WO1997007441A1 - Regeleinrichtung mit smith-prädiktor - Google Patents

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WO1997007441A1
WO1997007441A1 PCT/DE1996/001495 DE9601495W WO9707441A1 WO 1997007441 A1 WO1997007441 A1 WO 1997007441A1 DE 9601495 W DE9601495 W DE 9601495W WO 9707441 A1 WO9707441 A1 WO 9707441A1
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Inventor
Karl-Heinz Kirchberg
Peter Müller
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04Adaptive 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

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating a process, the behavior of which can be described essentially by a model comprising a series connection of a dead time-free transmission link and a dead time link, according to the preamble of claim 1.
  • the controller directly controls the linear model.
  • the controller parameters can therefore be calculated for this model without taking the dead time into account.
  • the manipulated variable of the controller is switched in parallel to the process and the process model.
  • the difference between the output signals provides an error value. This is applied to the setpoint of the controller.
  • the actual setpoint of the controller results from the difference between an externally specified setpoint and this error value. If the process model describes the process to be controlled correctly, the error value disappears during a transient process due to a change in the setpoint value, and the actual command variable is identical to that given externally.
  • the process model is faulty, an error value results that the leadership variable changed. Differences in process and model dead time thus destabilize the control loop.
  • the error size is therefore a measure of the quality of the process model.
  • An essential prerequisite for the high control quality is the approximate knowledge of the route dead time.
  • the known control device can preferably be used when the dead time can be measured. The Smith predictor is sometimes so sensitive to deviations between the process and the model that the control loop can become unstable.
  • the object of the invention is to create a control device with a Smith predictor which enables better settling behavior and stability of the control loop even in the event of deviations between the process and the process model.
  • the new device of the type mentioned has the feature mentioned in the characterizing part of claim 1.
  • Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • the invention has the advantage that malfunctions in the process are further corrected, but deviations between the process and the process model do not have a direct effect on the behavior of the control loop.
  • the error variable is passed to the controller input with a delay.
  • the delay element does not affect the behavior of the control loop, and the advantages of the Smith Predictor remain unchanged.
  • the control loop can be stabilized in any case by a sufficiently large time constant of the delay element in the feedback. Attenuation of the return with a delay element makes more sense than complete separation, since the return is necessary.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a control device according to the invention
  • FIG. 2 shows a step response in the event of deviations between the process and process model
  • FIG. 3 shows a comparison of the step responses and the fault behavior with a long and short time constant of the delay element in the feedback.
  • a control device has a controller R which supplies a manipulated variable y for a process S.
  • the process S can be described by a model of a series connection of a dead time-free transmission element and a dead time element.
  • the manipulated variable y is additionally routed to a first transmission element M1, which corresponds to the model of process S, and to a second transmission element M2, which simulates the part of process S free of dead time.
  • the output variable of process S represents the control large x of the closed control loop.
  • Process S is affected by a disturbance z.
  • the first transmission element M1 delivers a first estimated value a1 of the controlled variable x, which is fed with this to a subtracting element to form an error variable e.
  • the error variable e is fed back via a delay element V and a first guide deviation w1 is formed by subtraction from the command variable w.
  • the output variable a2 of the second transmission link M2 is in turn subtracted from this first guide deviation w1 and a second guide deviation w2 is thus obtained, which is fed to the control element R.
  • the error quantity e is constantly zero.
  • the control element R thus controls the dead time-free part of the process model and its controller parameters can be calculated directly for this part without taking the dead time into account.
  • the delay element V has no effect on the control loop. Deviations between the process S and the process model of the first transmission element M1, as well as disturbances in the controlled variable x, cause an error variable e due to a disturbance variable z that is not zero, which acts delayed on the control element R via the feedback. If the error size e exceeds a predetermined limit value, it can be assumed that the model and the process no longer correspond sufficiently.
  • the model parameters should be optimized in order to carry out a more precise identification of the process.
  • the parameters of the control element R can also be weakened, for example by taking the dead time of the process S into account when dimensioning it.
  • the model parameters can be optimized in such a way that a settling process of the process is stored and those with which the error variable e is minimal are determined by varying the parameters of the process model.
  • the stored transient process and the calculated model can be shifted in time to minimize the error size e. The size of the shift is then a measure of the value by which the process dead time has changed.
  • a disturbance variable z other than zero changes the controlled variable x and thus generates an error variable e which is also different from zero.
  • This causes a change in the first command deviation wl compared to the command variable w and thus also the manipulated variable y of the control element R.
  • the new manipulated variable y causes the controlled variable x to again correspond to the command variable w, that is to say the fault is corrected.
  • the changed manipulated variable y leads to the output value AI of the first transmission element Ml being changed by the value of the disturbance variable z.
  • the deviation between process S and the model in the first transmission element M1 caused by the disturbance variable z is thus retained, it is only shifted to the model.
  • a Smith predictor with a direct feedback of the error variable e to the input of the control element R would react very sensitively to changes in the setpoint if process S and its model do not match.
  • the control loop could even become unstable.
  • An improvement in the transient response to setpoint changes and an inaccurate process model is obtained by inserting the delay element V, in particular a first-order delay element with a variable time constant, into the external feedback.
  • the time constant of the delay element V in the external feedback can then be set to a high value.
  • the effect of the feedback is thereby weakened and model errors are only effective with a delay on the input of the control element R.
  • the process S is "steered" into the new working point. After the settling process has subsided, one is due to deviations from the process and O 97/07441 PC17DE96 / 01495
  • the time constant Tf of the delay element V in the feedback should be set so that the settling time of the delay element V corresponds at least to the settling time of the process S.
  • the settling time is the time T95 which is defined as the time period in which the delay element V or the process S has settled to 95% of the final value in the event of a jump excitation. The following applies to the delay element V of the first order:
  • a PTn-Tt model of process S that is to say a model which consists of a series connection of a dead time element and a delay element of order n with the same time constant T:
  • control device can also be used to control “difficult” processes in which a Smith predictor would otherwise be unstable. Processes are described as "difficult" which have very strong fluctuations in the model parameters in various operating points.
  • the value of the time constant Tf can be set by a separate control, which sets it to a large value Tf max in the event of a jump in the setpoint value, and then decreases it, for example in a ramp-like manner, until it reaches the value Tf m after a parameterizable period of time i n has reached.
  • the value ⁇ f min is selected in such a way that malfunctions are quickly and safely corrected .
  • FIG. 2 shows courses 1 and 2 of step responses of the output variable a1 of the first transmission element Ml or of the control variable x of a simulated process S.
  • the process was a PTn-Tt element, that is to say a transmission element with the transfer function
  • the different dead times of the first transmission element M1 and the process S lead to strong overshoots and an uneven course of the two signals shown.
  • the quantity a1 supplied by the transmission element M1 is shifted by 20 s compared to the controlled variable x in accordance with the deviation of the dead time. It can easily be seen from the diagram that deviations of the model parameter dead time from a real process S can be determined in a simple manner by shifting stored signal profiles in order to minimize the error variable e. It also shows how sensitive a Smith predictor is to such deviations.
  • the signal curve 4 makes it clear that the delay element V in the feedback causes good damping of the controlled variable x after a setpoint step change.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung eines Prozesses, dessen Verhalten im wesentlichen durch ein Modell aus einer Reihenschaltung eines totzeitfreien Übertragungsgliedes und eines Totzeitgliedes beschreibbar ist, wobei eine von einem Regelglied (R) gelieferte Stellgröße (y) dem Prozeß (S), einem ersten Übertragungsglied (M1), das dem Prozeßmodell entspricht, und einem zweiten Übertragungsglied (M2), das dem totzeitfreien Übertragungsglied des Prozeßmodells entspricht, aufgeschaltet ist, eine am Prozeß (S) gemessene Regelgröße (x) und eine von dem ersten Übertragungsglied (M1) gelieferte Schätzgröße (a1) einem ersten Subtrahierglied zur Bildung einer Fehlergröße (e) zugeführt sind, eine Führungsgröße (w) und über eine Rückführung die Fehlergröße (e) einem zweiten Subtrahierglied zur Bildung einer ersten Führungsabweichung (w1) zugeführt sind, die Führungsabweichung (w1) und eine von dem zweiten Übertragungsglied (M2) gelieferte zweite Schätzgröße (a2) einem dritten Subtrahierglied zur Bildung einer zweiten Führungsabweichung (w2) zugeführt sind und die zweite Führungsabweichung (w2) dem Regelglied (R) aufgeschaltet ist. Erfindungsgemäß wird die Stabilität des Regelkreises verbessert, indem in die Rückführung ein Verzögerungsglied (V) mit veränderlicher Zeitkonstante eingefügt ist. Die Erfindung wird angewandt bei Reglern für Strecken mit Totzeit.

Description

REGELEINRICHTUNG MIT SMITH-PRÄDIKTOR
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung eines Prozesses, dessen Verhalten im wesentlichen durch ein Modell aus einer Reihenschaltung eines totzeitfreien Übertragungs- gliedes und eines Totzeitgliedes beschreibbar ist, nach dem Oberbegriff des /Anspruchs 1.
Totzeitbehaftete Regelstrecken sind mit konventionellen PI/PID-Reglern nur schwer beherrschbar. Die Regler müssen für diese Strecken schwächer und langsamer ausgelegt werden, um Stabilität zu sichern. Als Alternative bietet sich der aus dem Aufsatz "Internal model control, a unifying review and some new results" von Carlos E. Garcia und Manfred Morari, in "Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1982, 21, 308 - 323", be¬ kannte Smith-Prädiktor an. Mit diesem läßt sich die Regelgüte gegenüber einem PI/PID-Regler deutlich verbessern. Der zu regelnde Prozeß wird durch ein Prozeßmodell approximiert, das aus einer Reihenschaltung eines linearen Modells, z. B. eines Verzögerungsglieds n-ter Ordnung mit gleichen Zeitkonstanten (PTn-Modell) , und eines reinen Totzeitmodells (Tt-Modell) besteht. Der Regler regelt beim Smith-Prädiktor direkt das lineare Modell. Die Reglerparameter können daher für dieses Modell berechnet werden, ohne die Totzeit zu berücksichtigen. Die Stellgröße des Reglers wird parallel auf den Prozeß sowie auf das Prozeßmodell geschaltet. Die Differenz der Ausgangs¬ signale liefert einen Fehlerwert. Dieser wird auf den Soll- wert des Reglers aufgeschaltet. Der eigentliche Sollwert des Reglers ergibt sich aus der Differenz zwischen einem von außen vorgegebenen Sollwert und diesem Fehlerwert. Beschreibt das Prozeßmodell den zu regelnden Prozeß korrekt, so ver¬ schwindet bei einem Einschwingvorgang aufgrund einer Soll- wertanderung der Fehlerwert und die eigentliche Führungsgröße ist identisch mit der von außen vorgegebenen. Ist das Proze߬ modell dagegen fehlerhaft, so ergibt sich ein Fehlerwert, der die Führungsgröße verändert. Unterschiede bei Prozeß- und Modelltotzeit destabilisieren damit den Regelkreis. Bei einer Sollwertänderung ist die Fehlergröße somit ein Maß für die Güte des Prozeßmodells. Wesentliche Voraussetzung für die hohe Regelgüte ist die ungefähre Kenntnis der Streckentot¬ zeit. Bei Strecken mit variabler Totzeit ist die bekannte Regeleinrichtung vorzugsweise dann einsetzbar, wenn die Tot¬ zeit gemessen werden kann. Der Smith-Prädiktor reagiert bis¬ weilen derart empfindlich auf Abweichungen zwischen Prozeß und Modell, daß der Regelkreis instabil werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrich¬ tung mit einem Smith-Prädiktor zu schaffen, die ein besseres Einschwingverhalten und Stabilität des Regelkreises auch bei Abweichungen zwischen Prozeß und Prozeßmodell ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der eingangs genannten Art das im kennzeichnenden Teil des An¬ spruchs 1 genannte Merkmal auf. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß Störungen am Prozeß wei¬ terhin ausgeregelt werden, Abweichungen zwischen Prozeß und Prozeßmodell sich jedoch nicht unmittelbar auf das Verhalten des Regelkreises auswirken. Insbesondere bei einer Sollwert¬ änderung und Abweichungen des Werts der Totzeit wirkt es sich vorteilhaft aus, daß die Fehlergröße verzögert auf den Reg¬ lereingang geführt ist. Da die Fehlergröße bei Übereinstim¬ mung von Prozeß und Prozeßmodell verschwindet, wirkt sich in diesem Fall das Verzögerungsglied nicht auf das Verhalten des Regelkreises aus, und die Vorteile des Smith-Prädiktors blei¬ ben unverändert erhalten. Bei Abweichungen zwischen Prozeß und Prozeßmodell kann der Regelkreis durch eine ausreichend groß gewählte Zeitkonstante des Verzögerungsglieds in der Rückführung in jedem Fall stabilisiert werden. Dabei ist das Abschwächen der Rückführung mit einem Verzögerungsglied sinn¬ voller als ein völliges Auftrennen, da die Rückführung not- wendig ist, um Störungen auszuregeln. Bei einer Störung tritt nämlich eine Fehlergröße auf, deren Wert, würde die Rückfüh¬ rung beispielsweise durch einen Schalter aufgetrennt, fest¬ gehalten werden müßte. Ansonsten würde der Regelkreis durch Wegfall dieses Fehlerwertes zusätzlich angeregt. Weiterhin gäbe es zusätzliche Probleme beim Wiederaufbau der Rückfüh¬ rung nach Abklingen eines Einschwingvorgangs, wenn ein Feh¬ lerwert plötzlich der Führungsgröße überlagert werden würde. Zudem läßt es ein Verzögerungsglied in der Rückführung zu, je nach Abweichungen zwischen Prozeß und Prozeßmodell sowie je nach Verlauf der Führungsgröße durch Vergrößern oder Verrin¬ gern der Zeitkonstante die Art der Rückführung an die Ge¬ gebenheiten optimal anzupassen, ohne daß dabei eine stoß- förmige Anregung des Regelkreises durch die Veränderung der Rückführung erfolgt.
Anhand der Zeichnungen werden im folgenden die Erfindung so¬ wie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regel¬ einrichtung, Figur 2 eine Sprungantwort bei Abweichungen zwischen Prozeß und Prozeßmodell und Figur 3 einen Vergleich der Sprungantworten und des Störungs¬ verhaltens mit langer und kurzer Zeitkonstante des Verzögerungsglieds in der Rückführung.
Eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung weist gemäß Figur 1 einen Regler R auf, der eine Stellgröße y für einen Prozeß S liefert. Der Prozeß S ist durch ein Modell aus einer Reihen¬ schaltung eines totzeitfreien Übertragungsgliedes und eines Totzeitgliedes beschreibbar. Die Stellgröße y wird zusätzlich auf ein erstes Übertragungsglied Ml geführt, das dem Modell des Prozesses S entspricht, und auf ein zweites Übertragungs¬ glied M2, das den totzeitfreien Teil des Prozesses S nachbil¬ det. Die Ausgangsgröße des Prozesses S stellt die Regel- große x des geschlossenen Regelkreises dar. Auf den Prozeß S wirkt eine Störgröße z. Das erste Übertragungsglied Ml lie¬ fert einen ersten Schätzwert al der Regelgröße x, der mit dieser einem Subtrahierglied zur Bildung einer Fehlergröße e zugeführt wird. Im geschlossenen Regelkreis wird die Fehler¬ größe e über ein Verzögerungsglied V zurückgeführt und durch Subtraktion von der Führungsgröße w eine erste Führungsabwei- chung wl gebildet. Von dieser ersten Führungsabweichung wl wird wiederum die Ausgangsgröße a2 des zweiten Übertragungs- glieds M2 subtrahiert und so eine zweite Führungsabweichung w2 erhalten, die dem Regelglied R zugeführt ist.
Beschreibt das erste Übertragungsglied Ml den Prozeß korrekt und wird die Störgröße z vernachlässigt, so ist die Fehler- große e ständig gleich Null. Das Regelglied R regelt somit den totzeitfreien Teil des Prozeßmodells und seine Regler¬ parameter können direkt für diesen Teil berechnet werden, ohne die Totzeit zu berücksichtigen. In diesem Fall hat das Verzögerungsglied V keine Auswirkungen auf den Regelkreis. Abweichungen zwischen Prozeß S und Prozeßmodell des ersten Übertragungsglieds Ml verursachen ebenso wie Störungen der Regelgröße x aufgrund einer von Null verschiedenen Stör¬ größe z eine Fehlergröße e, die verzögert über die Rückfüh¬ rung auf das Regelglied R wirkt. Überschreitet die Fehler- große e einen vorgegebenen Grenzwert, so kann davon ausge¬ gangen werden, daß Modell und Prozeß nicht mehr ausreichend übereinstimmen. In diesem Fall sollte eine Optimierung der Modellparameter durchgeführt werden, um eine genauere Iden¬ tifikation des Prozesses vorzunehmen. Zur schnellen Verbes- serung der Stabilität des Regelkreises können auch die Para¬ meter des Regelglieds R abgeschwächt werden, indem beispiels¬ weise die Totzeit des Prozesses S bei seiner Dimensionierung mitberücksichtigt wird. Eine Optimierung der Modellparameter kann in der Weise erfolgen, daß ein Einschwingvorgang des Prozesses abgespeichert wird und durch Variation der Para¬ meter des Prozeßmodells diejenigen bestimmt werden, mit denen die Fehlergröße e minimal ist. Wurde die Nachoptimierung lediglich aufgrund von Änderungen der Totzeit erforderlich, so können der abgespeicherte Einschwingvorgang des Prozesses und der berechnete des Modells zur Minimierung der Fehler¬ größe e zeitlich gegeneinander verschoben werden. Die Größe der Verschiebung ist dann ein Maß dafür, um welchen Wert sich die Prozeßtotzeit verändert hat.
Eine von Null verschiedene Störgröße z verändert die Regel¬ größe x und erzeugt damit eine Fehlergröße e, die ebenfalls von Null verschieden ist. Dies verursacht eine Veränderung der ersten Führungsabweichung wl gegenüber der Führungsgrö¬ ße w und damit auch der Stellgröße y des Regelglieds R. Die neue Stellgröße y bewirkt aber, daß die Regelgröße x wieder der Führungsgröße w entspricht, die Störung also ausgeregelt wird. Weiterhin führt die veränderte Stellgröße y dazu, daß der Ausgangswert AI des ersten Übertragungsglieds Ml um den Wert der Störgröße z verändert wird. Die durch die Störgrö¬ ße z verursachte Abweichung zwischen Prozeß S und dem Modell im ersten Übertragungsglied Ml bleibt somit erhalten, sie wird nur auf das Modell verlagert.
Ein Smith-Prädiktor mit direkter Rückführung der Fehler¬ größe e auf den Eingang des Regelglieds R würde sehr empfind¬ lich bei Sollwertänderungen reagieren, wenn Prozeß S und sein Modell nicht übereinstimmen. Der Regelkreis könnte sogar in¬ stabil werden. Eine Verbesserung des Einschwingverhaltens bei Sollwertänderungen und ungenauem Prozeßmodell erhält man durch Einfügen des Verzögerungsglieds V, insbesondere eines Verzögerungsglieds erster Ordnung mit veränderlicher Zeit- konstante, in die äußere Rückführung. Bei einer Sollwertände¬ rung kann dann die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds V in der äußeren Rückführung auf einen hohen Wert gesetzt werden. Die Wirkung der Rückführung wird dadurch abgeschwächt und Mo¬ dellfehler werden nur verzögert auf den Eingang des Regel- glieds R wirksam. In diesem Fall wird der Prozeß S gleichsam in den neuen Arbeitspunkt "gesteuert" . Nach Abklingen des Einschwingvorgangs ist eine durch Abweichungen von Prozeß und O 97/07441 PC17DE96/01495
6 Modell verursachte Fehlergröße e wieder abgeklungen und die Rückkopplung kann durch eine Verringerung der Zeitkonstante des Verzögerungsglieds V wieder stärker zugeschaltet werden. Bei einer Festwertregelung wird die Zeitkonstante des Verzö- gerungsglieds V dagegen auf einen kleinen Wert gesetzt. Da¬ durch werden Störungen direkt zurückgekoppelt und können somit sehr schnell ausgeregelt werden. Der Prozeß wird also wieder geregelt und nicht "gesteuert". Vergrößert man den Wert der Zeitkonstanten, so verlängert sich die Zeitdauer, in der Störungen ausgeregelt werden. Dafür sind Einschwingvor¬ gänge gedämpfter.
Die Zeitkonstante Tf des Verzögerungsglieds V in der Rückfüh¬ rung sollte so eingestellt werden, daß die Einschwingdauer des Verzögerungsglieds V zumindest der Einschwingdauer des Prozesses S entspricht. Als Einschwingdauer wird hier die Zeit T95 bezeichnet, die als diejenige Zeitdauer definiert ist, in der das Verzögerungsglied V bzw. der Prozeß S bei ei¬ ner Sprunganregung auf 95 % des. Endwertes eingeschwungen ist. Für das Verzögerungsglied V erster Ordnung gilt:
T95 « 3 * Tf.
Für ein PTn-Tt-Modell des Prozesses S, also ein Modell, das aus einer Reihenschaltung eines Totzeitglieds und eines Ver¬ zögerungsglieds der Ordnung n mit gleichen Zeitkonstanten T besteht, gilt:
T95 « 3,0 * T + Tt bei n = 1 T95 « 4,7 * T + Tt bei n = 2
T95 « 6,3 * T + Tt bei n = 3
T95 » 7,8 * T + Tt bei n = 4
T95 « 9,2 * T + Tt bei n = 5 usw. Für die Zeitkonstante Tf des Filters erhält man somit bei ei¬ nem PTn-Tt-Modell die Bestimmungsgleichung:
Tf> (0,6 + 0,5 * n) * T + Tt/3.
Je größer Tf gewählt wird, desto stärker wird die Rückführung abgeschwächt. Auf diese Weise kann man mit der erfindungs¬ gemaßen Regeleinrichtung auch noch "schwierige" Prozesse re¬ geln, bei denen ein Smith-Prädiktor ansonsten instabil würde. Als "schwierig" werden Prozesse bezeichnet, die in verschie¬ denen Arbeitspunkten sehr starke Schwankungen der Modellpara¬ meter aufweisen.
Der Wert der Zeitkonstanten Tf kann über eine gesonderte Steuerung eingestellt werden, die ihn bei einem Sollwert- sprung auf einen großen Wert Tfmax setzt und ihn danach, bei¬ spielsweise rampenförmig, verringert, bis er nach einer para- metrierbaren Zeitdauer den Wert Tfmin erreicht hat . Der Wert τfmin ist so gewählt, daß Störungen schnell und sicher aus- geregelt werden.
Figur 2 zeigt Verläufe 1 und 2 von Sprungantworten der Aus¬ gangsgröße al des ersten Übertragungsglieds Ml bzw. der Re¬ gelgröße x eines simulierten Prozesses S. Als Prozeß wurde ein PTn-Tt-Glied, also ein Übertragungsglied mit der Über- tragungsfunktion
G(s)=—- *e-Tt*s
(1+Ts)n
mit K = l, T = 10 s, n = 3 und Tt = 100 s verwendet. Als Parameter des Prozeßmodells in dem ersten Übertragungs¬ glied Ml werden K = l, T = 9,52 s, n = 3 und Tt = 80 s an¬ gesetzt. Der Regler ist ein für den Prozeß S ohne Totzeit be¬ tragsoptimal eingestellter PI-Regler mit einer Verstärkung Kp = 0,436 und einer Nachstellzeit Tn = 15,88 s. Der Regel- kreis wurde mit einem Sollwertsprung der normierten Höhe Eins zum Zeitpunkt T = 0 angeregt.
Durch die unterschiedlichen Totzeiten des ersten Übertra- gungsglieds Ml und des Prozesses S kommt es zu starken Über¬ schwingungen und unruhigem Verlauf der beiden dargestellten Signale. Die von dem Übertragungsglied Ml gelieferte Größe al ist gegenüber der Regelgröße x entsprechend der Abweichung der Totzeit um 20 s verschoben. An dem Diagramm ist leicht zu erkennen, daß Abweichungen des Modellparameters Totzeit von einem realen Prozeß S auf einfache Weise durch Verschieben abgespeicherter Signalverläufe zur Minimierung der Fehler¬ größe e ermittelt werden können. Es wird zudem deutlich, wie empfindlich ein Smith-Prädiktor auf derartige Abweichungen reagiert.
Figur 3 zeigt Verläufe der Regelgröße x, wenn einmal die Feh¬ lergröße e über ein Verzögerungsglied V mit der Zeitkonstante Tf = 2 s zurückgekoppelt ist (Signalverlauf 3) und zum ande- ren die Rückführung mit einer Zeitkonstante Tf = 54 s (Si¬ gnalverlauf 4) erfolgt. Der Signalverlauf 4 macht deutlich, daß das Verzögerungsglied V in der Rückführung eine gute Dämpfung der Regelgröße x nach einem Sollwertsprung bewirkt. Der Verlauf der Regelgröße x ist ruhiger, die Überschwinger sind weniger stark. Dafür ist aber die Ausregelzeit einer Störung, die zum Zeitpunkt t = 1000 s mit dem Wert -0,3 am Eingang des Prozesses S aufgeschaltet wurde, größer als bei einer kleineren Zeitkonstante Tf des Verzögerungsglieds V.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Regelung eines Prozesses (S) , dessen Ver¬ halten im wesentlichen durch ein Modell aus einer Reihen- schaltung eines totzeitfreien Übertragungsgliedes und eines Totzeitgliedes beschreibbar ist, wobei
- eine von einem Regelglied (R) gelieferte Stellgröße (y) dem Prozeß (S) , einem ersten Übertragungsglied (Ml) , das dem Prozeßmodell entspricht, und einem zweiten Übertra- gungsglied (M2) , das dem totzeitfreien Übertragungsglied des Prozeßmodells entspricht, aufgeschaltet ist,
- eine am Prozeß (S) gemessene Regelgröße (x) und eine von dem ersten Übertragungsglied (Ml) gelieferte erste Schätz¬ größe (al) einem ersten Subtrahierglied zur Bildung einer Fehlergröße (e) zugeführt sind,
- eine Führungsgröße (w) und über eine Rückführung die Feh¬ lergröße (e) einem zweiten Subtrahierglied zur Bildung ei¬ ner ersten Führungsabweichung (wl) zugeführt sind,
- die Führungsabweichung (wl) und eine von dem zweiten Über- tragungsglied (M2) gelieferte zweite Schätzgröße (a2) ei¬ nem dritten Subtrahierglied zur Bildung einer zweiten Füh¬ rungsabweichung (w2) zugeführt sind und
- die zweite Führungsabweichung (w2) dem Regelglied (R) auf- geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
- daß in die Rückführung der Fehlergröße (e) ein Verzöge¬ rungsglied (V) eingesetzt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Verzögerungsglied (V) erster Ordnung ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Zeitkonstante (Tf) des Verzögerungs- glieds (V) erster Ordnung veränderbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Zeitkonstante (Tf) des Verzögerungs¬ glieds (V) bei einer Festwertregelung klein gegenüber der Verzögerung des Prozesses (S) ist und bei einer Sollwert- änderung vergrößert wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Zeitkonstante (Tf) des Verzögerungs¬ glieds (V) bei einer Sollwertänderung derart eingestellt wird, daß eine Einschwingdauer zumindest gleich der Ein¬ schwingdauer des Prozesses (S) ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitkonstante (Tf) des Ver- zogerungsgliedes (V) bei einer Sollwertänderung auf einen großen Wert gesetzt wird und in einer einstellbaren Zeitdauer auf einen kleinen Wert verringert wird.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante (Tf) des Ver¬ zögerungsglieds (V) vergrößert wird, wenn die Fehlergröße (e) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da - durch gekennzeichnet, daß eine Prozeßidentifikation durch Optimierung der Modellparameter (K, T, n, Tt) durchge¬ führt wird, wenn die Fehlergröße (e) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet ,
- daß zur Prozeßidentifikation der Einschwingvorgang des Prozesses (S) bei einer Sollwertänderung abgespeichert wird und - daß durch Variation der Parameter (K, T, n, Tt) des
Prozeßmodells diejenigen bestimmt werden, mit denen die Fehlergröße (e) minimal ist.
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