WO1998041907A1 - Adaptionsalgorithmus für einen regler - Google Patents
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- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/0205—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
- G05B13/024—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
Definitions
- the invention relates to an adaptation algorithm for a controller.
- the quality of a control depends crucially on the quality of the measurement signals. These are usually associated with a noise level that
- Object of this invention is - ptive by a ada 'filtering technique to reduce this noise influence and thus to increase the control accuracy, without application of the dynamics of the control process is deteriorated. - by varying the step size dta of the digital control process to further reduce the influence of signal noise on the quality of the control.
- control deviation is switched on.
- x be the actual value of the control loop, xw.k the current measured control deviation, ' xw.k-1 the control deviation defined in advance, xR the noise component of the measured value of x, x +/- xR the measured value of the actual value signal.
- Fxw be a filter factor with 0 ⁇ Fxw ⁇ 1.
- the factor Fxw is now from the adaptation algorithm
- control deviation xw.k lies within one of the specified noise bands, then there is no need for action for the controller, or in one case the controller cannot detect the change in the control deviation dxw.k in the other case even the size of the control deviation xw.k.
- This critical situation can seduce the controller into "rash actions", ie the system can react
- This critical condition can easily be remedied by forbidding the controller from changing the controller output signal Yr .k until a clear trend of the actual value change abs (dxw / dta) of the system or a clear value for xw.k is recognizable
- a clear trend is always recognizable if the change abs (dxw / dta) or the value xw.k is clearly (ie by a certain factor> 1) above the value xw.RauschenO (3. 2) or xw.Rauschenl (3.4).
- the invention consequently provides that the measured value acquisition loop of the control algorithm - target (W.k) and actual value (x.k) of the system to be controlled with the smallest possible
- an emergency situation has occurred (e.g. actual value x exceeds its limit value xmax, system jams, etc.),
- i represents the number of measuring intervals until the next call of the control algorithm.
- the value of the interval counter OK when the controller is called is saved in the measuring loop and the next call of the control algorithm is provided according to the same number of intervals OK (provided there is no “emergency situation in the meantime”) "has occurred) and the value OK has been incremented, ie" attempt "is started to continuously increase the cycle time dtar of the controller. If an emergency situation (limit actual value x.max has been exceeded, system gets out of control, etc.) has been determined in the meantime in the measuring loop, then
- the interval counter is reprogrammed to the new interval value i1.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Adaptionsalgorithmus für einen Regler, der von einer übergeordneten Meßschleife überwacht wird. Die Regelabweichung xw.k wird durch ein Rauschfilter in der Meßwert-Erfassungs-Schleife gefiltert, dessen Filterfaktor abhängig vom Regel-Ergebnis und Rauschpegel der Meßwerte verändert wird. Die Meßschleife enthält ein von der Qualität der Meßwerte gesteuertes Signalfilter. Es wird je nach Qualität von Meßwert und Regelergebnis entschieden, mit welcher Meßtaktfolge der Regler aufgerufen wird. Der Adaptionsalgorithmus ist insbesondere für digitale Regler vorgesehen.
Description
Beschreibung
Adaptionsalgorithmus für einen Regler
Die Erfindung betrifft einen Adaptionsalgorithmus für einen Regler.
Aufgabenstellung
Die Qualität einer Regelung hängt außer von den Anlagenbedingungen entscheidend von der Qualität der Meß-Signale ab. Diese sind in der Regel mit einem Rausch-Pegel behaftet, der
- die Grenze der Regelgenauigkeit ,
- die Größe der möglichen Regel-Verstärkung entscheidend beeinflußt.
Bei digitalen Regelsystemen kommt zum eigentlichen Rauschpegel der Meßwerte noch der Quanten-Fehler der A/D-Wandlungs-Auflösung. Aufgabe dieser Erfindung ist es, - durch eine ada'ptive Filtertechnik diesen Rausch-Einfluß zu reduzieren und damit die Regelgenauigkeit zu erhöhen, ohne daß dabei die Dynamik des Regelprozesses verschlechtert wird. - durch Variation der Schrittweite dta des digitalen Regelprozesses den Einfluß des Signalrauschens auf die Qualität der Regelung weiter zu reduzieren.
In den Patent-Anmeldungen - P 196 04 534.7, - P 196 06 176.8, - P 196 15 760.9,
- P 196 40 728.1
- P 197 00 Q51.7
- PCT/DE97/00129 werden Vorschläge für Adaptions-Algorithmen digitaler Regelsysteme beschrie- ben. Ausgehend von diesem Stand der Technik wird ein vom digitalen Regelalgorithmus selbst gesteuertes Filter entwickelt, dessen Filterwirkung
- bei großen Regelabweichungen abgeschaltet wird, das also bei großen Regelabweichungen unwirksam wird,
- innerhalb eines - von der Größe des Rauschpegels des Istwertes x, des Sollwertes W bzw. der Regel-Abweichung xw, und von der Größe der Filterwirkung Fx des Filters, abhängigen Wertes der Regelabweichung zugeschaltet wird.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird an Hand eines Beispiels erklärt:
Es sei x der Istwert des Regelkreises, xw.k die aktuelle gemessene Regelabweichung, ' xw.k-1 die im Vortakt definierte Regelabweichung, xR der Rausch-Anteil des Meßwertes von x, x +/- xR der Meßwert des Istwert-Signals.
W der Sollwert des Regelkreises, W +/-wR der vom Rechner erfaßte Sollwert des Regelkreises,
Yr.k das aktuelle Regler-Stellsignal dtar die Abtastzeit des Digital-Reglers.
Dann gilt: xw = (W+/- wR) - (x +/-xR) = (W - x) +/- (xR+wR) d.h. die für die Regelung verwendete Regelabweichung ist durch die Summe der Rauschanteile von Soll- (wR) und Istwert (xR) „verseucht". Innerhalb dieses Rausch-Bandes ist eine Regelung nur mit Einsatz von die Dynamik 5 vermindernden Signalfiltern möglich.
Es sei Fxw ein Filter-Faktor mit 0 < Fxw < 1.
Dann stellt die Funktion xw.k = Fxw * xw.k-1 + (1- Fxw) * xw.k (3.1 ) ein Signalfilter erster Ordnung dar.
Mit dem Faktor Fxw wird bei konstantem Ist- (x) und Sollwert (w) der ursprüngliche I O Rauschanteil xw.RauschenO = (xR + wR) (3.2) um den Faktor F.Rauschen = (1 -Fxw)/(1 +Fxw) (3.3) reduziert: xw.Rauschenl = (xR + wR) * (1-Fxw)/(1+Fxw) (3.4) Beispielsweise wird bei einem Filterfaktor von Fxw = 0.9 das ursprüngliche 15 Rausch-Band von +/- (xR + wR) um den Faktor 19 verkleinert, die mögliche Auflösung des Reglers also entsprechend verbessert. Mit Fxw = 0 ist die Filterwirkung abgeschaltet (gute Dynamik, schlechte Regelgenauigkeit), Fxw = 0.99 ist die Filterwirkung sehr hoch (schlechte Dynamik, gute 0 Regelgenauigkeit).
Erfindungsgemäß wird nun der Faktor Fxw vom Adaptions-Algorithmus
Fxw = f ( xw.k) (3.5) derart gesteuert, daß
- bei großen Regelabweichungen xw.k die Dynamik optimal ist (Fxw = 0) 5 - bei kleinen Regelabweichungen xw.k die Regelgenauigkeit optimal ist
(Fxw = 0.99). Vereinfacht könnte gelten:
Fall 1 : abs(xw.k) > (xR+wR) Fxw = 0 (Rauschband unbeeinflußt) Fall 2: abs(xw.k) <=(xR+wR) Fxw = 0.9 (Rauschband um Faktor 19 0 verkleinert)
Da der Faktor Fxw wie beschrieben das xw-Rauschband beeinflußt, kann die Steuerung durch nachfolgende Maßnahme weiter verbessert werden: Fall 1: abs(xw.k) > (xR+wR) Fxw = 0
(Rauschband unbeeinflußt) Fall 2: abs(xw.k) > 0.50 *(xR+wR) Fxw = 0.5
Fall 3: abs(xw.k) > 0.25 * (xR+wR) Fxw = 0.75
Fall 4: abs(xw.k) <= 0.25 * (xR+wR) Fxw = 0.9
Selbstverständlich ist natürlich auch eine stetige Veränderung des Faktors Fxw gemäß Gleichung (3.5) möglich. Ändert sich die Regelabweichng xw.k gegenüber der vorher erfaßten xw.k-1 nur in einer Größe, die innerhalb des Rauschbandes
+/- (xR + wR) - bzw. +/- (xR * wR) * (1-Fxw)/(1 + Fxw) liegt, oder liegt die Regel-Abweichung xw.k innerhalb eines der angegebenen Rausch-Bänder, dann besteht für den Regler kein Handlungs-Bedarf, bzw. der Regler kann im einen Falle nicht die Änderung der Regelabweichung dxw.k im anderen Falle nicht einmal die Größe der Regelabweichung xw.k erkennen. Dieser insbesondere bei kleinen Regelabweichungen abs(xw.k) < (xR + wR)* (Fxw-1 )/(fxw + 1 ) (3.6) kritische Sachverhalt kann den Regler zu „unüberlegten Handlungen" verführen, d.h. das System kann durch Reaktionen des Reglers selbst destabilisiert werden. Dieser kritische Zustand kann ganz einfach dadurch behoben werden, daß dem Regler das Ändern des Reglerausgangs-Signals Yr .k solange untersagt wird, bis ein eindeutiger Trend der Istwert-Änderung abs(dxw/dta) der Anlage bzw. ein eindeutiger Wert für xw.k erkennbar ist. Ein eindeutiger Trend ist immer dann erkennbar, wenn die Änderung abs(dxw/dta) bzw. der Wert xw.k deutlich (d.h. um einen bestimmten Faktor >1) über dem Wert xw.RauschenO (3. 2) bzw. xw.Rauschenl ( 3.4) liegt.
Dieser Trend kann zum Beispiel ganz einfach erfaßt werden, indem man genügend lange Zeit verstreichen läßt, bis die „Summe der Signal-Änderungen
je Meßtakt" ( i * dtaO) eine eindeutige Signal-Tendenz erkennen läßt, die genügend weit übe/ dem Rauschpegel liegt.
Die Erfindung sieht folgerichtig vor, daß die Meßwert-Erfassungs-Schleife des Regelalgorithmus - Soll- (W.k) und Istwert (x.k) der zu regelnden Strecke mit kleinstmöglichem
Abtastzyklus dtaO erfaßt und die jeweilige Regelabweichung xw.k berechnet - und den Regel-Algorithmus ( = Veränderung der Stellgröße Y.k) nur dann aufruft, wenn
- eine Notsituation eingetreten ist (z. B. Istwert x überschreitet seinen Grenzwert xmax, Anlage klemmt usw.),
- schnelles Handeln erforderlich ist (Regelabweichung wächst abs(xw.k) > abs(xw.k-l) usw.),
- die Regelabweichung xw.k deutlich über dem Rauschwert (Gl. 3.2, 3.4) liegt (abhängig vom Wert Fxw). In allen anderen Fällen unterbleibt der Aufruf des Regelalgorithmus, d.h. der Regler bleibt abgeschaltet, der Stellwert Yr des Reglers bleibt konstant. Diese Methode ergibt
- einen Meß-Algorithmus mit konstanter Abtastzeit dtaO
- einen Regelalgorithmus mit variabler Abtast-Zeit dtar = i * dtaO mit dem variablen Integer-Wert i = 1 (= Zahl der Meß-Intervalle bis zum nächsten Regler-Aufruf). Es handelt sich also um einen Adaptions-Algorithmus für einen Regler
- mit adaptiv gesteuertem Rausch-Filter, das im Meß-Intervall dtaO arbeitet,
- mit variabler unter anderem auch vom Rauschverhalten des Ist- und Sollwertes und vom Rausch-Faktor (und natürlich auch von den
Regler- und Strecken-Kennwerten) abhängiger Regler-Abtastzeit dtar = i * dtaO, wobei der Integerwert i die Zahl der Meß-Intervalle bis zum nächsten Aufruf des Regel-Algorithmus darstellt.
Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Funktion dieses Algorithmus ist natürlich, daß die Regel-Parameter des Digital-Reglers von der Taktzeit dtar = i * dtaO unabhängig sind bzw. entsprechend korrigiert werden und/oder die Parameter des Reglers über einen zweiten Adaptions-Algorithmus fortlaufend angepaßt werden.
Um den Regelablauf zu harmonisieren und dazu noch Rechenzeit zu sparen, wird der beim Regleraufruf vorliegende Wert iO des Intervall-Zählers in der Meß- Schleife gespeichert und der nächste Aufruf des Regel-Algorithmus nach der gleichen Intervallzahl iO vorgesehen, (sofern zwischenzeitlich keine „Notsituation" eingetreten ist,) und dabei der Wert iO inkrementiert, d.h. es wird „der Versuch" gestartet, die Taktzeit dtar des Reglers stetig zu vergrößern. Wurde zwischenzeitlich in der Meß-Schleife eine Notsituation (Grenz-Iswert x.max ist überschritten, Anlage gerät außer Kontrolle usw.) festgestellt, dann wird
- der Regelalgorithmus außerprogrammäßig aufgerufen, - der ursprüngliche Intervall-Zählerwert iO nicht verändert.
Beim Auftreten einer Sonder-Situation ( z. B. Störung durch Störgröße Z, Änderung der Anlagen-Kennung usw. ) wird
- der Regel-Algorithmus außerprogrammäßig aufgerufen,
- der Intervall-Zähler auf den neuen Intervall- Wert i1 umprogrammiert.
Claims
1. Adaptionsalgorithmus für einen Regler, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung xw.k durch ein Rauschfilter in der Meßwert-Erfassungs-Schleife gefiltert wird, dessen Filterfaktor (z. B. Fxw nach Gl. 3.1) abhängig vom Regel- Ergebnis (z. B. Regel-Abweichung xw) und Rauschpegel der Meßwerte verändert wird.
2. Adaptionsalgorithmus nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Filter-Konstante(n) abhängig vom Istwert x , vom Sollwert w, und/oder von der Regelabweichung xw insbesondere auch vom Signal-Rauschen der genannten Werte verändert wird (werden).
3. Adaptionsalgorithmus nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Signalfilter nur solange zugeschaltet bleibt, wie die Regelabweichung xw innerhalb des Rauschbandes der Regelabweichung xw
(Gl 3.2, 3.4) ggf. abhängig vom Filterfaktor sich befindet, ansonsten aber abgeschaltet bleibt.
4. Adaptionsalgorithmus für einen Regler, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert-Erfassungs-Teil des Reglers mit möglichst kleiner Taktzeit dtaO abläuft und der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife nur dann erfolgt, wenn eine Änderung des Regler-Stellwertes Yr erforderlich ist, d.h. wenn eine Änderung des Stellwertes Yr die Qualität der Regelung verbessert, in den übrigen Fällen der Regel-Algorithmus inaktiv geschaltet wird, d.h. die Regler- Stellgröße Yr konstant bleibt.
5. Adaptionsalgorithmus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meßtakfe iO zwischen zwei Regler-Aufrufen im Regel-Algorithmus durch einen Intervall-Zähler gespeichert werden.
6. Adaptionsalgorithmus für einen Regler nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife dann erfolgt, wenn eine Regelabweichung xw vorliegt, deren Absolut-Wert deutlich über dem Wert des Rauschbandes (Gl 3.2, 3.4) liegt, wobei dieses Rauschband durch die Wirkung des Filterfaktors Fxw des gesteuerten Filters erheblich eingeschränkt werden kann.
7. Adaptionsalgorithmus für einen Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife dann erfolgt, wenn eine Notsituation wie z. B. Erreichen oder Über- schreiten der Regelgrenze x.max vorliegt.
8. Adaptionsalgorithmus für einen Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife dann erfolgt, wenn offensichtlich eine Regel-Störung (wie z. B. Betrag der Regelabweichung xw nimmt zu oder: Betrag der Regelabweichung nimmt zu langsam ab usw.) vorliegt.
9. Adaptionsalgorithmus für einen Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert iO des Intervallzählers nach dem Aufruf des Regelalgorithmus inkrementiert und gespeichert wird, und als Basis für den nächsten Regleraufruf verwendet wird, sofern der Aufruf nicht durch eine Notoder Sondersituation schon früher erfolgt und damit möglicherweise ein neuer Wert für iO definiert wird.
10. Adaptionsalgorithmus für einen Regler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufruf des Regelalgorithmus nach einer in der Meß- Schleife festgestellten Regel-Störung der Wert iO des Intervallzählers durch den beim Störaufruf aktuellen Intervall-Wert i1 überschrieben wird.
11. Adaptionsalgorithmus für einen Regler nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufruf des Regel-Algorithmus nach einer in der Meßschleife festgestellten Not-Situation der Wert iO des Intervallzählers nicht überschrieben wird.
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WO (1) | WO1998041907A1 (de) |
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- 1998-03-17 WO PCT/EP1998/001542 patent/WO1998041907A1/de active Application Filing
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DE19711156A1 (de) | 1998-09-24 |
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