DE69307772T2

DE69307772T2 - Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung der Parameter eines Verfahrens, der von einem selbsteinstellenden Regler kontrolliert wird

Info

Publication number: DE69307772T2
Application number: DE69307772T
Authority: DE
Inventors: Richard J Molnar
Original assignee: INT CONTROL AUTOMATION FINANCE
Current assignee: INT CONTROL AUTOMATION FINANCE
Priority date: 1992-05-20
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-04-16
Also published as: CN1081519A; KR930023823A; NO930989L; EP0571080A1; US5282130A; MX9302103A; BR9301921A; ES2096858T3; SG49091A1; DE69307772D1; CA2093063A1; NO930989D0; EP0571080B1; JPH07261804A; AU656070B2; AU3704493A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Regler von der Art, die als sich selbst einstellend oder automatisch abstimmend bekannt sind, und genauer gesagt auf Verfahren und Vorrichtungen für die Verwendung mit bzw. in solchen Reglern, um die charakteristischen Prozeßmerkmale zu erhalten.
Industrielle Prozesse bzw. Verfahren sind typischerweise überkritisch gedämpft und von höherer Ordnung mit zwei oder mehr Polen. Zusätzlich hat ein typisches industrielles Verfahren einen Pol, der dominanter ist als die anderen Pole. Aus diesem Grunde sind viele Jahre lang verschiedene Methoden verwendet worden, um einen industriellen Prozeß höherer Ordnung durch ein System erster Ordnung (mit einem einzelnen Pol) mit einer reinen Zeitverzögerung zu approximieren.
Oft wird ein Ansprechen bzw. eine Reaktion in einer offenen Schleife verwendet, um die Merkmale des Prozesses bzw. Verfahrens zu erhalten. Ein Schritt in einer offenen Schleife bezieht sich darauf, daß der Prozeßregler (unabhängig von der Prozeßreaktion) eine plötzliche Änderung des konstanten Signalniveaus für den Prozeß ausgibt. Eine stufenweise Eingabe in den Prozeß ist äquivalent zu einem Anlegen bzw. Aufbringen des gesamten Frequenzspektrums auf den Prozeß, und damit hängt die Reaktion des Prozesses auf dieser Stufe von seinen dynamischen Eigenschaften ab. Das Stufenansprechen in einer offenen Schleife ist eine gute Art, um den Prozeß zu analysieren.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß die Gesamttotzeit und die Zeitkonstanten eines industriellen Prozesses sehr eng mit den optimalen Proportional-, Integral- und Differential- ("PID")- werten des Reglers zusammenhängen, der diesen steuern soll. Diese Beziehung wird beschrieben in "Optimum Settings for Automatic Controllers", J.G. Ziegler und A.B. Nichols, Transaction ASME, 64, Seiten 759 - 765 (1942). Ziegler und Nichols sprechen von der Totzeit anstatt von der Gesamttotzeit, und es ist nicht klar, ob die von ihnen gemeinte Totzeit dasselbe ist wie die Gesamttotzeit, in dem Sinne, daß die Gesamttotzeit die Summe der "offensichtlichen Verzögerung" und der "Transportverzögerung" ist. Die offensichtliche bzw. scheinbare Verzögerung und die Transportverzögerung werden im folgenden in Verbindung mit der Beschreibung zu Figur 7 definiert. Die hier folgende Diskussion geht von der Annahme aus, daß die Ziegler-Nichols Totzeit dieselbe ist wie die Gesamttotzeit.
Ziegler und Nichols schlagen vor, daß eine Tangente dort eingezeichnet werden sollte, wo die Steigung auf der Stufenansprechkurve der offenen Schleife maximal ist (das "Ziegler-Nichols- Verfahren"). Während vieler Jahre bestand die einzige Art der Verwirklichung des Ziegler- Nichols-Verfahrens darin, das Ansprechen auf Papier darzustellen und auf der Zeichnung die Tangente einzuzeichnen. Der Punkt, in welchem die Tangente die Zeitachse schneidet, wird als Ende der Gesamttotzeit des Verfahrens definiert. Damit ist die Zeit von dem relativen Startpunkt bis zu dem Schnittpunkt dieser Steigung auf der Zeitachse gleich der Gesamttotzeit.
Ein zweites Verfahren, welches zum Zeitpunkt seiner Veröffentlichung als eine Verbesserung gegenüber dem Ziegler-Nichols-Verfahren angesehen wurde, wird beschrieben in "A Comparison of Controller Tuning Techniques", J.A. Miller, A.M. Lopez, C.L. Smith und P.W. Murrill (das "Miller et al-Verfahren"), Louisiana State University, Regelungswissenschaft, Dezember 1977, Seiten 72 - 75. Das Miller et al-Verfahren bestimmt die Gesamttotzeit auf dieselbe Art und Weise wie das Ziegler-Nichols-Verfahren es tut. Das Miller et al-Verfahren definiert jedoch die Zeitkonstante als den Zeitunterschied zwischen dem Punkt, in welchem das Stufenansprechen 63,2% seines endgültigen Wertes erreicht hat, und der Gesamttotzeit. Dies klingt, als sei es einfach zu verwirklichen, jedoch wird später gezeigt, daß es in einem sich selbst bestimmenden Regler praktisch nicht zu verwirklichen ist.
Miller et al. sagen aus, daß der Unterschied zwischen dem Ausgangsniveau und dem Punkt, an welchem die maximale Steigung die vertikale Achse schneidet, bei dem Ziegler-Nichols- Verfahren als Verhältnis der Gesamttotzeit zu der Zeitkonstanten angesehen werden sollte. Deshalb ist bei dem Ziegler-Nichols-Verfahren die Zeitkonstante gleich der Gesamttotzeit geteilt durch das Verhältnis der Gesamttotzeit zur Zeitkonstanten. Eine andere Art und Weise der Betrachtung liegt darin, daß bei dem Ziegler-Nichols-Verfahren die Zeitkonstante umgekehrt proportional zur maximalen Steigung des Ansprechens ist.
Das Erscheinen von Reglern auf der Basis von Mikroprozessoren erlaubte es, die Prozessannäherungsverfahren zu automatisieren. Die Verfahren zur automatischen Prozeßannäherung können verwendet werden, um die optimalen Konstanten für den Proportional-, Integral- und Differentialteil für PID-Regler zu erhalten. PID-Regler sind im Stand der Technik wohlbekannt, und es sind viele ausführliche Studien hinsichtlich der Beziehung der optimalen PID-Konstanten zu dem Verhältnis von Gesamttotzeit und Zeitkonstante eines Systems erster Ordnung durchgeführt worden. Hierin liegt das Motiv für das exakte Anpassen eines industriellen Verfahrens an ein System erster Ordnung. Die Ergebnisse für diese optimale PID-Beziehung unterscheiden sich sehr stark in Abhängigkeit von den Kriterien, auf welchen die Studie beruht. Daher befaßt sich die vorliegende Erfindung nicht mit der Frage, welcher Satz von Kriterien der beste ist, sondern konzentriert sich stattdessen auf die optimale Anpassung einer Annäherung erster Ordnung mit Verzögerung auf ein Stufenansprechen in einer offenen Schleife eines realen industriellen Prozesses höherer Ordnung. Das Ziel besteht darin, daß man, um die optimalen PID-Kriterien anzuwenden, zunächst die optimale Annäherung erster Ordnung an den Prozeß haben muß, um damit zu beginnen. Regler dieser Art, welche den Prozeß analysieren und ihre optimalen PID-Werte automatisch berechnen, werden üblicherweise als sich selbst abgleichende oder automatisch abgleichende Regler bezeichnet.
Es gibt andere Prozeßannäherungsverfahren zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahren von Ziegler-Nichols und Miller et al. und auch jüngere als diese. Ein solches Verfahren wird beschrieben in dem US-Patent No. 4,602,326 (Kraus), wobei ein Regler eine Stufe für das Verfahren ausgibt, die die Größe der Prozeßsteuervariablen aus ihrem Wert N im stationären Zustand auf ein neues Niveau anhebt, das 10% oberhalb von N liegt. In einer Ausführungsform verwendet das von Kraus beschriebene Verfahren einen Startpunkt (Tf in Fig. 9 von Kraus), der 15 sec vor der Ausgabestufe liegt. Der Regler zeichnet die Zeit auf, bei welcher die Prozeßsteuervariable sich in ihrer Größe um 1%, 2%, 3% und 4% oberhalb ihres Wertes N im stationären Zustand vergrößert hat. Zusätzlich findet der Regler den oberen Abbiegepunkt durch eine Technik, die von Kraus als die Sekantenmethode bezeichnet wird. Es wird die Steigung gemessen von dem Abbiegepunkt zu jedem der Punkte, bei welchen eine Steigerung um 1 % auftritt. Das Verfahren verwendet den einen Prozentpunkt, welcher die maximale Steigung hat und ordnet eine Linie von dem Abbiegepunkt zu diesem Punkt zu. Der Schnittpunkt dieser Linie mit der x-Achse (welche die Zeit wiedergibt) wird als die Gesamttotzeit des Prozesses angesehen. In dieser Hinsicht ist das von Kraus gelehrte Verfahren identisch mit dem zuvor beschriebenen Ziegler-Nichols-Verfahren.
Ein weiteres Verfahren, welches in dem US-Patent 4,881,160 (Sakai et al) beschrieben ist, soll eine Verbesserung gegenüber dem bei Kraus beschriebenen Sekantenverfahren sein. Das in Sakai et al. beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Steigung verwendet sechs Punkte, um fünf Gradienten herauszufinden (s. Fig. 19 von Sakai et al). Ein Korrekturfaktor wird berücksichtigt, der nur ein Ansprechen erster Ordnung anzunehmen scheint. Dies ist einer der Nachteile des von Sakai et al. beschriebenen Verfahrens. Es ist wohlbekannt, daß das Stufenansprechen industrieller Prozesse eher einem Ansprechen zweiter Ordnung oder höherer Anordnung entspricht. Der Korrekturfaktor und die hinzuaddierten Punkte von Sakai et al. können sehr wohl eine Verbesserung gegenüber dem Sekantenverfahren sein, welches bei Kraus beschrieben wird, jedoch sind sowohl das Verfahren von Kraus als auch das von Sakai et al. immer noch unterlegen im Vergleich zu den Techniken, welche den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für das Erhalten von Prozeßeigenschaften bei einem sich selbst abgleichenden Regler bereitgestellt, um die Eigenschaften einer Annäherung erster Ordnung eines Feldprozeßsystems zu erhalten, welches von dem Regler geregelt wird, wobei die Annäherung erster Ordnung eine Zeitkonstante und eine Gesamttotzeit hat, das Feldprozeßsystem eine Prozeßvariable und eine Transportverzögerung hat und das Verfahren die Schritte aufweist:
i. Aufbringen einer vorbestimmten Stufe einer Eingabegröße auf das Feldprozeßsystem,
ii. Bestimmen der Steigung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe mit den Schritten:
a. Messen der ersten und zweiten Sätze von Meßwerten bzw. Momentwerten des Ansprechens der Prozeßvariablen, wobei der zweite Satz gegenüber dem ersten Satz verzögert ist, der erste Satz eine erste vorbestimmte Anzahl von Meßwerten hat, die zu verschiedenen Zeiten gemessen wurden, und der zweite Satz eine zweite vorbestimmte Anzahl der Meßwerte hat, die bei unterschiedlichen Zeiten gemessen wurden,
b. Berechnen des Durchschnittes jedes der ersten und zweiten Sätze von Meßwerten und des Unterschiedes zwischen diesen Durchschnittswerten der ersten und zweiten Sätze, und
c. Teilen des Unterschiedes durch einen vorbestimmten Teiler, um die Steigung zu erhalten,
iii. Bestimmen, wann diese Steigung maximal ist und Festlegen eines vorbestimmten Punktes innerhalb des Bereiches von Punkten, die durch die ersten und zweiten vorbestimmten Anzahlen von Meßwerten definiert werden, welche zu der maximalen Steigung gehören, und Messen des Zeitpunktes des Auftreten des vorbestimmten Punktes und der Amplitude des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Stufeneingabe, welches zu dem vorbestimmten Punkt gehört,
iv. Bestimmen, wann das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Stufeneingabe sich in einem stationären Zustand befindet, und (Bestimmen) der Amplitude der Prozeßvariablen, wenn das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Stufeneingabe sich in dem stationären Zustand befindet,
v. Berechnen der Gesamttotzeit der Annäherung erster Ordnung aus der maximalen Steigung, dem Zeitpunkt des Auftretens und der zugehörigen Ansprechamplitude der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe,
vi. Bestimmen der offensichtlichen bzw. scheinbaren Verzögerung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Eingabestufen aus der Gesamttotzeit und der Transportverzögerung, und
vii. Bestimmen der Zeitkonstanten der Annäherung erster Ordnung aus der maximalen Steigung, dem Zeitpunkt des Auftretens, der Ansprechamplitude der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, welches zu dem vorbestimmten Punkt gehört, der Amplitude der Prozeßvariablen, wenn das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in einem stationären Zustand befindet, und der scheinbaren Verzögerung.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erhalten von Prozeßeigenschaften in einem sich selbst abgleichenden Regler bereitgestellt, um die Merkmale der Annäherung erster Ordnung eines Feldprozeßsystems zu erhalten, welches von dem Regler gesteuert wird, wobei die Annäherung erster Ordnung eine Zeitkonstante und eine Gesamttotzeit hat, das Feldprozeßsystem eine Prozeßvariable und eine Transportverzögerung hat und die Vorrichtung aufweist:
i. Einrichtungen zum Aufbringen einer vorbestimmten Eingabestufe auf das Feldprozeßsystem,
ii. Einrichtungen zum Bestimmen der Steigung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, wobei die Einrichtungen zum Bestimmen der Steigung aufweisen:
a. Einrichtungen zum Messen erster und zweiter Sätze von Meßwerten des Ansprechens der Prozeßvariablen, wobei der zweite Satz gegenüber dem ersten Satz verzögert ist, der erste Satz eine erste vorbestimmte Anzahl zu verschiedenen Zeitpunkten gemessener Meßwerte hat und der zweite Satz eine zweite vorbestimmte Anzahl der bei verschiedenen Zeiten gemessenen Meßwerte hat,
b. Einrichtungen zum Berechnen des Durchschnittswertes jeder der ersten und zweiten Sätze von Meßwerten sowie des Unterschiedes zwischen den Durchschnittswerten der ersten und zweiten Sätze, und
c. Einrichtungen zum Teilen dieses Unterschiedes durch einen vorbestimmten Teiler, um die Steigung zu erhalten,
iii. Einrichtungen um zu bestimmen, wann die Steigung maximal ist und um einen vorbestimmten Punkt innerhalb des Bereiches von Punkten zu definieren, welche durch die ersten und zweiten vorbestimmten Anzahlen von Meßwerten festgelegt werden, welche zu der maximalen Steigung gehören, und zum Messen des Zeitpunktes des Auftretens des vorbestimmten Punktes und der Amplitude des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, welches zu dem vorbestimmten Punkt gehört,
iv. Einrichtungen zum Bestimmen, wann das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in einem stationären Zustand befindet, sowie der Amplitude der Prozeßvariablen, wenn das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in diesem stationären Zustand befindet,
v. Einrichtungen zum Berechnen der Gesamttotzeit der Annäherung erster Ordnung aus der maximalen Steigung, dem Zeitpunkt des Auftretens und der zugehörigen Ansprechamplitude der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe,
vi. Einrichtungen zum Bestimmen der scheinbaren Verzögerung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe aus der Gesamttotzeit und der Transportverzögerung, und
vii. Einrichtungen zum Bestimmen der Zeitkonstanten der Annäherung erster Ordnung aus der maximalen Steigung, dem Zeitpunkt des Auftretens, der Ansprechamplitude, welche zu dem vorbestimmten Punkt gehört, der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, der Amplitude der Prozeßvariablen, wenn das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in dem stationären Zustand befindet und der scheinbaren Verzögerung.
In Ausführungsformen der Erfindung wird eine Eingabestufe (stufenweise Änderung einer Eingabegröße) auf das Feldprozeßsystem aufgebracht. Die Steigung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe wird nach dem folgenden Verfahren bestimmt:
i. erste und zweite Sätze von sich ändernden Durchschnittswerten von Meßwerten des Ansprechens der Prozeßvariablen werden gemessen. Der zweite Satz wird gegenüber dem ersten Satz verzögert. Der erste Satz hat eine erste vorbestimmte Anzahl von Meßwerten, und der zweite Satz hat eine zweite vorbestimmte Anzahl von Meßwerten;
ii. der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Sätzen von sich ändernden Durchschnittswerten wird berechnet, und
iii. der Unterschied wird geteilt durch einen vorbestimmten Teiler, um die Steigung zu erhalten.
Die maximale Steigung wird bestimmt und ein vorbestimmter Punkt, der zu der maximalen Steigung gehört, wird in dem Bereich von Punkten festgelegt, die durch die ersten und zweiten vorbestimmten Anzahlen von Meßwerten definiert werden. Der Zeitpunkt des Auftretens der maximalen Steigung und die dazugehörige Amplitude der Prozeßvariablen werden an dem vorbestimmten Punkt gemessen. Die Gesamttotzeit des Feldprozeßsystems wird näherungsweise bestimmt aus der maximalen Steigung und dem Zeitpunkt des Auftretens sowie aus der Amplitude der Prozeßvariablen, die bei dem vorbestimmten Punkt gemessen wird. Die Zeitkonstante erster Ordnung wird dann aus dem Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe bestimmt.
Die Erfindung wird jetzt anhand eines Beispiels unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen durchgehend gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind und die nachstehend kurz beschrieben werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Regelschleife eines Prozesses, welche einen sich selbst abgleichenden Regler einschließt, bei welchem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des sich selbst abgleichenden Reglers gemäß Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Kurve, welche gemessene Prozeßansprechdaten auf eine Eingabestufe über der Zeit zeigt, sowie den Effekt, welchen ein Filter vom Verzögerungstyp auf die Daten hat, der zur Rauschunterdrückung verwendet wird.
Fig. 4 ist eine Kurve, welche nicht monotone gemessene Prozeßansprechdaten auf eine Stufeneingabe gegenüber der Zeit zeigt.
Die Fig. 5A und 5B sind Kurven, welche in Fig. 5A das tatsächliche Ansprechen eines Prozesses auf eine Stufeneingabe und in Fig. 5B ein Detail eines Teils des Ansprechens nach Fig. 5A zeigen.
Fig. 6 ist eine Kurve, welche die maximale Steigung für das Ansprechen gemäß Fig. 5A zeigt, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde,
Fig. 7 ist eine Kurve, welche die Reglerausgangsstufe, das aktuelle Ansprechen gemäß Fig. 5A, die Annäherung für die Transportverzögerung, die scheinbare Verzögerung und die Gesamttotzeit und das zugehörige Ansprechen erster Ordnung und das gewünschte Niveau für den Konvergenzpunkt der beiden Ansprechweisen zeigt.
Fig. 8 ist eine Kurvendarstellung, welche das tatsächliche Ansprechen eines ausgewählten Prozesses zeigt, der ein Zeitkonstantenverhältnis von 10 : 1 hat, im Vergleich gegenübergestellt dem Ansprechen für diesen Prozeß, wie es unter Verwendung des Ziegler-Nichols-Verfahrens bestimmt wird, sowie das Ansprechen für diesen Prozeß, wie es unter Verwendung der vorliegenden Erfindung bestimmt wird.
Fig. 9A ist eine grafische Darstellung, welche das tatsächliche Ansprechen eines anderen ausgewählten Prozesses zeigt, der ein Zeitkonstantenverhältnis von 40 : 1 hat, im Vergleich gegenüber dem Ansprechen für diesen Prozeß, wie es unter Verwendung des Ziegler-Nichols-Verfahrens bestimmt wird, und das Ansprechen für diesen Prozeß, wie es unter Verwendung der vorliegenden Erfindung bestimmt wird.
Fig. 9B ist eine grafische Darstellung, welche das tatsächliche Ansprechen eines ausgewählten Prozesses zeigt, der ein Zeitkonstantenverhältnis von 4 : 1 hat, gegenüber dem Ansprechen für diesen Prozeß, wie es bestimmt wird unter Verwendung des Ziegler- Nichols-Verfahrens und das Ansprechen für diesen Prozeß, wie es unter Verwendung der vorliegenden Erfindung bestimmt wird.
Fig. 10 ist ein Flußdiagramm eines Computerprogrammes, welches von dem sich selbst abgleichenden Regler bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 11 zeigt eine ausgewählte Reihe von Registern für die Verwendung bei der alternativen Technik, die durch die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um die Zeitkonstante zu berechnen.
Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, welche die Rauschanalyse und das Einstellen der in den Schritten 104 und 106 des Flußdiagrammes nach Fig. 10 verwendeten Triggers zeigt.
Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, welche das Messen der Prozeßvariablen über zwei ausgewählte Zeitintervalle zeigt.
Fig. 14 ist eine grafische Darstellung, welche die Ergebnisse der in Fig. 13 dargestellten Messungen zeigt.
Fig. 15 ist eine grafische Darstellung, welche die Ergebnisse des Messens der Prozeßvariablen über viele der ausgewählten Meßzeitintervalle zeigt.
Fig. 16 ist ein Flußdiagramm eines alternativen Computerprogrammes, welches bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung für die Berechnung der Zeitkonstanten verwendet werden kann.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Regelschleife 8 eines industriellen Prozesses dargestellt, welche einen sich selbst abgleichenden Regler 10 und einen Prozeß 15 einschließt, der eine aktuelle Prozeßausgangsgröße 15a hat, welche gekennzeichnet ist durch einen Sensor 16 für eine Prozeßvariable, wie z.B. Druck, Temperatur, Pegel oder Konzentration, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Für die Aufnahme des aktuellen Prozeßausgangswertes 15a ist ein Sensor 16 angeschlossen, der so funktioniert, daß er die Prozeßvariable ("PV") am Eingang 12 des Reglers 10 erzeugt. Die PV gibt den Wert der aktuellen Prozeßausgangsgröße 15a wieder.
Der Regler 10 weist eine PID-Einheit 9 auf, die einen PID-Algorithmus beinhaltet. Der gewünschte Wert des aktuellen Prozeßausganges 15a erscheint am Eingang 7 des Reglers als der Sollwert ("SP"). Der Regler 10 erzeugt an seinem Ausgang 11 den Regelausgangswert ("CO"), unter Ansprechen auf die PV an dem Eingang 12 und den SP am Eingang 7. Der CO wird durch den PID-Algorithmus berechnet. Der Regelausgangswert wird über den Betätiger 14 auf den Prozeß 15 übertragen. Für alle praktischen Zwecke betrachtet der Regler 10 den aktuellen Prozeß 15 so, daß er ihn als ein Feldprozeßsystem 13 regelt, welches aus der Kombination des Betätigers 14, des Prozesses 15 und des Sensors 16 besteht.
Gemäß Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm für einen sich selbst abgleichenden Regler 10 dargestellt. Der Regler 10 weist einen Mikroprozessor 19 auf, der den Regelausgangswert am Ausgang 11 über den Digital/Analogwandler (DAC) 17 verändern und die PV (ein analoges Signal) am Eingang 12 über den Analog/Digitalwandler (ADC) 21 überwachen kann. Dem Mikroprozessor 19 zugeordnet sind ein Speicher mit wahlweisem Zugriff (RAM) 18 und ein löschbarer, programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM) 20. Das interne Programm für den Betrieb des Mikroprozessors 19 ist in dem EPROM 20 gespeichert. Der ADC 21 wandelt die analoge PV, welche den Wert des aktuellen Prozeßausganges bzw. der Prozeßausgangsgröße 15a wiedergibt, am Eingang 12 in ein digitales Signal um. Der Mikroprozessor 19 kann den RAM 18 verwenden, um Daten, wie z. B. das digitale Signal zu speichern, welches den aktuellen Prozeßausgangswert wiedergibt. Das Programm, welches in dem EPROM 20 abläuft, teilt dem Mikroprozessor 19 mit, wie die Daten in RAM 18 zu manipulieren bzw. zu handhaben sind oder wie er den Regelausgangswert am Ausgang 11 des Reglers 10 ändern soll. Der DAC 17 wandelt das digitale Steuersignal, welches von dem Mikroprozessor erzeugt wird, am Ausgang 11 in den analogen Regelausgangswert um.
Der Regler 10 wirkt auf das Feldprozeßsystem 13 zu bestimmten, voneinander getrennten Zeitintervallen ein, die üblicherweise als Regelzyklen bezeichnet werden. Die Meßzeit für den ADC 21 ist üblicherweise dieselbe wie der Regelzyklus.
Ein Problem tritt auf, wenn ein sich selbst abgleichender Regler 10, der die vorliegende Erfindung nicht beinhaltet, versucht, das Ansprechen des Feldprozeßsystems 13 in einer offenen Schleife zu analysieren. Wie zuvor schon beschrieben wurde, sind industrielle Prozesse typischerweise überkritisch gedämpft und von höherer Ordnung, d.h., sie haben mehr als einen Pol. Zusätzlich hat der typische industrielle Prozeß üblicherweise einige dominante Pole (von denen einer dominanter ist als die anderen), die für die Reaktion bzw. das Ansprechen des Prozesses im wesentlichen verantwortlich sind. Wie noch genauer im folgenden beschrieben wird, ermöglicht die Einbeziehung der vorliegenden Erfindung in den Regler 10 eine mehr praktische, speichereffiziente und genaue Annäherung der Gesamttotzeit und Zeitkonstanten-Eigenschaften für ein Ansprechen höherer Ordnung auf eine Stufe in einer offenen Schleife, als durch Verwendung eines der Verfahren nach dem Stand der Technik in dem Regler 10 bereitgestellt werden kann.
Wie bei den oben beschriebenen Verfahrensweisen nach dem Stand der Technik ist es wünschenswert, die maximale Steigung des Ansprechens auf eine Stufe in der offenen Schleife zu bestimmen. Wie jedoch beschrieben wurde, bestehen die Verfahren nach dem Stand der Technik darin, eine Tangente an die maximale Steigung an die gezeichnete Kurve des Ansprechens auf eine Stufe in der offenen Schleife zu ziehen. Die Art und Weise, in welcher die vorliegende Erfindung die maximale Steigung bestimmt, wird weiter unten beschrieben.
Einem industriellen Prozeß wohnt ein gewisser Betrag an Rauschen inne. Verfahren, die verwendet werden, um Werte wie z. B. die Steigung eines Signals zu bestimmen, müssen Rauschunterdrückungseigenschaften haben. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Verwendung eines Filters vom Verzögerungstyp für das Signal für das Dämpfen von Rauschen nicht die richtige Antwort, da der Filter die wahre Steigung 36 der Ansprechdaten 35 verzerrt. Die Wirkung, die ein Verzögerungsfilter auf die gemessenen Ansprechdaten hat, ist in Fig. 3 bei 37 dargestellt. Deshalb ist ein Filterverfahren erforderlich, welches die tatsächlichen Meßablesungen verwendet, d.h. keinen verzögerten Wert.
Ein Verfahren, welches einen Filter einschließt, der Datenpunkte ignoriert, die nicht monoton sind, ist ebenfalls nicht wünschenswert, da ein sehr langsam reagierender Prozeß ausschließlich als Rauschen erscheinen kann. Fig. 4 zeigt das Ansprechen auf einen Prozeß, in welchem die gemessenen Ansprechdaten 40 nicht monoton sind. Wie jedoch bei 41 dargestellt wird, erhält die Erfindung die Steigung vollständig aufrecht. Es ist darauf hinzuweisen, daß Verfahren nach dem Stand der Technik zum Messen der Steigung, wie sie von Kraus und Sakai et al. beschrieben wurden, offensichtlich keine in ihr Rauschbestimmungsverfahren eingebaute Rauschunempfindlichkeit haben. Das Aufspreizen bzw. der Abstand der Messungen kann die Wirkung des Rauschens auf die Berechnung der Steigung etwas vermindern, je mehr jedoch die Messungen voneinander beabstandet werden, desto geringer wird die Genauigkeit der Steigung des aktuellen bzw. momentanen Ansprechens.
Die Art und Weise, auf welche die vorliegende Erfindung die maximale Steigung bestimmt, wird nun beschrieben. Fig. 5A zeigt die Reaktion bzw. das aktuelle Ansprechen 45 eines Prozesses auf eine Stufeneingabe. Der Abschnitt in dem Ansprechen, der durch einen Kreis 46 bezeichnet ist, ist im Detail in Fig. 5B dargestellt. Die vorliegende Erfindung berechnet die Steigung des Ansprechens durch Speichern der zumindest acht Messungen 50-57. Die Messungen 50-57 werden während jeder Abstastperiode des ADC 21 aufgenommen, welche dieselbe sein kann wie die Regelzykluszeit des Reglers 10 oder auch verschieden von dieser sein kann. Von den vier letzten Messungen 54-57 wird der Durchschnitt gebildet, und es wird auch der Durchschnitt gebildet von den vier ältesten bzw. vorhergehenden Messungen 50-53 gebildet. Die Neigung 47 wird erhalten, indem zuerst der Durchschnitt der vier ältesten Messungen von dem Durchschnitt der letzten vier Messungen abgezogen wird und dann das Ergebnis der Differenzbildung durch das Vierfache der Meßzeit dividiert wird.
Wie im folgenden noch genauer beschrieben wird, vergleicht die vorliegende Erfindung die Steigung 47 mit der maximalen Steigung, die bis dahin für das Ansprechen des Prozesses auf eine Stufeneingabe gefunden wurde. Die zuvor berechnete maximale Steigung wurde in dem RAM 18 des Reglers 10 zusammen mit dem Zeitpunkt des Auftretens dieser maximalen Steigung und dem Wert der aktuellen PV zu diesem Zeitpunkt gespeichert. Wenn die Steigung größer ist als die zuvor berechnete maximale Steigung, so speichert die vorliegende Erfindung die Steigung 47, den Zeitpunkt ihres Auftretens und den Wert der aktuellen Prozeßvariablen zu diesem Zeitpunkt in dem RAM 18 anstelle der entsprechenden Werte, die zuvor in dem RAM gespeichert waren.
Bei dem nächsten Regelzyklus wiederholt die vorliegende Erfindung die Berechnung der Steigung durch:
i) Speichern der nächsten acht Messungen 51-57 und 59 (es ist darauf hinzuweisen, daß die Messung 50, die älteste Messung des vorhergehenden Regelzyklus, nicht verwendet wird),
ii) Bilden des Durchschnittes der vier letzten Messunten 55, 56, 57 und 59,
iii) Bilden des Durchschnittes der vier ältesten Messungen (51, 52, 53 und 54),
iv) Substrahieren des Durchschnittes der vier ältesten Messungen von dem Durchschnitt der vier jüngsten Messungen,
v) Teilen des Ergebnisses der Subtraktion durch das Vierfache der Meß- bzw. Abtastzeit,
vi) Vergleichen der neu berechneten Steigung mit der maximalen Steigung, die bis dahin berechnet und in dem RAM 18 gespeichert worden ist, und
vii) Einsetzen der neu berechneten Steigung, des Zeitpunktes ihres Auftretens und des aktuellen Prozeßausgangwertes bei dieser Steigung in dem RAM 18 anstelle der entsprechenden Werte, die zuvor in dem RAM gespeichert waren, wenn die neu berechnete Steigung größer ist als das zuvor berechnete Maximum (derselben).
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung für jeden nachfolgenden Regelzyklus, auch wenn Fig. 5B über 59 hinaus keine weiteren Messungen zeigt, die oben beschriebenen Schritte weiterhin durchführt, bis festgestellt worden ist, daß das Ansprechen auf die Stufe den stationären Zustand erreicht hat. Bei jedem Regelzyklus überprüft die vorliegende Erfindung, ob das Ansprechen auf die Stufeneingabe des Prozesses den stationären Zustand erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt berechnet die vorliegende Erfindung nicht mehr die Steigung. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß dann, wenn das Ansprechen den stationären Zustand erreicht hat, die vorliegende Erfindung das Ergebnis der maximalen Steigung, den Zeitpunkt ihres Auftretens und den Wert der aktuellen PV zu diesem Zeitpunkt in dem RAM 18 gespeichert hat. Alternativen zu dem oben beschriebenen Steigungsbestimmungsverfahren weisen entweder auf:
i) Verändern der Anzahl der zu speichernden Messungen, oder
ii) Durchschnittbildung einer Anzahl jüngster Messungen, die von der Anzahl der älteren Messungen verschieden ist, oder
iii) Skalieren des Teilers mit oder ohne Änderung der Abtastrate.
Die Verwendung einer alternativen Bestimmungsmethode der Steigung kann je nach der speziellen Anwendung wünschenswert sein. Das Speichern von 2n Punkten (wobei n eine ganze Zahl ist) kann ein schnelles Dividieren durch Verwendung der Exponentenverschiebung ermöglichen. Dies kann dazu beitragen, einige Zeit bei Fließkommaoperationen einzusparen. Mehr Speicher für Messungen ermöglicht eine bessere Rauschfilterung; jedoch erhöht es die Verarbeitungszeit und beansprucht mehr Speicherplatz. Weiterhin muß man bei der Rauschunempfindlichkeit gegenüber der wahren Berechnung der Steigung Abstriche machen. Je kleiner der Abstand zwischen Punkten auf einer Kurve ist, desto besser wird die Annäherung an die Steigung dieser Punkte innerhalb des Intervalls. Andererseits liefert eine größere Anzahl von Punkten, von welchen der Durchschnitt gebildet wird, eine bessere Rauschfilterung, jedoch verknüpft mit einem Verlust an der Korrektheit bzw. Integrität der Steigung. Im Ergebnis würde die Wahl eines Ansatzes, der sich einem dieser Extreme nähert, in der Wirklichkeit nicht gut arbeiten. Weiterhin würde ein reiner Bewegungsdurchschnitts- oder Verzögerungsfilter für die Steigungsmessung oder nur die Berechnung der Steigung zwischen zwei Messungen bei der vorliegenden Erfindung in der Wirklichkeit, d. h. bei einem inhärent verrauschten, industriellen Prozeß, nicht gut arbeiten.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Rauschunempfindlichkeit für das Messen der Steigung bereit. Sie verzerrt nicht die Steigung bzw. Tendenz der gemessenen Werte. Da industrielle Prozesse typischerweise eine dominante Zeitkonstante von zumindest Sekunden haben, ist der Fehler bei Verwendung von nur acht Messungen praktisch vernachlässigbar, wenn der Eingangswert mit einer vernünftigen Rate abgefragt wird, d.h. zumindest vier (4) mal pro Sekunde. Bei einer Anwendung, bei welcher der Prozeß langsam reagiert, d.h. eine große Zeitkonstante hat, ist die Steigung bei Verwendung der Erfindung immer noch weitgehend gültig, da sie das Rauschen kontinuierlich herausmittelt (s. Fig. 4).
Gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet der Mikroprozessor 19 (s. Fig. 2) die Steigung des Ansprechens auf eine Stufeneingabe für den Prozeß mit jedem Regelzyklus. Die von dem Mikroprozessor berechnete maximale Steigung wird in dem RAM 18 gespeichert. Bei jedem Zyklus vergleicht der Mikroprozessor die in dem RAM 18 gespeicherte maximale Steigung mit der Steigung, die er zuletzt berechnet hat. Wenn die zuletzt berechnete Steigung größer ist oder gleich wie die zuvor gespeicherte maximale Steigung ist, so ersetzt der Mikroprozessor die zuvor gespeicherte maximale Steigung in dem RAM 18 durch die letzte bzw. jüngste Steigung. Zu dem Austausch gehört auch die Speicherung des Wertes der neuen maximalen Steigung 47 (s. Fig. 5B), des zugehörigen bzw. zugeordneten Meßwertes 49 und der dem Punkt 58 zugeordneten Zeit 48. Bei dem in Fig. 5B veranschaulichten Beispiel wird die zugeordnete Zeit 48 als im wesentlichen die Mitte zwischen dem Zeitpunkt des Auftretens der Punkte 53 und 54 angesehen. Es versteht sich jedoch, daß die zugeordnete Zeit 48 irgendwo innerhalb des durch die Punkte 50 bis 57 definierten Zeitbereiches und der zugeordnete Meßwert 49 irgendwo innerhalb des durch die Punkte 50 bis 57 definierten Meßwertbereiches liegen kann.
Für noch mehr Rauschunterdrückung kann der Durchschnitt von allen acht Punkten 50 bis 57 gebildet werden. Alternativ kann für jede ausgeglichene Anzahl von Punkten, d.h. dieselbe Anzahl von Punkten auf jeder Seite der zugeordneten Zeit 48, für eine größere Genauigkeit der Amplitude 49 der Durchschnittswert gebildet werden. Der unmittelbar anschließende, folgende Regelzyklus würde die Punkte 51-57 und 59 verwenden, um den nächsten Wert der Steigung zu bestimmen. Dieser Vorgang wird für jeden Regelzyklus wiederholt, bis die vorliegende Erfindung festgestellt hat, daß das Ansprechen den stationären Zustand erreicht hat. Es versteht sich, daß die Erfindung es ermöglicht, daß die Steigung 47 sehr einfach bei jedem Zyklus berechnet wird und dadurch erlaubt, daß zahlreiche Punkte des Ansprechens analysiert werden, was genauere Ergebnisse liefert.
Praktisch alle industriellen Prozesse haben typischerweise zumindest zwei Pole, wenn nicht mehr. Eine gute Abschätzung eines typischen industriellen Prozesses ist ein überkritisch gedämpftes System mit zwei Polen und daher zwei Zeitkonstanten, von denen eine sich gegenüber der anderen um das Zehnfache unterscheidet. Dieses allein stellt sicher, daß die maximale Steigung nicht zu Beginn oder am Ende auftritt, wie dies ein Ansprechen von rein erster Ordnung tut, und daß die Erfindung daher das Ziegler-Nichols-Verfahren nach dem Stand der Technik durchführt. Wie zuvor bereits beschrieben, nimmt das Ziegler-Nichols- Verfahren an, daß die Zeitkonstante in inverser Beziehung zu der maximalen Steigung gemäß Miller et al. steht. Die vorliegende Erfindung geht nicht von dieser Annahme aus.
Es wird jetzt auf Fig. 6 Bezug genommen, in welcher die maximale Steigung dargestellt ist, die wie oben beschrieben bestimmt wurde, angewendet auf das in Fig. 5A dargestellte aktuelle Ansprechen. Mein Verfahren bestimmt das additive Äquivalent der beiden Zeitkonstanten unter der Annahme eines Prozesses zweiter Ordnung, bei welchem eine Zeitkonsante das Zehnfache der anderen beträgt. Der genaue Punkt, in welchem das Ansprechen des Systems zweiter Ordnung auf eine Stufeneingabe ("Ansprechen zweiter Ordnung") seine maximale Steigung erreicht, ist äquivalent zu dem Ansprechen eines Systems erster Ordnung auf eine Stufeneingabe ("Ansprechen erster Ordnung") mit einer Zeitkonstanten gleich der Summe der beiden Zeitkonstanten des Prozesses zweiter Ordnung. Nachdem ich das Vorstehende erhalten hatte, habe ich mir überlegt, daß das schnellste Ansprechen (maximale Steigung) 64 der Punkt 61 sein muß, wo die beiden Zeitkonstanten additiv wirken, da es nicht möglich ist, schneller zu reagieren als die beiden Ansprechenweisen erster Ordnung in Reihe.
Die vorliegende Erfindung stellt die zusätzliche Information über das Verfahren bereit, nämlich daß die maximale Steigung dort auftritt, wo die Zeitkonstanten additiv sind, was es ermöglicht, daß man eine genauere Näherung für den Prozeß erhält. Das folgende ist eine Zeitdomänenlösung eines Stufenansprechens zweiter Ordnung:
wobei τ&sub1; und τ&sub2; die Zeitkonstanten des Prozesses erster Ordnung sind und t die Zeit ist.
Auch wenn ein Zeitkonstantenverhältnis von 10 : 1 für viele industrielle Prozesse vernünftig ist, ermöglicht die Erfindung die Flexibilität, das Verhältnis der Zeitkonstanten auf der Basis des Prozeßtyps oder anderer Kriterien für die Anwendung auszuwählen. Bei einer speziellen Temperaturanwendung kann das Zeitkonstantenverhältnis des Prozesses als 20 : 1 gewählt werden, während bei einer speziellen Strömungsanwendung das Verhältnis mit nur 5 : 1 gewählt werden kann. Unter Verwendung der Gleichung [1] mit der Beziehung τ&sub1; = 10 x τ&sub2;, erhält man die folgende Gleichung:
Die vorliegende Erfindung mißt das Niveau bzw. den Pegel der Prozeßvariablen, um zu bestimmen, ob der Prozeß sich in dem stationären Zustand befindet. Der Prozeß muß sich im stationären Zustand befinden, bevor der Stufe des Regelausganges auf den Prozeß angewendet wird. Die Amplitude der Regelausgangsstufe sollte genügend groß gewählt werden, um die Eigenschaften des Prozesses zu erhalten, jedoch nicht so groß, daß die Nichtlinearitäten des Feldprozeßsystems die Ergebnisse beeinflussen. Eine vernünftige Stufenamplitude liegt bei 20% der von 0% bis 100% reichenden Reglerspanne der Prozeßvariablen. Wie in Verbindung mit Fig. 5B beschrieben wurde, berechnet die vorliegende Erfindung weiterhin die Steigung, bis sie festgestellt hat, daß das Ansprechen auf die Regelausgangsstufe den stationären Zustand erreicht hat. Fig. 6 zeigt bei 222 den Pegel PVs, welchen die Prozeßvariable unmittelbar vor dem Aufbringen der Regelausgangsstufe auf das Feldprozeßsystem 13 hat. Fig. 6 zeigt auch bei 224 den Pegel PVf der Prozeßvariablen, wenn das Ansprechen auf die Regelausgangsstufe den stationären Zustand erreicht hat.
Die Technik, mit welcher die vorliegende Erfindung bestimmt, ob der Prozeß sich in einem stationären Zustand befindet, wird jetzt beschrieben. Die Schritte dieser Technik sind:
i) Durchschnittbilden der Werte der Prozeßvariablen in Zeitintervallen von 10 Sekunden. Eine alternative Funktion gegenüber der Durchschnittbildung liegt in der Verzögerung der PV-Werte mit einer Zeitkonstanten von 10 Sekunden um 10 Sekunden. Fig. 13 zeigt eine Anzahl von Datenpunkten für die PV in zwei Zeitintervallen 450, 451 von 10 Sekunden.
ii) Speichern des Durchschnittswertes oder verzögerten Wertes von PV für das letzte 10 Sekunden-Intervall. Fig. 14 zeigt den sich ergebenden Durchschnittswert 452, 453 der Datenpunkte aus Fig. 13 am Ende der 10 Sekunden-Zeitintervalle 450, 451.
iii) Überwachen der Durchschnittswerte oder verzögerten Werte auf eine Richtungsveränderung 454 vom Ansteigen 455 bis zum Abfallen 456 oder vom Abfallen 458 auf das Ansteigen 459, wie in Fig. 15 dargestellt.
iv) Behalten der Zählung der Anzahl von 10 Sekunden-Intervallen, die vergehen, bevor sich der Steige/Abfallzustand gegenüber dem vorherigen geändert hat.
v) Bestimmen, ob die Anzahl der Intervalle und die maximale Abweichung kennzeichnend für die Anforderungen sind, die festgelegt wurden, um einen stationären Zustand zu definieren.
Um als stationärer Zustand angesehen zu werden, muß die maximale Abweichung weniger betragen als 1 Prozent (1%), geteilt durch die Anzahl der Intervalle, die für das Auftreten der Änderung von Steigung/Abfallen benötigt wurden. Der minimale Betrag der maximalen Abweichung würde auf 0,00153% gesetzt werden, was die Gleitkommarundungseinschränkungen bei einer 16 Bit Mantisse wiederspiegelt. Damit könnte man einen sich wiederholenden stationären Zustand finden bis zu einem System mit einer Zeitperiode von 1,8 Stunden. Selbstverständlich würde die Verwendung von genaueren Gleitkommaoperationen oder längere Zeitintervalle die Messung längerer Prozeßdauerperioden erlauben. In ähnlicher Weise würden kürzere Zeitperioden ein schnelleres Zurückkehren ermöglichen, wenn der stationäre Zustand erreicht ist. Ein Intervall von 10 Sekunden scheint jedoch eine vernünftige Zeitdauer für die meisten industriellen Prozesse zu sein. Das Zeitintervall kann nicht nur für bestimmte Anwendungen verändert werden, sondern die maximale Abweichung kann auch größer oder kleiner festgelegt werden, damit sie auf eine spezielle Anwendung paßt.
Fig. 15 zeigt ein Beispiel eines Satzes von zeitlich gemittelten Datenpunkten, wie es für eine spezielle Anwendung verwendet wurde. Die Intervalle zeigen die erste Änderung von einem steigenden in einen abfallenden Zustand beim Übergang von dem Punkt 455 nach 456. Der Zustand vom Abfallen zum Steigen findet sich beim Übergang vom Punkt 458 nach 459. Es ist festzuhalten, daß es sechs (6) Intervalle von dem Punkt 456 zum Punkt 459 gedauert hat, um die Zustände des Steigens/Abfallens in diesem Beispiel zu wechseln. Während der Periode des Zustandes vom Steigen/Abfallen zum Abfallen/Steigen wird die maximale Abweichung von Messung zu Messung gespeichert. Die maximale Abweichung bei der Periode in diesem Zustand liegt während des Intervalls 457 vor. Sobald diese Periode von Steigen/Abfallen zu Abfallen/Steigen durchlaufen ist, wird die Anzahl der Intervalle registriert, die hierfür erforderlich waren. In diesem Fall muß die Abweichung 457 weniger als 0,167% betragen (1%/6 Intervalle), damit der Zustand als ein stationärer angesehen wird.
Ein alternatives Verfahren zum Bestimmen des stationären Zustandes verwendet die Information, die auf der maximalen Steigung des Stufenansprechens beruht. Für praktische Zwecke können wir annehmen, daß ein ausgleichendes Ansprechen auf eine Stufeneingabe in der Natur näherungsweise eine abfallende Sinuskurve ist. Aus dieser Näherung können wir ableiten, daß die maximale Steigung mit der Periode der Schwingung verknüpft ist. Bis zu dem ersten Spitzenwert eines Stufenansprechens des Prozesses kann ein Halbzyklus von (A)SIN (ωt) die Beziehung der maximalen Steigung mit der Oszillationsperiode grob annähern. Die Steigung von (A)SIN(ωt) ist seine Ableitung (Aω)COS(ωt). Wobei (A) die Peak-Amplitude, ω die Winkelfrequenz und t die Zeit sind. Die maximale Steigung liegt dort vor, wo COS(ωt) gleich 1 ist, und damit die maximale Steigung gleich (Aω) ist. Das Einsetzen der maximalen Steigung in diese Terme und mit Bezug auf die Periode T ergibt, daß die maximale Steigung gleich (2 π A) / T ist. Der Peak-to-Peak-Spitzenwert der PV des Stufenansprechens ist näherungsweise (2)(A). Daher können wir unter Verwendung dieser Beziehung bei dem folgenden als Näherung für die natürliche Periode T erhalten:
T (π) (Peak-to-Peak PV)/Maximale Steigung [2a]
Unter Verwendung dieser Information über den Prozeß kann ein grober Wert der natürlichen Zeitperiode der Schleifenreaktion bzw. dem Ansprechen in der Schleife zugeordnet werden. Beispielsweise können wir die Peak-to-Peak PV (maximale Variation der Prozeßvariablen) während einer Zeitdauer analysieren, die näherungsweise eine Länge von zwei natürlichen Perioden hat. Diese würde dazu beitragen, daß genügend Zeit bereitgestellt wird, um zumindest eine volle Periode der maximalen PV-Abweichung zu erfassen. Eine maximale Peak- to-Peak PV-Abweichung kann als Anzeige für einen stationären Zustand bestimmt werden. - Beispielsweise ist 2% das Maximum, um welches die PV sich während der Überwachungsperiode in dem spezifizierten stationären Zustand ändern kann. Eine Alternative besteht darin, eine einstellbare, hinnehmbare Abweichung zu erzeugen, um eine Anpassung an unbekannte Abschwingvorgänge vorzunehmen. Beispielsweise könnte während der ersten Überwachungsperiode des stationären Zustandes die maximale Abweichung auf weniger als 1% festgesetzt werden, während der zweiten Überwachungsperiode des stationären Zustandes müßte die maximale Abweichung weniger als 2% betragen, dann während der nächsten 3% usw. Man erkennt leicht, daß mit fortschreitender Zeit die PV-Schwingung eventuell die Bedingung der maximalen Abweichung erfüllt. Es wäre jedoch ratsam, einen oberen Grenzwert festzulegen, wie zum Beispiel daß dann, wenn die Bedingung für den stationären Zustand in zehn (10) Überwachungsperioden auf den stationären Zustand nicht erfüllt worden ist, die Schleife zu stark schwingend oder instabil ist. Wie zuvor festgestellt, können die Maximalabweichung und die Überwachungszeitdauer für den stationären Zustand verändert werden, damit sie auf eine bestimmte Anwendung passen.
Ein Startdetektor des Ansprechens ist ein weiterer Teil der Erfindung. Der Startdetektor für das Ansprechen legt den Zeitpunkt fest, zu welchem die Transportverzögerung (die weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung zu Fig. 7 definiert wird) abgelaufen ist. In vielen industriellen Prozessen gibt es eine Transportverzögerung. Eine solche Verzögerung kann ihren Grund in der Position des Sensors in dem Prozeß haben. Die Transportverzögerung ist vielen industriellen Prozessen gemeinsam, da es normalerweise wünschenswert ist, daß der Reglerausgang die Eingabe in den Prozeß beeinflußt, die Sensormessung jedoch am Prozeßausgang erwünscht ist. Deshalb kann es eine physikalische Transportverzögerung geben von dem Zeitpunkt, von welchem an der Regler auf den Prozeß einwirkt, und dem Zeitpunkt, bei welchem der Prozeßausgangssensor diese Veränderung erkennt.
Der Startdetektor für das Ansprechen folgt üblicherweise dem Detektor für den stationären Zustand, um sicherzustellen, daß der Prozeß sich nicht verändert. Wenn ein stationärer Zustand deklariert wird, werden die PV und der Durchschnitt der Steigung auf PVhigh 466, PVlow 467 und maximale Rauschsteigung [Slopemax] 465 während einer Zeitdauer von 20 Sekunden (s. Fig. 12) überwacht. Der PV-Durchschnitt (PVavg) kann definiert werden als der Durchschnitt über diese Zeitdauer oder als (PVhigh + PVlow)/2. Für eine Anwendung, bei welcher eine Steigerung des Regelausgangswertes eine Steigerung in der PV hervorruft, ist der PV-Triggerpunkt 470 dort, wo die PV zumindest auf dem Punkt (PVhigh + (PVhigh-PVlow)) ist und zusätzlich muß die Durchschnittssteigung 471 an diesem Punkt 470 zumindest das Doppelte der vorhergehenden Steigung Slopemax 465 betragen. Diese zwei Bedingungen helfen dabei, ein falsches Triggern einer Erfassung des Ansprechens zu verhindern. Zu bemerken ist, daß dieses Verfahren dazu beiträgt, inhärentes hochfrequentes Rauschen des Prozesses ebenso wie inhärentes elektrisches Signalrauschen zu berücksichtigen. Unter Verwendung der Durchschnittssteigung 471 an diesem Punkt 470 kann eine Ansprecherfassungszeit zurückberechnet und gespeichert werden. Man beachte, daß dieselbe Art von Ansprechstartdetektor bei einer abfallenden PV verwendet werden kann, indem der Triggerpunkt bei (PVlow - (PVhigh - PVlow)) gesetzt wird und in ähnlicher Weise in der anderen PV-Richtung funktioniert.
Zum Beispiel beträgt PVhigh 26% und PVlow 24%, wodurch PVavg gleich 25% wird, und die maximale Steigung im Rauschen während dieser Zeit ist 2% pro Minute. Für ein Ansprechen im Anstieg ist der Triggerpunkt 25% + (26% - 24%), was 27,0% ergibt. Die erforderliche Minimalsteigung ist zwei (2) mal 2% pro Minute, was 4% pro Minute ergibt. Das Beispiel führt zu einem 27% Triggerpunkt 470 und der durchschnittlichen Steigung 471, welcher zufällig 10% pro Minute bei dem 27% Triggerpunkt ist, was die erforderlichen 4% pro Minute übersteigt. Damit sind die minimalen Steigungs- und Triggerniveaukriterien übererfüllt; daher sind beide Triggererfordernisse für die Ansprecherfassung erfüllt. Dann ergibt das Rückwärtsberechnen, daß die Ansprecherfassungszeit die Triggerzeit bei 470 minus (27% - 25%)/10% pro Minute ist, und damit liegt die Ansprecherfassungszeit 0,2 Minuten vor der Triggerzeit bei 470.
Es wird jetzt auf Fig. 7 Bezug genommen, in welcher die Stufe im Regelausgang (CO) dargestellt ist, sowie das aktuelle Ansprechen 66 zweiter Ordnung, die Annäherung an das Ansprechen 67 erster Ordnung und das gewünschte Niveau des Konvergenzpunktes 68 der beiden Ansprechverhalten bzw. Reaktionen 66 und 67. Die Begriffe "scheinbare Verzögerung" und "Ansprecherfassungszeit" werden jetzt unter Bezug auf Fig. 7 definiert. Zuvor ist es noch notwendig, die "Transportverzögerung" zu definieren, da, wie schon beschrieben wurde und in Fig. 7 dargestellt ist, die Gesamttotzeit 200 die Summe aus Transportverzögerung 202 und der scheinbaren bzw. offensichtlichen Verzögerung 204 ist.
Der Begriff "Transportverzögerung" bezieht sich auf den Transport von Materie oder Energie von einem physikalischen Ort an einen anderen. Beispielsweise liegt bei einem Verfahren, welches die Vermischung von Flüssigkeiten in einem Tank zur Einstellung eines pH-Wertes in einem Säureprozeß steuert, das Ventil, welches verwendet wird, um die Flußrate der kaustischen Flüssigkeit zu regeln, an der Oberseite des Tanks, während der Sensor für den pH-Wert am Auslaß des Tanks angeordnet ist. Wenn der Prozeßregler 10 unter Ansprechen auf das Signal von dem Sensor das Ventil betätigt, um den Strom kaustischer Flüssigkeit zu erhöhen oder zu vermindern, so dauert es offensichtlich eine gewisse Zeit, bis diese Erhöhung oder Abnahme der kaustischen Flüssigkeit, welche den pH-Wert in der Mischung verändert, bis zu dem Sensor gelangt. Diese Zeit ist die Transportverzögerung. Der Zeitpunkt, zu welchem der Sensor die Veränderung des pH-Wertes zuerst erfaßt, wird als die Ansprecherfassungszeit bezeichnet.
Die scheinbare Verzögerung 204 ist die Verzögerung, die von dem Zeitpunkt, an welchem der zu dem Prozeß gehörige Sensor zuerst die Wirkung des Regelausganges auf den Prozeß erfaßt, d.h. der Ansprecherfassungszeit, bis zu der Zeit gemessen wird, bei welcher die vorliegende Erfindung den Schnittpunkt der maximalen Steigung mit der Zeitachse schneidet. Wie man aus Fig. 7 erkennen kann, beginnt die scheinbare oder offensichtliche Verzögerung 204 am Ende der Transportverzögerung 202.
Gleichung [2] kann gleich dem gewünschten Niveau für den Konvergenzpunkt 68 gesetzt werden. Ein vernünftiger, gewünschter Konvergenzpunkt 68 ist der Halbwertspunkt der normalisierten Stufe, d.h. bei 0,5, da es wünschenswert ist, einen Konvergenzpunkt auszuwählen, der tief genug liegt, um eine enge Annäherung des anfänglichen Ansprechverhaltens sicherzustellen. Ein zu niedriger Konvergenzpunkt bewirkt jedoch einen beträchtlichen Fehler in der Gesamtanpassung. Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Konvergenzpunktes, der größer als drei Viertel oder kleiner als ein Drittel der normalisierten Ansprechstufe ist, nicht anzuraten, um das angemessene Überschwingen und die Ansprechzeit für den PID- Regler zu erhalten. Es ist darauf hinzuweisen, daß für τ&sub2; = 10 τ&sub1;, τ&sub1; plus τ&sub2; gleich 11 τ&sub1; ist. Die Lösung der Gleichung [2] ergibt, daß der Zeitpunkt, bei welchem das tatsächliche Ansprechen 66 zweiter Ordnung den Halbwert erreicht,
0,72585 (τ&sub1; + τ&sub2;) [3]
ist. Die Fachleute können leicht mathematisch bestimmen, daß die Zeitkonstante des Ansprechens erster Ordnung 1,4427 mal der Zeit ist, die benötigt wird, damit das Ansprechen erster Ordnung den Halbwertpunkt des Stufenansprechens erreicht. Daher ist die geschätzte Zeitkonstante der Annäherung erster Ordnung einfach:
1.4427 (0.72585(τ&sub1; + τ&sub2;) - scheinbare Verzögerung). [4]
Diese Gleichung [4] ist eine einfache, zeitsparende und wenig aufwendige, zu verwirklichende Annäherung, um eine optimale Zeitkonstantenannäherung zu finden.
Die äquivalente (τ&sub1; + τ&sub2;) Zeitkonstante wird nun aus der maximalen Steigung bestimmt. Das Stufenansprechen im Zeitgebiet eines Systems erster Ordnung ist einfach:
1 - e-t/τ [5]
und seine Ableitung ist
1/τ e-t/τ [6]
Man erinnere sich, daß die Ableitung einer Funktion eine Funktion der Steigung wiedergibt. Damit kann die Zeitkonstante gefunden werden, wenn eine Steigung 64 (s. Fig. 6) und die entsprechende Amplitude 63 beim Punkt 61 gegeben ist. Man beachte, daß die Amplitude 65 vom oberen Ende des Ansprechens gleich e-(t/T) ist, wobei t die Zeit 62 ist. Die Erfindung stellt fest, daß die Zeitkonstante (τ&sub1; + τ&sub2;) aus der Zeit 62, der maximalen Steigung 64 und der Amplitude 63 des Punktes 61 maximaler Steigung gefunden werden kann. Zusätzlich muß die Prozeßverstärkung, wenn sie nicht gleich eins ist, berücksichtigt werden, da eine Verstärkung ungleich eins die Steigung der Zeitkonstantenbeziehung beeinflußt. Daher ist τ&sub1; + τ&sub2; gleich dem normalisierten Bruchteil der Amplitude 65 von dem oberen Stufenniveau multipliziert mit der Prozeßverstärkung und dividiert durch die maximale Steigung 64.
Der Unterschied zwischen dem Ziegler-Nichols-Verfahren und der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das Ziegler-Nichols-Verfahren annimmt, daß die festgestellte, aktuelle maximale Steigung dieselbe ist wie die Anfangssteigung des angenäherten Ansprechens erster Ordnung. Dies trifft nur dann zu, wenn der industrielle Prozeß rein erster Ordnung ist, was eigentlich nie der Fall ist. Wenn dies dennoch so wäre, würde die vorliegende Erfindung immer noch die Steigung exakt bestimmen.
Wie im folgenden in Verbindung mit Fig. 9A etwas genauer beschrieben wird, führt selbst dann, wenn die dominante Zeitkonstante (der dominante Pol) um mehr als das 40fache größer ist als die nächstliegende Zeitkonstante (Pol), was fast als erster Ordnung erscheint, so sind die Ergebnisse nach dem Ziegler-Nichols-Verfahren denjenigen gemäß der Erfindung immer noch unterlegen, wobei man mit der Erfindung immer noch annimmt, daß das Verhältnis der Zeitkonstanten 10 : 1 ist.
Meßeinrichtungen haben eine gewisse, mit ihnen verbundene Zeitkonstante. Selbst wenn daher der Prozeß 15 ein echtes System erster Ordnung wäre, wo würde der Sensor 16 das Feldprozeßsystem 13 in ein System zweiter Ordnung umwandeln.
Ein bestimmter industrieller Prozeß wird untersucht, um die Überlegenheit der Erfindung im Vergleich zum Verfahren nach dem Stand der Technik zu zeigen. Dieser Prozeß gibt ein System zweiter Ordnung wieder, wobei der eine Pol das 10fache des anderen beträgt. Der dominante Pol hat eine Zeitkonstante von 30 Sekunden, und der andere Pol hat eine Zeitkonstante von 3 Sekunden. Die s-Domänendarstellung dieses Prozesses würde erscheinen als:
Gp(s) = 1/(30 s + 1) (3 s + 1) [7]
Das Stufenansprechen in der offenen Schleife des Prozesses in der s-Domäne kann man erhalten durch Multiplizieren der Gleichung [7] mit einem Faktor 1/s. Das transformierte Einheitsstufenansprechen der offenen Schleife mit s-Domäne lautet:
c(s) = 1/s(30s + 1) (3s + 1) [8]
Die Ansprechverhaltensweisen des Prozesses in der Zeitdomäne können aus Gleichung [8] erhalten werden durch Verwendung einer inversen Laplacetransformierten. Das Stufenansprechen der offenen Schleife mit Zeitdomäne ist:
CS(t) = [1 + e-t/3-10e-t/30/9] [9]
wobei t die Zeit in Sekunden ist und der Start bei Null beginnt. Die Steigung dieses Ansprechens kann durch die Ableitung des Ansprechens bestimmt werden. Die Steigung dieses Ansprechens ist gegeben durch:
d cs(t)/dt = [e-t/30 - e-t/3/27] [10]
Um eine einfache und deutliche Beschreibung der Erfindung bereitzustellen, sind nur die Lösungen und Ergebnisse dargestellt, da diese mathematischen Gleichungen, Ableitungen und Lösungen für jedermann im Stand der Technik offensichtlich sind.
Der Stufenwert wird auf eins normalisiert. Damit erfolgt in dieser Beschreibung durchgehend jede Bezugnahme auf die Größe bezüglich dieses auf eins normalisierten Wertes. In ähnlicher Weise wird auch die Prozeßverstärkung als eins angenommen.
Die genauen Werte für das tatsächliche Ansprechen zweiter Ordnung sind wie folgt:
i) Die maximale Steigung ist gleich 0,002581,
ii) die zu der maximalen Steigung gehörige Zeit ist 7,675 Sekunden, und
iii) der Amplitudenwert des Ansprechens bei der Zeit von 7,675 Sekunden beträgt 0,1483.
Um die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Ziegler-Nichols-Verfahren zu beweisen, habe ich den Zugriff des Ziegler-Nichols-Verfahrens auf die exakten Datenpunkte und die exakte Steigung für das Stufenansprechen auf einen industriellen Prozeß zweiter Ordnung mit Zeitkonstanten von drei und dreißig Sekunden zugelassen. Das unter Verwendung des Ziegler-Nichols-Verfahrens erhaltene Ergebnis habe ich mit dem unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung erhaltenen Ergebnis verglichen.
Das Ziegler-Nichols-Verfahren schätzt den Prozeß mit einer Gesamttotzeit von 1,929 Sekunden und einer Zeitkonstanten von 38,75 Sekunden ab. Das mit dem Ziegler-Nichols-Verfahren angenäherte Ansprechen 72 ist in Fig. 8 im Vergleich zu dem tatsächlichen Ansprechen 70 aufgetragen.
Wie zuvor bereits erwähnt, wird gezeigt werden, daß das Verfahren von Miller et al. mit einem praktischen, auf einem Mikroprozessor beruhenden Regler nicht einfach verwirklicht werden kann. Dies liegt daran, daß der Regler nicht feststellen bzw. sagen kann, wo 63,2% der Stufe liegen, bis das obere Stufenniveau erreicht worden ist. Dieses obere Stufenniveau variiert in Abhängigkeit von der inhärenten Prozeßverstärkung. Beispielsweise könnte eine 10%ige Änderung der Prozeßeingabe zu einer 5%igen oder einer 15%igen Änderung im Prozeßausgangswert führen, jeweils abhängig von der Prozeßverstärkung. Offensichtlich ist das Abspeichern der Werte bei jeder Zykluszeit nicht praktisch, insbesondere bei einem langsam reagierenden Prozeß. Dies könnte eine enorme Menge an Speicher beanspruchen. Beispielsweise würde ein Prozeß mit einer Zeitkonstanten von 2 Stunden und einem Regler, der eine Abtastzeit von 100 Millisekunden hat, bei einer vier Byte Wiedergabe der Messung über 10 Millionen Bits an Speicher erfordern, um nur das Ansprechen bzw. die Reaktion auf eine einzelne Stufe abzuspeichern.
Eine den Fachleuten wohlbekannte Alternative liegt in der Vergrößerung der Abtastzeit, beispielsweise von 100 Millisekunden auf 1 Minute. Die Fachleute erkennen, daß eine solche Steigerung das Speichererfordernis vermindern, jedoch keine verwendbaren Daten liefern würde, wenn die Zeitkonstante des Prozesses in der Größenordnung von einigen wenigen Sekunden läge. Darüber hinaus erkennen die Fachleute, daß, selbst wenn die Steigerung der Abtastzeit zweckmäßige Daten liefert, eine beträchtliche Verminderung der Genauigkeit der Steigungsnäherung aus einer Vergrößerung der Abtastzeit resultieren würde.
Eine weitere, den Fachleuten wohlbekannte Alternative liegt darin, das Stufenansprechen ein zweites Mal zu durchlaufen. Das erste Stufenansprechen kann als ein Maß für die Prozeßverstärkung verwendet werden, um den Zeitpunkt vorherzusagen, bei welchem der 63,2%-Punkt beim Ansprechen auf die zweite Stufe auftritt. Ein zweites Mal das Stufenansprechen zu durchlaufen bedeutet, daß man nahezu zweimal so lange warten muß, bis die Annäherung beendet werden kann. Dieses Warten kann sehr frustrierend sein, insbesondere bei Prozessen, bei welchen die dominante Zeitkonstante in der Größenordnung von Stunden liegt. Andererseits umgeht die vorliegende Erfindung diese Einschränkung durch exaktes Vorhersagen des jeweiligen Ansprechens schon beim ersten Mal.
Die Erfindung ist auch den bei Kraus und Sakai et al. beschriebenen Verfahren überlegen. Das Verfahren zur Bestimmung der maximalen Steigung bei Kraus verwendet nur 5 Punkte des Ansprechens. Wie von Sakai et al. (Spalte 11, Zeilen 30-35) kann das Kraus-Verfahren die maximale Gradientenlinie (Steigung) nicht genau bestimmen. Die Erfindung ist eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Verfahren von Kraus.
Das von Sakai et al. beschriebene Verfahren stützt ebenfalls die maximale Steigung auf eine kleine Anzahl von Punkten auf der Ansprechkurve. Weiterhin scheint der verwendete Korrekturfaktor zu unterstellen, daß das Stufenansprechen des industriellen Prozesses seiner Natur nach erster Ordnung ist, obwohl es wohlbekannt ist, daß industrielle Prozesse die Eigenschaft haben, daß ihr Ansprechen von zumindest zweiter Ordnung ist. Die Erfindung zeigt sich genauer, indem zunächst viel mehr Punkte verwendet werden, und zweitens berücksichtigt die Erfindung, daß das industrielle Stufenansprechen als zumindest von zweiter Ordnung erscheinen wird.
Die Erfindung ordnet der Gesamttotzeit den Wert 1,923 Sekunden zu mit einer Zeitkonstantensummierung zweiter Ordnung von 33 Sekunden. Die Erfindung berechnet die passende Zeitkonstantennäherung mit 31,87 Sekunden. Das Ansprechen 71, welches unter Verwendung der vorliegenden Erfindung berechnet wird, wird gegenüber dem tatsächlichen Ansprechen 70 in Fig. 8 aufgezeichnet.
Wie man in Fig. 8 erkennen kann, schätzt das Ziegler-Nichols-Verfahren das Ansprechen 70 mit einer zu großen Zeitkonstanten 72 ab. Die hier offenbarte Erfindung zeigt jedoch in Fig. 8 einen klaren Beweis ihrer Überlegenheit beim Anpassen des Ansprechens 71, den sie für das tatsächliche Ansprechen 70 berechnet hat. Die Erfindung ergibt eine optimale Anpassung unter Verwendung einer Näherung erster Ordnung.
In Fig. 9A ist das tatsächliche Ansprechen eines industriellen Prozesses, welcher ein Zeitkonstantenverhältnis von 40 : 1 hat, bei 75 dargestellt. Das Ansprechen dieses Prozesses, wie es durch das Ziegler-Nichols-Verfahren bestimmt wird, erscheint als 77. Selbst wenn man mit der vorliegenden Erfindung weiterhin ein Zeitkonstantenverhältnis von 10 : 1 annimmt, ergibt die Erfindung immer noch eine gute Annäherung, wie es durch das Ansprechen 76 in Fig. 9A gezeigt wird und übertrifft das Ziegler-Nichols-Verfahren.
In Fig. 9B ist das tatsächliche Ansprechen eines industriellen Prozesses, der ein Zeitkonstantenverhältnis von 4 : 1 hat, mit der Bezugszahl 80 eingezeichnet. Das Ansprechen dieses Prozesses, wie es durch das Ziegler-Nichols-Verfahren bestimmt wird, ist mit der Bezugszahl 82 gezeigt. Selbst wenn die Erfindung weiterhin ein Zeitkonstantenverhältnis von 10 : 1 annimmt, ergibt sie immer noch eine gute Abschätzung, wie mit dem Ansprechen 81 in Fig. 9B gezeigt, und übertrifft das Ziegler-Nichols-Verfahren.
Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie eine bei weitem überlegene Anpassung für das Stufenansprechen in einer offenen Schleife eines typischen industriellen Prozesses für einen sich selbst abgleichenden Regler wiedergibt. Die Erfindung ergibt ein verbessertes Verfahren für das Annähern an Systeme höherer Ordnung bei industriellen Prozeßregelanwendungen durch ein Modell erster Ordnung mit Verzögerung und unter Verwendung eines sich selbst abgleichenden Reglers. Dieser Vorteil leitet über zu einer genaueren Verwirklichung bzw. Durchführung beim Finden optimaler PID-Werte für den sich selbst abgleichenden Regler des Prozesses, unabhängig davon, welche Kriterien für das Optimum verwendet werden. Diese verbesserte Prozeßannäherung bedeutet weniger Ausschuß, verbesserte Wirksamkeit, Kostenersparnis, bessere Produkte oder die vielen anderen Vorteile, die sich aus einer besseren Regelung ergeben. Zusätzlich erlaubt diese Art von Verfahren, das für einen sich selbst abgleichenden Regler verwendet wird, die Verwirklichung der Erfindung mit preiswerten Mikroprozessoren, geringerem Speicherverbrauch und einer geringen Belastungszeit für den Mikroprozessor.
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Vielfalt von unterschiedlichen industriellen Regelprozeßanwendungen angewendet werden. Man beachte, daß die Gesamttotzeit und die Zeitkonstanten des Feldprozeßsystems 13 je nach Anwendung in weitem Umfang variieren können; aber dennoch kann die vorliegende Erfindung effektiv sein. Noch einmal, wie schon oben gesagt, die Anzahl der gespeicherten Messungen, die Verhältnisse der Durchschnittbildung, die Durchschnittbildung der Zuordnungsamplitude, die Zuordnung der Zeit zu der berechneten Steigung, das gewünschte Niveau für den Konvergenzpunkt des tatsächlichen Ansprechens zweiter Ordnung mit dem Ansprechen erster Ordnung, das charakteristische Zeitkonstantenverhältnis des industriellen Prozesses für das Ansprechen zweiter Ordnung (möglicherweise auf Basis der Anwendung), können geändert werden; die Basis der Erfindung bleibt jedoch intakt.
Gemäß Fig. 10 ist ein Flußdiagramm 100 für ein Programm dargestellt, welches in einem EPROM 20 (s. Fig. 2) gespeichert ist, welches von dem Mikroprozessor 19 des Reglers 10 bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der erste Schritt 102 des Programms, welcher in dem Flußdiagramm 100 wiedergegeben ist, ist die Feststellung durch den Regler 10, ob die Prozeßvariable (s. Fig. 1) einen Wert in einem stationären Zustand erreicht hat. Das Programm führt weiterhin den Schritt 102 aus, bis zu einem Zeitpukt, in welchem die Prozeßvariable den stationären Zustand erreicht hat. Die Technik, mit welcher die vorliegende Erfindung feststellt, ob die Prozeßvariable ihren stationären Zustand erreicht hat, d.h. sich in dem stationären Zustand befindet, ist zuvor in Verbindung mit den Fig. 13, 14 und 15 beschrieben worden.
Sobald das Programm feststellt, daß die Prozeßvariablen ihren stationären Zustandswert erreicht hat, schreitet das Programm zum Schritt 104 fort, wobei der Regler das Rauschen für eine vorbestimmte Zeitdauer mißt. Nach dem Messen des Rauschens für diese Zeitdauer berechnet das Programm in Schritt 104 das durchschnittliche Rauschen und dessen maximale Steigung. Die Zeitdauer, während welcher das Programm das Rauschen in Schritt 104 mißt, ist willkürlich, und in einer Ausführungsform des in dem Flußdiagramm 100 wiedergegebenen Programmes wurde die vorbestimmte Zeitdauer auf 32 Sekunden gesetzt.
Nach dem Durchführen des Schrittes 104 geht das Programm zum Schritt 106 weiter, in welchem es zunächst die Niveau- und Steigungstrigger einstellt und dann eine Regelausgangsstufe veranlaßt. Der Niveautrigger befindet sich auf einem vorbestimmten Niveau, welches die Prozeßvariable unter Ansprechen auf die Stufe des Regelerausganges durchlaufen muß. Der Steigungstrigger hat einen vorbestimmten Steigungswert, welchen die Steigung des Ansprechens der Prozeßvariable unter Ansprechen auf die Stufe in dem Regelausgang überschreiten muß. Im Schritt 108 bestimmt das Programm, ob die Prozeßvariable beide Triggererfordernisse erfüllt hat. Sobald der Schritt 108 feststellt, daß die Prozeßvariable die Triggererfordernisse erreicht hat, schreitet das Programm zum Schritt 110 fort, in welchem die Ansprecherfassungszeit berechnet wird.
Nach dem Berechnen der Ansprecherfassungszeit geht das Programm zur Schleife 150 weiter, welche die Schritte 112, 114, 116 und 118 aufweist. Im Schritt 112 berechnet das Programm die Steigung des Ansprechens der Prozeßvariablen unter Verwendung von acht aufeinanderfolgenden Punkten, wie es in Verbindung mit Fig. 5B beschrieben wurde. Nach dem Berechnen der Steigung stellt das Programm in Schritt 114 fest, ob die in Schritt 112 berechnete Steigung größer ist als die bis dahin für das Ansprechen auf die Regelausgangsstufe, welche durch Schritt 106 bereitgestellt worden war, maximale, berechnete Steigung. Wie oben beschrieben, werden die zuvor berechnete maximale Steigung, die zugeordnete Zeit des Auftretens der maximalen Steigung und der zugehörige Wert der Prozeßvariablen bei dieser Steigung in dem RAM 18 des Reglers 10 (s. Fig. 2) gespeichert. Wenn die in Schritt 112 berechnete Steigung größer ist als die vorher gespeicherte maximale Steigung, so ersetzt das Programm in Schritt 116 die zuvor berechnete maximale Steigung, die zugehörige Zeit ihres Auftretens und den zugehörigen Wert der Prozeßvariablen bei dieser Steigung, die in RAM 18 gespeichert sind, durch die neue maximale Steigung, die zugehörige Zeit des Auftretens dieser Steigung und den zugehörigen Wert der Prozeßvariablen bei der neuen maximalen Steigung.
Wenn die in Schritt 112 berechnete Steigung nicht größer ist als die maximale zuvor berechnete Steigung, so bestimmt das Programm unter Verwendung der in Verbindung mit den Fig. 13-15 beschriebenen Technik in Schritt 118, ob das Ansprechen der Prozeßvariablen auf die Regelausgangsstufe den stationären Zustand erreicht hat. Wenn der stationäre Zustand noch nicht erreicht worden ist, kehrt das Programm zum Schritt 112 zurück, um die Steigung zu berechnen, und dann zu Schritt 114, um die berechnete Steigung mit der zuvor in dem RAM 18 gespeicherten maximalen Steigung zu vergleichen. Es versteht sich, daß dann, wenn das Programm die Ausführung der Schritte in der Schleife 150 beendet hat, die maximale Steigung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Reglerausgangsstufe bestimmt und zusammen mit der zugehörigen Zeit des Auftretens dieser Steigung und dem zugehörigen Wert der Prozeßvariablen bei der maximalen Steigung in dem RAM 18 gespeichert ist.
Wenn im Schritt 118 festgestellt wird, daß die Prozeßvariable den stationären Zustand erreicht hat, so geht das Programm weiter mit Schritt 120, in welchem es die Näherung für die Zeitkonstante und die Gesamttotzeit berechnet. Die Gesamttotzeit 200 wird in Schritt 120 aus dem Schnittpunkt der maximalen Steigung mit der Zeitachse berechnet (s. Fig. 7).
Die Erfindung beinhaltet einen alternativen Ansatz zur Lösung des Problems der Annäherung erster Ordnung an ein Ansprechen höherer Ordnung, wie zuvor erwähnt, in einer praktischen und speichereffizienten Art und Weise. Die Gesamttotzeit 200 (s. Fig. 7) wird wie zuvor durch die maximale Steigung festgelegt, zusammen mit dem Speichern des Startniveaus PVs 222, des Endniveaus PVf 224, des Wertes 64 der maximalen Steigung, der PV-Amplitude 63, und der Zeit 62 des Punktes der maximalen Steigung, wie in Fig. 6 dargestellt. Wie in Fig. 11 gezeigt wird, ist eine festgesetzte Anzahl von vorgesehenen Speicherplätzen 301-310 in einem Registersatz 300 reserviert, der in dem RAM 18 angeordnet ist für das Speichern der PV-Messungen am Ausgang des ADC 21. Diese vorgesehenen Speicherplätze beginnen sich nur bei jeder Abtastperiode zu füllen, nachdem die Steigung des Ansprechens nicht mehr weiter zunimmt. Wenn beispielsweise vom Zeitpunkt, zu welchem die Regelausgangsstufe aufgebracht wird, die Steigung des Ansprechens weiterhin für 37,75 Sekunden ansteigt, so beginnt der zugeordnete Registersatz 300 nicht mit der Speicherung der PV-Messungen, bis diese 37,75 Sekunden verstrichen sind. Wenn bei 38 Sekunden die Steigung ein Anzeichen des Abnehmens gegenüber der vorherigen Steigung zeigt, so wird die PV-Messung in dem ersten Platz 301 gespeichert. Wenn die Steigung weiterhin abnimmt, beginnen sich die Plätze 302 bis 310 der Reihe nach mit jeder Abtastperiode zu füllen. Wenn jedoch die Steigung des Ansprechens abnahm und dann wieder zu steigen beginnt, so werden die gefüllten Register 301 bis 310 wieder überschrieben, sobald die Steigung wieder aufhört zu steigen, und zwar wie zuvor beschrieben unter Beginn mit dem Platz 301.
Zusätzlich wird, wenn das letzte verfügbare Register 310 gefüllt ist, das Ansprechen auf einen statioären Zustand hin überprüft, bevor die nächste PV-Messung 311 aufgenommen wird. Wenn die Ansprechdaten keinen stationären Zustand anzeigen, so wird jede zweite Messung 302, 304, 306, 308, 310 ausgesondert, und die verbleibenden (301, 303, 305, 307, 309) werden nach unten verschoben unter Beibehaltung ihrer zeitlichen Reihenfolge, wie es durch die Plätze 321, 322, 323, 324 bzw. 325 des Registersatzes 320 in Fig. 11 gezeigt wird. Es versteht sich, daß die Registersätze 300 und 320 physikalisch dasselbe Register sind. Der Grund, weshalb getrennte Bezugszahlen verwendet werden, liegt hier darin, darzustellen, wie die Inhalte des Registers sich bei jedem Satz verändern. Mit anderen Worten, sobald die ausgewählten Register 301 bis 310 voll sind und das Ansprechen des Prozesses sich nicht in einem stationären Zustand befindet, so wird die Hälfte der Register freigemacht für neue Messungen, die nunmehr mit der halben Abtastrate, und damit mit der doppelten Abtastzeit erfaßt werden. Siehe Fig. 11 und betrachte die Registerinhalte der Plätze in den Soeichersätzen 300 und 320, wie sie sich von dem Zustand des Inhaltes des Registers 300 zu dem Zustand des Inhaltes des Registers 320 verändern. Die Pfeile zwischen den Registersätzen 300 und 320 zeigen, wie die Registerinhalte übertragen werden.
Anschließende PV-Messungen, nachdem die Register 301 bis 310 gefüllt worden sind, werden mit 311 und 312 bezeichnet. Man beachte, daß die Plätze 301 bis 312 PV-Messungen sind, welche die Abtastperiode T anzeigen und daß die PV-Messungen, die in den Speicherplätzen 321 bis 330 gespeichert sind, eine Abtastperiode von 2T wiedergeben. Die gestrichelte Linie von dem Platz 312 zu dem Platz 326 zeigt, daß, sobald die Inhalte in dem Registersatz 300 zu denen des Registersatzes 320 verändert worden sind, die PV-Messung 311 übergeht in die 2T-Abtastzeit und daß die PV-Messung 312 auf dem Platz 326 gespeichert wird.
Man beachte, daß die Speicherplätze 306 und 326 physikalisch dieselben Plätze sind, jedoch ist 306 der Zustand dieses Speicherplatzes bevor die Abtastdauer verdoppelt worden war, und 326 ist der Zustand dieses Registerplatzes, nachdem die Abtastdauer verdoppelt wurde. Diese Feststellung gilt für alle diese Registerstellen. Damit sind die Registerplätze 301 bis 310 exakt dieselben physikalischen Speicherplätze wie die Register 321 bis 330, und die Umwandlung von dem Registersatz 300 in den Registersatz 320 zeigt deutlich den Wechsel der Registerinhalte, sobald die Abtastperiode verdoppelt wird. Dieser Vorgang wird weiterhin wiederholt, bis ein stationärer Zustand erreicht worden ist. Wenn also der stationäre Zustand noch nicht vorliegt, nachdem der Registerplatz 330 gefüllt worden ist, so wird die Abstastperiode erneut verdoppelt auf 4T, und die Inhalte der Plätze 321, 323, 325, 327 und 329 ersetzen die Inhalte der Speicherplätze 321, 322, 323, 324 und 325 in dieser Reihenfolge usw. Eine Überprüfung auf den stationären Zustand findet nur statt, nachdem die Register bis zum Ende vollständig gefüllt worden sind, d.h. die Plätze 301 bis 310 oder 321 bis 330. Die zu dem Register gehörige Abtastperiode (d.h. T, 2T, 4T, 8T oder 16T, etc.) wird gespeichert, so daß den gespeicherten Messungen ein Zeitrahmen zugeordnet werden kann.
Die Erfassung des stationären Zustandes kann auf dem Zustand der Werte in den Registern beruhen oder wie zuvor beschrieben. Die maximale Steigung entweder nach dem zuvor beschriebenen Verfahren oder bestimmt aus dem Inhalt der laufenden Register kann verwendet werden, um "ball park"-Qualifizierungs-Beziehungen anzunähern, die man für das Anzeigen eines stationären Zustandes verwenden würde. Diese Qualifizierungs-Beziehungen, die weiter unten genauer beschrieben werden, helfen dabei, das Auftreten einer falschen Erfassung eines stationären Zustandes zu verhindern. Die Registerwerte können auch eine Gültigkeitsüberprüfung für die Berechnung der maximalen Steigung unter Verwendung des vorherigen Steigungsverfahrens sein.
Das erste Kriterium für einen stationären Zustand, welches zu diesen Registern gehört, besteht darin, daß die Differenzen zwischen Registerwerten aufeinanderfolgend gleich oder von einer maximalen Differenz abfallend sein müssen. Wie beispielsweise aus Fig. 11 zu sehen ist, ist der Unterschied zwischen den Inhalten der Plätze 322 und 323 die maximale Differenz zwischen den Inhalten aufeinanderfolgender Plätze in dem Registersatz 320. Die aufeinanderfolgenden Differenzen der Inhalte der Speicherplätze 324 und 323 durchgehend bis hin zum Unterschied der Inhalte der Plätze 330 und 329 nimmt weiterhin ab, wie in der Differenzspalte 335 zu sehen ist. Das dritte Kriterium liegt darin, daß der Unterschied zwischen dem Inhalt der letzten Plätze 330 und 329 weniger als 5% der maximalen Abweichung betragen darf, und das vierte Kriterium liegt darin, daß die maximale Abweichung weniger als 25% der Gesamtstufenhöhe (PVf 224 nach PVs 222 in Fig. 6) betragen muß. Das fünfte Kriterium für den stationären Zustand liegt darin, daß die Registerinhalte 321 bis 330 eine Zeitperiode wiedergeben müssen, die zumindest eine natürliche Zeitperiode lang ist, welche auf der maximalen Steigung des Ansprechens oder der maximalen Abweichung der Register beruht. Das sechste Kriterium für einen stationären Zustand, welches eine gute Nachprüfung der Steigungsmessung ist, liegt in dem Vergleich der gespeicherten maximalen Steigung und der Steigung der maximalen Abweichung aus den Registerwerten und in dem Nachsehen, ob sie innerhalb eines Faktors von zwei (2) übereinstimmen. Dies wäre eine weitere Bestätigung, daß die Registerdaten ebenso wie die Berechnung der maximalen Steigung in etwa in Übereinstimmung sind. Es ist schon beschrieben worden, wie die maximale Steigung mit der natürlichen Zeitperiode zusammenhängt. Die aus der maximalen Abweichung in der Registertabelle bestimmte maximale Steigung wäre einfach die maximale Abweichung dividiert durch die Abtastzeit des Registersatzes. Alle obigen Kriterien müssen erfüllt sein, damit die PV als im stationären Zustand befindlich angesehen wird.
Selbstverständlich kann eine Einstellung oder Modifizierung der obigen Kriterien für einen stationären Zustand alternativ verwendet werden. Ein Beispiel einer solchen Einstellung oder Modifizierung läge darin zu erklären, daß das erste Kriterium für einen stationären Zustand im stationären Zustand nicht notwendigerweise berücksichtigt zu werden braucht, solange die übrigen Kriterien erfüllt sind. Ein weiteres Beispiel liegt darin, daß die fünften und sechsten Kriterien für einen stationären Zustand in dem stationären Zustand nicht notwendigerweise berücksichtigt werden müssen, solange die übrigen Kriterien erfüllt sind. Zweifellos könnten viele Permutationen von Kriterien verwendet werden, um den stationären Zustand zu begründen.
Der den 63,05% des Abstandes zwischen dem Start-PVs 222 und dem End-PVf 224 nächstliegende Registerwert wird festgestellt. Der Wert von 63,05% wurde empirisch für den gewünschten Konvergenzpunkt ausgewählt, auf der Basis einer optimierten Anpassung über einem gewissen relativen Zeitrahmen zwischen einem Ansprechen erster Ordnung und dem Ansprechen mit einem Verhältnis von 10 : 1 der Zeitkonstanten.
Wenn wir den den 63,05% der Ansprechstufe nächstliegenden Registerwert bestimmen, so bestimmen wir den aktuellen Bruchteil des gesamten Stufenansprechens für dieses Register. Wir können diesen den Konvergenzbruchteil nennen. Eine Beziehung zwischen dem Konvergenzbruchteil und dem Zeiteinstellfaktor kann erzeugt werden.
Das Ziel dieser Beziehung liegt darin, eine gute Annäherung erster Ordnung des Prozeßansprechens zu finden. Wir wissen, daß der Konvergenzbruchteil gleich der ersten Gleichung [5] gesetzt werden kann. Hieraus kann eine Beziehung zwischen dem Konvergenzbruchteil und dem Zeiteinstellfaktor folgendermaßen abgeleitet werden:
TimeAdj.Mult.=[1/-ln(1-Cvrg.Frac.)] [11]
Diese komplexe Funktion kann auf eine segmentweise, linienförmige Interpolation vermindert werden, die in der folgenden Tabelle wiedergegeben ist:
Man beachte, daß diese Tabelle nur einen Bereich eines Konvergenzbruchteiles von 0,35 bis 0,85 abdeckt, da praktisch garantiert wird, daß eine Messung in diesem Bereich stattfindet. Wenn der Konvergenzbruchteil nicht in diesen Bereich fällt, so wird nicht empfohlen, einen solchen Satz von registrierten Daten zu verwenden, und der Vorgang sollte erneut durchlaufen werden.
Wenn z. B. PVs 0 und PVf 10.000 ist, so ist der 63,05%, oder in diesem Fall 6.305, nächstliegende Registerwert der Wert 5.817 in dem Register 323. Diese ADC-Messung fällt zufällig auf den 58,17% Punkt oder in anderen Worten, den 0,5817 Konvergenzbruchteil. Aus der in Gleichung 11 wiedergegebenen Beziehung erhalten wir einen Zeiteinstellfaktor von 1,1474. Daher wird der Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt des Auftretens dieser PV-Messung in dem Register 323 und der Gesamttotzeit mit dem Zeiteinstellfaktor 1,1474 multipliziert. Wenn beispielsweise das erste fest zugeordnete Register 321 begonnen hat, sich zu füllen, zu einem Zeitpunkt von 38,0 Sekunden, und die aktuelle Abtastperiode 2,0 Sekunden betrug und das ausgewählte Register 323 zwei Register unterhalb des Startregisters 321 lag, so liegt der Zeitpunkt des Auftretens des Registers 323 bei 38 + (2 x 2,0) = 42,0 Sekunden. Wenn nun die Gesamttotzeit mit 8,0 Sekunden berechnet wurde, so können wir die Zeitkonstantenannäherung erster Ordnung als τa = (42,0 - 8,0) x 1,1474 = 39,0 Sekunden finden. Dies ergibt die genäherte Zeitkonstante τa, die in Verbindung mit der Berechnung der Gesamttotzeit verwendet werden kann, um die Eigenschaften der Annäherung erster Ordnung an den Prozeß wiederzugeben. Es wird jetzt auf Fig. 16 Bezug genommen, in welcher ein Flußdiagramm 175 für ein Programm dargestellt ist, welches in dem EPROM 20 gespeichert (resident) sein kann für die Verwendung des oben beschriebenen alternativen Verfahrens. Es ist nicht notwendig, das Flußdiagramm gemäß Fig. 16 zu beschreiben, da die Fachleute in der Lage sind, die Schritte 160 bis 172, die darin gezeigt sind, mit den zuvor beschriebenen Schritten des anderen Verfahrens in Beziehung zu setzen.
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Vielfalt von industriellen Prozeßregelanwendungen angewendet werden. Der Detektor für den stationären Zustand kann unterschiedliche Zeitintervalle und maximal Abweichungseinstellungen haben, um verschiedene Anwendungs- oder Realisierungserfordernisse vorzunehmen. Der Triggerpunkt bzw. Auslösepunkt des Ansprechdetektors kann angehoben oder abgesenkt werden.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht, daß ein sich selbst abgleichender Regler die Eigenschaften des Feldprozeßsystems erhält, welches durch den Regler geregelt wird, indem das Ansprechen der Prozeßvariablen in einer offenen Schleife auf eine Stufe, die an dem Regelausgang des Reglers angelegt wird, analysiert wird. Das Verfahren nähert das tatsächliche Ansprechen des Feldprozeßsystems höherer Ordnung durch ein Ansprechen eines Systems erster Ordnung mit einer reinen Zeitverzögerung an. Das Verfahren bestimmt die Gesamttotzeit und die Zeitkonstante der Annäherung erster Ordnung. Die optimalen PID-Werte des Reglers können gemäß wohlbekannten Techniken auf der Basis der gewünschten Kriterien und der Parameter erster Ordnung bestimmt werden.
Weiterhin versteht es sich, daß für die vorliegende Erfindung zwei Ausführungsformen offenbart werden. In einer Ausführungsform nimmt man an, daß die Daten von dem tatsächlichen Ansprechen Daten sind, die man aus einem Ansprechen zweiter Ordnung erhält, welches ein Zeitkonstantenverhältnis von 10 : 1 hat. Die Daten werden dann benutzt, um die Zeitkonstante der Näherung erster Ordnung zu bestimmen. In der anderen Ausführungsform wird die Zeitkonstante erster Ordnung bestimmt, indem ein Konvergenzpunkt benutzt wird, der in einem vorbestimmten Bereich zwischen den tatsächlichen Ansprechdaten und die Näherung erster Ordnung fällt.
Es versteht sich weiterhin, daß in beiden Ausführungsformen das Verfahren die maximale Steigung des Ansprechens der Prozeßvariablen auf die Stufe bestimmt und diese Steigung zusammen mit einer zugehörigen Zeit ihres Auftretens und einer zugehörigen Prozeßvariablen speichert. Die gespeicherte Information wird durch beide Ausführungsformen benutzt, um die Gesamttotzeit anzunähern und um in der ersten Ausführungsform die angenommenen Zeitkonstanten zweiter Ordnung zu finden, die verwendet werden, um die Zeitkonstante erster Ordnung zu finden. Die erste Ausführungsform beinhaltet eine Technik zum Bestimmen der Ansprecherfassungszeit, so daß der Teil der Gesamttotzeit, der die scheinbare oder offensichtliche Verzögerung ist, aus der Ansprecherfassungszeit und der Gesamttotzeit bestimmt werden kann. Die Berechnung der scheinbaren Verzögerung ist in der ersten Ausführungsform notwendig, um die Zeitkonstante zu finden. In der zweiten Ausführungsform wird eine Registerhandhabungstechnik für die PV-Messung verwendet, welche den Konvergenzpunkt bestimmt, um die Zeitkonstante herauszufinden.
Der Schritt wird nicht eher auf den Regelausgang angewendet, als die Prozeßvariable den anfänglichen stationären Zustand erreicht hat, und die Berechnung der Steigung hört auf, wenn das Ansprechen der Prozeßvariablen den endgültigen stationären Zustand erreicht hat. Das Verfahren schließt alternative Techniken für das Bestimmen des stationären Zustandes ein.

Claims

1. Verfahren zum Erhalten der Prozeßeigenschaften eines sich selbst einstellenden Reglers (10), um eine Näherung (67) erster Ordnung für die Eigenschaften bzw. Parameter eines Feldprozeßsystems (13) zu erhalten, welches durch den Regler (10) gesteuert wird, wobei diese Näherung (67) erster Ordnung eine Zeitkonstante und eine Gesamt-Totzeit (200) hat, das Feldprozeßsystem (13) eine Prozeßvariable (PV) und eine Transportverzögerung (202) hat, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

i. Aufbringen einer vorbestimmten Stufe einer Eingabe in das Feldprozeßsystem (13);

ii. Bestimmen der Steigung (47) des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen (PV) auf die Eingabestufe mit den Schritten:

a. Messen erster und zweiter Sätze von Momentwerten (c) des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen, wobei der zweite Satz gegenüber dem ersten Satz verzögert ist, der erste Satz eine erste vorbestimmte Anzahl der Momentwerte (c) hat, die zu verschiedenen Zeiten gemessen werden und der zweite Satz eine zweite vorbestimmte Anzahl der Momentwerte (c) hat, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen werden,

b. Berechnen des Durchschnittes jeder der ersten und zweiten Sätze von Momentwerten (c) und des Unterschiedes zwischen den Durchschnittswerten der ersten und zweiten Sätze, und

c. Teilen des Unterschiedes durch einen vorbestimmten Teiler, um die Steigung (47) herauszufinden,

iii. Bestimmen, wann diese Steigung (47) maximal (208) ist und Festlegen eines vorbestimmten Punktes innerhalb des Bereiches von Punkten, welche durch die ersten und zweiten vorbestimmten Anzahlen von Momentwerten (c) definiert werden, der zu der maximalen Steigung (208) gehört, und Messen des Zeitpunktes des Auftretens des vorbestimmten Punktes sowie der Amplitude des Ansprechens (45), welches zu dem vorbestimmten Punkt gehört, der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe,

iv. Bestimmen, wann das Ansprechen (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in einem stationären Zustand befindet, sowie der Amplitude der Prozeßvariablen (PV), wenn sich das Ansprechen (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe in dem stationären Zustand befindet,

v. Berechnen der Näherung erster Ordnung für die Gesamt-Totzeit (200) aus der maximalen Steigung (208), dem Zeitpunkt des Auftretens und der zugehörigen Ansprechamplitude der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe,

vi. Bestimmen der scheinbaren Verzögerung (204) des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe aus der Gesamt-Totzeit (200) und der Transportverzögerung (202),

vii. Bestimmen der Näherung erster Ordnung für die Zeitkonstante aus der maximalen Steigerung (208), der Zeit des Auftretens, der Ansprechamplitude, welche zu dem vorbestimmten Punkt gehört, der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, der Amplitude der Prozeßvariablen, wenn das Ansprechen (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in dem stationären Zustand befindet, und der scheinbaren Verzögerung (204).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste vorbestimmte Anzahl des ersten Satzes von Momentwerten (c) gleich der zweiten vorbestimmten Anzahl des zweiten Satzes von Momentwerten (c) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, einschließlich der anfänglichen Schritte:

Bestimmen, ob die Prozeßvariable (PV) sich in einem anfänglichen stationären Zustand befindet, sowie der Amplitude der Prozeßvariablen (PV) in dem anfänglichen stationären Zustand,

Bestimmen, sobald die Prozeßvariable (PV) sich in dem anfänglichen stationären Zustand befindet, eines vorbestimmten Wertes der Amplitude des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen auf die vorbestimmte Eingabestufe, die auf das Feldprozeßsystem (13) aufgebracht wird, sowie eines vorbestimmten Wertes für die Steigung des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, und Aufbringen der Eingabestufe auf das Feldprozeßsystem (13), und

Bestimmen, wann die Ansprechamplitude und die Steigung der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe nicht geringer sind als der vorbestimmte Amplitudenwert und der vorbestimmte Steigungswert, und Berechnen aus der bestimmten Ansprechamplitude und Steigung der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sowie aus der Zeit des Auftretens der bestimmten Amplitude die Ansprecherfassungszeit des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe.

4. Vorrichtung für das Erhalten von Prozeßparametern eines sich selbst einstellenden Reglers (10), um die Näherung (67) erster Ordnung für die Eigenschaften bzw. Parameter eines Feldprozeßsystems (13) zu erhalten, welches durch diesen Regler (10) geregelt bzw. gesteuert wird, wobei die Näherung (67) erster Ordnung eine Zeitkonstante und eine Gesamt-Totzeit (200) hat, das Feldprozeßsystem (13) eine Prozeßvariable (PV) und eine Transportverzögerung (202) hat, und wobei die Vorrichtung aufweist:

i. Einrichtungen für das Aufbringen einer vorbestimmten Eingabestufe auf das Feldprozeßsystem (13),

ii. Einrichtungen zum Bestimmen der Steigung (47) des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen (PV) auf die Eingabestufe, wobei die Einrichtungen zum Bestimmen der Steigung aufweist:

a. Einrichtungen zum Messen erster und zweiter Sätze von Momentwerten (c) des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen, wobei der zweite Satz gegenüber dem ersten Satz verzögert ist, der erste Satz eine erste vorbestimmte Anzahl der Momentwerte (c) hat, welche bei verschiedenen Zeiten gemessen werden, und der zweite Satz eine zweite vorbestimmte Anzahl der Momentwerte (c) hat, welche bei verschiedenen Zeiten gemessen werden,

Einrichtungen zum Berechnen des Durchschnittes von jedem der ersten und zweiten Sätze von Momentwerten (c), sowie der Differenz zwischen den Durchschnittswerten der ersten und zweiten Sätze, und

c. Einrichtungen zum Teilen der Differenz durch einen vorbestimmten Teiler, um die Steigung (47) herauszubekommen,

iii. Einrichtungen, um zu bestimmen, wann die Steigung (47) maximal (208) ist, und Festlegen eines vorbestimmten Punktes innerhalb des Bereiches von Punkten, der durch die ersten und zweiten vorbestimmten Anzahlen von Momentwerten (c) definiert wird, welcher zu der maximalen Steigung (208) gehört, und Messen der Zeit des Auftretens des vorbestimmten Punktes sowie der Amplitude, die zu dem vorbestimmten Punkt gehört, des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe,

iv. Einrichtungen, um zu bestimmen, wann das Ansprechen (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in einem stationären Zustand befindet, und um die Amplitude der Prozeßvariablen (PV) zu bestimmen, wenn das Ansprechen (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in dem stationären Zustand befindet,

v. Einrichtungen zum Berechnen der Näherung erster Ordnung der Gesamt-Totzeit (200) aus der maximalen Steigung (208), der Zeit des Auftretens und der zugehörigen Ansprechamplitude der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe,

vi. Einrichtungen, um aus der Gesamt-Totzeit (200) und der Transportverzögerung (202) die scheinbare Verzögerung (204) des Ansprechens (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe zu bestimmen, und

vii. Einrichtungen zum Bestimmen der Näherung erster Ordnung der Zeitkonstanten aus der maximalen Steigung (208), der Zeit des Auftretens, der zu dem vorbestimmten Punkt gehörigen Ansprechamplitude der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe, der Prozeßvariablenamplitude, wenn das Ansprechen (45) der Prozeßvariablen auf die Eingabestufe sich in dem stationären Zustand befindet, und der scheinbaren Verzögerung (204).