles utmatningen Y(n) og støtsignalet U(n) under den samme perioden, og utmatningen Y(n+1) måles en samplingperiode senere. Således vil man se at hver av de følgende variabler kan bestemmes fra støttesten: Y(n+1), Y(n), VI, V2 og V3.

Såsnart hver av disse variabler er blitt bestemt, anvendes

en vanlig identifikasjonsteknikk for å bestemme de følg-

ende parametere: A, Pl, P2, P3, NI, N2 og N3. Såsnart disse parametere er blitt bestemt, er det neste trinn å anvende den inverse transformasjon av den første trans-formasjonen på nevnte parametere for å oppnå de antatte avstemningskonstanter A, PG, PS, PB, NG, NS og NB.

Den foreliggende prosess og system kan anvendes både på ulineære og lineære systemer. Ved anvendelse på et line-

ært system, vil matematisk det følgende være tilfelle:

PG = NG

PS = NS = 0

PB = NB = 0.

På den annen side, når et ulineært system avstemmes,

kan det være at en hvilken som helst eller flere av disse ligninger ikke vil være sanne.

I praksis har man funnet det fordelaktig å anvende en prose-dyre som er benevnt "rekursiv identifikasjon" for å bestemme avstemningskonstantene. Det vil si at først foretas en serie av endringer på måleverdien for systemaktivatoren og et første sett av antatte avstemningskonstanter beregnes. Deretter foretas et andre sett av endringer med hensyn til måleverdien for systemaktivatoren, og et andre antatt sett av avstemningskonstanter beregnes. Disse trinn gjentas inntil hver avstemningskonstant for det nyligst beregnede sett av avstemningskonstanter avviker fra den tilsvarende avstemningskonstant for det umiddelbart foregående sett av avstemningskonstanter med mindre enn forutbestemt verdi. Såsnart differansen mellom disse verdier ligger innenfor et akseptabelt område, ansees de sist beregnede avstemningskonstanter som akseptable og defineres til å være de herskende avstemningskonstanter.

Etter at avstemningskonstantene er blitt bestemt, blir de så anvendt på en prosesstyringsmodul 10, slik som angitt med

linjen 48. Avstemningskonstantene i modulen 10 oppda-

teres til nye avstemningskonstanter hvis de to avviker fra hverandre, og deretter gjeninntar modulen 10 normal styring av aktivatoren 14.

I fig. 2 er vist et system som gjør bruk av den foreliggende prosess og anvendt på en spesiell styrt prosess. Den styrte prosessen 20 Omfatter en vanlig tremasse

raffinør 30 som anvendes til å male tremasse for å frem-bringe fin masse. Raffinøren 30 omfatter en roterende skive 32 og en ikke-roterende skive 34. De to skivene 32

og 34 er adskilte, men nær hverandre og har et antall blader 36 på deres motstående flater. Under drift roteres skiven 32 ved hjelp av en motor 38 og en velling av tremasse innføres mellom de to skivene slik at bladene 36 oppmaler tremassen. Den ikke-roterende skiven 34 er koblet til en aksel 40 som kan beveges mot venstre eller høyre ifølge tegningen, ved hjelp av et motor og utvekslingssystem 42 for å justere gapet mellom skivene. Således kan motor-

og utvekslingssystemet 42 betjenes til å styre hastigheten med hvilken massen raffineres. Man vil også forstå at ettersom skiven 34.beveges nærmere skiven 32, vil belastningen på motoren 38 øke. Graden av masseraffinering er proporsjonal med motorens belastning, og den målte belastning kan således anvendes som en indikasjon på omfanget av masseraffinering.

Det foreliggende system for bestemmelse av avstemningskonstanter omfatter en datamaskin 47 for å utføre funksjonene i prosesstyringsmodulen 10 og modulen 44 for avstemningskonstant identifikasjonen. Datamaskinen 47 kobles til aktivatoren 14 via linjen 49 og til avføleren 46 via linjen 52. Avføleren 46 kobles til inngangslinjen 50 for motoren 38 for å måle den mengde av strøm som ..trekkes av motoren og følge-lig motorbelastningen. Avføleren 46 er koblet via linjen 52 for å sende informasjon til datamaskinen 47.

I et spesielt eksempel, ble den foreliggende prosess og system testet på en tremasseraffinør tilsvarende den som er omtalt ovenfor. Man fant at de primære avstemningskonstanter i prosesstyringsystemet ble identifisert på mindre enn 10 minutter. I motsetning til dette antas det at den manuelle bestemmelse av avstemningskonstantene vil ha krevet ca. en halv dag.

Claims (4)

1 . Fremgangsmåte for å bestemme avstemningskonstanter i en prosesstyresløyfe, idet sløyfen innbefatter minst en prosesstyremodul (10) som er koblet for overføring av styresignaler til en aktuator (14) for å etablere en måleverdi hos aktuatoren (14), samtidig som aktuatoren (14) er tilkoblet en styrt prosess (20), hvilken fremgangsmåte omfatter: a) å utføre en rekke endringer med hensyn til måleverdien for aktuatoren (14), b) å måle endringer i utmatningen fra den styrte prosess (20) som stammer fra endringer i aktuatorens (14) måleverdi, c) å anvende en første transformasjon på ligninger som beskriver karakteristika for aktuatoren (14) og den styrte prosess (20) for å oppnå en automatisk avstemning med sikte på en optimal styring, idet fremgangsmåten er karakterisert ved at den første transformasjon utføres ved fremskaffelse av et sett med stykkevis lineære ligninger for å beskrive ikke-lineære karakteristika hos aktuatoren (14), samtidig som inngangene til den styrte prosess utgjøres av lineære funksjoner av styresignalene til aktuatoren (14) i innbyrdes adskilte regioner, og at fremgangsmåten ytterligere omfatter: d) på i og for seg kjent måte å bestemme lineariteten av de stykkevis lineære lingninger ved utnyttelse av de målte endringer i utmatningen fra den styrte prosess og rekken av endringer i aktuatorens (14) måleverdi for å bestemme parametrene hos de stykkevis lineære ligninger, og e) å anvende en annen transformasjon som er invers i forhold til den første transformasjon på parametrene for å oppnå avstemningskonstantene som deretter påtrykkes styremodulen (10).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at linearitetsbestemmelsen av de stykkevis lineære lingninger blir foretatt med minste kvadraters metode som en bestemmende, rekursiv metode, eventuelt som en stokatisk, rekursiv metode.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte rekke av endringer med hensyn til måleverdien for aktuatoren (14) utgjøres av en serie trinnfunksjoner, for eksempel trinn som har en varighet av 20 sekunder, samtidig som trinnene kan være atskilt fra hverandre med 20 sekunders intervaller, og samtidig som serien for eksempel gjentas hvert 120 sekund.

4. System for å bestemme avstemningskonstanter i en prosesstyresløyfe, idet sløyfen omfatter minst en prosesstyremodul (10) som er koblet for å overføre styresignaler til en aktuator (14) for å etablere en måleverdi for aktuatoren (14), samtidig som aktuatoren (14) er tilkoblet en styrt prosess (20), hvilket system omfatter: a) organer (44) som er tilkoblet prosesstyresløyfen for å kunne foreta en rekke endringer med hensyn til måleverdien for aktuatoren (14), b) avfølingsorganer (28) som er tilkoblet styreprosessen (20) for å måle endringer i utmatningen fra den styrte prosess på grunn av endringer i måleverdien, c) organer (44) for å anvende en første transformasjon på lingninger som er representert og lagret deri, idet disse beskriver karakteristika for aktuatoren (14) og den styrte prosess (20) for å oppnå en automatisk avstemning med hensyn til optimal styring, idet systemet er karakterisert ved at det fremskaffes et sett med stykkevis lineære ligninger ved hjelp av organene (44) for utførelse av den første transformasjon for å beskrive ikke-lineære karakteristika hos aktuatoren (14), samtidig som utmatningene fra den styrte prosess (20) utgjør lineære funksjoner av inn-signalene til aktuatoren (14) i innbyrdes adskilte regioner, og at systemet ytterligere omfatter: d) organer (44) for på i og for seg kjent måte å bestemme lineariteten av de stykkevis lineære lingninger for å bestemme parametrene for de stykkevis lineære ligninger, og e) organer (44) for å anvende en annen transformasjon som er invers i forhold til den første transformasjon på parametere for å oppnå avstemningskonstanter som deretter blir anvendt på styremodulen (10).