DE69327919T2

DE69327919T2 - Verfahren und Gerät zum Abgleichen einer Prozesssteuerungsanlage

Info

Publication number: DE69327919T2
Application number: DE69327919T
Authority: DE
Inventors: Francis G. Shinskey
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2013-05-27
Also published as: EP0572244A2; US5319539A; EP0572244B1; DE69327919D1; EP0572244A3

Description

Diese Anmeldung ist mit den nachstehenden, gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen Anmeldungen verwandt, die dem Zessionar von diesem übertragen und am gleichen Tag damit eingereicht wurden, und welche Priorität aus der
United States Patentanmeldung Nr. 889472 mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR ANALYZING PROCESS CHARACTERISTICS (Dokument-Nr. des Anwalts 10227), und der
United States Patentanmeldung Nr. 889473 mit dem Titel IMPROVED METHOD FOR ADAPTIVE DEADTIME PROCESS CONTROL (Dokument-Nr. des Anwalts 10228) beanspruchen.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Prozeßsteuerung und insbesondere verbesserte Verfahren und Vorrichtungen für die Ermittlung optimaler Verstärkungsfaktoreinstellungen für eine Prozeßsteuerungsanlage.
"Prozeßsteuerung bezieht sich auf die Steuerung der Betriebsparameter eines Prozesses durch Beobachten einer oder mehrerer seiner Charakteristiken über der Zeit. Sie wird angewendet, um sicherzustellen, daß die Qualität und Effizienz eines Prozesses sich nicht wesentlich während eines einzelnen Durchlaufs oder im Verlaufe von mehreren Durchläufen verändert. Prozeßsteuerung findet Anwendung sowohl im Herstellungs- als auch im Betriebssektor.
Eine Prozeßsteuerungseinheit oder "Steuerung" arbeitet typischerweise durch Beobachten und Vergleichen einer Prozeßcharakteristik, der Regelgröße bzw. der gesteuerten Variablen mit einem gewünschten "Sollwert"-Pegel, um festzustellen, ob der Prozeß innerhalb akzeptabler Grenzwerte arbeitet. Sobald die gesteuerte Variable von dem Sollwert abzuweichen beginnt, manipuliert die Steuerung eine der Prozeßeingangsgrößen, die Stellgröße bzw. manipulierte Variable, um den Prozeß auf den gewünschten Aktivitätspegel zurückzubringen.
Beispielsweise kann, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, eine Prozeßsteuerung einen Prozeß überwachen, in welchem Fluid mit einer konstanten Rate aus einem kontinuierlich nachgefüllten Tank fließt. Die Steuerung beobachtet den Flüssigkeitsstand im Tank und stellt, wenn es erforderlich ist, einen Trockenfall oder Überlauf des Tanks zu verhindern, eine Einlaßventil ein, um den Einlauf zu erhöhen oder verringern.
Von den durch das Fachgebiet entwickelten Reglern ist der sogenannte Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regler in Fig. 2a dargestellt. Dieser erzeugt das manipulierte Variablensignal m als eine vorbestimmte Funktion des gesteuerten Variablensignals c. Das Ausgangssignal einer derartigen Steuerung kann ausgedrückt werden, durch die mathematische Beziehung:
m = 100/P (e + 1/I edt - D dc/dt)
wobei:
m die manipulierte Variable ist;
e die Sollwertabweichung bzw. der Fehler (Differenz zwischen der gesteuerten Variablen und dem Sollwert) ist;
P, I, D, das Proportionalband, die Integrationszeitkonstante und die Differentiationszeitkonstante der Steuerung sind.
Das Fachgebiet hat auch Steuerungen entwickelt, welche mittels Modellierung des spezifischen Prozesses arbeiten. Dieses steht im Gegensatz zu der PID-Steuerung, welche das manipulierte Variablensignal als eine verallgemeinerte Funktion des gesteuerten Variablensignals erzeugt. Eine derartige Modell-basierende Steuerung ist die Totzeit-Steuerung, welche die Prozeßtotzeit und Verschiebung (sowie die gesteuerte Variable) nutzt, um die manipulierte Variable zu erzeugen.
Totzeit ist diejenige Zeit, die benötigt wird, bis eine an einen Prozeß angelegte Änderung durch eine Veränderung in der durch diesen Prozeß erzeugten gesteuerten Variablen reflektiert wird. Verschiebung ist diejenige Zeit nach der Totzeitperiode, die benötigt wird, bis sich die gesteuerte Variable auf etwa 63% ihres Endwertes nach einer Stufenveränderung in der manipulierten Variablen bewegt.
Eine Totzeit-Steuerung des vorstehend angegebenen Typs ist in Fig. 2b dargestellt. Sie wird aufgebaut, indem ein "Totzeit"-Element, d. h., eine Zeitverzögerung in die Integral-Rückkopplungsschleife einer PID-Steuerung eingefügt wird. Diese Steuerung wird mit der Abkürzung "PIDτd" bezeichnet.
Um einwandfrei zu funktionieren, muß eine Prozeßsteuerung auf den Prozeß abgestimmt sein, den sie steuert. Nach einem dem Stand der Technik entsprechenden Abstimmverfahren in offener Schleife werden die Steuerungseinstellungen anhand von Parameterwerten, wie z. B. des Prozeßverstärkungsfaktors Kp ausgeführt, welcher die Größe reflektiert, mit welcher der Prozeß auf eine Stufenveränderung in der manipulierten Variablen antwortet. Gemäß einem herkömmlichen Verfahren mit offener Schleife legt der Betreiber ein Einzelschritt an den Prozeß an, beobachtet dessen Antwort und führt davon ausgehend Berechnungen durch, um die Prozeßparameter zu bestimmen.
Gemäß dem dem Stand der Technik entsprechenden Abstimmungsverfahren in offener Schleife wird die Steuerung dazu verwendet, die Prozeß/Steuerungs-Schleife in Schwingung zu versetzen woraus dann die Prozeßparameter abgeleitet werden. Bei diesem Verfahren wird die Steuerung typischerweise in eine Proportionalmodus versetzt und die Bandeinstellung P verringert bis die Schleife zu schwingen beginnt. In diesem Zustand werden die Prozeßparameter beispielsweise aus der Eigenperiode der Schwingung und der Einstellung des Proportionalbandes der Steuerung ermittelt.
Obwohl die vorstehend erwähnten Verfahren für die Abstimmung herkömmlicher PID-Steuerungen brauchbar sind, haben sie sich für Modell-basierende Steuerungen mit Totzeit, wie z. B. PIDτd-Steuerungen, als nicht erfolgreich erwiesen.
Es ist demzufolge eine Aufgabe dieser Erfindung, verbesserte Systeme zur Prozeßsteuerung bereitzustellen. Insbesondere besteht eine Aufgabe darin, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Abstimmung von Prozeßsteuerungsanlagen bereitzustellen.
Ein weitere Aufgabe ist die Bereitstellung verbesserter Verfahren und Vorrichtungen zur Abstimmung von Modell-basierenden Steuerungen und insbesondere von Totzeit-Steuerungen.
Das System stellt eine Verbesserung einer Prozeßsteuerungsanlage des Typs mit einem automatischen Steuerungsunterabschnitt bereit, welcher ein manipuliertes Variablensignal unter anderem aus einem gesteuerten Variablensignal und einer Verstärkung K erzeugt, und welcher automatisch das erzeugte Variablensignal an den Prozeß für dessen Steuerung anlegt.
Die Verbesserung ist durch ein Element gekennzeichnet, das eine Laständerung mit der Amplitude δq an den Prozeß anlegt, um eine Veränderung darin und damit in der gesteuerten Variablen zu bewirken. Ein weiteres Element beobachtet die Antwort des automatischen Steuerungsunterabschnittes auf die sich ergebende Veränderung in dem manipulierten Variablen signal und identifiziert insbesondere eine Spitzenamplitude δm&sub0; darin, welche dem Wegfall der Laständerung folgt.
Das System erzeugt ein beobachtetes Überschwingungssignal OVS&sub0; als eine Funktion eines Verhältnisses der Spitzenamplitude δm&sub0; zu der Lastamplitude δq und erzeugt aus diesem Überschwingungssignal und einem vorbestimmten theoretischen Überschwingungssignal OVSτ einen optimalen Verstärkungsfaktor Kopt.
Insbesondere kann das System gemäß einem Aspekt der Erfindung den optimalen Verstärkungsfaktor gemäß dem mathematischen Ausdruck
Kopt = K · (1 + OVSτ)/(1 + OVS&sub0;),
bestimmen,
wobei:
K der aktuelle Verstärkungsfaktor der automatischen Steuerungsunterabschnittes ist,
OVS&sub0; der beobachtete Überschwingungswert ist, und
OVSτ der vorbestimmte Überschwingungswert ist.
Der aktuelle Steuerungsverstärkungsfaktor K kann anhand des optimalen Verstärkungsfaktors Kopt, wie er vorstehend ermittelt wird, neu eingestellt werden.
Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung wird der vor vorbestimmte Überschwingungswert OVSτ in Abhängigkeit von dem Typ des gesteuerten Prozesses bestimmt. Für einen nicht-selbstregelnden Prozeß erster Ordnung erzeugt das System einen OVSτ-Wert so, daß er im wesentlichen gleich 4/π ist.
Für einen selbstregelnden Prozeß erster Ordnung andererseits erzeugt das System den OVSτ-Wert als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks
OVSτ = e-τd/τ&sub1;
wobei:
τ&sub1; eine primäre Zeitkonstante dieses Prozesses ist; und
τd eine Totzeit dieses Prozesses ist.
Für einen nicht-selbstregelnden Prozeß zweiter Ordnung, der eine Totzeit τd und eine zweite Zeitkonstante τ&sub2; besitzt, die im wesentlichen gleich sind, erzeugt ein erfindungsgemäßes System eine OVSτ-Wert von im wesentlichen gleich 1,325. Für einen derartigen Prozeß kann das System alternativ den OVSτ-Wert als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks
OVSτ = (4/π) · (1 + 0,04τ&sub2;/τd),
erzeugen, wobei:
τ&sub2; eine sekundäre Zeitkonstante des Prozesses ist, und
τd eine Totzeit des Prozesses ist.
Weitere Aspekte der Erfindung beinhalten Verfahren zur Prozeßsteuerung in Abhängigkeit von dem Betrieb der vorstehend beschriebenen Systeme.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung sind in den Zeichnungen und in der nachstehenden Beschreibung, welche nur im Rahmen eines Beispiels erfolgt, ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die Zeichnungen erzielt werden, in welchen:
Fig. 1 einen Fluidströmungsprozeß gesteuert von einer Prozeßsteuerung darstellt;
Fig. 2a und 2b herkömmliche PID- und PIDτd-Prozeßsteuerungen darstellen;
Fig. 3 eine verbesserte Prozeßsteuerung darstellt, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
Fig. 4 eine bevorzugte Technik für eine automatische Prozeßsteuerung in der Steuerung von Fig. 3 darstellt; und
Fig. 5 eine bevorzugte Ablauffolge von erfindungsgemäßen Operationen für die Abstimmung des automatischen Prozeßsteuerungsunterabschnittes der in Fig. 3 dargestellten Steuerung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 3 stellt eine bevorzugte erfindungsgemäße PIDτd- Steuerung dar. Die Steuerung 10 enthält einen Proportional/Differential-Abschnitt 12, welcher als Eingangsgröße das gesteuerte Variablensignal c und einen Sollwert aufnimmt. Das gesteuerte Variablensignal kann in einer im Fachgebiet herkömmlichen Art von einer mit dem Prozeß selbst verbundenen Meßeinrichtung erzeugt werden. Auch der Sollwert kann in einer herkömmlichen Art, wie z. B. durch eine Bedienungsperson an einer (nicht dargestellten) Konsole erzeugt werden.
Der Proportional/Differential-Abschnitt 12 arbeitet in ähnlicher Weise wie der des entsprechenden Abschnittes einer herkömmlichen PIDτd-Steuerung. Der Abschnitt 12 erzeugt ein PD-Signal, das einen Fehler in dem gesteuerten Variablensignal c darstellt, insbesondere als eine Funktion der zeitlichen Veränderungsrate der gesteuerten Variablen und einer Differenz zwischen dieser und dem Sollwert.
Ein dargestelltes Integral-Steuerelement 14 und Totzeitelement 16 erzeugen zusammen ein Signal ID, das eine zeitverschobene und zeitverzögerte Form des manipulierten Variablensignals m ist. Diese Elemente arbeiten ebenfalls in einer gleicher Weise wie die entsprechenden Elemente einer herkömmlichen PIDτd-Steuerung.
Insbesondere verzögert der Totzeitabschnitt 16 das manipulierte Variablensignal m zeitlich um die Steuerungstotzeit τd. Der Integral-Steuerungsabschnitt 14 verschiebt dieses zeitverzögerte Signal mit einer Zeitkonstante I.
Ein Summierabschnitt 18 summiert das von dem PD-Abschnitt 12 erzeugte Signal mit dem von der Integralsteuerung 14 erzeugten ID-Signal.
Das Ausgangssignal des Elements wird durch das Filter 20 mit einer Zeitkonstante τf geführt, welche Hochfrequenzkomponenten des summierten Signal abschwächt.
Das gefilterte Signal kann durch obere und untere Begrenzungen 22 geführt werden, welche das gefilterte Signal begrenzen, um ein integrales "Aufhängen" zu verringern.
Das von dem Filter 20 ausgegebene Signal, optional von der Begrenzungseinheit 22 begrenzt, wird an den Prozeß als manipuliertes Variablensignal m angelegt. Dieses Signal wird, wie dargestellt an die Integralsteuerung und die Totzeitelemente 14, 16 zur Erzeugung des Signals ID zurückgeführt.
Wie in der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen United States Patentanmeldung Nr. 88947 United States Patentanmeldung Nr. 889473, IMPROVED METHOD FOR ADAPTIVE DEAD- TIME PROCESS CONTROL (Dokument-Nr. des Anwalts 10228) diskutiert, stellt die Steuerung 10 automatisch die Filterzeitkon stante τf ein, um den Rauschpegel σm in dem manipulierten Variablensignal auf einem vorbestimmten Pegel σset zu halten.
Ein Prozedur zur Einstellung von τf ist in Fig. 4 dargestellt. Dort tastet im Schritt 30 die Steuerung 10 Werte des manipulierten Variablensignals m ab. Im Schritt 31 summiert die Steuerung Werte von m, sowie Quadrate dieser Werte. Im Schritt 33 ermittelt die Steuerung, ob noch mehr Ausgangswerte abzutasten sind, bevorzugt deshalb, um einen vollen Satz von Abtastwerten über die Dauer einer vollständigen Steuerungstotzeit τd zu erhalten.
Anschließend an die Abtastungs- und Summierungsschritte 30 bis 33 ermittelt die Steuerung den Rauschpegel des manipulierten Variablensignals; siehe Schritt 34. Bevorzugt wird dieser gemäß der mathematischen Beziehung
ermittelt, wobei:
n die Anzahl der abgetasteten Werte der manipulierten Variablen ist.
(Σm)² das Quadrat der Summe der abgetasteten Werte ist; und
Σ(m²) die Summe der quadrierten abgetasteten Werte ist.
Im Schritt 35 bestimmt die Steuerung die Filterzeitkonstante gemäß der mathematischen Beziehung
τf = τd/20 · σm/σset,
wobei: σset der vorbestimmte Rauschpegel ist.
Im Schritt 36 beschränkt die Steuerung die Filterzeitkonstante τf zwischen den Werten 0 und 0,1 τd.
Gemäß nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 3 enthält eine erfindungsgemäß aufgebaute Prozeßsteuerung einen manuellen Steuerungsunterabschnitt 40, der nach im Fachgebiet herkömmlicher Art aufgebaut ist und betrieben wird, modifiziert ge mäß den Lehren hierin. Der manuelle Steuerungsunterabschnitt 40 antwortet auf eine Steuerungseinstellung, die beispielsweise von einer Bedienungsperson zum Anlegen eines selektierten Lastsignals an den Prozeß erzeugt wird. Dieser Abschnitt 40 ist so angepaßt, daß er auf ein solches von dem Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 erzeugtes Steuerungseinstellungssignal wie nachstehend diskutiert antwortet.
Zusammen bilden die vorstehend beschriebenen Elemente 12 bis 22 den automatischen Steuerungsunterabschnitt 44 der Prozeßsteuerung 10. Obwohl eine Anzahl dieser Elemente zu dem Gesamtverstärkungsfaktor K des Unterabschnittes beitragen, stellt ein erfindungsgemäß aufgebautes System den Verstärkungswert nur eines von diesen - des Proportionalsteuerungselementes 11 - ein, um die Gesamtverstärkung zu optimieren.
Demzufolge wird der Verstärkungsfaktor des Elementes 11, obwohl er herkömmlicherweise mit 100/P bezeichnet wird, hierin mit dem Buchstaben K bezeichnet. Ebenso wird eine optimale Verstärkungsfaktoreinstellung für das Proportionalsteuerungselement 11 - und damit des automatischen Unterabschnittes 44 - mit dem Symbol Kopt bezeichnet.
Zu Beginn wird der Verstärkungsfaktor auf einen Anfangswert, z. B. gesteuert von einer Bedienungsperson oder einem Programm gemäß herkömmlicher Praxis eingestellt. Das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 optimiert anschließend daran diesen Verstärkungsfaktor, um das Signal Kopt zu erzeugen, welches dann von dem automatischen Unterabschnitt 44 anstelle des dann aktuellen Verstärkungsfaktors K verwendet wird.
Das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 erhält wie vorstehend diskutiert das von dem Begrenzer 22 erzeugte manipulierte Variablensignal m. Das Element 42 nimmt auch das den aktuellen Verstärkungsfaktor des automatischen Steuerungsunterabschnittes 44 repräsentierende Signal K an.
Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß die dargestellte Steuerung 10, einschließlich des Verstärkungs faktor-Optimierungselements 42, wie hierin beschrieben, basierend auf den Lehren hierin in einer speziellen Hardware implementiert werden kann. Bevorzugt werden diese Elemente in Form von Software beispielsweise zur Ausführung in einem Allzweck-Mikroprozessor implementiert. Diesbezüglich wird man erkennen, daß eine derartige Implementation unter Anwendung herkömmlicher Programmierungstechniken erzielt werden kann, wenn sie insbesondere an die Lehren hierin angepaßt sind, um, die offenbarte Struktur, Signalverarbeitung und Funktionalität bereitzustellen.
Der Betrieb eines bevorzugten Verstärkungsfaktor-Optimierungselements 42 ist in Fig. 5 dargestellt. Im Schritt 50 versetzt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 die Steuerung 10 in einen manuellen Modus. Das heißt, es deaktiviert den automatischen Steuerungsunterabschnitt 44 und aktiviert den manuellen Steuerungsunterabschnitt 40.
Im Schritt 51 erzeugt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 ein Steuerungseinstellungssignal, um den Abschnitt 40 zu veranlassen, eine simulierte Laständerung δq an den Prozeß anzulegen. Die Laständerung wird bevorzugt als eine Stufenfunktion mit einer Größe angelegt, die ausreicht, um eine Anwort mit herkömmlichen Kalibrierungspegel in dem Prozeß zu bewirken.
Im Schritt 52 versetzt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 die Steuerung 10 in den Automatikmodus zurück.
Als eine Folge der Laständerung δq antwortet der gesteuerte Prozeß so, wie es durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung der gesteuerten Variablen reflektiert wird. Der automatische Steuerungsunterabschnitt 44 enthält Abschnittszähler, die sich durch Veränderung des manipulierten Variablensignals m ändern.
Im Schritt 53 beobachtet das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 die vorstehend beschriebenen Veränderungen in dem manipulierten Variablensignal, um eine Spitze darin zu identifizieren. Das Element 42 erzeugt ein Signal δm&sub0;, das den Unterschied zwischen dem stationären Wert des manipulierten Variablensignals und dem Spitzenwert repräsentiert.
Im Schritt 54 erzeugt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 ein Signal OVS&sub0;, das eine beobachtete Überschwingung des manipulierten Variablensignals repräsentiert. Dieses ist als das numerische Verhältnis der Spitzenamplitude δm&sub0; zu der Lastamplitude δq, d. h., durch das Verhältnis δm&sub0;/δq bestimmt.
Im Schritt 55 erzeugt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 ein Signal OVSτ, das eine vorbestimmte Überschwingung repräsentiert. Der Wert dieses Signals wird abhängig von dem Typ des gesteuerten Prozesses bestimmt. Der Prozeßtyp kann von der Bedienungsperson angegeben oder anhand herkömmlicher Techniken bestimmt werden.
Für einen nicht-selbstregelnden Prozeß erster Ordnung erzeugt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 einen Wert für die vorbestimmte Überschwingung OVSτ im wesentlichen von 4/π (etwa 1,2732).
Für einen selbstregelnden Prozeß erster Ordnung andererseits erzeugt das Element 42 den OVSτ-Wert als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks.
OVSτ = e-τd/τ&sub1;
wobei:
τ&sub1; eine primäre Zeitkonstante dieses Prozesses ist; und
τd eine Totzeit dieses Prozesses ist.
Für einen nicht-selbstregelnden Prozeß zweiter Ordnung, der eine Totzeit τd und eine zweite Zeitkonstante τ&sub2; besitzt, die im wesentlichen gleich sind, erzeugt das Element 42 bevorzugt einen OVSτ-Wert im wesentlichen gleich 1,325. Bevorzugter erzeugt es für einen solchen Prozeß den OVSτ-Wert als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks
OVSτ = (4/π) · (1 + 0,04τ&sub2;/τd),
wobei:
τ&sub2; eine sekundäre Zeitkonstante des Prozesses ist, und
τd eine Totzeit des Prozesses ist.
Für einen selbstregelnden Prozeß zweiter Ordnung erzeugt das System den OVSτ-Wert als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks
OVSτ = e-τd/(τ&sub1; + τ&sub2;)
wobei:
τ&sub1; eine primäre Zeitkonstante des Prozesses ist,
τ&sub2; eine sekundäre Zeitkonstante des Prozesses ist, und
τd eine Totzeit des Prozesses ist.
Die vorstehend angegebenen Prozeßzeitkonstanten können von der Bedienungsperson in das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 eingeben werden oder nach herkömmlicher Praxis ermittelt werden. Bevorzugt werden jedoch diese Zeitkonstanten gemäß den Lehren der gemeinsam übertragenen United States Patentanmeldung Nr. 889472, METHOD AND APPARATUS FOR ANALYZING PROCESS CHARACTERISTICS (Dokument-Nr. des Anwalts 10227) ermittelt.
Im Schritt 56 erzeugt das Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 das optimale Verstärkungsfaktorsignal Kopt. In einer bevorzugten Praxis wird dieses gemäß dem mathematischen Ausdruck
Kopt = K · (1 + OVSτ)/(1 + OVS&sub0;)
erzeugt, wobei:
K der aktuelle Verstärkungsfaktor der automatischen Steuerungsunterabschnittes ist,
OVS&sub0; der beobachtete Überschwingungswert ist, und
OVSτ der vorbestimmte Überschwingungswert ist.
Wie vorstehend diskutiert kann das optimale Verstärkungsfaktorsignal Kopt der Bedienungsperson auf einem (nicht dargestellten) Monitor angezeigt werden. Bevorzugt wird es von dem Verstärkungsfaktor-Optimierungselement 42 an den automatischen Steuerungsunterabschnitt 44 und bevorzugter an das Proportionalsteuerungselement 11 zum Ersetzen des aktuellen Verstärkungsfaktors K angelegt.
Das Vorstehende beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Abstimmen von Prozeßsteuerungen. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß die dargestellten Ausführungsformen der Erfindung exemplarisch sind und daß weitere Ausführungsform Zusätze und Modifikationen zu den vorstehend beschrieben enthalten können. Somit wird man klar erkennen, daß die Lehren hierin auch auf andere Prozeßsteuerungen als die in Fig. 3 dargestellten angewendet werden können. Diese Lehren können beispielsweise auf PID- und PIDτd-Steuerungen des in Fig. 2a und 2b dargestellten Typs angewendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Optimierung eines Verstärkungsfaktors K einer Prozeßsteuerungsanlage, die einen Prozeß steuert, durch Erzeugen eines manipulierten Variablensignals (m), das eine Charakteristik des Prozesses verändert und durch Beobachten eines gesteuerten Variablensignals (c), das diese Charakteristik repräsentiert,

wobei das Verfahren einen automatischen Steuerungsschritt für die Erzeugung des manipulierten Variablensignals (m) als eine Funktion mindestens des gesteuerten Variablensignals (c) und des Verstärkungsfaktors K und zum Anlegen des manipulierten, Variablensignals (m) an den Prozeß enthält, und das Verfahren ferner die Schritte aufweist:

A. Anlegen einer Laständerung an den Prozeß durch Verändern des manipulierten Variablensignals (m) durch eine Laständerung δq, um eine Veränderung in der Charakteristik zu bewirken,

B. anschließend an das Anlegen der Laständerung Identifizieren der Differenz δm&sub0; zwischen dem Spitzenwert der manipulierten Variablen (m), die als Antwort auf die Lastveränderung entsteht, und dem Wert des stationären Zustands der manipulierten Variablen (m),

C. Ermitteln eines Überschwingungswertes OVS&sub0; als eine Funktion eines Verhältnisses der Differenz δm&sub0; zu der Laständerung δq, und

D. Ermitteln eines optimalen Verstärkungsfaktors Kopt als eine Funktion des Überschwingungswertes OVS&sub0; und eines vorbestimmten Überschwingungswertes OVSτ.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt einer Berechnung des optimalen Steuerungsverstärkungsfaktors Kopt aus dem bestehenden Verstärkungsfaktor K, der beobachteten Überschwingung OVS&sub0; und dem vorbestimmten Über schwingungswert OVSτ als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks:

Kopt = K · (1 + OVSτ)/(1 + OVS&sub0;)

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt der Auswahl des vorbestimmten Überschwingungswertes OVSτ entweder in Übereinstimmung mit einer Klassifizierung des Prozesses, oder für einen nicht-selbstregelnden Prozeß erster Ordnung als im wesentlichen 4/π, oder für einen nicht-selbstregelnden Prozeß zweiter Ordnung, der eine zweite Zeitkonstante τ&sub2; besitzt, als im wesentlichen gleich

(4/π) · (1 + 0,04τ&sub2;/τd),

oder für einen selbstregelnden Prozeß zweiter Ordnung als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks

OVSτ = e-τd/(τ&sub1; + τ&sub2;)

wenn τ&sub2; eine zweite Zeitkonstante dieses Prozesses ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit den Schritten:

A. Ermitteln einer ersten Zeitkonstante τ&sub1; und einer Totzeit des Prozesses τd, und

B. Auswahl des vorbestimmten Überschwingungswertes OVSτ für einen selbstregelnden Prozeß erster Ordnung als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks.

OVSτ = e-τd/τ&sub1;

wenn τ&sub1; eine primäre Zeitkonstante dieses Prozesses ist, und τd eine Totzeit dieses Prozesses ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit einer Einstellung des Verstärkungsfaktors K der Prozeßsteuerungsanlage so, daß sie im wesentlichen gleich der optimalen Verstärkungsfaktor Kopt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt einer Anlegung einer Lastveränderung die Schritte beinhaltet:

A. Versetzen der Prozeßsteuerungsanlage (10) in einen manuellen Betriebsmodus und schrittweises Verändern des manipulierten Variablensignals (m), um einen vorbestimmten Betrag von seinem ursprünglichen Wert, und

B. Versetzen der Prozeßsteuerungsanlage (10) in den automatischen Betriebsmodus nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach der schrittweisen Eingabe des manipulierten Variablensignals (m).

7. Prozeßsteuerungsanlage (10), die ein manipuliertes Variablensignal (m) zur Steuerung einer Charakteristik eines Prozesses erzeugt, und die ein gesteuertes Variablensignal (c) überwacht, das diese Charakteristik repräsentiert,

wobei die Anlage eine automatische Steuereinrichtung für die Erzeugung des Variablensignals (m) als eine Funktion mindestens des gesteuerten Variablensignal(c) und eines Verstärkungsfaktors K der Prozeßsteuerungsanlage enthält, um das manipulierte Variablensignal (m) an den Prozeß anzulegen, und um den Verstärkungsfaktor K zu optimieren, wobei die Anlage aufweist:

A. eine Lastanlegungseinrichtung (40) zum Anlegen einer Laständerung an den Prozeß durch Verändern des manipulierten Variablensignals (m) durch eine Lastveränderung δq, um eine Veränderung in der Charakteristik zu bewirken,

B. eine Spitzenamplitudeneinrichtung, die mit der automatischen Regeleinrichtung und mit der Lastanlegungseinrichtung (40) verbunden ist, um anschließend an das Anlegen der Laständerung ein Signal δm&sub0; zu erzeugen, das die Differenz zwischen der Spitzenamplitude der manipulierten Variablen m, erzeugt von der automatischen Regeleinrichtung als Antwort auf die Lastveränderung, und der stationären Amplitude der manipulierten Variablen (m) repräsentiert,

C. eine Überschwingungsbeobachtungseinrichtung, die mit der Spitzenamplitudeneinrichtung verbunden ist, um ein beobachtetes Überschwingungssignal OVS&sub0; als eine Funktion eines Verhältnisses des Signals δm&sub0; zu der Lastveränderung δq erzeugt, und

D. eine Optimal-Verstärkungsfaktoreinrichtung 42, die mit der Überschwingungsbeobachtungseinrichtung verbunden ist, um ein Optimal-Verstärkungsfaktorsignal Kopt als eine Funktion des beobachteten Überschwingungssignals OVS&sub0; und eines vorbestimmten Überschwingungssignals OVSτ zu erzeugen.

8. Prozeßsteuerungsanlage nach Anspruch 7, wobei die Optimal-Verstärkungsfaktoreinrichtung (42) ein Einrichtung zum Erzeugen eines Signals aufweist, das den optimalen Steuerungsverstärkungsfaktor Kopt in Übereinstimmung mit dem mathematischen Ausdruck

Kopt = K · (1 + OVSτ)/(1 + OVS&sub0;)

repräsentiert, wobei

K der aktuelle Verstärkungsfaktor,

OVS&sub0; die beobachtete Überschwingung, und

OVSτ die vorbestimmte Überschwingung ist.

9. Prozeßsteuerungsanlage nach Anspruch 8, wobei die Optimal-Verstärkungsfaktoreinrichtung (42) eine Einrichtung zum Erzeugen des vorbestimmten Überschwingungssignal OVSτ entweder in Übereinstimmung mit einem Typ des Prozesses, oder als im wesentlichen gleich mit 4/π für einen nichtselbstregelnden Prozeß erster Ordnung, oder für einen nichtselbstregelnden Prozeß zweiter Ordnung mit einer zweiten Zeitkonstante τ&sub2;, die im wesentlichen gleich einer Totzeit τd dieses Prozesses ist, als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks,

OVSτ = (4/π) · (1 + 0,04τ&sub2;/τd),

OVSτ = e-τd/(τ&sub1; + τ&sub2;)

aufweist, wobei τ&sub2; eine sekundäre Zeitkonstante dieses Prozesses ist.

10. Prozeßsteuerungsanlage nach Anspruch 8, ferner mit:

A. einer Einrichtung zum Ermitteln einer primären Zeitkonstante τ&sub1; und einer Totzeit des Prozesses τd des Prozesses, und wobei die Optimal-Verstärkungsfaktoreinrichtung aufweist,

B. eine Einrichtung zum Erzeugen des vorbestimmten Überschwingungswertes OVSτ für einen selbstregelnden Prozeß erster Ordnung als eine Funktion des mathematischen Ausdrucks.

OVSτ = e-τd/τ&sub1;,

wobei τ&sub1; eine primäre Zeitkonstante dieses Prozesses ist, und τd eine Totzeit dieses Prozesses ist.

11. Prozeßsteuerungsanlage nach Anspruch 8, wobei die automatische Steuerungseinrichtung eine Einrichtung (11) enthält, die auf das Optimal-Verstärkungsfaktorsignal Kopt reagiert, um den durch sie verwendeten Verstärkungsfaktor K anzupassen.

12. Prozeßsteuerungsanlage nach Anspruch 7, wobei die Lastanlegungseinrichtung (40) enthält:

A. eine Einrichtung zum Versetzen der Prozeßsteuerungsanlage in einen manuellen Betriebsmodus und zum schrittweisen Verändern des manipulierten Variablensignals (m) um einen vorbestimmten Betrag von seinem ursprünglichen Wert aus, und

B. eine Einrichtung zum Versetzen der Prozeßsteuerungsanlage in den automatischen Betriebsmodus nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach dem schrittweisen Verändern des manipulierten Variablensignals (m).