SE530380C2 - Automatisk uppskattning av glapp - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 53Û 380 2 När den statiska friktionen eller glappet blir omfattande bör naturligtvis ventilen repareras eller bytas ut. Detta kan emellertid normalt inte göras utan att avbryta pro- cessen. Av denna anledning, och av andra ekonomiska skäl, är det intressant att försöka hälla ventilen i gäng så länge som möjligt. Man kan kompensera för den statiska friktion och glappet genom att använda tillgängliga meto- der, under förutsättning att graden eller omfattningen av statisk friktion eller glapp är känd för den använda kom- pensationsmetoden. Även om de problem som orsakas av statisk friktion och glapp är svara upptäcks de ofta inte av operatörerna vid processtyrningsanläggningar_ Huvudskälet är att personal- neddragningen har lett till en situation där varje operatör helt enkelt har för mànga reglerkretsar att övervaka. Av denna anledning har man under det senaste decenniet mycket aktivt bedrivit forskning om procedurer för automatiskt utförande av övervakning. Den industriella användningen av sådana procedurer har också ökat snabbt under senare är.

Vad gäller statisk friktion är ett flertal automatiska metoder kända för att upptäcka reglerkretsar med statisk friktion. När det gäller glapp känner man à andra sidan inte till någon effektiv automatisk detekterings- eller uppskattningsmetod inom teknikens stàndpunkt. I stället har det krävts en manuell undersökning av processtyrnings- operatören. Ett exempel på en sådan manuell undersökning enligt teknikens ståndpunkt kommer nu att kortfattat beskrivas.

Figur l visar en blockdiagram över en reglerkrets med glapp, varvid reglerkretsen innefattar en regulator C och en process P som skall styras. Regulatorn C mottar en bör- värdessignal ym och en processutsignal y som ingàngsvärden och avger en styrsignal u som utvärde. Regulatorutsignalen u inmatas inte direkt till processen P; den gär snarare genom ett glapp som ger den sanna processingàngssignalen ub. Figur 2 illustrerar funktionen hos glappet, där död- 10 15 20 25 30 35 530 38Û 3 zonen som orsakats av glappet betecknas d. När styrsignalen u omvänds förblir processinsignalen ub konstant tills u har passerat dödzonen d. I Omfattningen av glappet i reglerkretsen i figur 1 kan lätt bestämmas manuellt genom den i figur 3 visade proceduren. I figur 3 visar det övre diagrammet processutsignalen y och det nedre diagrammet visar styrsignalen u. Experimentet startar med tva stegändringar i styrsignalen u i samma riktning. Om det första steget är tillräckligt stort före- kommer inte effekten av glappet i det andra steget. Det tredje steget görs dä i motsatt riktning. Nu mäste styr- signalen u passera hela glappet innan ventilen rör sig. Om de tvà sista stegen har samma storlek är glappet d = Åy/Kg, där Ay är skillnaden mellan processutsignalerna efter det andra och tredje steget (se fig 3), och K¿ är den statiska processförstärkningen (ocksà lätt erhällen frán fig 3).

Denna manuella procedur kan användas varje gàng en styrsys- temoperatör inspekterar reglerkretsen.

Som redan förklarats finns det emellertid en pågående ten- dens inom olika industriomràden att minska pà personalen vid processtyrningsanläggningar. Följaktligen kan tidsin- tervallen mellan manuella inspektioner av reglerkretsarna ofta bli lànga. Därför skulle det ha varit fördelaktigt att inom olika industriomràden kunna detektera och uppskatta omfattningen av glappet automatiskt, dvs utan ingrepp av nàgon mänsklig operatör.

Redogörelse för uppfinningen Med hänvisning till det ovanstående är ett ändamàl med uppfinningen att lösa eller àtminstone reducera de ovan diskuterade problemen. Närmare bestäm syftar utförings- former av uppfinningen till att tillhandahålla automatisk detektering och uppskattning av graden av glapp i en reglerkrets. Dessutom är det ett ändamål att göra en Sådan automatisk glappuppskattning lätt att implementera i be- 10 15 20 25 30 35 530 BSC* 4 fintliga, verkliga processtyrningstillämpningar. Sålunda har uppfinnaren i föreliggande fall insett att en sådan automatisk glappuppskattning bör baseras pà normala drift- data fràn styrsystemet, dvs ingen användarinmatning i form av parametrar eller annan ledning skall behöva tillhanda- hållas av styrsystemoperatören.

Generellt sett uppnàs ovannämnda ändamål av en metod, en apparat, ett styrsystem och en datorprogramprodukt enligt vidhängande oberoende patentkrav.

En första aspekt av uppfinningen innefattar en metod för automatisk uppskattning av glapp i ett styrsystem som innefattar en regulator och en process som skall styras, varvid nämnda regulator förmår att utföra integrerande styrning av nämnda process med användning av en eller flera regulatorparametrar för att styra en processutsignal hos nämnda process med avseende pà ett börvärde hos denna.

Metoden innebär: - att övervaka nämnda processutsignal för att bestämma ett värde som àterspeglar momentana skillnader mellan börvärde och ärvärde hos nämnda processutsignal under ett tidsintervall; och - att uppskatta glappet fràn nämnda bestämda värde och nämnda en eller flera regulatorparametrar.

En utföringsform av metoden gar ut pà att man integrerar ett reglerfel hos nämnda process under nämnda tidsintervall och bestämmer nämnda värde som Ay = Tight/A: där At = tid - ti och e = ygp - y = [börvärdet hos nämnda processutsignal]-[ärvärdet hos nämnda processutsignalL I en utföringsform av metoden bestäms en starttid för nämnda tidsintervall genom att detektera en första noll- 10 15 20 25 30 35 530 380 5 genomgáng hos nämnda processutsignal med avseende pà dess börvärde, och en sluttid hos nämnda tidsintervall bestäms genom att detektera en andra nollgenomgàng hos nämnda pro- cessutsignal med avseende pà dess börvärde.

Glappet uppskattas med fördel såsom: T K f p där Ä är en uppskattning av en dödzon orsakad av glappet, K och 13 är regulatorparametrar använda av nämnda regulator för att utföra integrerande styrning av nämnda process, At är nämnda tidsintervall, Ay är nämnda värde som àterspeglar momentana skillnader mellan börvärde och ärvärde hos nämnda processutsignal, och Bg är en statisk processförstärkning hos nämnda process.

En utföringsform innebär att sätta K¿ till en förutbestämd konstant, sàsom i huvudsak lika med l.

I typfallet orsakas glappet av ett styrbart organ sàsom en mekanisk, magnetisk, elektrisk, pneumatisk eller hydraulisk ventil i styrsystemet. I ett sàdant fall kan metoden inne- bära att man verifierar att en styrsignal fràn nämnda regu- lator till nämnda reglerbara organ sàväl som nämnda pro- cessutsignal bàda làngsamt ändrar signal, varvid nämnda steg att uppskatta glappet utförs endast vid lyckad veri- fiering.

Närmare bestämt kan verifieringen av långsamt varierande signaler utföras genom att testa huruvida nämnda tidsinter- vall är läng jämfört med en sluten tidkonstant hos nämnda styrsystem. 10 15 20 25 30 35 530 380 6 I en utföringsform utförs testningen genom att approximera nämnda slutna tidkonstant med en tidkonstant bland nämnda en eller flera regulatorparametrar och att kontrollera huruvida nämnda tidsintervall överskrider ett tröskelvärde beräknat genom att multiplicera nämnda tidkonstant med en förutbestämd tidkonstant. Med andra ord: form utförs testet genom att kontrollera huruvida At21V*T;, där N'är ett positivt tal som väljs approximativt i denna utförings- med hänsyn till en verklig implementering. Endast om testet lyckas kommer man att bestämma eller förlita sig pà glapp- uppskattningen. I en utföringsform sätts N till 5.

Vidare innefattar metoden med fördel att man förhindrar be- lastningsstörningar genom att hitta en maximal absolut skillnad mellan börvärde och verkligt värde hos nämnda pro- cessutsignal under nämnda tidsintervall, att man verifierar att nämnda maximala absoluta skillnad inte överskrider ett tröskelvärde som är en funktion av nämnda bestämda värde som àterspeglar momentana skillnader mellan börvärde och verkligt värde hos nämnda processutsignal, och att man ut- för nämnda steg att uppskatta glappet endast vid lyckad verifiering.

Tröskelvärdet kan beräknas genom att multiplicera nämnda bestämda värde med en förutbestämd konstant. I denna ut- föringsform garanteras därför förhindrande av belastnings- störningar genom att man kontrollerar huruvida den maximala skillnaden amxš M*Ay, där M är ett positivt tal som väljs approximativt med hänsyn till en verklig implementering, och att man bestämmer eller förlitar sig pà glappuppskatt- ningen endast om kontrollen är framgångsrik. I en utför- ingsform sätts M till 2.

En andra aspekt av uppfinningen innefattar en apparat för automatisk uppskattning av glapp i ett styrsystem som innefattar en regulator och en process som skall styras, varvid nämnda regulator förmår att utföra integrerande styrning av nämnda process med användning av en eller flera lO 15 20 25 30 35 539 380 7 regulatorparametrar för att styra en processutsignal hos nämnda process med avseende pà ett börvärde hos denna.

Apparaten innefattar: - medel för att övervaka nämnda processutsignal för att bestämma ett värde som återspeglar momentana skillna- der mellan börvärde och ärvärde hos nämnda processut- signal under en tidsintervall, och - medel för att uppskatta glappet utifrån nämnda bestäm- da värde och nämnda en eller flera regulatorparamet- rar.

Nämnda medel för övervakning och nämnda medel för uppskatt- ning implementeras med fördel genom en processor hos nämnda regulator. Alternativt kan nämnda medel implementeras genom en behandlingsanordning såsom en CPU (Central Processing Unit/centralenhet) eller en DSP (Digital Signal Processor/- processor för digitala signaler) eller någon annan elektro- nisk programmerbar enhet och/eller logikenhet eller en kom- bination av anordningar i någon lämplig elektronisk utrust- ning, innefattande med inte begränsat till en dator av något slag, eller en eller flera integrerade kretsar.

En tredje aspekt av uppfinningen innefattar ett styrsystem som har en regulator och en process som skall styras, var- vid nämnda regulator förmår att utföra integrerande styr- ning av nämnda process med användning av en eller flera regulatorparametrar för att styra en processutsignal hos nämnda process med avseende på ett börvärde hos denna.

Styrsystemet innefattar: - medel för att övervaka nämnda processutsignal för att bestämma ett värde som återspeglar momentana skillna- der mellan börvärde och ärvärde hos nämnda processut- signal under en tidsintervall, och - medel för att uppskatta glappet utifrån nämnda bestäm- da värde och nämnda en eller flera regulatorparamet- rar. 10 15 20 25 30 35 530 380 8 En fjärde aspekt av uppfinningen innefattar en datorpro- gramprodukt som innefattar programkodmedel anordnade att utföra stegen i nägon metod enligt den första aspekten när den utförs av en processor.

Den andra och den fjärde aspekten kan generellt ha samma ändamål och fördelar, och samma eller direkt motsvarande särdrag, som den första aspekten.

Andra ändamål, finning framgår av följande detaljerade beskrivning, av särdrag och fördelar med föreliggande upp- vidhängande beroende patentkrav samt av ritningarna.

Generellt sett skall alla termer som används i patentkraven tolkas enligt sin vanliga betydelse i det tekniska omrâdet, om de inte uttryckligen definieras pà annat sätt här. Alla hänvisningar till ”ett element", ”ett medel", ”ett steg” osv (resp. ”medlet”, ”en komponent” osv (resp. ”elementet”, ”steget” osv) OCh ”en anordning", ”anordningen”, ”komponenten” osv) skall tolkas öppet sàsom att de avser åtminstone ett exempel pà nämnda element, anordning, kompot nent, medel, steg osv, sàvida ingenting annat uttryckligen anges. Stegen enligt någon metod som beskrivs här behöver inte utföras i exakt den ordning som beskrivs, sàvida detta inte uttryckligen anges.

Figurbeskrivning Utföringsformer av föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas utförligare, varvid hänvisning görs till de bi- fogade ritningarna där: Figur l är ett blockdiagram över en reglerkrets med glapp.

Figur 2 illustrerar funktionen hos glappet i den i fig 1 visade reglerkretsen.

Figur 3 illustrerar manuell glappuppskattning. 10 15 20 25 30 35 530 380 9 Figur 4 illustrerar den negativa inversen av den beskri- vande funktionen av ett glapp.

Figur 5 illustrerar styrning av en integrerande process med glapp.

Figur 6 glapp. illustrerar styrning av en stabil process med Figur 7 illustrerar försämringen i styrprestanda som in- träffar när man styr en stabil process med glapp.

Figur 8 illustrerar en del av de i fig 6 visade diagrammen.

Figur 9 illustrerar ett flödesdiagram över en automatisk glappuppskattningsmetod enligt en utföringsform.

Figur 10 illustrerar en programstomme för den i fig 9 visade automatiska glappuppskattningsmetoden.

Figur 11 är en schematisk illustration av ett styrsystem som ett exempel pà en miljö där föreliggande uppfinning kan tillämpas.

Figur l2~l4 är diagram från industriella tester utförda i miljön enligt fig ll.

Figur 15~l7 är diagram som illustrerar effekterna av glapp- kompensation.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen En utföringsform av föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mer utförligt. Innan dess skall emellertid en teoretisk introduktion till glapp ges. Efter beskrivningen av den automatiska glappuppskattningen vid den beskrivna utföringsformen kommer kortfattat att hänvisas till vissa industriella tester. Slutligen kommer glappkompensation - 10 15 20 25 30 35 530 380 10 som med fördel utförs baserat pà det uppskattade glappet som gjorts tillgängligt tack vare föreliggande uppfinning - att diskuteras.

Teoretisk introduktion till glapp Återigen hänvisas till den illustration av reglerkrets och dödzon som visas i figur l och 2. Den beskrivande funktio- nen YN av ett glapp är: Rex/Ala) = -Å-ígfiiucsinfi-š) +[1 -ä âz-šn F* där a är inmatningsamplituden och d är det i figur 2 angiv- na glappet. Den negativa inversen av den beskrivande funk- tionen av glappet visas i figur 4 (heldragen linje). Figur 4 visar också Nyquistkurvorna hos två slingöverförings- funktioner som erhålls när den integrerande processen P1 = elmzs/(s(l+O,8s)) (streckad linje) respektive den stabila processen P2 = l/(l+s)Ü regulatorer. (streckprickad linje) styrs av PID- Av denna figur kan man dra slutsatsen att integrerande pro- cesser styrda av regulatorer med en integrator resulterar i gränscykler. Å andra sidan ger stabila processer, som är nägorlunda trimmade, inte nägra gränscykler.

Eftersom d divideras med a vid varje position där det upp- träder (1) är formen pà den beskrivande funktionen obero- ende av d. Detta har en intressant konsekvens. Det betyder att omfattningen d av glappet kommer att påverka sväng- ningsamplituderna, men eftersom skärningen med Nyquist- kurvan uppträder vid samma position, kommer svängnings- perioden att förbli densamma oberoende av omfattningen av glappet. 10 15 20 25 30 35 530 380 11 Genom hela denna skrift antas det att regulatorn C i figur 1 är en PID-regulator. Detta är oftast fallet i praktiken.

De häri presenterade resultaten kan emellertid ganska lätt modifieras till andra regulatorer som har integralverkan.

PID-regulatorn som används i följande exempel har struktu- J (2) där u är regulatorns utdata, ygp är börvärdet, yf är den IEIl d u(t)= KK- yf(t)+-1-1q-_í(y,p(t)- yf(t))dr_¶"d dyfšl) filtrerade processutsignalen, och regulatorparametrarna är förstärkning K, integraltid flä och deriveringstid Th.

Regulatorn har börvärdesvikter lika med noll i både det proportionella ledet och det deriverande ledet. Detta är vanligt vid industriella regulatorer. Processutsignalen filtreras genom ett làgpassfilter av andra ordningen 1 Yj-(S)= f där Y och Y; är Laplace-transformerna av processutsignalen respektive den filtrerade processutsignalen. Ett filter av andra ordningen används för att garantera högfrekvent roll- off i regulatorn, och filter-tidkonstanten är 13 = 13/5. Om en PI-regulator används föreslås det att använda filter- tidkonstanten ¶g=¶g/10.

Följande tvà exempel illustrerar problemen som orsakas av glapp i àterkopplingskretsen.

Exempel 1 - Styrning av en integrerande process med glapp En integrerande process med överföringsfunktion íílí e-OJ: ) 10 15 20 25 30 35 53Ü 38Ü 12 styrs av en PID-regulator av formen (2) med parametrarna K = 1,9 T, = 2,4 Ta = 0,67- Regulatorparametrarna härleds med användning av en design- metod känd som MIGO. Ett glapp pà 5 % (d = 0,05) införs i reglerkretsen.

Figur 4 visar Nyquistkurvan hos slingöverföringsfunktionen och den beskrivande funktionen av glappet med negativ invers. Kurvorna skär varandra, vilket tyder på att en gränscykel kommer att inträffa. Analysen av den beskrivande funktionen förutsäger en gränscykel med en amplitud i processutsignalen pà 4,4 % och en svängningsperiod pà 7,7 s.

Figur 5 visar resultaten av simuleringarna, där en börvär- desändring görs vid t = 0 och en belastningsstörning pàförs vid processingàngen vid t = 100. Som framgår av figuren oscillerar reglerkretsen. Amplituden hos processutsignalen är 3,2 % och svängningsperioden är 5,7 s. Detta är ganska nära det som förutsades av analysen av den beskrivande funktionen.

Exempel 2 - Styrning av en stabil process med glapp En process med överföringsfunktion styrs av en PID-regulator av formen (2) med parametrarna K = 1,2 12 = 2,2 12 = 1,2.

Regulatorparametrarna härleds med användning av MIGO- designmetoden. Ett glapp pä 5 % (d = 0,05) införs i reglerkretsen. 10 15 20 25 30 35 5313 380 13 Figur 4 visar Nyquistkurvan hos slingöverföringsfunktionen och den beskrivande funktionen av glappet med negativ invers. Kurvorna skär inte varandra, vilket tyder pà att ingen gränscykel kommer att inträffa.

Figur 6 visar resultaten av simuleringarna, där en börvär- desändring görs vid t = 0 och en belastningsstörning pàförs vid processingàngen vid t = 100. Vidare tillförs brus med en standardavvikelse av 1 % till processutsignalen. Figuren visar att även om det inte finns nàgon gränscykel sàsom i föregående exempel så blir det en allvarlig försämring av styrningen som orsakas av glappet. På grund av bruset kommer styrfelet aldrig att sätta sig. Styrsignalen mäste passera dödzonen varje gàng som förändringshastigheten hos processinsignalen skall växlas. Detta betyder att det inte blir nàgra làgfrekventa störningar av processutsignalen.

Den beskrivande funktionsanalysen och exemplen illustrerar de styrproblem som uppstår när glapp införs i reglerkret- sen. Reglerkretsar där integrerande processer styrs med regulatorer som har integralverkan kommer att hamna i en gränscykelsvängning. Dessa svängningar kan detekteras genom i och för sig kända svängningsdetekteringsprocedurer.

Förutom vid extremt fördröjningsdominanta processer går reglerkretsar för stabila processer normalt inte in i gränscykelsvängningar. Styrprestandan försämras emellertid även i dessa fall. Detta illustreras i figur 7. Figuren visar hur IAE~värdet (IAE = ”Integrated Absolute Error”) (vänstra diagrammet) och toppfelet emx (högra diagrammet) ökar vid belastningsstörningar som orsakas av glapp som uppstàr i den i Exempel 2 ovan visade reglerkretsen. Den heldragna linjen motsvarar en belastningsändring pà 10 %, och den streckade linjen en belastningsändring pà 20 %.

Både IAE-värdet och emx ökas dà glappet d minskas, även om emm är mycket bruskänslig. Ökningen är beroende av stor- leken pà belastningsstörningarna. Resultaten stämmer väl överens med de tidigare kända. 10 15 20 25 30 35 530 380 14 Glappet introducerar en dödtid i reglerkretsen. Längden pà denna dödtid är beroende av flera tillstànd och parametrar.

Dödtiden uppträder endast när styrsignalàtgärden kastas om.

Dödtiden är den tid det tar för styrsignalen att passera dödzonen. En làg integralförstärkning K/12 ger en läng död- tid. Dödtiden blir kort om styrfelet är stort. Det innebär att dödtiden är kortare för stora belastningsstörningar än för mindre. Detta förklarar de i figur 7 visade resultaten.

Stabila kretsar med glapp detekteras normalt inte genom svängningsdetekteringsprocedurer eftersom svängningsampli- tuden är rätt liten.

En ny automatisk detekterings- och uppskattningsprocedur för dessa processer kommer nu att presenteras.

Automatisk uppskattning av glapp En metod för automatisk uppskattning av glapp enligt en ut- föringsform kommer nu att beskrivas. Metoden behandlar endast stabila processer. Sàsom tidigare nämnts resulterar integrerande processer med glapp i en svängande regler- krets, vilket kan detekteras genom tidigare kända procedu- rer.

Den automatiska glappuppskattningsmetoden verkar generellt pà en reglerkrets som visas i figur l. Regulatorn C är en PID-regulator (eller någon annan typ av regulator med inte- gralverkan) som kan användas för att generera en styrsignal u(z)=K-e+-1If-_[ed:+K-Td% (e) e=y.,,~y Figur 8 visar en del av den simulering som ges i figur 6.

Processutsignalen y har filtrerats genom filtret (3). Detta betyder att processutsignalen som presenteras i figur 8 är den signal som inför PID-algoritmen. Signalerna visar det 10 l5 20 25 30 35 5311) 380 15 typiska mönster som erhålls när en stabil process styrs av en regulator som har integralverkan och när det finns glapp i reglerkretsen. Processutsignalen y är ett avstånd AY från börvärdet medan styrsignalen u driver genom dödzonen som orsakas av glappet. När styrsignalen har ändrat ett belopp Au förflyttas processutsignalen mot börvärdet ygw Tid- punkterna då processutsignalen y korsar börvärdet är marke- rade vid t = 40 och t = 60 i figur 8. Tiden mellan dessa nollgenomgångar är At = tig - ty Förändringen Au av styrsignalen orsakas huvudsakligen av integraldelen av regulatorn C. Detta innebär att Au = ïjew = Åš-Ayfn <7) l där Ay = figur/Af <8) se figur 8.

Om signalerna ändras långsamt kan processdynamiken förbi- ses, och förhållandet mellan processutsignalen y och styr- signalen u bestäms huvudsakligen av den statiska process- förstärkningen Kfi. Närmare bestämt är K;, efter transienter, förhållandet mellan en ändring av y och en ändring av u, varvid ändringen av den förra är orsakad av en ändring av den senare. Förhållandet är sålunda Ay=KpAu,me (9) där Autnæ är den del av Au där glappet är slutet och ven- tilen rör sig. Detta innebär att Au=uWe+d (19) Ur ekvationerna (7) till att uppskatta glappet: (10) erhålls följande ekvation för 10 15 20 25 30 35 SBÜ 380 16 A dfliu-Aum =§AyA1-Él={š-m-l-]Ay (11) K K l P 1 P Glappuppskattaren (ll) antar att signalerna ändras läng- samt. Ett lämpligt sätt att kontrollera detta är att se om At är làng jämfört med den slutna tidkonstanten för hela styrsystemet (inklusive regulatorn C och den reglerade processen P). Eftersom den slutna tidkonstanten för hela styrsystemet i typfallet inte är känd utnyttjas med fördel det faktum att 13, som är en av regulatorparametrarna hos PID-regulatorn C och sàledes känd, har nära samband med den slutna tidkonstanten. Av denna anledning innebär den beskrivna utföringsformen ett steg i att verifiera att både styrsignalen u och processutsignalen y långsamt ändrar sig- naler genom att testa huruvida At Z 512. Uppskattningen ut- förs endast om detta kriterium uppfylls.

Den information som krävs för att bestämma glappet on-line är regulatorparametrarna K och 12 samt den statiska pro- cessförstärkningen K¿. Vidare är det nödvändigt att mäta Ay ur (8), dvs att integrera styrfelet e mellan nollgenomgàng- arna samt tiden At mellan dessa nollgenomgàngar.

Det faktum att processförstärkningen K¿ används i algorit- men kräver en del överväganden dà denna förstärkning i typ- fallet inte är känd. Å andra sidan är uppskattningen Ä helt okänslig för fel i uppskattningen av Kb. För att se detta omskrivs (ll) till â=1< Éí- 1 Ay (12) I KK? Det första ledet innanför parenteserna är alltid större än 5 eftersom det antas att At 2 513. För vältrimmade regulato- rer som tillämpas pà processer som inte är fördröjningsdo- minanta är produkten B35 normalt större än 0,5. Detta inne- bär att det första ledet i (12) dominerar och att glapp- 10 15 20 25 30 35 530 380 17 uppskattaren (ll) är okänslig för fel hos Kb. Eftersom industriella regulatorer normalt arbetar med normerade signaler används lämpligen K¿ = l som ett normalvärde.

Det är viktigt att störningen inte orsakar nollgenomgàngar.

Av denna orsak filtreras processutsignalen y inte bara av andra ordningens filter (3) utan ett ytterligare filter av andra ordningen läggs pà innan signalen behandlas i upp- skattningsproceduren. I de i denna skrift presenterade exemplen är tidkonstanten för detta senare filter 13/2.

Onlineprocedurer sàsom denna bör ha ett säkerhetsnät. I den beskrivna utföringsformen är ett element av ett sådant sä- kerhetsnät att förhindra belastningsstörningar då sàdana störningar kan försämra glappuppskattningen. För att kon- trollera att processutsignalen har en form liknande den i figur 8 utförs endast uppskattningen när amx S 2Ay, där em” är absolutvärdet av det största reglerfelet i intervallet [ti f C141.

Andra element av detta säkerhetsnät kan behöva utvecklas under industriella fälttester.

Metoden för automatisk glappuppskattning enligt denna ut- föringsform innefattar sàledes följande steg, vilka också visas i flödesdiagrammet i figur 9: I ett första steg 100 initieras nödvändiga variabler och räknare. Sedan övervakas processutsignalen y (filtrerad så- som beskrivits ovan) i steg 110 för en första nollgenomgàng med avseende pà det inställda värdet_y$. När väl den första nollgenomgàngen har detekterats fortsätter utförandet till steg l20, där reglerfelet e integreras tills en andra noll- genomgång har detekterats i steg l30.

Därefter, i steg 140, bestäms tidsintervallet At mellan de första och andra nollgenomgàngarna. Den ovan beskrivna kon- trollen av lángsamt varierande signaler yy u utförs i 10 15 20 25 30 35 5313 380 18 efterföljande steg 150. Genomförandet avbryts om testet misslyckas; i annat fall fortsätter genomförandet till steg 160, där Ay beräknas sàsom förklarats i (8).

Steg 170 är steget för förhindrande av belastningsstör- ningar som förklarats ovan. Om belastningsstörningen bedöms vara tillräckligt liten, dvs om amx S 2Ay, beräknas glapp- A uppskattningen d i steg 180; annars avslutas genomförandet.

En programstomme som beskriver glappuppskattaren ges i figur 10.

Funktionaliteten hos den automatiska glappuppskattningsme- toden kan utföras genom någon lämplig utrustning som är tillgänglig i det verkliga genomförandet. Sàsom kommer att framgà senare med hänvisning till de industriella testerna och figur 11 kan funktionaliteten exempelvis utföras genom ändamålsenlig programmering av en processor eller annan logikenhet i den hàrdvaruutrustning som implementerar PID- regulatorn C (realiserad genom en PID1-regulator 32 hos reglerkretsen 30 i figur ll, vilken PIDl-regulatorn har en programmerbar centralenhet 33 med tillhörande minne 34 som kan lagra programkod och arbetsdata). Alternativt, vilket àterigen framgår av figur 11, kan funktionaliteten hos den automatiska glappuppskattningsmetoden genomföras med en konventionell dator 50 (sàsom en persondator, en arbets- station, en bärbar dator eller en handdator) när den är lämpligt programmerad och kopplad till regulatorn C (PID1- regulatorn 32) hos den styrda processen P.

Resultatet av den automatiska glappuppskattningsmetoden, dvs glappuppskattningen Ä, kan presenteras pà något lämp- ligt sätt för en styrsystemoperatör (se 52 i figur 11), exempelvis med hjälp av mjukvara som körs i datorn 50, och/eller med hjälp av ett användargränssnitt hos regu- latorn C (PID1-regulatorn 32 i figur 11). Resultatet kan användas pà olika sätt, alltefter önskemål vid den verkliga implementeringen. Det kan användas som en enkel indikation 10 15 20 25 30 35 530 330 19 pà upptäckt glapp (t ex när Ä överskrider ett tröskelvärde som anger ett märkbart glapp), eller en uppskattning av omfattningen av förekommande glapp, eller som en larmutlös- ning till service/underhàllspersonal om att det styrbara organet (t ex ventilen 38 i figur ll) är i behov av ser- vice, reparation eller byte, eller som indata till kompen- sationssteg hos en glappkompensationsmetod som utförs i anslutning till glappuppskattningsmetoden. Se sista delen av denna beskrivning för ytterligare information om glapp- kompensering.

För att sålunda avsluta det ovanstående har en ny automa- tisk metod (online-procedur) för glappuppskattning presen- terats. Den ges av ekvation (12) och en del ytterligare särdrag sammanfattas i figur 9 och 10. Uppskattningsmetoden är automatisk, vilket tros vara gynnsamt för dess acceptans inom processtyrningsindustrin. Uppskattningsmetoden kan an- vändas pà många sätt. För det första kan den användas som en detekteringsprocedur pà liknande sätt som i och för sig kända procedurer för svängningsdetektering. Enligt metoden studeras styrprestandan mellan nollgenomgàngarna. Man kan dra slutsatsen att glapp förekommer i slingan om frekvensen i glappdetekteringarna stiger.

Om glapp detekteras, och om de uppskattade glappvärdena ligger nära varandra, kan man också dra en slutsats om om- fattningen av glappet. Detta är nödvändigt om màlet inte bara är att detektera glapp utan ocksa att kompensera för det.

Om det förekommer statisk friktion (stiction) i reglerkret- sen är det glapp som uppskattas av uppskattningsmetoden summan av det glapp och den dödzon som orsakas av statisk friktion. Detta antas vara ett gott särdrag eftersom en glappkompensator dä inte endast kompenserar för glappet utan också för den statiska friktionen. 10 15 20 25 30 35 530 380 20 Vid deriveringen av glappuppskattaren ovan antogs det att en PID-regulator skulle användas. Det är emellertid en enkel sak för en fackman att modifiera metoden till andra regulatorer som har integral verkan.

Industriella tester Metoden för glappuppskattning har testats pà en flödes- reglerkrets i ett pappersbruk. Miljön illustreras schema- tiskt i figur ll, som redan hänvisats till ovan. Process- delen är ett rör 12 där pappersmassa transporteras fràn ett torn 10 för àtervinningsmassa till en tank 60. En PID- regulator (PID1) 32 styr massaflödet genom en ventil 38 och bildar därför en reglerkrets 30. Processutsignalen y är massaflödet, uppmätt i storleksordningen O-900 H9/h av en flödesdetektor (F) 36, leksordningen 0-100 %. och regulatorutsignalen u är i stor- Börvärdet yw är externt och ges av en nivàregulator (PID1) 42 nedströms tanken 60. Detta innebär att flödesregulatorn 42 bildar en slavreglerkrets 40 i en kaskadkonfiguration.

Massaflödet drivs av en pump 28 som styrs av en tryckregu- lator (PIDO) 22 som är innefattad i en annan reglerkrets 20 och använder en tryckdetektor 26.

Flödes- och tryckregulatorerna interagerar med varandra.

För att minska denna interaktion har bandbredden hos flödeskretsen, som normalt är ganska snabb, minskats genom att införa ett làgpassfilter med en tidkonstant av 20 s i kretsen.

En manuell test utfördes för att kontrollera omfattningen av glappet i ventilen. Resultatet visas i figur 12. Regu- latorutsignalen ökas först för att säkerställa att gapet sluts. Dà flödet ökar sluts gapet när styrsignalen är vid det slutliga värdet u = 39 %. Regulatorutsignalen växlas sedan och minskas i steg pä l %. De första stegen resulte- rar inte i nàgon flödesminskning, vilket visar att styr- 10 15 20 25 30 35 5311) 380 21 signalen finns inuti dödzonen. Steget som görs fràn värdet u = 36 % ger emellertid en flödesminskning, vilket visar att gapet sluts nära detta värde pä styrsignalen. Testet visar att glappet är ungefär d = 3 %.

Flödesregulatorn är en PI-regulator med parametrarna K = 0,6 and 13 = 28 s. Signalerna som används i regulatorn normeras till området [0,1]. Den statiska processförstärk- ningen uppskattades till K; = 1,3.

Figur 13 visar resultatet av en registrering som gjorts under ca 4000 s. Det övre diagrammet visar det externa bör- värdet (brusig signal) och processutsignal(flödet). Det nedre diagrammet visar styrsignalen. De uppskattade glapp- värdena visas i det övre diagrammet. Kretsen oscillerar pà grund av det oscillerande börvärdet. Börvärdessvängningarna genereras troligen av de flödesvariationer som orsakas av glappet. Figur 13 visar att glapp detekterades fem gånger under testet, med glappuppskattningar i storleksordningen fràn 2,5 % till 3,1 %. Dessa uppskattningar ligger nära de som erhålls fràn de manuella testerna i figur 12.

Börvärdesvariationer kan störa glappuppskattaren. Om testet amx S 2Ay inte förelag skulle femton detekteringar ha er- hàllits under testet, och speciellt de tvá sista större börvärdesändringarna skulle ha gett glappuppskattningar som är alltför stora.

För att eliminera störningarna som orsakas av det externa börvärdet utfördes även experiment med ett fast internt börvärde. Figur 14 visar resultaten av ett sådant test. Det övre diagrammet visar det konstanta inre börvärdet och pro- cessutsignal(flödet). Det nedre diagrammet visar styrsigna- len. De uppskattade glappvärdena visas i det övre diagram- met.

Om man jämför figur 13 och 14 framgår det att svängningarna som orsakades av det externa börvärdet har försvunnit. 10 15 20 25 30 35 538 380 22 Figur 14 visar att det föreligger en del làgfrekventa stör- ningar. De är troligen orsakade av interaktionen fràn tryckreglerkretsen.

Tre glappdetekteringar gjordes under experimenten, med upp- skattningarna 1,6 %, 2,4 % respektive 2,4 %. Dessa värden är nàgot lägre än de som erhällits i figur 13. Detta är förväntat eftersom börvärdesvariationerna i det tidigare exemplet förstärker effekten av glappet. Dessutom har redan härledningen av metoden och simuleringsexemplen som utförts visat att glappuppskattningarna förväntas vara försiktiga.

Sammanfattningsvis har de industriella testerna visat att glappuppskattningsmetoden även fungerar i industriell miljö med svära làgfrekventa störningar. För att erhålla en robust metod för en verklig implementering som är automa- tisk i den meningen att ingen användarinteraktion behövs, kan det vara nödvändigt att lägga till ytterligare element av säkerhetsnätet, vilket ligger nära till hands för en fackman.

Kompensation för glapp När det upptäcks att en reglerventil har så mycket glapp att styrningen försämras är naturligtvis den bästa åtgärden man kan vidta att byta ut eller reparera ventilen. Detta är desto viktigare som omfattningen av glappet normalt ökar med tiden.

Att byta ut eller reparera en ventil innebär emellertid vanligtvis att produktionen mäste stoppas. Av denna anled- ning, och av det ekonomiska skäl att det är av intresse att använda en ventil under sà làng tid som möjligt, är det an- geläget att kompensera för glappet.

En reglerventil rör sig normalt inte av sig själv eller när styrsignalen är konstant, såvida inte ställdonet är under- dimensionerat eller lägesställaren är instabil. Läget hos 10 15 20 25 30 35 530 380 23 styrsignalen med avseende pà glappet ges därför av styrsig- nalen och dess historik. Detta innebär att glappet är en invertibel olinjäritet.

Ett sätt att kompensera för glappet är att förmà styrsigna- len att hoppa genom glappet varje gång som styrverkan kas- tas om. Kompensationen kan ses som en frammatningskompensa- tion u:uFB+”FF (13) där u är regulatorutsignalen, uH;är àterkopplingstermen, exempelvis utsignalen fràn PID-regulatorn (2), och un är den term som.kompenserar för glappet.

En idealisk glappkompensation skulle vara d . (älg) u” =-s1gn -- (14) 2 dz Denna kompensation kan inte realiseras i en brusig miljö.

En möjlig modifiering är att filtrera styrsignalen innan man tar derivatan. Det ger följande kompensation up. = gsignífåšfè] <15> där uf är den filtrerade styrsignalen. Notera att förstärk- ningen av kompensatorn ändras fràn det verkliga glappet d till ett värde 5, där Ö S d. Filtreringen av styrsignalen kommer att introducera en fördröjning i detekteringen av teckenändringarna i hastigheten hos styrsignalen. Detta innebär att styrsignalen redan startat sin väg genom glappet. Av denna anledning mäste kompensationen vara mindre än i idealfallet.

Det finns andra möjligheter att utföra glappkompensationen.

I (15) har styrsignalen u förts genom ett làgpassfilter för 10 15 20 25 30 35 530 380 24 att minska den störning som införts i regulatorn genom pro- cessutsignalen yy Inuti regulatorn matas mätsignalen genom ett högpassfilter pà grund av deriveringstermen. Först för- stärks alltsà brusnivàn och sedan minskas den av làgpass- filtret. Ett mer direkt sätt är att basera frammatningen pà mätsignalen direkt. Ett angreppssätt som kommer att använ- das i denna skrift är HFF = ïsignk) (16) där reglerfelet är e=)%-yf och yç är den filtrerade pro- cessutsignal som ges av (3). När reglerfelet e ändrar tecken sá gör också hastigheten pà integraltermen i regu- latorn det. Frammatningen (16) kan därför ses som ett an- greppssätt där endast den brusokänsliga integraldelen hos regulatorn tas med i beräkningen, och de bruskänsliga pro- portionella och deriverande delarna utesluts fràn kompen- sationen.

Glappkompensationen kommer nu att illustreras för de tvà exemplen fràn en föregående del av denna skrift.

Exempel 3 - Glappkompensation för en integrerande process Låt oss betrakta styrproblemet i Exempel 1. En glappkompen- sator av formen (15) tillförs regulatorn. Den filtrerade styrsignalen genereras som 1 w) ”Åstnïñšï d (17) Detta är ett filter med relativt hög bandbredd. Å andra sidan är processutsignalen brusfri i detta exempel. Pà grund av detta valdes förstärkningen av kompensatorn lika med glappet, dvs Ö = d = 0,05, med den ideala kompensatorn (14). sà kompensatorn sammanfaller 10 15 20 25 30 35 530 380 25 Resultaten av simuleringarna ges i figur 15. Om man jämför figur 5 och 15 är det uppenbart att glappkompensatorn ger en nästan ideal kompensation i det brusfria fallet.

Exempel 4 - Glappkompensation för en stabil process Làt oss betrakta styrproblemet i Exempel 2. En glappkompen- sator av formen (16) tillförs regulatorn. I detta exempel är kompensationen mer komplicerad än i det föregående exemplet eftersom processutsignalen är förorenad av brus.

Figur 16 visar resultatet när en kompensator med 6 = d = 0,05 används. Det framgàr av figuren att förstärkningen av kompensatorn är för hög, och att kompensatorn fàr slingan att svänga. En minskning av kompensatorförstärkningen till å = 0,4 ger de resultat som visas i figur 17. Denna kompen- sator ger en processutsignal som nästan är opàverkad av glappet. Styrsignalen har en del högfrekventa skiftningar vid vissa perioder. Detta skulle kunna ha undvikits genom att justera filtreringen av processutsignalen. Å andra sidan orsakar dessa variationer inga ventilrörelser pà grund av glappet.

Figur 7 visar att ett glapp pà 5 % ger ett ökat IAE-värde pá omkring 45 % när belastningen ändras med 20 %. Med kom- pensatorn minskas denna ökning till omkring 15 %.

Slutsatser Glapp (och statisk friktion) i reglerventiler är ett all- varligt problem pà slingnivà i processtyrningsanläggningar.

Det finns tvà aspekter pà problemet. För det första sà för- sämrar olinjäriteterna styrprestandan. Ett ytterligare pro- blem är dock att slingorna som står inför dessa problem ofta förblir oupptäckta av personalen i processtyrnings- anläggningar. 10 15 20 530 380 26 Metoder för att detektera statisk friktion och för att kom- pensera för statisk friktion har funnits tillgängliga under ett antal är och de används i många industriella anlägg- ningar i dag. Kompensation för glapp är enkel som sådan, men de kända metoderna används sällan i processtyrnings- anläggningar. Det främsta skälet till detta är att ingen metod för glappdetektering och online-uppskattning av glapp har presenterats.

Denna skrift har presenterat en online-metod för detekte- ring och uppskattning av glapp i reglerkretsar. Metoden är automatisk i den meningen att ingen information mäste till- handahállas fràn användaren. Den enda information som be- hövs förutom för signalerna i styrsystemet är regulatorpa- rametrar. Effektiviteten i metoden har pàvisats genom si- muleringar och industriella fältförsök.

Uppfinningen har huvudsakligen beskrivits ovan med hänvis- ning till ett fåtal utföringsformer. Som lätt inses av fackmannen är emellertid andra utföringsformer än de ovan beskrivna lika tänkbara inom ramen för uppfinningen sàsom den anges i vidhängande patentkrav.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 530 380 27 PATENTKRAV

1. l. Metod för automatisk uppskattning av glapp i ett styr- system som innefattar en regulator (C) och en process (P) som skall styras, varvid nämnda regulator förmár utföra integrerande styrning av nämnda process med användning av en eller flera regulatorparametrar (K) Ty) för att styra en processutsignal (y) hos nämnda process med avseende på ett börvärde (KW) hos denna, varvid metoden kännetecknas av: att övervaka nämnda processutsignal (y) för att bestämma ett värde (Ay) som återspeglar momentana skillnader mellan börvärde (MW) och verkligt värde hos nämnda processutsignal (y) under ett tidsintervall (At), varvid en starttid (ti) hos nämnda tidsintervall (At) bestäms genom att detektera en första nollgenomgàng hos nämnda processutsignal (y) med avseende pà dess börvärde (yw), och en sluttid (t¿4) hos nämnda tidsintervall (At) bestäms genom att detektera en andra nollgenomgàng hos nämnda pro- cessutsignal med avseende pà dess börvärde (yw), 0Ch äV att uppskatta glappet utifrân nämnda bestämda värde (Ay) och nämnda en eller flera regulatorparametrar (K, TH-

2. Metod enligt patentkrav l, som gár ut pá att integrera ett styrfel (e) hos nämnda process under nämnda tidsinter- vall (At) och att bestämma nämnda värde (Ay) SåSOm i-l Ay = tflefpit/At f: där At = cessutsignal]-[verkligt värde hos nämnda processutsignalL ty) - ti och e = ygp - y'= [börvärde hos nämnda pro-

3. Metod enligt nagot av föregående patentkrav, varvid glappet uppskattas såsom lO 15 20 25 30 35 530 380 28 T I p A 1< 1 d= -Afu- A A där d är en uppskattning av en dödzon orsakad av glappet, K och Ty är regulatorparametrar som används av nämnda regu- lator för att utföra integrerande styrning aV nämnda Pf0" cess, At är nämnda tidsintervall, Ay är nämnda värde som återspeglar momentana skillnader mellan börvärde (MW) och verkligt värde hos nämnda pro- cessutsignal (y), och K¿ är en statisk processförstärkning av nämnda process.

4. Metod enligt något av föregående patentkrav, som inne- fattar att ställa in K; till en förutbestämd konstant.

5. Metod enligt patentkrav 4, varvid den förutbestämda konstanten är i huvudsak 1.

6. Metod enligt nagot av föregående patentkrav, där glappet orsakas av ett styrbart organ (38) i styrsystemet, varvid metoden gär ut pà att verifiera att en styrsignal (u) från nämnda regulator (C; 32) till nämnda styrbara organ (38) sáväl som nämnda processutsignal (y) är båda signaler Som ändrar sig långsamt, varvid nämnda steg att uppskatta glappet utförs endast vid lyckad verifiering.

7. Metod enligt patentkrav 6, varvid verifieringen av läng- samt varierande signaler (u, y) utförs genom att testa hu- ruvida nämnda tidsintervall (At) är lång jämfört med en sluten tidkonstant hos nämnda styrsystem. 10 15 20 25 30 35 SBU 380 29

8. Metod enligt patentkrav 7, varvid nämnda testning utförs genom att approximera nämnda slutna tidkonstant med en tid- konstant (13) bland nämnda en eller flera regulatorparamet- rar (K, TH) Och att kontrollera huruvida nämnda tidsinter- vall (At) överskrider ett tröskelvärde beräknat genom att multiplicera nämnda tidkonstant med en förutbestämd kon- stant (N).

9. Metod enligt patentkrav 2 och 3, vilken vidare inne- fattar förhindrande av belastningsstörningar genom att finna en maximal absolut skillnad (aux) mellan börvärde (yw) och verkligt värde hos nämnda processutsignal (y) under nämnda tidsintervall (At), verifiera att nämnda maximala absolutskillnad (amx) inte överskrider ett tröskelvärde som är en funktion av nämnda bestämda värde (Ay) som återspeglar momentana skillnader mellan börvärde (MW) och verkligt värde hos nämnda process- utsignal (y), och att utföra nämnda steg att uppskatta glappet endast vid lyckad verifiering.

10. Metod enligt patentkrav 9, varvid nämnda tröskelvärde beräknas genom att multiplicera nämnda bestämda värde (Ay) med en förutbestämd konstant (M).

11. ll. Apparat för automatisk uppskattning av glapp i ett styrsystem (30) som innefattar en regulator (C; 32) och en process (P) som skall styras, varvid nämnda regulator för- mår att utföra integrerande styrning av nämnda process med hjälp av en eller flera regulatorparametrar (K) TE) för att styra en processutsignal (y) hos nämnda process med avseen- de pá ett börvärde (yàd hos denna, varvid apparaten kännetecknas av: 10 15 20 25 30 35 530 380 30 medel (33; 50) för att övervaka nämnda processutsignal (y) för att bestämma ett värde (Ay) som återspeglar momentana skillnader mellan börvärde (yw) och verkligt värde hos nämnda processutsignal (y) under ett tidsintervall (At), varvid en starttid (ti) hos nämnda tidsintervall (At) bestäms genom att detektera en första nollgenomgáng hos nämnda processutsignal (y) med avseende pá dess börvärde (yafi, och en sluttid (tig) hos nämnda tidsintervall (At) bestäms genom att detektera en andra nollgenomgàng hos nämnda pro- cessutsignal med avseende på dess börvärde (ygp), och av medel (33; 50) för att uppskatta glappet från nämnda be- stämda värde (Ay) och nämnda en eller flera regulatorpara- metrar (K, TU.

12. Apparat enligt patentkrav ll, varvid nämnda medel för övervakning och nämnda medel för uppskattning implementeras av en processor (33) hos nämnda regulator (C; 32).

13. Styrsystem med en regulator (C; 32) och en process (P) som skall styras, varvid nämnda regulator förmår att utföra integrerande styrning av nämnda process med hjälp av en eller flera regulatorparametrar (K, Ti) för att styra en processutsignal (y) hos nämnda process med avseende pà ett börvärde (ygp) hos denna, varvid styrsystemet kännetecknas av medel (33; 50) för att övervaka nämnda processutsignal (y) för att bestämma ett värde (Ay) som àterspeglar momentana skillnader mellan börvärde (vw) och verkligt värde hos nämnda processutsignal (y) under ett tidsintervall (At). varvid lO 15 530 380 31 en starttid (ti) hos nämnda tidsintervall (At) bestäms genom att detektera en första nollgenomgång hos nämnda processutsignal (yà med avseende pá dess börvärde Lyw), och en sluttid (tid) hos nämnda tidsintervall (At) bestäms genom att detektera en andra nollgenomgàng hos nämnda pro- cessutsignal med avseende pà dess börvärde (yàfi, och av medel (33: 50) för att uppskatta glappet utifrân nämnda bestämda värde (Ay) och nämnda en eller flera regulator- parametrar (K, Tg.

14. Datorprogram innefattande programkodmedel anpassade att utföra stegen enligt nàgot av patentkrav l-10 när de utförs av en processor (33; 50).