DE68919248T2

DE68919248T2 - Prozessregelungssystem.

Info

Publication number: DE68919248T2
Application number: DE68919248T
Authority: DE
Inventors: Kazuo C O Patent Divisio Hiroi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1989-03-16
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2009-03-17
Also published as: DE68919248D1; US5029066A; AU608421B2; CN1036085A; AU3121089A; EP0333477A3; JPH07104681B2; CN1024849C; KR920004079B1; JPH01239603A; KR890015122A; EP0333477B1; EP0333477A2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Prozeßregelungssystem und insbesondere auf ein System, das eine Proportional-, Integral- und Differential-Regelung durchführen kann.

Hintergrund der Erfindung

Der Proportional (P)-, Integral (I)- und Differential (D)-Regelungsalgorithmus, der die Basis dieser Art von Prozeßregelungsvorrichtung bildet, ist normalerweise ein sogenannter PID-Regelungsalgorithmus mit einem Freiheitsgrad, bei dem nur einer der verschiedenen Regelungskonstanten (Verstärkungsfaktor, Integrationszeit oder Differentialzeit) eingestellt werden kann. Die Antwortcharakteristik, die durch diese Prozeßregelungsvorrichtung erzeugt wird, ist daher durch die Einstellbedingung der verschiedenen Regelungskonstanten bestimmt, und wenn bei der gewöhnlichen Prozeßregelung das Regelungsobjekt einer externen Störung ausgesetzt ist, sind die verschiedenen Regelungskonstanten eingestellt, um die Wirkung der Störung schnell zu unterdrücken.
Wenn die Regelungskonstanten für die Bedingung einer optimalen Unterdrückung äußerer Störungen eingestellt sind, wird bei Veränderung des Sollwertes der Regelungswert über die Änderung des Sollwertes hinausschießen. Wenn der Regelungswert den Änderungen des Sollwertes optimal folgt, d.h., die Regelungskonstanten sind für die Bedingung einer optimalen Sollwert-Folgecharakteristik eingestellt, ist die Unterdrückungscharakteristik bezüglich externer Störungen sehr träge, mit dem Ergebnis, daß die Antwort nur sehr langsam erzeugt wird.
In jüngster Zeit wurde dieser Situation Aufmerksamkeit zuteil. Zum Beispiel zeigt das U.S. Patent Nr. 4,755,924 (entspricht dem EP-A 0 192 245) der gleichen Anmelder einen PID-Regelungsalgorithmus mit zwei Freiheitsgraden, wobei die Regelungskonstanten jeweils unabhängig voneinander sowohl für den optimalen charakteristischen Zustand bezüglich des Sollwertfolgens als auch der Unterdrückung externer Störungen eingestellt werden können. Wenn dies auf das gesamte Regelungssystem einer Anlage angewendet wird, können die Regelungscharakteristiken erheblich verbessert werden. Das Hauptbasiselement des Algorithmus ist ein Sollwertfilter. Figur 1 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche Prozeßregelungsvorrichtung zeigt, die nur für die Proportional (P)-Operation zwei Freiheitsgrade hat.
Die herkömmliche Prozeßregelungsvorrichtung aus Fig. 1 enthält einen Differenzpunkt 10, ein Hauptregelungsglied 11 in der Art eines Diffentialvorgängers, ein Prozeßsystem 12 als Regelungsobjekt und ein Kompensationsregelungsglied 13. Der Differenzpunkt 10 bestimmt die Differenz &epsi; (= SV'-PV) zwischen dem Korrektursollwert SV', den das Kompensationsregelungsglied 13 aus dem Sollwert SV bestimmt, und dem Regelungswert PV, der vom Regelungsobjekt 12 zurückgeführt wird. Das Hauptregelungsglied 11 führt Proportional-, Integral- und Differential-Berechnungen mit dieser Differenz &epsi; durch, die auf Regelungskonstanten (Verstärkungsfaktor Kp, Integrationszeit TI und Differentialzeit TD) basiert, die für eine charakteristische Bedingung eingestellt sind, um Veränderungen, die durch externe Störungen D auf den Regelungswert PV einwirken, optimal zu unterdrücken, und berechnet den Einstellausgang MV so, daß der Regelungswert PV mit dem Sollwert SV übereinstimmt, und leitet diesen zum Regelungsobjekt 12. Das Hauptregelungsglied 11 enthält insbesondere einen Proportional-Integral-Regler 21 (1+(1/TI S)); einen Differenzpunkt 22; einen verzögerten Differential-Regler 23 (TD S)/(1+N TD S); und einen Proportional-Regler 24 (KP). Die Differenz &epsi; zwischen dem Regelungswert PV und dem Sollwert SV' wird zum Proportional- Integral-Regler 21 geleitet, und das Ergebnis der Proportional- Integral-Berechnung wird zum Differenzpunkt 22 geführt. Außerdem wird der Regelungswert PV zum verzögerten Differential-Regler 23 geführt, und das Ergebnis der Verzögerten Differential-Berechnung wird zum Differenzpunkt 22 geführt. Das Ergebnis ihrer Subtraktion wird zum Proportional-Regler 24 geführt, wo es mit dem Verstärkungsfaktor KP multipliziert und als berechnete Einstellausgabe MV zum Regelungsobjekt 12 ausgegeben wird. Das Regelungsobjekt 12 führt mit dieser berechneten Einstellausgabe MV als seinem Operationswert eine geeignete Regelungsoperation durch.
Wenn eine externe Störung D auf die Regelung einwirkt und eine Störung erzeugt, wird eine Veränderung des Regelungswertes PV erkannt. Zusätzlich enthält das Kompensationsregelungsglied 13 ein Beschleunigungs-/Verzögerungselement (1+α TI S) /(1+TI S). Dieses hat zum Ziel, nur für die Proportional (P)-Operation zwei Freiheitsgrade zur Verfügung zu stellen, indem der Verstärkungsfaktor des Hauptregelungsgliedes 11 für eine charakteristische Bedingung eingestellt wird, bei der er den Änderungen des Sollwerts SV optimal folgt und den korrigierten Sollwert SV' ausgibt.
In Fig. 1 ist die Übertragungsfunktion CD(S) des Regelungsalgorithmus bezüglich des Wechsels äußerer Störungen:
CD(S) = MV/PV = KP[(1+(1/TI S)+(TD S)/(1+η TD S) . . . . (1)
und die Übertragungsfunktion CS(S) des Regelungsalgorithmus bezüglich der Veränderung des Sollwertes ist:
CS(S) = MV/SV = ((1+α TI S)/(1+TI S)) x KP(1+1/(TI S)) = KP(α+1/(TI S)) . . . . (2)
wobei KP, TI und TD die Regelungskonstanten der Übertragungsfunktion sind, die jeweils den Verstärkungsfaktor, die Integrationszeit und die Differentialzeit anzeigen. S ist eine komplexe Variable (Laplace Operator), und η ist eine Konstante zwischen 0,1 und 0,3. Die Variable α ist der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient, um den optimalen Verstärkungsfaktors KP zur Unterdrückung externer Störungen auf den optimalen Verstärkungsfaktor Kp* (= α KP) für das Folgen des Sollwertes zu korrigieren.
Aus vorstehender Gleichung (1) und Gleichung (2) folgt, daß bei Veränderung dieses Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten α durch Einsetzen eines Kompensationsregelungsgliedes 13, das ein Beschleunigungs-/Verzögerungselement (1+α TI S )/(1+TI S) enthält, in die Eingangsleitung des Sollwertes SV, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei der Verstärkungsfaktor des Regelungsalgorithmus für externe Störungsänderungen, wie in Gleichung (1) gezeigt, KP ist, der Verstärkungsfaktor des Regelungsalgorithmus für einen Wechsel des Sollwertes α KP wird, wie in Gleichung (2) gezeigt. Durch Einstellen von α kann der Verstärkungsfaktor KP somit unabhängig für einen optimalen charakteristischen Zustand sowohl für das Folgen des Sollwertes als auch für die Unterdrückung externer Störungen justiert werden. Das heißt, es sind nur für die Proportional (P)-Operation zwei Freiheitsgrade vorhanden.
Wenn bei industriellen Anwendungen nur die Proportional (P)- Operation zwei Freiheitsgrade besitzt, ist die jeweilige Optimierung des zuvor erwähnten Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten α nicht praktikabel, wenn einige hundert bis einige tausend Schleifen betroffen sind, weil, einfach ausgedrückt, eine beträchtliche Veränderung der Charakteristiken des Regelungsobjektes 12 entsteht, d.h., diese Charakteristik verändert sich mit dem Faktor, der Zeitkonstanten und der Leerlaufzeit des Regelungsobjektes 12. Folglich steht α durch Verwendung des C.H.R.-Verfahrens (Chien, Hrones, Reswich) fest in der Nähe des Optimalwertes. Indem dieser Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α fest eingestellt ist, wird der Vorteil der beiden Freiheitsgrade zum Einstellen der Regelungskonstanten der Proportional-Integral-Differential-Regelung (d.h. der Vorteil verbesserter Regelbarkeit bei gleichzeitiger Realisierung der Charakteristiken sowohl für externe Störungsunterdrückung als auch für das Folgen des Sollwertes) bei der Anwendung auf eine vorliegende Anlage halbiert.
Bei einer herkömmlichen Prozeßregelungsvorrichtung besteht das Problem darin, daß der Vorteil der Verbesserung der Regelbarkeit durch gleichzeitige Realisierung sowohl der Charakteristik für externe Störungsunterdrückung als auch der Charakteristik für das Folgen des Sollwertes nicht entsprechend dargestellt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Regelbarkeit eines Prozeßregelungssystems zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, gleichzeitig die Regelung der Charakteristik für die Unterdrückung externer Störungen als auch die des Folgens des Sollwertes zu ermöglichen.
Diese vorstehenden Aufgaben werden gemäß eines Aspektes der Erfindung gelöst, indem ein System zur Regelung eines Prozeßsystems geschaffen wird, das einer externen Störung unterworfen ist, bei dem der Wert einer Regelungsausgabe vom Prozeßsystem auf einen gegebenen Sollwert eingestellt wird, wobei das System aufweist:
Durchführen von zumindest Proportional- und Integral-Regelungsoperationen von Proportional-, Integral- und Differential-Regelungsoperationen, die auf Regelungskonstanten basieren, einschließlich des Verstärkungsfaktors, der Integrationszeit und der Differentialzeit, die für einen ersten gegebenen Zustand eingestellt werden, bei dem durch externe Störungen erzeugte Änderungen des Regelungswertes unterdrückt werden; und
Durchführen einer Kompensationsregelungsoperation gemäß eines Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten, um die Regelungskonstanten für einen zweiten gegebenen Zustand einzustellen, der der Sollwertveränderung entspricht, Durchführen der Kompensationsregelungsoperation, einschließlich der Bestimmung, ob eine Regelungskonstante der Differential-Regelungsoperation Null oder ungleich Null ist, und Durchführen der Kompensationsregelungsoperation, um die Regelungskonstanten für einen zweiten gegebenen Zustand einzustellen, der den Sollwertänderungen entspricht, einschließlich Einstellen des gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten, der auf der Bestimmung der Regelungskonstanten basiert.
Andere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung verdeutlicht. Es ist offensichtlich, daß die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, nur durch Darstellungen gezeigt werden, so daß für den Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung zahlreiche Veränderungen innerhalb des Bereiches der Erfindung offensichtlich sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein genaueres Verständnis der vorliegenden Erfindung und vieler seiner Vorteile wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erreicht:
FIG. 1 ist ein Diagramm, das ein herkömmliches Prozeßregelungssystem zeigt;
FIG. 2 und FIG. 3 sind Ansichten, die das Prinzip dieser Erfindung erläutern;
FIG. 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Prozeßregelungssystem gemäß dieser Erfindung zeigt; und
FIG 5, FIG. 6 und FIG. 7 sind Blockdiagramme, die weitere Ausführungsbeispiele des Prozeßregelungssystems gemäß der Erfindung zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Für das CHR-Verfahren sind die optimalen Regelungskonstanten (Verstärkungsfaktor KP, Integrationszeit TI, Differentialzeit TD) in FIG. 2 gezeigt, wenn die Charakteristik des Regelungsobjektes Gleichung (3) entspricht, GP(S) = K x E-LS/(1+T S) . . . . (3). FIG. 2 stellt einen Fall dar, bei dem die Antwortcharakteristik "minimale Einstellzeit ohne Overshoot" ist.
Bei den zuvor erwähnten Gleichungen (1) und (2) ist KP der optimale Verstärkungsfaktor für die Unterdrückung externer Störungen, und KP* ist der optimale Verstärkungsfaktor zum Folgen des Sollwertes,
KP* = α KP,
wobei
α = KP*/KP . . . . (4).
Somit ist α gleich dem optimalen Verstärkungsfaktor zum Folgen des Sollwertes / optimaler Verstärkungsfaktor zum Unterdrücken externer Störungen.
Wenn sich aus Gleichung (4) und FIG. 2 der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α für den Proportional/Integral/Differential-Regelungsmodus mit zwei Freiheitsgraden ergibt, so ist die Situation in FIG. 3 gezeigt. Insbesondere ist der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α1 für den Fall der Proportional/ Integral (PI)-Proportional/Integral (PI)-Regelung:
α1 = KP* / KP = 0.35T/KL/0.6T/KL = 0.58 (5)
und der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α2 für den Fall der Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral/Differential (PID)-Regelung beträgt:
α2 = KP* / KP = 0.35T/KL0.95T/KL = 0.37 (6).
Das heißt, der Wert des Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten α für eine Proportional/Integral/Differential-Regelung mit zwei Freiheitsgraden ist deutlich verschieden, abhängig davon, ob die Regelungskonstante (Differentialzeit TD) der Differentialberechnung Null oder ungleich Null ist.
Aus dem Vorstehenden kann eine Proportional/Integral/Differential-Regelungsvorrichtung universeller Art mit zwei Freiheitsgraden realisiert werden, die zur Regelung aller Regelungsobjekte, wie Strömungswert, Druck, Pegelstand, Temperatur und Konstituenten, angewendet werden kann, indem der Wert des Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten α des Kompensationsregelungsgliedes für die Proportional/Integral/Differential-Regelung mit zwei Freiheitsgraden in Abhängigkeit davon korrigiert wird, ob die Regelungskonstante (Differentialzeit TD) der Differentialberechnung Null oder ungleich Null ist.
Insbesondere wird die Proportional/Integral/Differential-Regelung mit zwei Freiheitsgraden, die an jedes Regelungsobjekt angepaßt wird, normalerweise angewendet auf:
Proportional/Integral-Proportional/Integral-Regelung . . . Strömungswert-, Druckregelung
Proportional/Integral-Proportional/Integral/Differential-Regelung . . . Temperatur-, Pegelstand-, Konstituenten-Regelung.
Bei der Proportional-Integral-Differential-Regelung dieser Erfindung mit zwei Freiheitsgraden ist die Anzahl der einzustellenden Regelungskonstanten genau die gleiche, wie bei einer Proportional-Integral-Differential-Regelung mit einem Freiheitsgrad, und eine optimale Regelungscharakteristik für alle Regelungsobjekte kann mit der gleichen Genauigkeit realisiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, die auf dem oben genannten Konzept basiert, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
FIG. 4 stellt ein funktionales Blockdiagramm dar, das ein Beispiel des Layout einer Prozeßregelungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung zeigt. Teile, die denen aus FIG. 1 entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen, wobei auf eine Beschreibung verzichtet wird; nur die unterschiedlichen Teile werden hier beschrieben.
Zusätzlich zu FIG. 1 sind in FIG. 4 insbesondere ein Parametereinstellglied 15, ein Unterscheidungsglied 17 und ein Umschalteglied 18 vorgesehen. Durch das Parametereinstellglied 15 wird ein Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α1 (= 0.58) und ähnlich auch ein Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α2 (= 0.37) eingestellt. Die Differentialzeit TD, die im verzögerten Differential-Regler 23 eingestellt wird, wird zum Unterscheidungsglied 17 geführt, das eine Unterscheidungsausgabe liefert, nachdem die Unterscheidung getroffen wurde, ob die Differentialzeit TD Null oder ungleich Null ist. Als Reaktion auf die Unterscheidungsausgabe durch das Unterscheidungsglied 17 setzt das Umschalteglied 18 durch einen Umschaltevorgang den Koeffizienten (TD) des Beschleunigungs-/Verzögerungselementes (1+α(TD) TI S) /(1+TI S) (enthalten im Kompensationsregelungsglied 13) auf den einen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α1 (im Parametereinstellglied 15 eingestellt) oder auf den anderen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α2 (im Parametereinstellglied 15 eingestellt).
Wenn die Unterscheidungsausgabe vom Unterscheidungsglied 17 "Differentialzeit TD = 0" ist, wird der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α1 eingestellt, und wenn die Ausgabe "Differentialzeit TD ist ungleich 0" ist, wird der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α2 eingestellt. Bei einer Prozeßregelungsvorrichtung mit einer Proportional-Integral-Differential-Regelung mit zwei Freiheitsgraden, die, wie oben erwähnt, aufgebaut ist, wird zunächst für den Fall, daß das Regelungsobjekt 3 zum Beispiel ein Strömungswert oder ein Druck, usw. ist, die Differentialzeit TD im verzögerten Differential-Regler 23 des Hauptregelungsgliedes 11 auf Null gesetzt. Folglich wird der Proportional-Integral-Differential-Regelungsmodus mit zwei Freiheitsgraden eine Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral (PI)-Regelung, und das Umschalteglied 18 wird in Reaktion auf die Unterscheidungsausgabe vom Unterscheidungsglied 17 auf die Seite umgeschaltet, die in der Zeichnung durch eine geschlossene Linie dargestellt ist (die Differentialzeit TD beträgt 0). Dadurch wird für den Koeffizienten α(TD) des Beschleunigungsgliedes des Beschleunigungs-/Verzögerungselementes (1+α(TD) TI S) / (1+TI S) der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α1 (= 0.58) des Parametereinstellgliedes 15 als der optimale Proportionalfaktor eingestellt. In diesem Fall ist die Übertragungsfunktion CD(S) des Regelungsalgorithmus für externe Störungsänderungen:
CD(S) = MV/PV = KP(1+1/(TI S)) (7)
während die Übertragungsfunktion CS(S) des Regelungsalgorithmus für die Änderung des Sollwertes ist:
CS(S) = MV/SV
= (1+α1 TI S)/(1+TI S)) (7)
x KP(1+1/(TI S))
= KP(α1+1/(TI S)) (8)
Wenn im Gegensatz dazu das Regelungsobjekt 12 zum Beispiel ein Temperaturpegel oder ein Konstituent, usw. ist, wird die Differentialzeit TD, die im verzögerten Differential-Regler 23 des Hauptregelungsgliedes 11 eingestellt wird, ungleich 0. Deshalb wird der Proportional-Integral-Differential-Regelungsmodus mit zwei Freiheitsgraden eine Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral/Differential (PID)-Regelung, und das Umschalteglied 18 wird durch die Unterscheidungsausgabe (Differentialzeit TD ist ungleich 0) vom Unterscheidungsglied 17 auf die Seite mit der unterbrochenen Linie in der Figur gesetzt. Dadurch wird als Koeffizient α(TD) des Beschleunigungsgliedes des Beschleunigungs- /Verzögerungselementes (1+α(TD) TI S)/(1+TI S), das das Kompensationsregelungsglied 13 enthält, der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α2 (= 0.37) des Parametereinstellgliedes 15 als optimaler Verstärkungsfaktor eingestellt.
Die Übertragungsfunktion CD(S) des Regelungsalgorithmus für externe Störungsänderungen wird deshalb in diesem Fall:
CD(S) = MV/PV = KP(1+1/(TI S)) (9)
während die Übertragungsfunktion CS(S) des Regelungsalgorithmus für Veränderungen des Sollwertes beträgt:
CS(S) = MV/SV
= (1+α2 TI S)/(1+TI S)
x KP(1+1/(TI S))
= KP(α2+1/(TI S)) (10).
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α(TD), der den Parameter mit zwei Freiheitsgraden korrigiert, d.h. der optimale Verstärkungsfaktor für die Unterdrückung externer Störungen KP, um den Verstärkungsfaktor zum Folgen des Sollwertes KP* (= α KP) zu optimieren, durch Veränderung der Einstellung auf α1 oder auf α2 korrigiert, in Reaktion darauf, ob die Differentialzeit TD des verzögerten Differential-Reglers 23 des Hauptregelungsgliedes 11 Null oder ungleich Null ist, so daß die nachfolgenden Vorteile erreicht werden können.
(a) Unabhängig davon, ob der Proportional-Integral-Differential- Regelungsmodus mit zwei Freiheitsgraden eine Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral (PI)-Regelung oder eine Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral/Differential (PID)- Regelung ist, kann die optimale Regelungscharakteristik immer erreicht werden, da sowohl die Charakteristik für die Unterdrükkung externer Störungen als auch die Charakteristik für das Folgen des Sollwertes gleichzeitig realisiert werden.
(b) Das Regelungsobjekt 12 kann auf die Regelung aller Regelungsobjekte angewendet werden, wie zum Beispiel Strömungswert, Druck, Temperatur, Pegelstand oder Zusammensetzungen, usw., und ist somit universell industriell anwendbar.
(c) Die Anzahl der Regelungskonstanten, die eingestellt werden müssen, ist die gleiche wie bei Proportional-Integral-Differential-Regelungen mit einem Freiheitsgrad, und der Umgang mit ihnen ist ebenfalls gleich, so daß gleichzeitig sowohl die Vereinheitlichung des Einstellverfahrens als auch eine große Verbesserung der Regelbarkeit erreicht werden können.
Das Prozeßregelungssystem dieses Ausführungsbeispiels ist eine universell anwendbare Proportional-Integral-Differential-Prozeßregelungsvorrichtung mit zwei Freiheitsgraden, die die oben genannten ausgezeichneten Charakteristiken hat, die die Basis des Regelungssystems verbessert und die konventionelle Proportional- Integral-Differential-Regelung mit einem Freiheitsgrad oder die Proportional-Integral-Differential-Regelung mit zwei Freiheitsgraden ersetzt. In der Zukunft werden Vorteile der Flexibilität von Anlagenregelung und der Verwendung von Supraleitern erreicht. Infolge sich ändernder Produktionsquantität, -qualität, der Produktart oder der Optimierung werden Änderungen des Sollwertes und Änderungen externer Störungen häufiger vorkommen.
Um der Anpassung an diese Vorteile gewachsen zu sein, ist eine Regelung mit zwei Freiheitsgraden notwendig. Bei Anwendung der Prozeßregelungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels, bei der eine Regelung mit zwei Freiheitsgraden bis zum äußersten belastet wird, kann die Anlagenbetriebscharakteristik bis an ihre Grenzen erhöht werden, wobei ein bedeutender Beitrag zur maximalen Entwicklung im Industriebereich geschaffen wird.
Diese Erfindung ist nicht auf das oben genannte Ausführungsbeispiel begrenzt und kann wie folgt umgesetzt werden.
(a) Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel aus FIG. 4 wurde nur die Proportional (P)-Operation, die eine fundamentale Bedeutung hat und für alle Regelungssysteme unentbehrlich ist, für eine Prozeßregelungsvorrichtung mit zwei Freiheitsgraden beschrieben. Gleichwohl kann diese Erfindung ebenso bei Prozeßregelungsvorrichtungen angewendet werden, bei denen die Proportional-Integral (PI)-Operation in Form von zwei Freiheitsgraden vorgesehen ist.
FIG. 5 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein Beispiel des Layout einer solchen Prozeßregelungsvorrichtung zeigt. Teile, die mit denen aus FIG. 4 übereinstimmen, haben die gleichen Bezugszeichen, und auf eine weitere Beschreibung wurde verzichtet. Nur Teile, die gegenüber FIG. 4 verschieden sind, werden hier beschrieben. Zusätzlich zu FIG. 4 sind in FIG. 5 insbesondere ein Kompensationsregelungsglied 19, das ein primäres Verzögerungselement (β(TD)/(1+TI S)) aufweist; ein verzögerter Differential-Regler 20 (TI S)/(1+TI S); ein Differenzpunkt 27, der den Ausgang des Kompensationsregelungsgliedes 13 und den Ausgang des Reglers 20 subtrahiert; ein Parametereinstellglied 22, in dem der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β1 (= 0.1) und der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β2 (= 0.15) eingestellt sind; und ein Umschalteglied 24 vorgesehen. Durch sein Umschalten als Reaktion auf die Unterscheidungsausgabe vom Unterscheidungsglied 17 stellt das Umschalteglied 24 als den Koeffizienten β(TD) des Verzögerungsgliedes, das das Kompensationsregelungsglied 19 enthält, den einen Integrationszeitkorrekturkoeffizienten β2 oder den anderen Integrationszeitkorrekturkoeffizient β1 ein, die im Parametereinstellglied 22 eingestellt sind. Wenn, mit anderen Worten, die Unterscheidungsausgabe vom Unterscheidungsglied 17 "Differentialzeit TD = 0" ist, wird der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β1 eingestellt, und wenn sein Ausgang "Differentialzeit TD ist ungleich 0" ist, wird der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β2 eingestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird in den Fällen, in denen die Differentialzeit TD, die im verzögerten Differential-Regler 23 des Hauptregelungsgliedes 11 eingestellt ist, gleich 0 ist, der Proportional-Integral-Differential-Regelungsmodus mit zwei Freiheitsgraden eine Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral (PI)-Regelung. Das Umschalteglied 18 wird somit auf die durchgezogene Linie in der Figur umgeschaltet, abhängig davon, ob die Unterscheidungsausgabe S vom Unterscheidungsglied 17 so ist (Differentialzeit TD ist 0), daß als Koeffizient α(TD) des Beschleunigungsgliedes des Beschleunigungs/Verzögerungselementes (1+α(TD) TI S)/(1+TI S), das das Kompensationsregelungsglied 13 enthält, der Verstärkungsfaktorkorrekturkoffizient α1 (= 0.58) des Parametereinstellgliedes 15 als optimaler Verstärkungsfaktor eingestellt wird. Gleichzeitig wird das Umschalteglied 24 auf die durchgezogene Linie in der Figur umgeschaltet, und zwar als Reaktion auf die Unterscheidungsausgabe (Differentialzeit TD ist 0) vom Unterscheidungsglied 17, so daß der Koeffizient β(TD) des Verzögerungsgliedes des primären Verzögerungselementes (TI S)/(1+TI S), das das Kompensationsregelungsglied enthält, so eingestellt wird, daß der Integrationszeitkorrekturkoffizient β1 (= 0.1) des Parametereinstellgliedes 22 als die optimale Integrationszeit eingestellt wird.
Wenn, im Gegensatz dazu, die Differentialzeit TD, die im verzögerten Differential-Regler 23 des Hauptregelungsgliedes 11 eingestellt ist, ungleich 0 ist, wird der Proportional-Integral- Differential-Regelungsmodus mit zwei Freiheitsgraden eine Proportional/Integral (PI)-Proportional/Integral/Differential (PID)-Regelung. Das Umschalteglied 18 wird somit auf die unterbrochene Linie in der Zeichnung umgeschaltet, und zwar durch die Unterscheidungsausgabe (Differentialzeit TD ist ungleich 0) vom Unterscheidungsglied 17, und als Koeffizient α(TD) des Beschleunigungsgliedes des Beschleunigungs-/Verzögerungselementes (1+α(TD) TI S)/(1+T1 S), das das Kompensationsregelungsglied 13 enthält, wird der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α2 (= 0.37) des Parametereinstellgliedes 15 als der optimale Verstärkungsfaktor eingestellt. Ebenfalls wird das Umschalteglied 24 gleichzeitig auf die unterbrochene Linie in der Figur umgeschaltet, und zwar durch die Unterscheidungsausgabe (Differentialzeit TD ist ungleich 0) vom Unterscheidungsglied 17, so daß als Koeffizient β(TD) des Verzögerungsgliedes des primären Verzögerungselementes (TI S)/(1+TI S), das das Kompensationsregelungsglied 19 enthält, der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β2 (= 0.15) des Parametereinstellgliedes 22 als optimale Integrationszeit eingestellt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel werden der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α(TD), der den optimalen Verstärkungsfaktor für die Unterdrückung externer Störungen zum optimalen Verstärkungsfaktor für das Folgen des Sollwertes korrigiert, und der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β(TD), der die optimale Integrationszeit zur Unterdrückung externer Störungen zur optimalen Integrationszeit für das Folgen des Sollwertes korrigiert, durch Änderung ihrer Einstellung auf α1, β1 oder auf α2, β2 korrigiert, abhängig davon, ob die Differentialzeit TD des verzögerten Differential-Reglers 23 des Hauptregelungsgliedes 11 Null oder ungleich Null ist, so daß die Vorteile, verglichen mit dem Ausführungsbeispiel aus Figur 4, sogar größer sind.
(b) Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel aus Figur 4 wird der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α(TD) des Kompensationsregelungsgliedes 13 durch Änderung seiner Einstellung auf X1 oder X2 korrigiert, abhängig davon, ob die Differentialzeit TD des verzögerten Differential-Reglers 23 des Hauptregelungsgliedes 11 Null oder ungleich Null ist. Gleichwohl ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und wie durch die gleichen Bezugszeichen gezeigt ist, kann ein Aufbau angepaßt werden, wobei die Kompensationsregelungsglieder 41 und 42, die die Beschleunigungs-/Verzögerungselemente (1+α1 TI S)/(1+TI S) und (1+α2 TI S) /(1+TI S) enthalten, vorgesehen sind, und für den Ausgang wird das eine oder das andere durch das Umschalteglied 25 ausgewählt, abhängig von der Unterscheidungsausgabe des Unterscheidungsgliedes 17, basierend auf dem Vorhandensein oder dem Nichtvorhandensein der Differentialzeit TD.
(c) Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel aus Figur 5 werden der Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizient α(TD) und der Integrationszeitkorrekturkoeffizient β(TD) des Kompensationsregelungsgliedes 13 durch Veränderung ihrer Einstellung auf α1 und β1 oder α2 und β2 korrigiert, als Antwort darauf, ob die Differentialzeit TD des verzögerten Differential-Reglers 23 des Hauptregelungsgliedes 11 Null oder ungleich Null ist. Gleichwohl ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und, wie in Fig. 7 gezeigt ist, in der Teile, die denen aus Fig. 5 und Fig. 6 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen haben, kann ein Aufbau angepaßt werden, bei dem die Kompensationsregelungsglieder 41 und 42, die Beschleunigungs-/Verzögerungselemente (1+α1 TI S) /(1+TI S) und (1+α2 TI S)/(1+TI S) enthalten, und Kompensationsregelungsglieder 91 und 92, die primäre Verzögerungselemente (β1)/(1+TI S) und (β2)/(1+TI S) enthalten, vorgesehen sind, so daß jeweils der eine oder andere ausgewählt und über die Umschalteglieder 25 und 26 ausgegeben wird, abhängig von der Unterscheidungsausgabe vom Unterscheidungsglied 17, basierend auf dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Differentialzeit TD.
(d) In allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden bei der Antwortcharakteristik "minimale Einnstellzeit ohne Overshoot" die Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten α1 = 0.58 und α2 = 0.37 genommen. Gleichwohl ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, und beispielsweise können bei der Antwortcharakteristik "minimale Einstellzeit mit 20 % Overshoot" die Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten α1 = 0.86, α2 = 0.5 genommen werden. Das heißt, die Werte des Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten sind, wie oben beschrieben, unterschiedlich, abhängig von der gewünschten Antwortcharakteristik. In welchem Fall auch immer besteht kein großer Unterschied zwischen α1 und α2, so daß das Umschalten zwischen α1 und α2 nicht absolut wesentlich ist.

Claims

1. System zur Regelung eines Prozeßsystems, das einer externen Störung unterworfen ist, indem der Wert einer Regelungsausgabe vom Prozeßsystem auf einen gegebenen Sollwert eingestellt wird, wobei das System aufweist:

einen Differenzpunkt (10) zur Berechnung einer Differenz zwischen dem Regelungsausgabewert (PV) und dem gegebenen Sollwert;

eine Hauptregelungseinrichtung (11) zum Durchführen von zumindest Proportional- und Integralregelungsoperationen von Proportional-, Integral- und Differentialregelungsoperationen, die auf Regelungskonstanten, einschließlich Verstärkungsfaktor, Integrationszeit und Differentialzeit, basieren, die für einen ersten gegebenen Zustand eingestellt werden, der Änderungen des Regelungswertes unterdrückt, die durch externe Störungen erzeugt werden; und

eine Kompensationsregelungseinrichtung (13) zum Durchführen einer Kompensationsregelungsoperation gemäß eines Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten (α), um die Regelungskonstanten der Hauptregelungseinrichtung für einen zweiten gegebenen Zustand einzustellen, der den Änderungen des Sollwertes entspricht;

dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsregelungseinrichtung eine Unterscheidungseinrichtung (17), die zwischen der Hauptregelungseinrichtung und der Kompensationsregelungseinrichtung angeordnet und angepaßt ist, um zu bestimmen, ob eine Regelungskonstante (TD) der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist; und eine Parametereinstelleinrichtung (15) aufweist, um den gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten in der Hauptkompensationsregelungseinrichtung basierend auf der Bestimmung der Regelungskonstanten durch die Unterscheidungseinrichtung einzustellen.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Parametereinstelleinrichtung Einrichtungen, um eine Anzahl von gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten (α1, α2) einzustellen, und eine Umschalteeinrichtung (18) enthält, um einen aus der Anzahl gegebener Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten auszuwählen, basierend auf der Unterscheidungseinrichtung, die bestimmt, ob die Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist.

3. System nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsregelungseinrichtung ebenfalls eine Hauptkompensationsregelungseinrichtung (13), um die Kompensationsregelungsoperation gemäß dem Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten (α) und einem gegebenen Integrationszeitkorrekturkoeffizienten (β) durchzuführen, um die Regelungskonstanten der Hauptregelungseinrichtung für einen dritten gegebenen Zustand einzustellen, der den Sollwertänderungen entspricht, und Parametereinstelleinrichtungen (15, 22) aufweist, um den gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten (β) und den gegebenen Integrationszeitkorrekturkoeffizienten (β) in der Hauptkompensationsregelungseinrichtung einzustellen, basierend auf der Bestimmung der Regelungskonstanten durch die Unterscheidungseinrichtung.

4. System nach Anspruch 3, wobei die Parametereinstelleinrichtung Einrichtungen, um eine Anzahl von gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten (α1, α2) und eine Anzahl von gegebenen Integrationszeitköeffizienten (β1, β2) einzustellen, und Umschalteeinrichtungen (18, 24) enthält, um einen aus der Anzahl gegebener Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten und einen aus der Anzahl gegebener Integrationszeitkoeffizienten auswählen, basierend auf der Unterscheidungseinrichtung, die bestimmt, ob die Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist.

5. Verfahren zur Regelung eines Prozeßsystems, das einer externen Störung unterworfen ist, indem ein Wert eines Regelungsbetrages, der vom Prozeßsystem ausgegeben wird, auf einen gegebenen Sollwert eingestellt wird, mit den Schritten:

Berechnen einer Differenz zwischen dem Regelungsbetragswert und dem gegebenen Sollwert;

Durchführen von zumindest Proportional- und Integralregelungsoperationen von Proportional-, Integral- und Differentialregelungsoperationen, die auf Regelungskonstanten, einschließlich Verstärkungsfaktor, Integrationszeit und Differentialzeit, basieren, die für einen ersten gegebenen Zustand eingestellt werden, der Änderungen des Regelungsbetrages unterdrückt, die durch die externe Störung erzeugt werden; und

Durchführen einer Kompensationsregelungsoperation gemäß eines Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten, um die Regelungskonstanten für einen zweiten gegebenen Zustand einzustellen, der den Änderungen des Sollwertes entspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß das Durchführen der Kompensationsregelungsoperation das Bestimmen enthält, ob eine Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist, und das Durchführen der Kompensationsregelungsoperation, um die Regelungskonstanten für einen zweiten gegebenen Zustand einzustellen, der den Änderungen des Sollwertes entspricht, das Einstellen des gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten, basierend auf der Bestimmung der Regelungskonstanten der Differentialregelungsoperation, enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Einstellens die Unterschritte Einstellen einer Anzahl von gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten und Auswählen eines aus der Anzahl gegebener Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten enthält, darauf basierend, ob die Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Durchführens der Kompensationsregelungsoperation den Schritt Bestimmen, ob eine Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist, enthält, und der Schritt des Durchführens der Kompensationsregelungsoperation das Auswählen eines gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten und eines gegebenen Integrationszeitkorrekturkoeffizienten, um die Regelungskonstanten auf einen dritten gegebenen Zustand einzustellen, der den Änderungen des Sollwertes entspricht, und das Einstellen des gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten und des gegebenen Integrationszeitkorrekturkoeffizienten enthält, darauf basierend, ob die Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Einstellens die Unterschritte Einstellen einer Anzahl von gegebenen Verstärkungsfaktorkorrekturkoeffizienten bzw. einer Anzahl von gegebenen Integrationszeitkerrekturkoeffizienten und Auswählen eines aus der Anzahl gegebener Verstärkungsfaktor korrekturkoeffizienten und eines aus der Anzahl gegebener Integrationszeitkorrekturkoeffizienten enthält, darauf basierend, ob die Regelungskonstante der Differentialregelungsoperation Null oder ungleich Null ist.