DE10231417B4

DE10231417B4 - Modellfreie Adaptation eines Prozessreglers (Prozesssteuereinheit)

Info

Publication number: DE10231417B4
Application number: DE10231417A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm K. Wojsznis; Terrence L. Blevins; Dirk Thiele; John A. Gudaz
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: CN1484118A; GB2380562A; DE10231417A1; GB0216285D0; HK1061720A1; US20030067355A1; JP2003157103A; CN101241353B; GB2380562B; US6970750B2; CN100422882C; CN101241353A; JP4226859B2

Abstract

Ein adaptiver Prozessregler führt eine Prozessvariable so, daß diese im Wesentlichen gleich einem Sollwert ist und adaptiert die Reglerverstärkung, das Regler-Reset und/oder die Regler-Rate, basierend auf modellfreier Adaptation. Der adaptive Regler vereint eine Reglerverstärkung, die aus einem Schwingungsindex berechnet wird, mit einer Reglerverstärkung, die aus einer Abschätzung eines stabilen Zustands berechnet wird und das adaptiert die Regler-Reset/-Rate, indem das Verhältnis von zwei aus der Gruppe, Regler-Proportional-, Integral- oder Differentialterm, gezwungen wird, gleich einem vorgegebenen Wert zu sein.

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Abstimmvorrichtung gemäß Anspruch 1, 12 und 22, ein Verfahren gemäß Anspruch 27 und 32 sowie ein Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 37.
Es ist bekannt, einen Prozessregler, wie zum Beispiel einen Proportional-Integral(PI)-Regler, einen Proportional-Integral-Differential(PID)-Regler oder einen Fuzzylogik-Regler (FLR) zum Regeln eines Prozesses zu verwenden, um eine Prozessvariable auf einem gewünschten Sollwert zu halten. Solche Prozessregler verwenden typischerweise eine Reihe von Reglerparametern, wie zum Beispiel Verstärkung des Reglers, Integrierzeit des Reglers (Reset genannt) und Differenzierzeit (Rate genannt), welche in der gewünschten Weise entwickelt wurden, um die Prozessvariable zu regeln (steuern). Obgleich der Prozess funktioniert, ist es jedoch typischerweise nützlich und manchmal notwendig, die Reglerparameter anzugleichen, um Änderungen im Prozess oder der Sollwerte abzugleichen oder den Regler aufgrund beobachteter, betriebsbedingter Kenngrößen zu optimieren.
Ein modellfrei adaptiver Prozessregler verwendet ein typisches Antwortverhalten eines Reglers im geschlossenen Regelkreis, um Sollwert-Änderungen oder Laststörgrößen zu adaptieren und auf sie anzusprechen. In einem Beispiel eines modellfrei adaptiven Prozessreglers misst das System die Schwingungsperiode und erfasst die tatsächliche Dämpfung und Überschwingweite des Fehlersignals. Wenn es keine Schwingungen im Fehlersignal gibt, wird der Reglerparameter ,proportionale Verstärkung' angehoben und die Reglerparameter ,Integrier-' und ,Differenzierzeit' werden gesenkt. Wird eine Schwingung im Fehlersignal erfasst, wird die Dämpfung und die Überschwingweite der Schwingung gemessen und die Reglerparameter ,Verstärkung', ,Regler-Integrierzeit' und ,Differenzierzeit' werden entsprechend abgeglichen.
Obwohl dieses Beispiel eines modellfrei adaptiven Ansatzes einfach ist, zeigten sich einige Mängel. Insbesondere ist dieser Ansatz nur dann anwendbar, wenn das Antwortverhalten der Regelung (Steuerung) schwingend ist. Ist das Antwortverhalten der Regelung nicht schwingend, müssen die Reglerparameter oder der Sollwert verändert werden, um eine Schwingung zu induzieren und eine Adaptation zu forcieren. Demzufolge benötigt die Adaptation mehr als eine Sollwert-Änderung, um einen überbedämpften Regler abzugleichen und außerdem ist der Regler dadurch beschränkt, dass er für eine Schwingantwort mit einer relativ kleinen Sicherheitsreserve abgeglichen ist.
Dadurch, dass man erkannt hat, dass modellfrei adaptive Regler das Leistungsvermögen haben, weniger Berechnungen ausführen zu müssen und einfachere Algorithmen erfordern als typische, modellbasiert adaptive Regler, wurden einige Bestrebungen unternommen, um obige, erkannte Mängel beim Verwenden modellfrei adaptiver Regler zu beheben. Zum Beispiel erläutert Marsik, J. und Strejc, V., „Application of Identification-Free Algorithms for Adaptive Control”, Automatica, vol. 25, No. 2, pp. 273–277, 1989, einen exemplarischen modellfrei adaptiven PID-Regler. In diesem Artikel bemerken Marsik und Strejc, dass in einem korrekt abgeglichenen Regler die mittleren Absolutwerte all der Proportional-, Integral- und Differentialterme des Reglers, die die Änderung der Reglerausgabe festlegen, ungefähr gleich sind. Demzufolge beschreibt dieser Artikel eine adaptive Routine, die einen Prozessregler abgleicht, indem die Reglerparameter auf Werte gezwungen werden, um damit zu bewirken, dass die mittleren Absolutwerte all der individuellen Proportional-, Integral- oder Differentialterme gleich sind.
Leider zeigt der von Marsik und Strejc vorgeschlagene modellfreie Adaptations-Regler eine geringe Konvergenz, durchläuft manchmal Bereiche von Instabilität und scheint für die meisten Prozessregelungsprobleme nicht richtig zu sein. Außerdem empfiehlt sich die von Marsik und Strejc vorgeschlagene adaptive Routine nicht für die Anwendung bei nicht-linearen Reglern, wie Fuzzylogik-Reglern.
Insbesondere ist, trotz einer Anzahl von Veröffentlichungen im letzten Jahrzehnt, die die Vorteile von Fuzzylogik-Reglern veranschaulichen, die Verbreitung dieser Regler in der Industrie äußerst unbedeutend. Ein Grund dafür, dass Fuzzylogik-Regler relativ wenig genutzt werden, ist die Schwierigkeit, sie abzugleichen. Obwohl sich ein erheblicher Aufwand auf das Abgleichen einfacher Fuzzylogik-Regier konzentriert hat, wobei der Regler zwei oder drei Zugehörigkeitsfunktionen am Eingang und eine ähnliche Anzahl von Zugehörigkeitsfunktionen am Ausgang festlegt, gab es keine Andeutung, Ansätze modellfreier Adaptation bei Fuzzylogik-Reglern zu verwenden.
Aus der DE 691 17 652 T2 ist eine Abstimmvorrichtung zur Verwendung beim Abstimmen eines Prozessreglers bekannt, der einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungssignal zu erzeugen. Die Abstimmvorrichtung weist eine erste Baugruppe, die ein Fehlersignal aufbaut, das den Unterschied zwischen dem Sollwert und der Prozessvariable darstellt und eine Verstärkungs-Adaptions-Baugruppe auf, die das Fehlersignal verwendet, um eine Verstärkung zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers aufzubauen. Die Verstärkungs-Adaptions-Baugruppe errechnet die Verstärkung als eine Kombination von einer Schwingungsindex-Verstärkung und einer Verstärkung, die aus einer bleibenden Verstärkung des Prozesses errechnet wird. Die Abstimmvorrichtung hat des Weiteren eine zweite Baugruppe, welche die Prozessvariable überwacht, um zu erfassen, wenn die Prozessvariable schwingt, und beim Erfassen des Schwingens der Prozessvariable die Verstärkung abwandelt, um die Prozessvariable von Schwingungen abzuhalten.
Aus der DE 195 25 907 A1 geht eine selbsteinstellbare Regeleinrichtung hervor.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, insbesondere von der DE 691 17 652 T2 , ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Abstimmvorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe durch Abstimmvorrichtungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 12 und 22, ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 27 und 32 sowie ein System gemäß dem unabhängigen Anspruch 37 gelöst.
Es wird hierin ein modellfrei adaptiver Regler beschrieben, der einige Mängel älterer modellfrei adaptiver Regler-Systeme reduziert. Das beschriebene System zeigt zum Beispiel eine bessere Konvergenz, die Reglerparameter anzugleichen, reduziert die Wechselwirkung zwischen der Verstärkung und der Reset-Adaptation, erlaubt Flexibilität beim Erfüllen von Reglerabgleich-Anforderungen, reduziert die Wechselwirkung des Rauschens mit der Verstärkungs-Angleichung und arbeitet in einem geschlossenen Regelkreis-System mit kleinen oder auch großen Totzeiten, sowie in Regelkreisen mit variabler Totzeit. Außerdem reduziert das beschriebene System die Schwierigkeit, die oft mit dem Abgleichen von Fuzzylogik-Reglern zusammenhängt.
1 ist ein Blockdiagramm eines modellfrei adaptiven PID-Prozessregelungssystems;
2 ist ein Schaubild, das Regler-Verstärkung und Reset-Adaptation in Abhängigkeit von sich ändernden Prozessparametern im System von 1 darstellt;
3 ist ein Schaubild, das Regler-Verstärkung und Reset-Adaptation in Abhängigkeit von sich ändernden Prozessparametern beim Auftreten von Rauschen im System von 1 darstellt;
4 ist ein Schaubild, das eine Prozessvariablen-Änderung in Abhängigkeit von einer Sollwert-Änderung, durch Verwenden des adaptiven PID-Prozessregelungssystems von 1 darstellt;
5 ist ein Blockdiagramm eines modellfrei adaptiven Fuzzylogik-Prozessregelungssystems;
6 ist ein Schaubild, das eine Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor und eine Fehlerskalierungsfaktor-Adaptation in Abhängigkeit von sich ändernden Prozessparametern im System von 5 darstellt;
7 ist ein Schaubild, das eine Prozessvariablen-Änderung in Abhängigkeit von einer Sollwert-Änderung, als Ergebnis der Adaptationen, wie in 5 dargestellt, darstellt und
8 ist ein Schaubild, das eine Prozessvariablen-Änderung in Abhängigkeit einer Sollwert-Änderung, durch Verwenden des adaptiven Fuzzylogik-Prozessregelungssystems von 5 darstellt.
1 stellt ein Blockschaltbild eines adaptiven PID-Regelungssystems oder Tuners dar, das allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet wird. Das adaptive PID-Regelungssystem 10 beinhaltet einen Prozessregler 12, einen Prozess 14, eine Überwachungseinheit (supervisor) 16, einen Anregungsgenerator (excitation generator) 18, einen Verstärkungs-Adaptations-Block 20, einen Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 und einen Sicherheitsnetz-Block 24, die zur Kommunikation wie in 1 dargestellt, verbunden sind. In Übereinstimmung mit Standard-Regelungssystem-Operationen des geschlossenen Regelkreises wird ein Prozess-Ausgangssignal oder eine Prozessvariable PV vom Prozess 14 abgetastet und am Summations-Block 26 zum Vergleich mit dem Sollwert SP angelegt. Ein Ausgangssignal vom Anregungsgenerator 18 kann ebenfalls am Summations-Block 26 angelegt werden, wie im Detail unten beschrieben. Ein Fehlersignal, das als Differenz zwischen der Prozessvariablen PV und dem Sollwert SP festgelegt ist, wird zum Prozessregler 12 gesendet, der in diesem Beispiel eine beliebige Ausführung eines PID-Reglers oder eine seiner Varianten sein kann.
Im Betrieb im geschlossenen Regelkreis wird der Ausgang des Prozessreglers 12 an einen Summations-Block 28 angelegt, wo er mit einem Ausgangssignal des Anregungsgenerators 18 summiert werden kann, und der Ausgang von Block 28 wird als Kontrollsignal OUT am Prozess 14 angelegt. Auf diese Weise, in Übereinstimmung mit üblichen Regelungs-Prinzipien des geschlossenen Regelkreises, arbeitet der Prozessregler 12, um die Prozessvariable PV zu regeln, so dass sie im Wesentlichen gleich dem Sollwert SP ist, auf folgende allgemeine Gleichung gestützt:
wobei:

u(k): = das Kontrollsignal OUT zum Zeitpunkt k;
K_c(k): = die Regler-Verstärkung zum Zeitpunkt k;
e(k): = das Fehlersignal, die Differenz zwischen dem Sollwert SP und der Prozessvariablen PV, zum Zeitpunkt k;
T_s: = das Abtast-Zeit-Intervall;
T_i(k): = das Reset oder die Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k;
T_d(k): = das Rate oder die Regler-Differenzierzeit zum Zeitpunkt k und
Δe(k): = die Änderung im Fehlersignal zum Zeitpunkt k oder e(k) – e(k – 1).

Ein äquivalenter PID-Regler kann inkremental so dargestellt werden:
wobei:

Δ²e(k): = Δe(k) – Δe(k – 1); die Änderung der Änderung im Fehlersignal zum Zeitpunkt k.

Allgemein ausgedrückt gleicht das adaptive PID-Regelungssystem 10 die Regler-Verstärkung K_c, ebenso wie einen oder mehrere der Reglerparameter aus (d. h. die Regler-Integrierzeit und -Differenzierzeit der Gleichung (1)). Um die Regler-Verstärkung K_c anzugleichen, kombiniert der Verstärkungs-Adaptations-Block 20 eine Regler-Verstärkung K_c ^OSC, die aus einem Schwingungsindex berechnet wird und eine Regler-Verstärkung K_c ^SS, die durch eine Abschätzung der Verstärkung im Dauerzustand des Prozesses berechnet wird, um die Gesamt-Regler-Verstärkung K_c festzulegen, um dadurch ein Reglersystems zu schaffen, das weniger anfällig für Rauschen ist. Um die Terme zu adaptieren, die die Änderung der Ausgabe des Reglers wie in Gleichung (2) darstellen, gleicht der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 bestimmte Reglerparameter an, wie Reset oder Rate, um das Verhältnis von zwei oder mehreren der Regler-Terme zu zwingen, gleich einer vorgegebenen Konstante zu sein.
In Betrieb überwacht die Überwachungseinheit 16 den Sollwert SP und die Prozessvariable PV und beginnt die Adaptation oder Angleichung unter einer oder mehreres vorgegebenen Bedingungen. Zum Beispiel kann die Überwachungseinheit 16 mit der Adaptation beginnen, wenn das Fehlersignal e oder die Änderung im Fehlersignal Δe größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, d. h. wenn eine oder beide der folgenden zwei Bedingungen erfüllt sind: |e(k)| > Emin (3) oder |Δe(k)| > ΔEmin (4) wobei:

E_min: = ein vorgegebener, minimaler Fehlersignal-Grenzwert und
Δ_Emin: = eine vorgegebene, minimaler Änderung im Fehlersignal-Grenzwert.

Der Anregungsgenerator 18 kann programmiert werden, automatisch eine Adaptation zu bestimmten Zeitpunkten zu veranlassen, eine Adaptation zu veranlassen, die periodisch auftritt oder die auftritt, wenn das System für eine vorgegebene, bestimmte Zeit in stabilem Zustand gearbeitet hat. Um eine Adaptation des adaptiven PID-Regelungssystems 10 zu veranlassen, kann der Anregungsgenerator 18 entweder automatisch oder unter Kontrolle der Überwachungseinheit 16 ein Kontrollsignal in einen oder beide der Summations-Blöcke einspeisen, Summations-Block 26 und Summations-Block 28, das ausreicht, um die Signale im System zu zwingen, eine oder mehrere der oben erwähnten, vorgegebenen Bedingungen zu erfüllen und dadurch einen Adaptationsvorgang auszulösen.
Sobald die Überwachsungseinheit 16 feststellt, dass eine Adaptation erforderlich ist, meldet die Überwachungseinheit 16 dem Verstärkungs-Adaptations-Block 20, mit der Adaptation der Regler-Verstärkung K_c zu beginnen. Der Verstärkungs-Adaptations-Block 20 vollzieht die Adaptation durch Berechnen der Regler-Verstärkung K_c als einen gewichteten Mittelwert der Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex berechnet wird, und einer Regler-Verstärkung, die durch Abschätzung der Verstärkung im Dauerzustand des Prozesses berechnet wird. Zum Beispiel kann die Regler-Verstärkung K_c gemäß der Gleichung abgeschätzt werden: wobei: K_c = α₁K_c ^SS(1 – α₁)K_c ^OSC (5)

α₁: = eine vorgegebene Verhältniskonstante, die zum Beispiel 0,4 sein kann;
K_c ^SS: = Regler-Verstärkung, die durch eine Abschätzung der Verstärkung im Dauerzustand des Prozesses berechnet wird und
K_c ^OSC: = Regler-Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex berechnet wird.

Insbesondere kann der Verstärkungs-Adaptations-Block 20 die Regler-Verstärkung K_c ^SS im stabilen Zustand durch Verwenden der Prozessausgabe (PV⁰) und der Reglerausgabe (OUT⁰) vor der Sollwert-Änderung bestimmen und einige Zeit nach der Sollwert-Änderung, wenn die Prozessausgabe (PV¹) und die Reglerausgabe (OUT¹) in einen neuen stabilen Zustand gelangen. Diese Berechnung kann gemäß folgender Gleichung ausgeführt werden:
wobei:

λ: = ein bekannter Lambda-Regier-Abgleichfaktor, verwendet beim Reglerabgleich im geschlossenen Regelkreis;
DT: = Prozess-Totzeit, die entweder bekannt ist oder durch eines der bekannten Verfahren abgeschätzt werden kann und
T_i(k): = das Regler-Reset zur Zeit k.

Obige Gleichung (5) kann so umgeformt werden:
da K^SS anders definiert werden kann als die Änderung in der Prozessausgabe (PV) über die Änderung in der Regelausgabe (OUT).
Außerdem kann die Regler-Verstärkung K_c ^OSC, die aus dem Schwingungsindex berechnet wird, so errechnet werden: K_c ^OSC = K_c ^OSC(k) + ΔK_c ^OSC(k) (8) wobei:

K_c ^OSC(k): = Regler-Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex berechnet wird, zur Zeit k und
ΔK_c ^OSC(k): = die Änderung in der Regler-Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex berechnet wird, zur Zeit k.

Der Anfangswert der Regler-Verstärkung K_c ^OSC, die aus dem Schwingungsindex berechnet wird, kann durch Verwenden bekannter PID-Regler-Abgleichmethoden bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Anfangswert K_c ^OSC durch Verwenden einer Relais-Schwingungs-Autoabgleichvorrichtung oder eines manuellen Regelkreis-Stufentests bestimmt werden.
Außerdem kann die Änderung in der Regler-Verstärkung ΔK_c ^OSC, die aus dem Schwingungsindex W(k) zur Zeit k berechnet wird, so bestimmt werden: ΔK_c ^OSC(k) = χK_c ^OSC(k)(W(k) + W_ref) (9) wobei:

χ: = eine vorgegebene Konstante, die die Geschwindigkeit der Verstärkungs-Adaptation regelt, die zum Beispiel zwischen den Werten 0,02 und 0,05 sein kann;
W_ref: = ein vorgegebener Wert, gewählt aus dem Intervall –1 bis +1, der zum Beispiel –0,5 sein kann

W(k) = sign[e(k)]sign[e(k) – 2e(k – 2) + e(k – 4)] (10)

Folglich müssen vier Abtastungen erfolgt sein, damit der Verstärkungs-Adaptations-Block 20 mit der Adaptation der Regelverstärkung K_c beginnt, weil der Schwingungsindex das Fehlersignal des Reglers zum Zeitpunkt k – 4 benötigt. Während sich überdies obige Berechnung auf k – 2 und k – 4 stützt, kann jeder Wert des Intervalls verwendet werden, einschließlich zum Beispiel k – 6, k – 8 etc.
Zusätzlich ist üblicherweise ein Rauschen in jedem Prozessregelungssystem vorhanden. Deshalb ist es wünschenswert, im Adaptationsprozess eine Rauschkompensation vorzusehen, um die Auswirkungen des Rauschens zu reduzieren. Zum Beispiel kann das Rauschen im adaptiven PID-Regelungssystem 10 durch den Verstärkungs-Adaptations-Block 20 dadurch einbezogen werden, dass er den vorgegebenen Wert W_ref durch einen statistisch festgelegten Wert, gemäß der folgenden Gleichung, ansteigen lässt: W noise / ref = W_ref + φσ (11) wobei:

W_ref ^noise: = der modifizierte vorgegebene Wert W_ref, der das Rauschen berücksichtigt;
φ: = ein vorgegebener Wert, der den Grad der Rauschkompensation definiert und der zum Beispiel zwischen 1 und 4 sein kann und
σ: = eine Leistungsfähigkeits-Standardabweichung, welche ein bekanntes Merkmal jedes modernen PID-Reglers ist und Rauschen und Änderungen höherer Frequenzen, die nicht über den Regler korrigiert werden können, am Prozessausgang widerspiegelt.

Als Ergebnis der Rauschkompensation, zeigt das adaptive PID-Regelungssystem 10 eine geringere Empfindlichkeit auf Rauschen im System.
Wie oben angegeben wurde, ist der Schwingungsindex K_c ^OSC rauschempfindlich und kann gemäß Gleichung (9) kompensiert werden. Ein alternativer Weg, den Schwingungsindex K_c ^OSC zu bestimmen, um ihn weniger rauschempfindlich zu machen, ist, den Schwingungsindex so zu bestimmen: W(k) = sign[e(k)]sign[e(k) – 2e(k – i) + e(k – 2i)] (12) wobei:

i: = int((k– k₀)/2) und
k: = die Zeit, bei welcher die Adaptation beginnt.

Alternativ kann die Berechnung des Schwingungsindex' K_c ^OSC, um ihn weniger rauschempfindlich zu machen, so geschrieben werden:
Folglich kann durch Verwenden obiger Gleichungen der Schwingungsindex bestimmt werden, sogar wenn die Prozessvariable PV den Sollwert SP durchläuft, solange die Richtung der Änderung in der Prozessvariablen PV positiv oder negativ bleibt. Sobald die Änderung in der Prozessvariablen PV die Richtung ändert, muss ein anderer Zyklus der Schwingungsindex-Berechnungen ausgeführt werden.
Nach Fertigstellung der Verstärkungs-Adaptation oder gleichzeitig mit der Verstärkungs-Adaptation weist die Überwachungseinheit 16 den Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 an, mit der Adaptation eines oder mehrerer Reglerparameter zu beginnen, welche die Proportional-, Integral- und Differentialterme des Reglers, wie im Folgenden beschrieben, betrifft. Insbesondere adaptiert der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 die Regler-Integrierzeit und/oder die -Differenzierzeit, um zwei der Reglerterme auf ein vorgegebenes Verhältnis zu zwingen. Zwar kann das Verhältnis eins sein, in welchem Falle die zwei Terme gleich sind, es kann das Verhältnis aber auch ungleich eins sein. Weiterhin adaptiert zwar das adaptive PID-Regelungssystem 10 von 1, wie im Folgenden beschrieben, die Regler-Integrierzeit T_i, um das Verhältnis des Proportional- und Integralterms des Reglers gleich einem vorgegebenen Verhältnis zu machen. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 programmiert werden kann, um jede Kombination der Regler-terme an ein oder mehrere Verhältnisse zu adaptieren. Zum Beispiel könnte das adaptive PID-Regelungssystem 10 die Differenzierzeit T_d adaptieren, um das Verhältnis der Proportional- und Differentialterme des Reglers auf einen bestimmten Wert zu bringen.
In einem Ausführungsbeispiel stellen der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 oder die Überwachungseinheit 16 erst fest, ob die folgende Gleichung erfüllt ist: e(k)·Δe(k) < 0 (14) wobei:

e(k): = das Fehlersignal, die Differenz zwischen dem Sollwert SP und der Prozessvariablen PV, zum Zeitpunkt k und
Δe(k): = die Änderung im Fehlersignal zum Zeitpunkt k.

Wenn die obige Gleichung erfüllt ist, was bedeutet, dass der Absolutwert des Fehlersignals abfällt, kann der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 beginnen, das Regler-Reset T_i zu adaptieren, um die Verstärkungs-Änderungen gemäß der folgenden Gleichung auszugleichen: T_i(k + 1) = T_i(k) + ΔT_i(k) (15) wobei:

T_i(k + 1): = die Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k + 1;
T_i(k): = die Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k;
ΔT_i(k): = die Änderung in der Regler-Integrierzeit oder im Regler-Reset zum Zeitpunkt k;

γ: = eine vorgegebene Konstante, die die Geschwindigkeit der Reset-Adaptation bestimmt, die zum Beispiel zwischen 0,05 und 0,5 sein kann

ΔP_k: = die Änderung im Regier-Proportiorialterm zum Zeitpunkt k;
ΔI_k: = die Änderung in der Regler-Integrierzeit des Reglers zum Zeitpunkt k und
α: = ein vorgegebenes Verhältnis.

Während der Reset-/Rate-Adaptation ist es das Ziel, die Regler-Integrierzeit T_i(k) zu adaptieren, um β auf gleich eins zu führen, was dann auftritt, wenn das aktuelle Verhältnis der Änderungen der Integral- und Proportionalterme gleich dem gewünschten Verhältnis α ist. Wie oben erwähnt, wird folglich die Regler-Integrierzeit T_i an einen Wert konvergieren, abhängig vom gewählten Wert von α. Der Wert für α kann durch die Beziehung mit λ gewählt werden, das in der Lambda-Abgleichung – ein Verfahren für die Bestimmung der Regler-Verstärkung – verwendet wird. Die folgende Beziehung wurde für die modellfreie Adaptation entwickelt:
wenn αλ = 1, dann konvergiert T_i(k) an einen Nullpol-Löschungs-Wert;
wenn αλ > 1, dann konvergiert T_i(k) an einen gröberen Wert als einen Nullpol-Löschungs-Wert und
wenn αλ < 1, dann konvergiert T_i(k) an einen kleineren Wert als einen Nullpol-Löschungs-Wert.
Zum weiteren Abklären dieser Beziehung, kann ein Abgleich-Faktor Λ, der den Wert der adaptiven PID-Regler-Integrierzeit in der gleichen Weise festlegt, wie λ im Lambda-Abgleich die Regler-Verstärkung festlegt, so bestimmt werden: Λ = 1/α.
Die Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k T_i(k) wird an einen Wert konvergieren, abhängig von αλ, gemäß der folgenden bekannten Beziehungen:
wenn Λ = λ, dann konvergiert T_i(k) an einen Nullpol-Löschungs-Wert;
wenn Λ < λ, dann konvergiert T_i(k) an einen größeren Wert als einen Nullpol-Löschungs-Wert und
wenn Λ > λ, dann konvergiert T_i(k) an einen kleineren Wert als einen Nullpol-Löschungs-Wert.
Der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 kann auch eine Kontrolle beinhalten, um die Wechselwirkung zwischen der Regler-Verstärkung K_c und der Regler-Integrierzeit T_i zu kompensieren. Zuerst kann der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 den folgenden Test vollziehen, um festzustellen, ob die Kompensation eintreten sollte: ΔT_i(k)·ΔK_c(k) > 0 (18) wobei:

ΔT_i(k): = die Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k und
ΔK_c(k): = die Änderung in der Regler-Verstärkung zum Zeitpunkt k.

Wenn der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 feststellt, dass die Wechselwirkung zwischen der Regler-Verstärkung und der Reset-Adaptation kompensiert werden sollte, d. h. dass die Regler-Integrierzeit T_i und die Regler-Verstärkung K_c sich beide positiv oder negativ ändern, können die folgenden Gleichungen verwendet werden, um den Wert der Regler-Integrierzeit T_i zu kompensieren oder zu korrigieren: T_i(k + 1)_corr = T_i(k + 1) + ΔT_i(k)_corr (19) wobei:

T_i(k + 1)_corr: = die kompensierte Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k + 1;
T_i(k + 1): = die nicht-kompensierte Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k + 1 und
ΔT_i(k)_corr: = eine kompensierte Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k.

ΔT_i(k)_corr kann zum Beispiel so bestimmt werden:
wobei:

ΔT_i(k): = die Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k;
ΔK_c(k): = die Änderung in der Regler-Verstärkung zum Zeitpunkt k;
K_c(k)_old: = die Regler-Verstärkung zum Zeitpunkt k vor den adaptiven Berechnungen und
κ: = ein vorgegebener Wert, der den Grad der Reset-Kompensation repräsentiert, der zum Beispiel 0,1 sein kann.

Um einem Schwingen der Prozessvariablen PV vorzubeugen, kann das adaptive PID-Regelungssystem 10 mit dem Sicherheitsnetz 24 ausgestattet werden. Wenn die Überwachungseinheit 16 während der Adaptation erfasst, dass das Antwortverhalten der Regelung schwingend ist, was erfasst werden kann, wenn die Prozessvariable und folglich der Fehler-Wert den Nullpunkt durchlaufen, d. h. wenn die folgende Gleichung erfüllt ist, e(k)·e(k – 1) < 0 (21) kann die Überwachungseinheit 16 das Sicherheitsnetz 24 aktivieren, um die Regler-Verstärkung K_c zu reduzieren. Um die Reduktion in der Regler-Verstärkung durchzuführen, kann das Sicherheitsnetz 24 folgende Gleichung nutzen: K_c(k + 1) = ηK_c(k) (22) wobei:

η: = eine vorgegebene Proportionalitäts-Konstante, die zum Beispiel 0,95 sein kann und
K_c(k): = die Regler-Verstärkung zum Zeitpunkt k.

2 zeigt ein Schaubild, das beides, die Regler-Verstärkung K_c, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 50, und die Regler-Integrierzeit T_i, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 52, gegen die Zeit darstellt, wobei die Regler-Verstärkung K_c und die Regler-Integrierzeit T_i in einem simulierten Prozessregelungssystem wie oben beschrieben adaptiert wurden, und zwar in Abhängigkeit von Änderungen in der Prozess-Verstärkungs-Charakteristik, die durch Linie 54 angegeben ist, und in der Prozess-Verzögerungs-Charakteristik, die durch Linie 56 angegeben ist. Insbesondere variierte die Prozess-Verstärkung 54 in der Zeit k wie 1,5 + sin(k/7200) und die Prozess-Verzögerung 56 variierte in der Zeit k wie 10 + 10sin(k/14400). Die Prozess-Totzeit war annähernd zwei Sekunden, der Sollwert wechselte alle 240 Sekunden, die Aufzeichnungs-Abtastrate war 20 Sekunden und das Verhältnis α wurde mit 1,6 gewählt. Wie das Schaubild von 2 zeigt: Während die Regler-Verstärkung K_c und die Regler-Integrierzeit T_i sich an die sich ändernden Reglerbedingungen adaptierten, hat die Regler-Verstärkung K_c (Linie 50) invers auf die Änderung in der Prozess-Verstärkung 54 angesprochen, während die Regler-Integrierzeit T_i (Linie 52) ein gutes Nachfolgen der Änderung der Prozess-Verzögerung 56 gezeigt hat.
3 zeigt ein Schaubild, das beides, die Regler-Verstärkung K_c, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 60, und die Regler-Integrierzeit T_i, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 62, gegen die Zeit darstellt, wobei die Regler-Verstärkung K_c und die Regler-Integrierzeit T_i in einem simulierten Prozessregelungssystem wie oben beschrieben adaptiert wurden, in Abhängigkeit von Änderungen in der Regler-Verstärkungs-Charakteristik, die durch Linie 64 angegeben ist, in der Prozess-Verzögerungs-Charakteristik, die durch Linie 66 angegeben ist, und bei Anwesenheit von Rauschen von ¼ von 1% (0,25%). Die Prozess-Verstärkung 64 variierte in der Zeit k wie 1,5 + sin(k/7200) und die Prozess-Verzögerung 66 variierte in der Zeit k wie 10 + 10sin(k/14400). Die Prozess-Totzeit war annähernd zwei Sekunden, der Sollwert änderte sich alle 240 Sekunden, die Aufzeichnungs-Abtastrate war 20 Sekunden und das Verhältnis α wurde mit 1,2 gewählt. Wie der Graph von 3 zeigt, waren die Auswirkungen des Rauschens beim Adaptations-Prozess minimal. Während die Regler-Verstärkung K_c und die Regler-Integrierzeit T_i sich an die sich ändernden Reglerbedingungen adaptierten, hat die Regler-Verstärkung K_c (Linie 60) invers auf die Änderung der Prozess-Verstärkung 64 angesprochen, während die Regler-Integrierzeit T_i (Linie 62) nach wie vor ein gutes Nachfolgen der Änderung der Prozess-Verzögerung 66 gezeigt hat. Insbesondere wurde das Produkt der Regler-Verstärkung K_c und der Prozess-Verstärkung als (Prozess-Verstärkung)·K_c + 5 aufgezeichnet (durch Linie 68 angegeben) und stellt eine stabile inverse Beziehung zwischen der Regler-Verstärkung K_c (Linie 60) und der Prozess-Verstärkung 64 dar, trotz der Anwesenheit von Rauschen.
4 zeigt ein Schaubild, das die Prozessvariable PV darstellt, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 70, die in einem simulierten Prozessregelungssystem wie oben beschrieben adaptiert wurde, in Abhängigkeit von einem sich ändernden Sollwert SP, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 72. In dem dargestellten Schaubild wurden der vorgegebene Wert W_ref mit –0,5 und das Verhältnis α mit 1,6 gewählt. Es sollte beachtet werden, dass das offensichtlich frühe Antworten der Adaptation der Prozessvariablen 70 in Antwort auf den sich ändernden Sollwert SP ein Ergebnis der Einschränkung des Daten-Historikers (der Datenaufzeichnung) ist, der zur Datenaufzeichnung benutzt wird. Wie aus 4 ersichtlich, zeigte die Änderung in der Prozessvariablen 70 ein sehr gutes Nachfolgen auf die Änderung im Sollwert 72.
Während das hier beschriebene adaptive PID-Regelungssystem 10 den Regler-Integrierzeit-Parameter T_i adaptiert, um das Verhältnis des Regler-Proportionalterms und der Regler-Integrierzeit des Reglers auf einen bestimmten Wert zu bringen, könnten – wie er Fachmann weiß – ähnliche Gleichungen verwendet werden, um die Differenzierzeit T_d zu adaptieren, um für das Verhältnis des Proportional-Regler-Terms und des Differenzier-Regter-Terms einen bestimmten Wert zu bestimmen. Ebenso könnten beide dieser Zusammenstellungen von Gleichungen verwendet werden, um T_i und T_d zu adaptieren, um für das Verhältnis des Differenzier- zum Integrier-Regler-Term auf einen bestimmten Wert zu bringen. Nach dem Adaptieren der Regler-Integrierzeit kann die Differenzierzeit alternativ so bestimmt werden: T_d = α_c·T_i, wobei α_c eine Konstante im Bereich von 1/4 bis 1/8 ist, zum Beispiel 1/6,25.
Außerdem adaptiert der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 in einer alternativen Ausführungsform die Regler-Integrierzeit und/oder die Differenzierzeit durch Verwenden der Differenz von zwei der Regler-Terme. Zum Beispiel könnte das adaptive PID-Regelungssystem 10 die Regler-Integrierzeit T_i durch Verwenden der Differenz des Proportional-Terms und der Regler-Integrierzeit adaptieren. Insbesondere kann die Regler-Integrierzeit bestimmt werden zu: |ΔP| – |ΔI|α = ΣΔ (23) wobei:

ΔP: = die Änderung im Regler-Proportional-Term;
ΔI: = die Änderung in der Regler-Integrierzeit des Reglers;
α: = ein vorgegebenes Verhältnis und

Umschreiben obiger Gleichung als:
oder: Σ|Δe(k)|T_i – Σ|e(k)|αT_s = T_iΣΔ (26) wobei:

e(k): = das Fehlersignal, die Differenz zwischen dem Sollwert SP und der Prozessvariablen PV, zum Zeitpunkt k;
T_s: = das Abtast-Zeitintervall;
T_i: = das Reset, oder die Regler-Integrierzeit;
Δe(k): = die Änderung im Fehlersignal zum Zeitpunkt k.

Dadurch dass man erkennt, dass es das endgültige Adaptations-Ziel ist, Δ auf Null zu führen, kann festgelegt werden dass: Σ|Δe(k)|T'_i – Σ|e(k)|αT_s = 0 (27) wobei: T'_i = T_i + ΔT_i
Die obigen Gleichungen kombinierend, kann die Änderung in der Regler-Integrierzeit ΔT_i endgültig so bestimmt werden: Σ|Δe(k)|ΔT_i = –T_iΣΔ (28) oder
In einer anderen Ausführungsform, gezeigt in 5, kann die oben beschriebene Adaptations-Methode ferner bei einem adaptiven Fuzzylogik-Regler(FLC)-System angewandt werden, das allgemein durch das Bezugszeichen 110 bestimmt wird. Das adaptive FLC-System 110 nutzt im Wesentlichen die gleichen Komponenten wie das adaptive PID-Regelungssystem 10, dargestellt in 1, abgesehen davon, dass im adaptiven FLC-System 110 der Prozessregler 12 durch einen Fuzzylogik-Regler 112 ausgetauscht ist und das FLC-System 110 zusätzlich einen Fehlerskalierungsfaktor/Reset-Adaptations-Übersetzungs-Block 114 und einen Ausgangs-Skalierungsfaktor-Adaptations-Übersetzungs-Block 116 beinhaltet.
Das adaptive FLC-System 110 arbeitet gemäß der gleichen Operationen des geschlossenen Regelkreises, wie oben, in Verbindung mit dem adaptiven PID-Regelungssystem 10, beschrieben. Insbesondere wird die Prozessvariable PV vom Prozess 14 abgetastet und dem Summations-Block 26 zum Vergleich mit dem Sollwert SP zugeführt. Das Ausgangssignal vom Anregungsgenerator 18 kann auch, wie oben beschrieben, dem Summations-Block 26 zugeführt werden. Das Fehlersignal e wird dann zum Fuzzylogik-Regler (FLC) 112 geliefert. Unterdessen arbeiten die Überwachungseinheit 16, der Verstärkungs-Adaptations-Block 20 und der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 in Übereinstimmung mit oben beschriebenen Gleichungen (2) bis einschließlich (17). Der Fehlerskalierungsfaktor-/Reset-Adaptations-Übersetzungs-Block 114 und der Ausgangs-Skalierungsfaktor-Adaptations-Übersetzungs-Block 116 übersetzen die berechneten Ergebnisse des Reset-/Rate-Adaptations-Blocks 22 und des Verstärkungs-Adaptations-Blocks 20 in Fuzzylogik-Skalierungsfaktoren, wie nachfolgend detailliert dargestellt.

Der FLC 112 arbeitet durch Verwenden vordefinierter Fuzzy-Regeln, Zugehörigkeitsfunktionen und einstellbaren Skalierungsfaktoren. Der FLC 112 übersetzt physikalische Größen, die einem Prozess-Regelkreis zugehörig sind, in Fuzzylogik-Größen, durch Verwenden eines Fehlerskalierungsfaktors S_e, einer Änderung im Fehlerskalierungsfaktor S_Δe und durch Bestimmen eines Grads der Zugehörigkeit in jeder der vordefinierten Zugehörigkeitsfunktionen. Fuzzylogik-Größen der Regelungs-Eingabe werden dann benutzt, um Fuzzylogik-Größen der Regelungs-Ausgabe durch Verwenden von Inferenz-Regeln aufzubauen. In einem Ausführungsbeispiel kann der FLC 112 die folgende Tabelle während des Inferenz-Prozesses verwenden.

Nummer	Regel
Regel 1	Wenn der Fehler e NEGATIV ist und die Änderung im Fehler Δe
	NEGATIV ist, ändere die Ausgabe Δu in POSITIV.
Regel 2	Wenn der Fehler e NEGATIV ist und die Änderung im Fehler Δe
	POSITIV ist, ändere die Ausgabe Δu in NULL.
Regel 3	Wenn der Fehler e POSITIV ist und die Änderung im Fehler Δe
	NEGATIV ist, ändere die Ausgabe Δu in NULL.
Regel 4	Wenn der Fehler e POSITIV ist und die Änderung im Fehler Δe
	POSITIV ist, ändere die Ausgabe Au in NEGATIV.

Gemäß dieser Tabelle verwendet der FLC 112 zwei Zugehörigkeitsfunktions-Werte, für jeden aus der Gruppe „Fehler e und die Änderung im Fehler Δe im Regelungseingabe-Aufbau” und drei Einzelwerte für die Änderung in der Ausgabe Δu. Die zwei Zugehörigkeitsfunktions-Werte für jeden aus der Gruppe „Fehler e und die Änderung im Fehler Δe” sind negativ und positiv. Die drei Einzelwerte für die Änderung in der Ausgabe Δu sind negativ, Null und positiv. Nicht-Linerarität der Fuzzylogik-Regelung ergibt sich aus einer Übersetzung von Prozessvariablen PV auf ein Fuzzy Set (fuzzification), Inferenz-Regeln und Übersetzung des Fuzzy-Sets auf ein kontinuierliches Signal (defuzzification).
Die Fuzzylogik-Skalierungsfaktoren beziehen sich auf die Regler-Verstärkung K_c und das Reset T_i oder das Rate T_d, wie sie in einem typischen Proportional-Integral-Differential(PID)-Regler verwendet werden. Ähnlich dem oben beschriebenen adaptiven PID-Regelungssystem 10, adaptiert das FLC-System 110 die Regler-Verstärkung K_c und das Reset T_i oder das Rate T_d gemäß der oben ausführlich dargestellten modellfrei adaptiven Gleichungen.
Der Ausgabe-Skalierungsfaktor-Adaptations-Übersetzungs-Block 116 kann dann die Regler-Verstärkung K_c verwenden, die im Verstärkungs-Adaptatians-Block 20 gemäß folgender bekannter Gleichungen berechnet wird: S_Δu = XS_ΔeK_c (30) wobei:

S_Δu: = die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor;
X: = eine vorgegebene Konstante, die zum Beispiel zwischen den Werten 2 und 4 sein kann;
S_Δe: = die Änderung im Fehler-Skalierungsfaktor und
K_c: = die Regler-Verstärkung

S_Δe = β_sfΔSP (31)

ΔSP: = die Sollwert-Änderung im Verhältnis zu einer Nenn-Änderung, zum Beispiel 1%

β_sf kann zum Beispiel so bestimmt werden:
wobei:

D: = die Prozess-Totzeit und
T_c: = eine Prozess-Verzögerung.

Währenddessen kann der Fehlerskalierungsfaktor-/Reset-Adaptations-Übersetzungs-Block 114 die im Reset-/Rate-Adaptations-Block 22 berechnete Regler-Integrierzeit T_i verwenden, gemäß der folgenden Gleichung:
wobei:

S_e: = der Fehlerskalierungsfaktor;
T_i: = die Regler-Integrierzeit;
S_Δe: = die Änderung im Fehlerskalierungsfaktor und
Δt: = die Regler-Abtastperiode.

Wie im adaptiven PID-Regelungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann das adaptive FLC-System 110 auch mit dem Sicherheitsnetz 24 ausgestattet sein, um der Schwingung der Prozessvariablen PV vorzubeugen. Speziell kann die Überwachungseinheit 16 das Sicherheitsnetz 24 aktivieren, um die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor S_Δu zu reduzieren. Um die Reduzierung in der Regler-Verstärkung zu bewirken, kann das Sicherheitsnetz 24 folgende Gleichung verwenden; S_Δu(k + 1) = ηS_Δu(k) (34) wobei:

η: = eine vorgegebene Proportionalitätskonstante, die zum Beispiel 0,95 sein kann und
S_Δu: = die Änderung im Ausgabe-Skalierungsfaktor.

6 zeigt ein Schaubild, das beides, die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor S_Δu, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 150 und den Fehlerskalierungsfaktor S_e, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 152, gegen die Zeit darstellt, wobei die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor S_Δu und im Fehlerskalierungsfaktor S_e in einem simulierten Fuzzylogik-Prozessregelungssystem, wie oben beschrieben, adaptiert wurden, in Abhängigkeit von Änderungen in der Prozess-Verstärkungs-Charakteristik, angegeben durch Linie 154, und der Prozess-Verzögerungs-Charakteristik, angegeben durch Linie 156. Genauer variierte die Prozess-Verstärkung 154 über die Zeit k wie 1,5 + sin(k/7200) und die Prozess-Verzögerung 156 variierte über die Zeit k wie 15 + 10·sin(k/14400). Die Prozess-Totzeit war annähernd 2 Sekunden, der Sollwert ändert sich alle 120 Sekunden, die Aufzeichnungs-Abtastrate war 10 Sekunden und das Verhältnis α wurde mit 1,2 gewählt. Das Schaubild von 6 zeigt: Während die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor S_Δu und im Fehlerskalierungsfaktor S_e sich an die sich ändernden Reglerbedingungen anpassten, hat die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor S_Δu (Linie 150) invers auf die Änderung in der Prozess-Verstärkung 154 angesprochen, während der Fehlerskalierungsfaktor S_e (Linie 152), welcher als S_e·5 aufgezeichnet wurde, ein gutes Nachfolgen der Änderung der Prozess-Verzögerung 156 gezeigt hat.
7 zeigt ein Schaubild, das die Prozessvariable PV darstellt, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 160, adaptiert im gleichen simulierten Fuzzylogik-Prozessregelungssystem 110, wie in 6 veranschaulicht, in Abhängigkeit von einem sich ändernden Sollwert SP, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 162. Gemäß 7 zeigte die Änderung in der Prozessvariablen 160 ein sehr gutes Nachfolgen der Änderung im Sollwert 162.
8 zeigt ein Schaubild, das die Prozessvariable PV darstellt, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 170, adaptiert in einem anderen simulierten Fuzzylogik-Prozessregelungssystem durch Verwenden der hier beschriebenen Prinzipien, in Abhängigkeit von einem sich ändernden Sollwert SP, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 172. Im simulierten Prozessregelungssystem war die Prozess-Verstärkung 1,5, die Änderung im Reglerausgabe-Skalierungsfaktor S_Δu war 1,0, die Prozess-Totzeit war zwei Sekunden, die Aufzeichnungs-Abtastrate war 10 Sekunden, die Prozess-Verzögerung wurde von 15 Sekunden auf 5 Sekunden geändert, der Sollwert änderte sich alle 120 Sekunden um +/–6%, der Wert von α wurde mit 1,2 gewählt und der Wert von λ wurde mit 0,2 gewählt. Die Prozess-Adaptation wurde nach der 17. Abtastung ausgelöst. Gemäß 8 zeigte die Änderung in der Prozessvariablen PV (Linie 170) ein sehr gutes Nachfolgen der Änderung im Sollwert SP (Linie 172), nachdem die Adaptation ausgelöst wurde.
Während das adaptive PID-Regelungssystem 10 nach 1 und das adaptive FLC-System 110 nach 5 in einem Blockschaltbild-Format dargestellt werden, ist es so zu verstehen, dass die Überwachungseinheit 16, der Verstärkungs-Adaptations-Block 20, der Reset-/Rate-Adaptations-Block 22, das Sicherheitsnetz 24, der Skalierungsfaktor-Fehler-/Rate-Übersetzungs-Block 114 und der Skalierungsfaktor-Ausgabe-Übersetzungs-Block 116 in separate oder gemeinsame Hardware, speicherbasierte Software, die auf einem Prozessor läuft, oder in Firmware eingebunden werden können. Diese Komponenten können in dem gleichen Gerät oder Prozessor oder in verschiedenen Geräten oder Prozessoren, wie gewünscht, eingebunden werden und durch Verwenden jeder beliebigen Programmiersprache programmiert werden. Außerdem können diese Komponenten innerhalb eines Reglers, wie der Regler 12, im Anregungsgenerator 18 oder jeder anderen Einheit eingebunden werden. Der Anregungsgenerator 18 kann ebenfalls jede gewünschte Art von Signal-Generator sein, wie ein Rechteck-Generator, ein Sinus-Generator etc. und kann von digitaler oder analoger Art sein.

Claims

Abstimmvorrichtung zur Verwendung beim Abstimmen eines Prozessreglers, der einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungs-Signal zu erzeugen, wobei die Abstimmvorrichtung Folgendes aufweist: eine erste Baugruppe, die ein Fehlersignal aufbaut, das den Unterschied zwischen dem Sollwert und der Prozessvariablen darstellt; eine Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe, die das Fehlersignal verwendet, um eine Verstärkung zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers aufzubauen, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe die Verstärkung errechnet als eine Kombination von einer Schwingungsindex-Verstärkung und einer Verstärkung, die aus einer bleibenden Verstärkung des Prozesses errechnet wird und eine zweite Baugruppe, welche die Prozessvariable überwacht, um zu erfassen, wenn die Prozessvariable schwingt und über die Erfassung des Schwingers der Prozessvariablen die Verstärkung abwandelt, um die Prozessvariable vom Schwingen abzuhalten.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Baugruppe ferner die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe veranlasst, die Verstärkung aufzubauen, wenn das Fehlersignal größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen Anregungsgenerator aufweist, welcher ein Anregungssignal erzeugt und einen Addierer, welcher das Fehlersignal mit dem Anregungssignal addiert, um zu bewirken, dass das Fehlersignal größer als der vorgegebene Grenzwert ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Baugruppe erfasst, wenn die Prozessvariable schwingt, indem erfasst wird, wenn das Fehlersignal einen Nullpunkt durchläuft.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Baugruppe die Verstärkung durch Vervielfachen der Verstärkung mit einer Dämpfungskonstante abwandelt, um die Prozessvariable vom Schwingen abzuhalten.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Dämpfungskonstante eine positive Konstante kleiner als 1 ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe ferner eines aus der Gruppe aufbaut, eine Proportional-Integral-Differential(PID)-Reglerverstärkung, eine Proportional-Integral(PI)-Reglerverstärkung oder eine Proportional-Differential(PD)-Reglerverstärkung.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe die Verstärkung als gewichtete Addition der Verstärkung, die aus der Schwingungsindex-Verstärkung bestimmt wird, und der Verstärkung, die aus der bleibenden (steady state) Verstärkung des Prozesses bestimmt wird, errechnet.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe die Reglerverstärkung aus der bleibenden (steady state) Verstärkung des Prozesses errechnet zu:
wobei: K_c ^SS = die Verstärkung, die aus dem Übertragungsbeiwert des Prozesses bestimmt wird; PV⁰ = die Prozessvariable vor einer Änderung im Sollwert; OUT⁰ = eine Reglerausgabe vor der Änderung im Sollwert; PV¹ = eine Prozessvariable des stabilen Zustandes nach der Änderung im Sollwert; OUT¹ = eine Reglerausgabe des stabilen Zustandes nach der Änderung im Sollwert; λ = Lambda-Regler-Abgleichfaktor; DT = eine Prozess-Totzeit und T_i(k) = ein Regler-Reset zum Zeitpunkt k.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe die Reglerverstärkung aus dem Schwingungsindex wie folgt errechnet: K_c ^OSC = K_c ^OSC(k) + ΔK_c ^OSC(k) wobei: K_c ^OSC(k) = die Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex zum Zeitpunkt k bestimmt wird; K_c ^OSC(k – 1) = die Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex zum Zeitpunkt k – 1 bestimmt wird, wobei K_c ^OSC(k – 1) unter Verwendung einer bekannten PID-Regel-Abgleichmethode, z. B. durch Verwendung einer Relais-Schwingungs-Autoabgleichvorrichtung, bestimmt wird, wenn der Wert nicht bereits mittels der oben genannten Formel berechnet wurde; ΔK_c ^OSC(k) = eine Änderung in der Verstärkung, die aus dem Schwingungsindex zum Zeitpunkt k bestimmt wird; wobei: ΔK_c ^OSC(k) = χK_c ^OSC(k)(W(k) + W_ref) wobei: χ = eine vorgegebene Konstante zwischen den Werten 0,02 und 0,05; W_ref = ein vorgegebener Wert, gewählt aus dem Intervall –1 bis +1; W(k) = ein Schwingungsindex zum Zeitpunkt k; wobei:
i = int((k – k₀)/2); k₀ = Zeit, zu der die Adaptation begonnen hat und e(k) = das Fehlersignal zum Zeitpunkt k.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe ferner den Effekt von Rauschen durch Abänderung des vorgegebenen Werts W_ref durch einen festgelegten Wert, der abhängig ist vom Rauschpegel, reduziert.
Abstimmvorrichtung zur Verwendung beim Abstimmen eines Prozessreglers, welcher einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungssignal zu erzeugen, wobei die Abstimmvorrichtung Folgendes umfasst: eine erste Baugruppe, welche ein Fehlersignal aufbaut, das die Differenz zwischen dem Sollwert und der Prozessvariablen wiedergibt; eine Adaptations-Baugruppe, welche das Fehlersignal verwendet, um zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers mindestens zwei aus der Gruppe zu bestimmen, einen Proportional-Term, eine Regler-Integrierzeit und einen Differentialterm, wobei die Adaptations-Baugruppe einen ersten und einen zweiten der Proportional-, Integral- und Differentialterme bestimmt, so dass ein Verhältnis von einer Änderung im ersten Term und einer Änderung im zweiten Term gleich einer vorgegebenen Konstante ist und eine zweite Baugruppe, welche die Prozessvariable überwacht, um zu erfassen, wenn die Prozessvariable schwingt und bei Erfassung des Schwingens der Prozessvariablen mindestens einen aus der Gruppe abwandelt, den Proportionalterm, die Regler-Integrierzeit und den Differentialterm, um die Prozessvariable vom Schwingen abzuhalten.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste Baugruppe ferner die Adaptations-Baugruppe veranlasst, den ersten Term und den zweiten Term zu berechnen, wenn das Fehlersignal größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 13, die ferner einen Anregungsgenerator aufweist, welcher ein Anregungssignal erzeugt und einen Addierer, welcher das Fehlersignal zum Anregungssignal addiert.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Adaptations-Baugruppe die vorgegebene Konstante so verwendet, dass das Produkt der vorgegebenen Konstante und einer Lambda-Abstimmungs-Konstante ungefähr gleich 1 ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Adaptations-Baugruppe die vorgegebene Konstante so verwendet, dass das Produkt der vorgegebenen Konstante und einer Lambda-Abstimmungs-Konstante größer als 1 ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Adaptations-Baugruppe die vorgegebene Konstante so verwendet, dass das Produkt der vorgegebenen Konstante und einer Lambda-Abstimmungs-Konstante kleiner als 1 ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Baugruppe ferner erfasst, wenn die Prozessvariable schwingt, indem erfasst wird, wenn das Fehlersignal einen Nullpunkt durchläuft.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Baugruppe mindestens einen aus der Gruppe abwandelt, den Proportionalterm, die Regler-Integrierzeit und den Differentialterm, um die Prozessvariable vom Schwingen abzuhalten, indem mindestens einer aus der Gruppe durch eine Dämpfungskonstante vervielfacht wird, der Proportionalterm, die Regler-Integrierzeit und der Differentialterm.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Dämpfungskonstante eine positive Konstante kleiner als 1 ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Adaptations-Baugruppe die Regler-Integrierzeit wie folgt bestimmt: T_i(k + 1) = T_i(k) + ΔT_i(k) wobei: T_i(k + 1) = eine Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k + 1; T_i(k) = die Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k; ΔT_i(k) = eine Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k; wobei:
wobei: γ = eine vorgegebene Konstante, die die Geschwindigkeit der Reset-Adaptation regelt, die zum Beispiel zwischen 0,05 und 0,5 sein kann; und
wobei: ΔP_k = die Änderung im Proportionalterm zum Zeitpunkt k; ΔI_k = die Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k und α = ein vorgegebenes Verhältnis.
Abstimmvorrichtung zur Verwendung beim Abstimmen eines Prozessreglers, welcher einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungssignal zu erzeugen wobei die Abstimmvorrichtung Folgendes aufweist: eine erste Baugruppe, welche ein Fehlersignal aufbaut, das die Differenz zwischen dem Sollwert und der Prozessvariablen wiedergibt; eine Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe, welche das Fehlersignal verwendet, um eine Verstärkung zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers aufzubauen, wobei die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe die Verstärkung bestimmt als Kombination einer Schwingungsindex-Verstärkung und einer Verstärkung, die aus der bleibenden Verstärkung des Prozesses errechnet wird und eine Adaptations-Baugruppe, welche das Fehlersignal verwendet, um zur Verwendung beim Abstimmen eines Prozessreglers mindestens zwei aus der Gruppe zu bestimmen, einen Proportional-Term, eine Regler-Integrierzeit und einen Differentialterm, wobei die Adaptations-Baugruppe einen ersten und einen zweiten der Proportional-, Integral- und Differentialterme bestimmt, so dass ein Verhältnis von einer Änderung im ersten Term und einer Änderung im zweiten Term gleich einer vorgegebenen Konstante ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 22, wobei die erste Baugruppe ferner die Verstärkungs-Adaptations-Baugruppe veranlasst, die Verstärkung aufzubauen und die Adaptations-Baugruppe zu veranlassen, den ersten Term und den zweiten Term zu bestimmen, wenn das Fehlersignal größer als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 23, die ferner einen Anregungsgenerator aufweist, welcher ein Anregungssignal erzeugt und einen Addierer, welcher das Fehlersignal zum Anregungssignal addiert.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Adaptations-Baugruppe die Regler-Integrierzeit kompensiert, wenn das Produkt der Änderung in der Reglerverstärkung und der Regler-Integrierzeit größer als Null ist.
Abstimmvorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Adaptations-Baugruppe die Regler-Integrierzeit wie folgt kompensiert:
wobei: ΔT_i(k)_corr = eine kompensierte Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k; ΔT_i(k) = eine Änderung in der Regler-Integrierzeit zum Zeitpunkt k; ΔK_c(k) = eine Änderung in der Verstärkung zum Zeitpunkt k; K_c(k)_old = die Verstärkung zum Zeitpunkt k, bevor das Adaptations-Bauteil kompensiert und κ = ein Grad der Reset-Kompensation.
Verfahren zur Abstimmung eines Prozessreglers, welcher einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungssignal zu erzeugen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbauen eines Fehlersignals, das die Differenz zwischen dem Sollwert und der Prozessvariablen darstellt und Bestimmung von mindestens zwei aus der Gruppe, einen Proportionalterm, eine Regler-Integrierzeit und einen Differentialterm, zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers, wobei ein Verhältnis einer Änderung im ersten Term und einer Änderung im zweiten Term gleich einer vorgegebenen Konstante ist.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner die Schritte aufweist, mindestens zwei aus der Gruppe zu bestimmen, den Proportionalterm, die Regler-Integrierzeit und den Differentialterm, wenn das Fehlersignal größer als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner den Schritt aufweist, ein Anregungssignal einzuführen und das Fehlersignal mit dem Anregungssignal zu summieren.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner den Schritt aufweist, die Prozessvariable zu überwachen, um zu erfassen, wenn die Prozessvariable schwingt und über die Erfassung des Schwingens der Prozessvariablen mindestens einen aus der Gruppe abzuwandeln, den Proportionalterm, die Regler-Integrierzeit und den Differentialterm, um das Fehlersignal vom Schwingen abzuhalten.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner den Schritt aufweist, eine Verstärkung für die Verwendung beim Abgleichen des Prozessreglers aufzubauen, wobei die Verstärkung eine Kombination ist aus einer Schwingungsindex-Verstärkung und einer Verstärkung, die aus einer bleibenden Verstärkung des Prozesses bestimmt wird.
Verfahren zum Abstimmen eines Prozessreglers, welcher einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungssignal zu erzeugen, umfassend: ein Aufbauen eines Fehlersignals, das die Differenz zwischen dem Sollwert und der Prozessvariablen wiedergibt und ein Aufbauen einer Verstärkung zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers, wobei die Verstärkung eine Kombination aus einer Verstärkung ist, die aus einer Schwingungsindex-Verstärkung bestimmt wird und einer Verstärkung, die aus einer bleibenden Verstärkung des Prozesses bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, umfassend: ein Aufbauen einer Verstärkung, wenn das Fehlersignal größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Verfahren nach Anspruch 32, umfassend: ein Bestimmen mindestens zwei aus der folgenden Gruppe: einen Proportional-Term, eine Regler-Integrierzeit und einen Differentialterm, zur Verwendung beim Abstimmen des Prozessreglers, wobei ein Verhältnis einer Änderung im ersten Term und einer Änderung im zweiten Term gleich einer vorgegebenen Konstante ist.
Verfahren nach Anspruch 34, umfassend: ein Aufbauen einer Verstärkung, wenn das Fehlersignal größer als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 34, umfassend: ein Überwachen der Prozessvariablen, um zu erfassen, wenn die Prozessvariable schwingt und über die Erfassung des Schwingens der Prozessvariablen die Verstärkung abzuwandeln, um die Prozessvariable vom Schwingen abzuhalten.
Prozessregelungssystem, das Folgendes aufweist: einen Prozessregler, der einen Sollwert und eine Prozessvariable verwendet, um ein Prozessregelungssignal zu erzeugen und eine Abstimmvorrichtung für das Abstimmen des Prozessreglers gemäß einem der Ansprüche 1–26.