DE69119927T2 - Regelungsunterstützungssystem - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelungssystem und insbesondere auf ein Regelungsunterstützungssystem zur Verwendung beim Bestimmen der Regelkonstanten eines Reglers eines Regelungssystems.
• Um automatisch die Regelkonstanten eines Reglers, wie beispielsweise Proportional-Verstärkungs-Integrationszeit und Differential- oder Ableitungszeit zu bestimmen, werden gewöhnlich zahlreiche verschiedene Regelkonstanten-Bestimmungssysteme verwendet.
• Eines der obigen Regelkonstanten-Bestimmungssysteme wird in verschiedenen Typen von Abstimmsystemen, wie beispielsweise einem Selbstabstimmsystem und einem Autoabstimmsystem, benutzt. In diesen Systemen werden optimale Regelkonstanten mittels der Schritt- oder Stufenantwortmethode, der Grenzzyklusmethode usw. bestimmt, bei welchen der Operationswert und der Regelwert eingegeben werden. Ein anderes dieser Systeme ist das intelligente System, bei welchem optimale Regelkonstanten bestimmt werden, während automatisch der Typ oder die Größe der Regelkonstanten oder eine Fachsystemregelung geändert werden.
• Jedoch haben tatsächliche Anlagen Eigenschaften die spezifisch für sie sind, wie beispielsweise Totzeit oder Verzögerung hoher Ordnung oder eine Kombination von diesen.
• Es gibt eine große Anzahl solcher verschiedener Eigenschaften, so daß noch nicht ein Verfahren, das heißt ein Einstellalgorithmus, zum automatischen Bestimmen optimaler Regelkonstanten, die an eine große Anzahl von Anlagen anpaßbar sind, entwickelt wurde.
• Folglich gibt es in herkömmlichen Regelungsunterstützungssystemen, in denen Regelkonstanten automatisch mittels einer Reglereinheit bestimmt werden, ein Problem dahingehend, daß, obwohl ein entsprechender Vorteil erwartet werden kann, wenn das System auf eine spezifische Anlage angewandt ist, geeignete Regelkonstanten nicht bestimmt werden können, wenn das System bei einer anderen Anlage eingesetzt wird.
• Dies führt zu einem beträchtlichen Nachteil insoweit, daß derartige Einstellalgorithmen nicht nur einen Mangel an Anpaßbarkeit haben, sondern auch nicht auf einen weiten Bereich von Prozeßreglern angewandt werden können.
• Es gibt Anlagenregelsysteme, wie beispielsweise Durchfluß- oder Strömungsregelsysteme, bei denen die Regelkonstanten des Reglers tatsächlich mittels eines einfachen Einstellalgorithmus bestimmt werden können. Wenn jedoch der Einstellalgorithmus verwendet wird, um die Regelkonstanten für eine derartige Anlage durch eine genauere und allgemeinere Technik festzulegen, so tritt das Problem auf, daß die Belastung auf dem Computer, der den Algorithmus ausführt, groß wird, mit dem Ergebnis, daß andere notwendige Funktionen dazu neigen, aufgeschoben zu werden.
• Die US-A-4 214 300 bezieht sich auf ein Selbstabstimmverfahren zum Bestimmen von PID-Parametern aufgrund eines Ausführungsindex, wie beispielsweise MSE, ISE, IAE oder ITAE, der aus einem Systemfehlersignal erhalten ist. Jedoch sind hier nicht mehrere Regelkonstanten- Bestimmungsalgorithmen vorhanden, aus denen ein optimaler Regelkonstanten- Bestimmungsalgorithmus ausgewählt werden kann.
• Der Artikel Automatisierungstechnische Praxis, Band 31, Nr. 7, Juli 1989, München, DE, Seiten 327-330, L. Billmann u. a. "Adaptive PID-Regler für thermische Prozesse" stellt die PID-Parameter ein. Jedoch werden diese Parameter aufgrund der Tabelle von Fig. 2 hinsichtlich der Totzeit und der Anstiegszeit festgelegt. Somit gibt es nur einen Parameterbestimmungsalgorithmus in diesem System.
• Die JP-A-63 046506 umfaßt eine adaptive Einrichtung 3 mit einer Vielzahl von adaptiven Regelalgorithmen für die Berechnung der Regelparameter und einer Auswahleinrichtung 4, die einen adaptiven Regelalgorithmus zur Ausführung abhängig von den Eigenschaften und der Situation des Prozesses 2 auswählt. Die Auswahl des Regelalgorithmus basiert lediglich auf diesen besonderen Kriterien.
• Die US-A-4 745 541 lehrt, daß das Regelsignal gemäß einem gewählten Regelalgorithmus erzeugt ist, ermöglicht aber nicht eine Bestimmung der Regelkonstanten, die in einem gegebenen Regelalgorithmus enthalten sind.
• Demgemäß sucht die vorliegende Erfindung ein Regelsystem vorzusehen, das gestaltet ist, um die gewünschten Regelkonstanten eines Reglers für verschiedene Umstände zu bestimmen.
• Die Erfindung will auch die Bestimmung der gewünschten Regelkonstanten eines Reglers eines Regelsystems gemäß Eigenschaften des Regelsystems und von dem Regler verlangten Regeleigenschaften ermöglichen.
• Zusätzliche Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich oder können durch Ausführung der Erfindung ersehen werden.
• Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Regelungsunterstützungssystem, wie dieses im Patentanspruch 1 angegeben ist.
• Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr beispielsweise anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1 ein Diagramm ist, das das Grundkonzept der Erfindung veranschaulicht,
• Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Regelsystems gemäß der Erfindung ist,
• Fig. 3 ein Diagramm ist, das die Bedingungen eines Algorithmusspeicherbereiches einer in Fig. 1 gezeigten Algorithmusspeichereinheit darstellt,
• Fig. 4 ein Flußdiagramm ist, das die Schritte veranschaulicht, die durch ein Regelungsunterstützungssystem gemäß der Erfindung durchgeführt sind.
• Fig. 1 ist ein Diagramm, das das Grundkonzept der Erfindung veranschaulicht. Eine Vielzahl von verschiedenen Einstellalgorithmen sind der Reihe nach in hierarchischen Pegeln von Pn bis P&sub1; angeordnet. Die Reihenfolge der Anordnung ist derart, daß je höher der Pegel des Algorithmus ist, desto niedriger ist der Grad des menschlichen Eingreifens, das dieser erfordert. Das heißt, bei den niedrigeren Pegeln sind einfache Versuchs- bzw. Annäherungseinstellalgorithmen für empirische, einfache bzw. direkte oder teilweise automatisierte Systeme angeordnet. Der Bereich der Systeme und Regeleigenschaften, die von den Systemen verlangt sind, auf die sie angewandt werden können, ist entsprechend begrenzt. Beispielsweise können sie lediglich auf Systeme angewandt werden, die durch eine Totzeit und eine Verzögerung erster Ordnung angenähert werden können und die nur eine Proportional- und Integrations-(PI-)Regeloperation verlangen.
• Andererseits sind bei höheren Pegeln fortschreitend mehr systematische, theoretische und allgemeine Einstellalgorithmen angeordnet. Der Inhalt dieser Algorithmen ist komplex, und sie erfordern meist eine gesteigerte Rechenzeit. Beispielsweise können sie auf Systeme angewandt werden, die durch eine Totzeit und eine Verzögerung hoher Ordnung angenähert werden können und die eine 2-Grad-Proportional-, Integral- und Differential-(PID-)Regeloperation verlangen.
• Eine Hierarchie der Einstellalgorithmen wird daher zuvor vorbereitet, und ein geeigneter Algorithmus wird gemäß den Eigenschaften des zu regelnden Systems und den geforderten Regeleigenschaften gewählt. Die Regelkonstanten werden dann mittels dieses Einstellalgorithmus bestimmt. Wenn dies getan ist, können die obigen Probleme des Standes der Technik gelöst werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das auf dem obigen Grundkonzept beruht, ist anhand der Fig. 2 beschrieben, die ein Regelsystem gemäß der Erfindung zeigt. Ein Automatisierungsgrad-Bezeichnungssignal 11a wird unter der Steuerung eines externen Operators 10 zu einer Automatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 13 gespeist, um einen Automatisierungsgrad 12a zu bestimmen. Ein adaptives Pegelbezeichnungssignal 11b, das den Grad einer Teilautomatisierung anzeigt, wird unter der Steuerung eines externen Operators zu einer Teilautomatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 14 gespeist, um eine Teilautomatisierung 12b zu bestimmen. Der Automatisierungsgrad 12a zeigt den Grad der zu berücksichtigenden Änderung in den Eigenschaften des Systems an. Beispielsweise kann ein eine Systemidentifizierung berücksichtigender Grad in Thermen eines Zeitintervalles ausgedrückt werden, wenn eine adaptive Regelung bezeichnet ist. Andererseits zeigt der Grad der Teilautomatisierung 12b den Grad einer Berücksichtigung von Eigenschaften eines Systems und Regeleigenschaften an, die von einem Regler in dem System verlangt sind. Beispielsweise kann der Grad der Komplexheit der Systemeigenschaften in Thermen von Regeleigenschaften betrachtet werden, die von einem Regler des Systems verlangt sind. Eine Automatisierungspegel-Bestimmungseinheit bestimmt einen Automatisierungspegel 15 bei Empfang des Automatisierungsgrades 12A und des Teilautomatisierungsgrades 12B. Eine Algorithmusspeichereinheit 17 speichert hierarchisch einen Satz von Algorithmen aus Einstellalgorithmen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Algorithmuswähleinheit 18 wählt einen optimalen Einstellalgorithmus gemäß dem Automatisierungspegel 15, der durch die Automatisierungspegel-Bestimmungseinheit 16 bestimmt ist. Der durch eine Ausgangsschnittstelle 20 von der Algorithmuswähleinheit 18 übertragene Einstellalgorithmus wird gemäß einer Algorithmusausführeinheit 19 ausgeführt. Durch die Ausführung des Algorithmus bestimmte Regelkonstanten werden in einen Regler 21 eines geregelten Systems 22 gesetzt.
• Der Betrieb des Regelungsunterstützungssystems wird anhand der Fig. 4 beschrieben. Wenn wenigstens eines von dem Automatisierungsgrad-Bezeichnungssignal 11A und/oder dem adaptiven Pegelbezeichnungssignal 11B von außerhalb des Systems unter der Steuerung eines Operators empfangen wird, wird das Automatisierungsgrad- Bezeichnungssignal 11A oder das adaptive Pegelbezeichnungssignal 11B in die Automatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 13 oder die Teilautomatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 14 gelesen (S31). Das Automatisierungsgrad-Bezeichnungssignal 11A oder das adaptive Pegelbezeichnungssignal 11B wird dann decodiert und verwendet, um den Automatisierungsgrad 12A oder den Teilautomatisierungsgrad 12B zu bestimmen, was die Position in der hierarchischen Anordnung angibt. Wenn beispielsweise nach Empfang eines Automatisierungs-Bezeichnungssignales 11A die Automatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 13 auf volle Automatisierung entscheidet, wird ein Automatisierungsgrad 12A zum Bezeichnen des Einstellalgorithmus festgelegt, der an der Spitze der Hierarchie gelegen ist. Im Gegensatz hierzu bestimmt abhängig von dem adaptiven Pegelbezeichnungssignal 11B die Teilautomatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 14 (S32) den Teilautomatisierungsgrad 12B zum Bezeichnen eines Einstellalgorithmus entsprechend einem hierarchischen Pegel niedriger als eine volle Automatisierung. Die Automatisierungspegel-Bestimmungseinheit 16 bestimmt dann (S33) aus dem Automatisierungsgradsignal 12A oder dem Teilautomatisierungsgradsignal 12B, das von der Automatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 13 oder Teilautomatisierungsgrad-Bestimmungseinheit 14 übertragen ist, eine Automatisierung, und ein Pegelsignal 15, das zuvor an einen hierarchischen Pegel des Satzes von Algorithmen in der Algorithmusspeichereinheit 17 angepaßt werden kann, wird zur Algorithmuswähleinheit 18 übertragen. Bei Empfang dieses Pegelsignales 15 wählt die Algorithmuswähleinheit 18 dann (S34) einen einzigen Einstellalgorithmus entsprechend diesem Pegelsignal 15, liest diesen Algorithmus aus der Algorithmusspeichereinheit 17, stellt geeignet die Parameter des Algorithmus ein und führt dann (S35) diesen über die Ausgangsschnittstelle 20 in der Algorithmusausführeinheit 19 aus.
• Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist daher der hierarchische Pegel einer Hierarchie von Algorithmen, die mit den gewünschten Regeleigenschaften zusammenfallen, aufgrund einer Bezeichnung eines Automatisierungsgrades oder einer Bezeichnung eines adaptiven Pegels, der von außen eingegeben ist, bestimmt, und aufgrund dieses hierarchischen Pegels wird dann der optimale Algorithmus aus dem Satz von Algorithmen in der Einheit 17 ausgesiebt und in der Algorithmusausführeinheit 19 gespeichert. Regelkonstanten können daher mittels eines Einstellalgorithmus bestimmt werden, der an die Eigenschaften des zu regelnden Systems angepaßt ist, und die von dem System oder einem Einstellalgorithmus verlangten Regeleigenschaften können aufgebaut, das heißt geeignet an die Spezifikation von Regeleigenschaften angepaßt werden, die durch den Benutzer verlangt sind, und die Regelkonstanten können zuverlässig mittels dieses so aufgebauten Einstellalgorithmus bestimmt werden. Weiterhin kann die Belastung für den Computer auf ein Minimum reduziert werden, während noch die geforderte Spezifikation erfüllt ist. Auch wird eine Automatisierung der Einstellung für einen weiten Bereich von Anlagen möglich, was bisher nicht durch Einstellalgorithmen erreicht werden konnte. Dies kann vollständig an die Regelung eines weiten Bereiches von Systemen angepaßt werden.
• In dem obigen Ausführungsbeispiel ist eine Konfiguration beschrieben, bei der der gewählte Einstellalgorithmus aus dem Satz von Algorithmen gelesen und zu einer Algorithmusausführungseinheit 19 übertragen ist. Jedoch kann eine Konfiguration angewandt werden, bei der beispielsweise der Algorithmus direkt permanent in dem tatsächlichen Programmbereich stationiert ist, ohne durch einen Übertragungsprozeß zu verlaufen. Abgesehen hiervon kann die Erfindung in verschiedenen modifizierten Wegen ausgestaltet werden, ohne von dem Bereich ihres Kernes abzuweichen.
• Wie oben beschrieben ist, wird mit dieser Erfindung eine Hierarchie von Algorithmen, die zuvor erdacht sind, entsprechend verschiedenen Typen von zu regelnden Systemen vorbereitet. Ein einziger Einstellalgorithmus wird dann ausgelesen, der an die geforderte Spezifikation des Benutzers und das zu regelnde System angepaßt ist, und dieser Algorithmus wird ausgeführt. Optimale Regelkonstanten für das zu regelnde System können daher bestimmt werden, und der Computer kann bei seiner auf ein Minimum reduzierten Last verwendet werden, während noch die geforderte Spezifikation erfüllt ist. Eine Automatisierung der Einstellung kann daher für einen weiten Bereich von zu regelnden Systemen erzielt werden.

Claims (4)

1. Regelungsunterstützungssystem zum automatischen Bestimmen von Regelungskonstanten einschließlich Proportionalverstärkung, Integralzeit und Differentialzeit eines Reglers (21), der zum Regeln eines gegebenen Systems (22) gemäß Eigenschaften des gegebenen Systems (22) und gewünschten Regeleigenschaften des Reglers (21) verwendet ist, durch Verwenden eines Regelkonstanten-Bestimmungsalgorithmus, gekennzeichnet durch:

eine Automatisierungspegel-Bestimmungseinrichtung (23) zum Bestimmen eines gewünschten Automatisierungspegels des Reglers (21) gemäß den Eigenschaften des gegebenen Systems (22) und den gewünschten Regeleigenschaften des Reglers (21),

eine Algorithmusspeichereinrichtung (17) zum Speichern mehrerer Algorithmen, die Regelkonstanten des Reglers (21) bestimmen, wobei die mehreren Algorithmen in einer hierarchischen Reihenfolge von Automatisierungspegeln gespeichert sind,

eine Algorithmuswähleinrichtung (18) zum Wählen eines optimalen Algorithmus unter den mehreren, in der Algorithmusspeichereinrichtung (17) gespeicherten Algorithmen gemäß dem gewünschten Automatisierungspegel des Reglers (21), bestimmt durch die Automatisierungspegel-Bestimmungseinrichtung (23), und

eine Algorithmusausführungseinrichtung (19) zum Ausführen des durch die Algorithmuswähleinrichtung (18) gewählten optimalen Algorithmus, um die Regelkonstanten des Reglers (21) zu bestimmen.

2. Regelungsunterstützungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Automatisierungspegel-Bestimmungseinrichtung (23) umfaßt:

eine Automatisierungsgrad-Bestimmungseinrichtung (13) zum Bestimmen des Automatisierungsgrades, der den Grad einer in den Eigenschaften des gegebenen Systems (22) zu berücksichtigenden Änderung anzeigt,

eine Teilautomatisierungsgrad-Bestimmungseinrichtung (14) zum Bestimmen des Teilautomatisierungsgrades, der den Grad der Berücksichtigung der Eigenschaften des gegebenen Systems (22) und die gewünschten Regeleigenschaften des Reglers (21) anzeigt, und

eine Automatisierungspegel-Bestimmungseinrichtung (16) zum Bestimmen des Automatisierungspegels gemäß dem Automatisierungsgrad und dem Teilautomatisierungsgrad.

3. Verfahren zum automatischen Bestimmen von Regelkonstanten einschließlich Proportionalverstärkung, Integralzeit und Differentialzeit eines Reglers (21), der zum Regeln eines gegebenen Systems (22) gemäß Eigenschaften des gegebenen Systems (22) und gewünschten Regeleigenschaften des Reglers (21) verwendet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Bestimmen eines gewünschten Automatisierungspegels des Reglers (21) gemäß den Eigenschaften des gegebenen Systems (22) und den gewünschten Regeleigenschaften des Reglers (21),

Speichern mehrerer Algorithmen, die die Regelkonstanten des Reglers (21) bestimmen, wobei die mehreren Algorithmen in einer hierarchischen Reihenfolge von Automatisierungspegeln gespeichert sind,

Wählen eines optimalen Algorithmus unter den mehreren Algorithmen gemäß dein gewünschten Automatisierungspegel des Reglers (21), und Ausführen des gewählten optimalen Algorithmus zum Bestimmen der Regelkonstanten des Reglers (21).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt folgende Unterschritte aufweist:

Bestimmen des Automatisierungsgrades, der den Grad einer in den Eigenschaften des gegebenen Systems (22) zu berücksichtigenden Änderung anzeigt,

Bestimmen des Teilautomatisierungsgrades, der den Grad der Berücksichtigung der Eigenschaften des gegebenen Systems (22) und die von dem Regler (21) verlangten Regeleigenschaften anzeigt, und

Bestimmen des Automatisierungspegels gemäß dem Automatisierungsgrad und dem Teilautomatisierungsgrad.