DE69020919T2

DE69020919T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ändern von Regelungsparametern entsprechend dem Zustand des Prozesses im Bereich der Prozesssteuerung.

Info

Publication number: DE69020919T2
Application number: DE69020919T
Authority: DE
Inventors: Masae Kanda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-02-21
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: JPH02222003A; AU606306B2; EP0384437A3; KR930011002B1; AU4991890A; JP2835061B2; EP0384437A2; KR910015900A; EP0384437B1; US4983898A; DE69020919D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Ändern von Regelungsparametern gemäß einem Zustand eines Prozesses in der Prozesssteuerung.
In einem adaptiven oder anpassenden Regelungsgerät zum Überwachen und Steuern eines Zustandes eines Prozesses wird eine Differenz zwischen einem extern eingegebenen eingestellten oder Sollwert SV und einer von einem Prozess, wie beispielsweise einer Anlage ausgegebenen gesteuerten Veränderlichen PV, d.h. ein Differenzwert e (SV - PV) ermittelt. Für den Differenzwert e werden PID - (Proportional plus Integral plus Ableitung) Regelungsparameter berechnet, um so eine manipulierte Veränderliche MV zu gewinnen. Die manipulierte Veränderliche wird zu dem Prozess gespeist. Der Prozess arbeitet gemäß der eingespeisten manipulierten Veränderlichen MV, um die gesteuerte Veränderliche PV auszugeben.
Die für das Gewinnen der manipulierten Veränderlichen MV verwendeten PID-Regelungsparameter müssen zuvor eingestellt werden. Daher wurde ein adaptives Regelungsgerät entwickelt, das eine Autoabstimmethode oder eine Selbstabstimmethode zum optimalen Berechnen von PID-Parametern verwendet.
Jedoch ist in dem adaptiven Regelungsgerät eine Einheit zum Berechnen von PID-Regelungsparametern unabhängig von einer Einheit zum Überwachen und Steuern des Prozesses. Genauer ausgedrückt, wenn ein Identifikationssignal zu dem Prozess gespeist wird, werden dynamische Charakteristiken des Prozesses durch Analysieren eines von dem Prozess ausgegebenen Antwortsignales identifiziert, und die PID-Regelungsparameter werden gemäß dem Identifikationsergebnis berechnet. Die eingestellten PID-Regelungsparameter werden nicht erneut berechnet, wenn der Prozess nicht verändert wird.
Wenn daher ein Regelungssystem einschließlich des Prozesses oszilliert oder vibriert und der Differenzwert e aufgrund einer plötzlichen Änderung im eingestellten oder Sollwert oder einer Störung zunimmt, wird die manipulierte Veränderliche MV, die mittels der anfänglich eingestellten PID-Regelungsparameter erhalten ist, zu dem Prozess gespeist. Als ein Ergebnis kann eine beträchtliche Zeit bis zu einer Konvergenz des Regelungssystemes erforderlich sein oder das Regelungssystem kann nicht länger konvergieren. Um auf diese Weise ein normales Regelungssystem aufrecht zu erhalten, müssen ein Überwachen des Prozesses und ein Einstellen von PID-Regelungsparametern in Entsprechung miteinander durchgeführt werden.
Wenn weiterhin eine gesteuerte Veränderliche PV, die für einen vorbestimmten Zyklus abgetastet und von dem Prozess eingespeist ist, einen vorbestimmten Wert überschreitet, so wurde ein adaptives Regelungsgerät zum erneuten Berechnen von PID- Regelungsparametern entwickelt. Da jedoch Berechnungen von PID- Regelungsparametern viel Zeit erfordern, kann nicht unmittelbar eine plötzliche Änderung im Zustand eines Regelungssystems gemeistert werden.
Das herkömmliche adaptive Regelungsgerät führt keine Regelungsverarbeitung gegen einen Ansprechfehler durch, welche viel Zeit erfordert, bis die gesteuerte Veränderliche PV auf den eingestellten oder Sollwert SV konvergiert.
Wie aus der obigen Beschreibung ersehen werden kann, entstand ein Bedarf für ein adaptives Regelungsgerät, das PID-Regelungsparameter gemäß einer Änderung im Zustand eines Prozesses verändern kann.
Das zum Stand der Technik zählende Dokument Proceedings IEEE international Symposium on intelligent control 1987, Januar 87,
Philadelphia US, Seiten 377 - 387; K. Liu & J. Gertler: "Ein intelligentes adaptives Schema für biomedizinische Regelung" offenbart ein adaptives Regelungssystem zum Fortschreiben von Regelungsparametern nach einer Änderung eines Prozesses. In diesem System wird ein intelligentes adaptives Schema verwendet. Dieses Schema ist entwickelt zum Regeln von Herz- Veränderlichen von Tieren in Narkose. Ein Überwachungsblock wird verwendet, um die Hochpegelfunktion des Parameterfortschreibens und die Niederpegelfunktion der Regelung zu koordinieren. Es schließt Stoßerscheinungen aus, die typisch für reguläre adaptive Regler sind, und handhabt gut das Problem einer Instabilität.
Weiterhin beschreibt das zum Stand der Technik zählende Dokument EP-A- 0 139 243 ein Prozessregelungsgerät, das zum automatischen Steuern eines Prozesses gemäß dem Zustand von den Prozesscharackteristiken angepaßt ist. Wenn in diesem bekannten Prozessregelungsgerät die Prozesscharackteristiken als in einem stetigen Zustand befindlich ermittelt sind, wird die Steuerung durch eine erste Prozesssteueroperationseinrichtung durchgeführt, die für ein Probensteuern des Prozesses gemäß den Regelungskonstanten für die erste Prozesssteueroperationseinrichtung geeignet ist, wie diese während der Steuerung einer zweiten Prozesssteueroperationseinrichtung bestimmt sind, während dann, wenn die Prozesscharackteristiken oft sich ändern, die Steuerung durch die zweite Prozesssteueroperationseinrichtung vorgenommen wird, die für ein Probensteuern des Prozesses geeignet ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Ändern von Regelungsparametern gemäß einem Zustand eines Prozesses in einer Prozesssteuerung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System vor, wie dies jeweils im Patentanspruch 1 bzw. 5 angegeben ist.
Diese Erfindung kann vollständiger aus der anschließenden Detailbeschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
Figur 1 ein Blockdiagram ist, das eine Anordnung eines Prozessregelungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figuren 2A und 2B zwei Steuerdiagramme sind, die ein Identifikationssignal zeigen,
Figur 3 ein Operationsflußdiagramm in einer adaptiven Einheit dieses Systems ist,
Figur 4 ein Operationsflußdiagramm in einem Bestimmungs- und Steuerabschnitt dieses Systems ist,
Figuren 5A bis 5D Kurven sind, die Änderungen in einem Differenzwert und in einer gesteuerten Veränderlichen als eine Funktion einer Änderung im Zustand eines Prozesses zeigen,
Figur 6 ein Diagram ist, das teilweise ein Zielwert- Vorwärts- System zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben.
In Figur 1 umfaßt ein System des Ausführungsbeispiels Addierer 1 und 6, einen Subtrahierer 2, einen Prozess 3, einen PID- Steuerabschnitt 4, eine adaptive Einheit 5 und einen Bestimmungs- und Steuerabschnitt 7.
Ein extern eingespeister eingestellter oder Sollwert SV wird in den Subtrahierer 2 über den Addierer 1 eingegeben.
Der Subtrahierer 2 subtrahiert eine gesteuerte Veränderliche PV von dem Prozess 3 von dem Sollwert SV und gibt einen Differenzwert e an den PID-Steuerabschnitt 4.
Der PID-Steuerabschnitt 4 führt PID-Berechnungen mittels durch die adaptive Einheit 5 eingestellten PID-Regelungsparameter durch und speist eine durch die PID-Berechnungen erhaltene manipulierte Veränderliche MV zu dem Prozess 3 über den Addierer 6.
Der Prozess 3 gibt die gesteuerte Veränderliche PV in Entsprechung mit der eingespeisten manipulierten Veränderlichen MV aus. Die von dem Prozess 3 ausgegebene gesteuerte Veränderliche PV wird in den Subtrahierer 2, die adaptive Einheit 5 und den Bestimmungs- und Steuerabschnitt 7 eingespeist.
Die adaptive Einheit 5 umfaßt einen Identifikationssignalgenerator 8, einen Identifikationsabschnitt 9, einen Umsetzungsabschnitt 10 und einen Designabschnitt 11.
Der Identifikationssignalgenerator 8 erzeugt Identifikationssignale Vr und Vu. Wenn dieses System zu identifizieren ist, wird das Identifikationssignal Vr zu dem Addierer 1 ausgegeben. Wenn der Prozess 3 zu identifizieren ist, wird das Identifikationssignal Vu zu dem Addierer 6 ausgegeben. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Fall erläutert, bei welchem der Prozess 3 zu identifizieren ist.
Als die durch den Identifikationssignalgenerator 8 erzeugten Identifikationssignale Vr und Vu werden beispielsweise ein M- Seriensignal (Figur 2A) und ein Stufensignal (Figur 2B) verwendet. Die Identifikationssignale Vr und Vu liefern eine kleine Änderung ± Δ/2 für den Sollwert SV und die manipulierte Veränderliche MV. Die Amplituden der Identifikationssignale Vr und Vu sind klein genug eingestellt, um nicht den Betrieb des Systemes zu beeinflussen. Wenn das M- Seriensignal verwendet wird, kann der Prozess oder dergleichen genau über einem weiten Frequenzband indentifiziert werden.
Die in den PID-Steuerabschnitt 4 einzustellenden PID-Regelungsparameter werden durch die adaptive Einheit 5 gemäß dem in Figur 3 gezeigten Flußdiagramm berechnet.
Wenn ein Steuersignal von einem (nicht gezeigten) Bedienungsfeld oder dem Bestimmungs- und Steuerabschnitt 7 zu der adaptiven Einheit 5 eingegeben wird, wird das durch den Identifikationssignalgenerator 8 erzeugte Identifikationssignal Vu in den Addierer 6 eingegeben.
In einer Stufe A1 werden ein in den Prozess 3 eingespeister addierter Wert MVa (= MV + Vu) und die von dem Prozess 3 ausgegebene gesteuerte Veränderliche PV abhängig von dem addierten Wert MVA durch den Identifikationsabschnitt 9 bei jeder gewünschten Periode abgetastet. Wenn die Anzahl von Abtastprozessen eine gewünschte Zahl erreicht, wird die Ausgabe des Identifikationssignales von dem Identifikationssignalgenerator 8 gestoppt.
In einer Stufe A2 wird ein dynamisches charakteristisches Modell des Prozesses 3 durch den Identifikationsabschnitt 9 aufgrund des abgetasteten addierten Wertes MVa und der gesteuerten Veränderlichen PV mittels der Methode der kleinsten Quadrate abgeschätzt.
In einer Stufe A3 wird das geschätzte dynamische charakteristische Modell zu einem Modell in einem Frequenzbereich durch den Umsetzungsabschnitt 10 transformiert.
In einer Stufe A4 werden PID-Regelungsparameter durch den Designabschnitt 11 auf der Grundlage des transformierten Modelles in dem Frequenzbereich mittels einer Teilmodellanpaßmethode gerechnet (Takashi Shigemasa, Yutaka Iino und Masae Kanda: Messung und Steuerung, Band 27, Nr. 4, Seiten 305 - 311, Society of Instrumentation and Control Engineering, 1988). Die berechneten PID-Regelungsparameter werden in den PID-Steuerabschnitt 4 eingegeben.
Der von dem Addierer 1 ausgegebene Sollwert SV, der von dem Subtrahierer 2 ausgegebene Differenzwert e, die von dem PID- Steuerabschnitt ausgegebene manipulierte Veränderliche MV und die von dem Prozess 3 ausgegebene gesteuerte Veränderliche PV werden in dem Bestimmungs- und Steuerabschnitt 7 eingespeist.
Der Bestimmungs-Steuerabschnitt 7 überwacht und bestimmt einen Zustand des Prozesses 3 gemäß dem Flußdiagramm, das in Figur 4 gezeigt ist, und steuert den PID-Steuerabschnitt 4 und die adaptive Einheit 5 gemäß dem Bestimmungsergebnis. Das heißt, Änderungen im Sollwert SV, Differenzwert e, in der manipulierten Veränderlichen MV und gesteuerter Veränderlicher PV während einer vorbestimmten Periode T0 werden erfaßt, und der Zustand des Prozesses 3 wird gemäß den Bestimmungsergebnissen bestimmt.
In einer Stufe B1 wird geprüft, ob der Differenzwert e während einer vorbestimmten Periode T0 vibriert, wie dies in Figur 5A gezeigt ist.
Wenn in Schritt B1 JA vorliegt, wird bestimmt, daß der Prozess 3 instabil ist, und der in dem PID-Steuerabschnitt 4 eingestellte PID-Regelungsparameter wird gesteuert bzw. geregelt (Schritt B5).
Das heißt, wenn der Differenzwert e, der in den PID-Steuerabschnitt 4 eingegeben ist, konstant ist, wird der PID-Regelungsparameter so gesteuert, daß die von den PID-Steuerabschnitt 4 ausgegebene manipulierte Veränderliche MV abnimmt. Beispielsweise wird lediglich ein einem P-Betrieb zugeordneter Parameter, d.h. eine proportionale Empfinglichkeit der PID- Regelungsparameter, gesteuert. Somit nimmt der Verstärkungsfaktor des Steuersystems in äquivalenter Weise ab.
Wenn in Schritt B1 NEIN vorliegt, wird in Schritt B2 geprüft, ob der Differenzwert e oszilliert, wie dies in Figur 5B gezeigt ist.
Wenn in Schritt B2 JA vorliegt, wird bestimmt, daß der Prozess 3 instabil ist, und das oben erwähnte Verarbeiten in Schritt B5 wird ausgeführt.
Wenn in Schritt B2 NEIN vorliegt, wird in Schritt B3 geprüft, ob der Differenzwert e jenseits eine erlaubte Grenze Th anwächst, wie dies in Figur 5C gezeigt ist.
Wenn in Schritt B3 JA vorliegt, wird bestimmt, daß der Prozess 3 instabil ist, und das oben erwähnte Verarbeiten in Schritt B5 wird ausgeführt.
Wenn in Schritt B3 NEIN vorliegt, wird in Schritt B4 geprüft, ob die gesteuerte Veränderliche PV auf den Sollwert SV konvergiert, wie-dies in Figur 5D gezeigt ist.
Wenn die gesteuerte Veränderliche PV nicht auf den Sollwert SV nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer konvergieren kann, d.h. wenn der Differenzwert e größer als ein gewünschter Wert ist, wird bestimmt, daß der Prozess 3 in einem Antwortfehlerzustand ist. Daher wird bestimmt, daß der Zustand des Prozesses 3 verändert wird, und die PID-Regelungsparameter werden unerwünschte Werte.
In Schritt B6 werden die PID-Regelungsparameter erneut berechnet. Das heißt, die adaptive Einheit 5 berechnet erneut die PID-Regelungsparameter gemäß dem in Figur 3 gezeigten Flußdiagramm.
Wenn gemäß diesem System eine Abnormalität in dem Prozess 3 auftritt, bestimmt der Bestimmungs- und Regelungsabschnitt 7 den Zustand des Prozesses 3. Weiterhin werden die PID- Regelungsparameter des PID-Steuerabschnittes 4 ohne Betreiben der adaptiven Einheit 5 eingestellt, so daß der Verstärkungsfaktor des Steuersystems abnimmt. Wenn daher die Antwort von dem Prozess einen vibrierten, oszillierten oder zugenommenen Zustand wiedergibt, wie dies in den Figuren 5A, 5B oder 5C gezeigt ist, kann der Prozess 3 einen stabilen Zustand innerhalb einer kuzen Zeitdauer wieder aufnehmen.
Wenn, wie in Figur 5D gezeigt ist, die gesteuerte Veränderliche PV nicht befriedigend dem Sollwert SV folgen kann, wird bestimmt, daß der Prozess in einem unzureichendem Antwortzustand ist. Daher berechnet die adaptive Einheit 5 die PID- Regelungsparameter erneut, nachdem der Zustand des Prozesses verändert ist, und setzt die erneut berechnete PID- Regelungsparameter in den PID-Steuerabschnitt 4.
Wie oben beschrieben ist, kann der Zustand des Prozesses bestimmt werden, und die Prozessregelung kann gemäß dem Bestimmungsergebnis ausgeführt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Prozess 3 durch Addieren des Identifikationssignales Vu zu der manipulierten Veränderlichen MV identifiziert. Jedoch kann der Addierer 1 das Identifikationssignal Vr von dem Indentifikationssignalgenerator 8 zu dem Sollwert SV addieren, um die dynamischen Charakteristiken des gesamten Steuer- bzw. Regelungssystems zu identifizieren.
Die vorliegende Erfindung kann auf ein Zielwert- Vorwärtstyp- Adaptiv-Regelungsgerät angewandt werden, wie dies in Figur 6 gezeigt ist.

Claims

1. Verfahren zum Ändern von Regelungsparametern gemäß einem Zustand eines Prozesses bei einer Prozeßsteuerung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Überwachen wenigstens einer charakteristischen Veränderlichen, die den Zustand des Prozesses während einer Überwachungsperiode darstellt, um ein Änderungsmuster der charakteristischen Veränderlichen während der Überwachungsperiode zu erhalten, und

Bestimmen des Zustandes des Prozesses gemäß dem erhaltenen Änderungsmuster,

gekennzeichnet durch weiterhin umfassend:

Berechnen der Regelungsparameter zum Steuern einer gewünschten Veränderlichen, die zu dem Prozeß eingespeist ist, wenn das Änderungsmuster einen Antwortfehler darstellt, wobei der Berechnungsschrift die folgenden Schritte aufweist:

Erzeugen eines Identifikationssignales,

Subtrahieren einer von dem Prozeß ausgegebenen gesteuererten Veränderlichen von einem eingestellten Wert, um einen Differenzweft zu erhalten, wobei die gesteuerte Veränderliche in einer Substraktion verwendet wird,

Steuern einer manipulierten Veränderlichen gemäß dem Differenzwert,

Addieren des Identifikationssignales zu der manipulierten Veränderlichen, um einen addierten Wert in den Prozeß einzuspeisen,

Abtasten des addierten Wertes und der von dem Prozeß ausgegebenen gesteuerten Veränderlichen abhängig von dem addierten Wert während einer Abtastperiode, um Abtastwerte zu erhalten, und

Gewinnen von Regelungsparametern durch Anpassen eines charakteristischen Modelles des Prozesses, geschätzt aus den Abtastwerten, zu einem Bezugsmodell eines Prozeßregelungssystems, und

Regeln von wenigstens einem Regelungsparameter, um eine zu dem Prozeß gespeiste gewünschte Veränderliche zu steuern, wenn das Änderungsmuster eine instabile Antwort darstellt.

2. Verfahren nach Anpsruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Veränderliche die gesteuerte Veränderliche oder den Differenzwert umfaßt.

3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die instabile Antwort einen variablen Zustand, einen Oszillationszustand oder einen Zunahmezustand umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend ein Regeln des wenigstens einen Regelungsparameter, um die gewünschte Veränderliche zu vermindern.

5. System zum Verändern von Regelungsparametern gemäß einem Zustand eines Prozesses bei einer Prozeßregelung, wobei das System umfaßt:

eine Überwachungseinrichtung (7) zum überwachen wenigstens einer charakteristischen Veränderlichen, die einen Zustand des Prozesses darstellt, während einer Überwachungsperiode, um ein Änderungsmuster der charakteristischen Veränderlichen während der Überwachungsperiode zu erhalten,

eine Bestimmungseinrichtung (7) zum Bestimmen des Zustandes des Prozesses gemäß dem erhaltenen Änderungsmuster,

eine Prozeßsteuereinrichtung (4) zum Steuern einer zu dem Prozeß gespeisten gewünschten Veränderlichen gemäß wenigsten einem einzustellenden Regelungsparameter,

gekennzeichnet durch weiterhin umfassend:

eine Regelungsparamterrecheneinrichtung (5) zum Berechnen der Regelungsparameter und zum Einstellen der Regelungsparameter einschließlich wenigstenseines geregelten Regelungsparameters für die Prozeßsteuereinrichtung, wenn das Änderungsmuster einen Antwortfehler darstellt, wobei die Regelungsparameterrecheneinrichtung, (5) umfaßt:

eine Erzeugungseinrichtung (8) zum Erzeugen eines Identifikationssignales,

eine Subtrahiereinrichtung (2) zum Subtrahieren einer von dem Prozeß ausgegebenen gesteuerten Veränderlichen von einem eingestellten Wert, um einen Differenzwert zu erhalten, wobei die gesteuerte Veränderliche zu der Subtrahiereinrichtung gespeist ist,

eine Steuereinrichtung (4) zum Steuern der manipulierten Veränderlichen gemäß dem Differenzwert,

eine Addiereinrichtung (6) zum Addieren des Identifikationssignales zu der manipulierten Veränderlichen, um einen addierten Wert zu dem Prozeß zu speisen,

eine Abtasteinreichtung zum Abtasten des addierten Wertes und der von dem Prozeß ausgegebenen gesteuerten Veränderlichen abhängig von dem addierten Wert während einer Abtastperiode, um Abtastwerte zu erhalten, und

eine Gewinnungseinrichtung (11) zum Gewinnen der Regelungsparameter durch Anpassen eines charakteristischen Modelles des Prozesses, geschätzt aus den Abtastwerten, zu einem Bezugsmodell

eines Prozeßregelungssystems, und

eine Regelungsparameterregeleinrichtung (5) zum Regeln wenigsten eines Regelungsparameters und zum Einstellen der Regelungsparameter einschließlich wenigstens eines geregelten Regelungsparameters für die Prozeßsteuereinrichtung, wenn das Änderungsmuster eine instabile Antwort darstellt.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die charackteristische Veränderliche die gesteuerte Veränderliche oder den Differenzwert umfaßt.

7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeiehent, daß die instabile Antwort einen variablen Zustand, einen Oszillationszustand oder einen Zunahmezustand umfaßt.

8. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Regelungsparameter durch die Regelungsparameterregeleinrichtung (5) geregelt ist, um die gewünschte Veränderliche zu vermindern.