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Title:
PROCESS AND CIRCUIT FOR IMPROVING THE DYNAMICS OF REGULATING CIRCUITS OR MEASURING PATHS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1991/011758
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a process and circuit for improving the dynamics of regulating circuits or measuring paths. The items concerned by the invention are any regulating circuits and measuring paths, e.g. in the chemical industry. According to the invention, the regulation discrepancy is measured m times at the beginning of each cycle at equal distances, where m is a precision-dependent constant, the difference is found between these measured values of the regulation discrepancy and the corresponding regulation discrepancies provided by a model, characteristic parameters used to update the model are found by means of these differences r, an extrapolation of the regulation discrepancy is made with the aid of the updated model and the rise in the extrapolated regulation discrepancy is also determined with the aid of the updated model, and then the linear function obtained from the magnitude and rise of the extrapolated regulation discrepancy or the measurement signal for the next cycle or its value (ordinate) for the time of the start of the cycle is determined and, using this and the value of the function determined likewise at the beginning of the previous cycle, a new linear function is formed, the variation of which between the two values (ordinates) is used as a regulation discrepancy (reconstructed signal regulation discrepancy) and fed into the regulating circuit as an auxiliary value or used as an actual measurement.

Inventors:
BUDICH BURKHARDT (DE)
BUDICH THOMAS (DE)
Application Number:
PCT/DE1991/000085
Publication Date:
August 08, 1991
Filing Date:
January 25, 1991
Export Citation:
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Assignee:
BUDICH BURKHARDT (DE)
BUDICH THOMAS (DE)
International Classes:
G05B13/00; G05B13/04; G05B17/00; G05B17/02; G05B21/02; (IPC1-7): G05B17/02; G05B21/02
Other References:
PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ELECTRONICS CONFERENCE no. 22, Oktober 1966, CHICAGO US & G.R. CASSIR: "ADAPTIVE CONTROL BY PREDICTIVE IDENTIFICATION AND OPTIMIZATION" siehe Seite 590, Absatz III - Seite 592, Absatz VI; Figuren 1-4
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK - AT. vol. 33, no. 10, 1985, MUNCHEN DE & Y.X. SHANGHAI: "PR[DIKTIVE REGELVERFAHREN-THEORETISCHE HINDERGR]NDE UND ANWENDUNGSBEISPIELE" siehe Seite 304, linke Spalte, Zeile 1 - Seite 305, linke Spalte, Zeile 25; Figuren 3, 4
Attorney, Agent or Firm:
Budich, Thomas (L�bben, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbesserung der Dynamik von Regelkreisen bzw . Meßstrecken durch zyklische Bildung eines Korrektursignales aus der 5 Regelabweichung bzw . dem Meßsignal, das als Hilfsgröße herangezo¬ gen wird bzw . als tatsächliche Meßgröße dient, wobei zu Beginn eines jeden Zyklus die Regelabweichung bzw . das Meßsignal gemessen wird und eine Extrapolation der Regelabweichung bzw . des Meßsi¬ gnals für einen Vorlauf Zeitraum der größer als die 80%Zeit der 10 Regelstrecke bzw . Meßstrecke gewählt ist, und der Anstieg der extrapolierten Regelabweichung bzw . des Meßsignals bestimmt werden und daß dann die durch Größe und Anstieg der extrapolierten Regelabweichung bzw . des Meßsignals gegebene lineare Funktion für den nachfolgenden Zyklus oder für den Zeitpunkt des Beginns des 15 Zyklus ihr Wert (Ordinate) bestimmt und mit diesen und dem Wert der Funktion, die in gleicher Weise zu Beginn des vorhergehenden Zyklus bestimmt wurde , eine neue lineare Funktion gebildet wird , deren Verlauf zwischen den beiden Werten (Ordinaten) , als Regelabweichung (rekonstruiertes Signal Regelabweichung) herange 20 zogen und als Hilfsgröße dem Regelkreis aufgeschaltet wird, bzw . als tatsächliche Meßgröße dient, gekennzeichnet dadurch, daß zu Beginn eines jeden Zyklus die Regelab¬ weichung mmal insbesondere in äquidistanten Abständen gemessen X5 wird wobei m eine genauigkeitsabhängige Konstante ist und eine Differenzbildung zwischen diesen gemessenen Werten der Re¬ gelabweichung und den entsprechenden Werten der Regelabweichung , welche von einem Modell geliefert werden, durchgeführt wird, und mittels dieser Differenzen r Kennparameter, welche zur 20 Aktualisierung des Modells dienen, ermittelt werden und eine Extrapolation der Regelabweichung mit Hilfe des aktualisierten Modells durchgeführt wird und der Anstieg der extrapolierten Regelabweichung ebenfalls unter Zuhilfenahme des aktualisierten Modells bestimmt wird, und daß dann die durch Größe und Anstieg 25 der extrapolierten Regelabweichung bzw . des Meßsignals gegebene lineare Funktion für den nachfolgenden Zyklus , oder für den Zeitpunkt des Beginns des Zyklus ihr Wert (Ordinate) bestimmt und mit diesem und dem Wert der Funktion, die in gleicher Weise zu Beginn des vorhergehenden Zyklus bestimmt wurde, eine neue Werten (Ordinaten) , als Regelabweichung (rekonstruiertes Signal Regelabweichung) herangezogen und als Hilfsgröße dem Regelkreis aufgeschaltet wird, bzw . als tatsächliche Meßgröße dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Regel strecken ohne Ausgleich die gemessene Regelabweichung zunächst differenziert wird und von dieser differenzierten Regelabweichung dann die Werte gemessen werden , während zur Hilfsgrößenauf Schal¬ tung das rekonstruierte Signal "differenzierte Regelabweichung" einmal über der Zeit integriert wird und hierbei die allgemeine Glei chung der Regelstrecke aus der differenzierten Lösung der Differentialgleichung der Regelstrecke gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß bei DTn Regeltrecken die gemessene Regelabweichung zunächst integriert wird und von dieser integrierten Regelabweichung dann die Werte gemes sen werden, während zur Hilfsgrößenauf Schaltung das rekonstruierte Signal "integrierte Regelabweichung" einmal differenziert wird und hierbei die allgemeine Gleichung der Regelstrecke aus der integrier¬ ten Lösung der Differentialgleichung der Regelstrecke gewonnen wird . ERSATZBLATT .
4. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß bei Anwendung des Verfahrens auf Regelstrecken beliebigen Typs die allgemeine Gleichung der Regelstrecke der Lösung der Differential¬ gleichung des betreffenden Regelstreckentyps entspricht. 5.
5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Modell unter Zuhilfenahme einer Matrix der Größe i * r, welche die Parameter uj, vj, wj beinhaltet, ausgebildet wird und die Parameter uj einer Zeit entsprechen, die Parameter vj dem Produkt aus einem konstanten Faktor und dem Wert einer Störgröße bzw . Meßgröße ent ^0 sprechen und die Parameter wj dem Produkt aus einem konstanten Faktor und dem Wert des Anstiegs einer Störgröße bzw . Meßgröße entsprechen und der Index j die Werte der natürlichen Zahlen von Eins bis i1 annimmt und der Parameter vi einen Summen wert der Mat ix mit dem Wert einer Regelabweichung darstellt und der Para ~> eter wi einen Summen wert der Mastix mit dem Wert des Anstiegs einer Regelabweichung zugeordnet bekommt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Größe der Matrix i aus der Summe von Eins und dem Integerwert des Quo¬ tienten aus der Zeit, bei welcher sich die allgemeine Gleichung der 0 Regelstrecke in etwa zu einer linearen Gleichung vereinfacht und der Zykluszeit bestimmt wird .
7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Rang der Matrix r anhand der zur Charakterisierung der parametrisierten Eingangsfunktion der Übertragungsfunktion der jeweiligen Regel ~ ~ strecke notwendigen Parameteteranzahl gewonnen wird .
8. Verfahren nach Anspruch 7 , gekennzeichnet dadurch, daß unter Vermeidung von Redundanzen der Rang der Matrix r bei Approxima¬ tion der Eingangsfunktion der Übertragungsfunktion als sprung und rampenförmiges Signal mit Drei bestimmt und bei Approximation der Eingangsfunktion der Übertragungsfunktion als sprung oder ram¬ penförmiges Signal mit Zwei bestimmt und bei Approximation der Ein¬ gangsfunktion der Übertragungsfunktion als sprung oder rampen förmiges Signal mit konstanter Zeit insbesondere mit konstanten uj Parametern mit Eins bestimmt wird .
9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Werte der Regelabweichung , welche von dem Modell gebildet werden, anhand der Matrix des Modells und einer analytischen Bildungsvor schrift, welche insbesondere aus der Summe des Parameters vi und des Produktes aus der Zykluszeit mit dem Parameter wi und einer Summenfunktion, bestehend aus einem analytischen Ausdruck , aus den Kennwerten der Regelstrecke der Zeit und der Parameter uj, vj und wj besteht, gebildet werden .
10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die r Kennparameter durch lösen eines Gleichungssystems, welches mittels analytischer Ausdrücke, Differenz werte der Regelabweichung, der Zeit und der Kennwerte der Regelstrecke gebildet wird, bestimmt werden .
11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Modell zyklisch aktualisiert wird, indem der Parameter vi nun aus der Summe seines bisherigen Wertes und des Produkts aus der Zykluszeit und dem Wert des Parameters wi und des ältesten Para¬ meters vj und des Produkts aus Zeit und dem Wert des ältesten Parameters uj und dem Wert des ältesten Parameters wj gebildet wird, indem der Parameter wi nun aus der Summe seines bisherigen Wertes und des Wertes des ältesten Parameters wj gebildet wird und indem die r Kennparameter an die Stelle der Matrix gebracht werden, an der sich die ältesten Parameter uj, vj und wj befunden haben .
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß bei zeit¬ weiser Unbestimmbar keit der r Kennparameter die Aktualisierung des Modells entfällt oder die Kennparameter gleich einem sinnvollen Wert gesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Wert der extrapolierten Regelabweichung anhand der Matrix des Modells und einer analytischen Bildungsvorschrift, welche insbesondere aus der Summe des Parameters vi und des Produkts aus dem Vorlaufzeit¬ raum mit dem Parameter wi und einer Summenfunktion, bestehend aus einen analytischen Ausdruck mit den Kennwerten der Regelstrecke, mit der Zeit, mit dem Vorlauf Zeitraum und mit den Parametern uj, vj und wj gebildet wird .
14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Wert des Anstiegs der extrapolierten Regelabweichung anhand der Matrix des Modells und einer analytischen Büdungs Vorschrift, welche insbe¬ sondere aus der Summe des Parameters wi und einer Summenfunk¬ tion, bestehend aus einem differenzierten analytischen Ausdruck mit den Kennwerten der Regelstrecke, mit der Zeit, mit dem Vorlaufzeit räum und mit den Parametern uj, vj und wj gebildet wird .
15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14 , gekennzeichnet dadurch, daß auf die Verwendung der Kennwerte der Regelstrecke verzichtet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zeit in bestimmten zeitlichen Abständen um einen frei und zweckmäßig zu wählenden Betrag verringert und die Matrix korrigiert wird, indem die Parameter uj um denjenigen Betrag der Zeit erhöht werden, um welchen die Zeit verringert wurde , und der Parameter vi einen Wert aus seinem bisherigen Wert und dem Produkt, bestehend aus den Parametern wi und demjenigen Betrag der Zeit, um welchen die Zeit verringert wurde, zugeordnet bekommt.
17. Schaltungsanordnung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Störgrößenkompensation, gekennzeichnet dadurch, daß dem Ausgang eines Reglers (PIDR) ein Speicher (9) mit zykli¬ scher Verzögerung nachgeordnet ist, dessen Ausgangssignal zusam men mit dem Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit (8) an einen Summierpunkt (3) gelegt ist, an den ferner über einen weiteren Speicher (10) mit zyklischer Verzögerung das Ausgangssignal des Summierpunktes (3) rückgeführt ist und dessen Ausgang in gleicher Weise wie der Ausgang des Reglers (PIDR) auf das Stellglied (1) geschaltet ist.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 , gekennzeichnet dadurch, daß die Speicher (9,10) einen beliebigen Wert ihres Eingangssignals des jeweils vorhergehenden Zyklus speichern und diesen Wert über einen Zykluszeitraum an ihren Ausgängen bereitstellen .
19. Sσhaltungsanordnung nach Anspruch 17 , gekennzeichnet dadurch, daß die Speicher (9,10) ihr Eingangssignal kontinuierlich um einen Zykluszeitraum verzögert ausgeben.
20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 , gekennzeichnet dadurch, daß . die Speicher (9,10) die zeitliche Fortsetzung des Eingangssignals des vorherigen Zyklus, welches insbesondere einer linearen Funktion gehorcht oder linearisiert wurde, als Äusgangssignal ausgeben . Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.
Description:
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Dynamik von Regelkreisen bzw . Meßstrecken .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnug zur Verbesserung der Dynamik von Regelkreisen bzw . Meßstrecken , die relativ große Verzögerungen aufweisen und von Störgrößen mit relativ geringen Änderungsgeschwindigkeiten beeinflußt werden . Bei Meßstrec¬ ken entspricht der reale Meßmedienzustand den Störgrößen des Regel¬ kreises und das Ausgangssignal der Meßstrecke (Meßsignal) der Regelabweichung in Regelkreisen .

Es sind Verfahren bekannt, welche durch zyklische Bildung eines Kor¬ rektursignals aus der Regelabweichung bzw . aus dem Meßsignal eine Verbesserung der Dynamik von Regelkreisen bzw . Meßstrecken erreichen .

Bei diesen Verfahren (DD-PS -AP G 05 B/323483;

DD-PS "-/JPG 05 B/323504) ist es zwecks Extrapolation des Signals

Regelabweichung bzw . des Meßsignals mittels des Taylorschen Polynomes notwendig , o .g . Signale mehrfach zu differenzieren . Bei anspruchsvollen Prozessen genügt der Grad bzw . die Präzision der Dynamik Verbesserung nicht den gestellten Anforderungen . Die Ursache dafür liegt in der rela¬ tiv raschen Abnahme der Extrapolationsgüte bei Verwendung eines not¬ wendig großen Vorlauf Zeitraumes . Weiterhin ist bei diesen Verfahren ein relativ hoher meßtechnischer Aufwand bzw . zusätzlicher Rechenaufwand zu verzeichnen .

Zur Verbesserung der dynamischen Regellei≤tung ist ein adaptiv vorher¬ sagendes Regelsystem bekannt., welches sich eines Modells bedient (vgl. DD-PS 131417) . Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in der Notwendig¬ keit des Bekanntseins von Störvektoren, in der Verwendung mehrerer Matrizen, in der Notwendigkeit des Hinzufügens künstlicher Zeitverzöge¬ rungen und in dem relativ späten Erreichen des eingeschwungenen Zustandes .

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhöhung der Regelleistung technischer Prozesse mit relativ trägen Regelstrecken bzw . Meßstrecken höherer Ordnung und somit in einer Effektivitätssteigerung in der Produktion .

Es lag die Aufgabe zugrunde, eine Methode zur Extrapolation zu entwic¬ keln, welche eine hohe Vorhersagegüte unter Verwendung eines großen Vorlauf Zeitraumes gewährleistet. Hierbei soll ein geringer meßtechnischer Aufwand in Anspruch genommen werden. Weiterhin muß auf das Bekanntsein von Störvektoren und das Hinzufügen künstlicher Zeitver¬ zögerungen verzichtet werden können. Diese Extrapolationsmethode soll Grundlage eines Verfahrens sein, welches durch zyklische Bewertung des Signal ' verlaufs der Regelabweichung bzw . des Meßsignals ein neues Signal bildet, welches die Störgröße bzw . den realen Meßmedienzustand annähernd darstellt. Ferner war eine Schaltungsanordnung zur Realisie¬ rung des Verfahrens zu schaffen .

Erfindungsgemäß wird zu Beginn eines ^ άeτi Zyk ι us ie Regelab ¬ weichung m-mal insbesondere in äguidistanten Abständen gemessen wird - wobei m eine genauigkeitsabhängige Konstante ist - und eine

Differenzbildung zwischen diesen gemessenen Werten der Re¬ gelabweichung und den entsprechenden Werten der Regelabweichung, welche von einem Modell geliefert werden, durchgeführt wird-, und mittels dieser Differenzen r Kennparameter, welche zur Aktualisierung des Modells dienen, ermittelt werden und eine

Extrapolation der Regelabweichung mit Hilfe des aktualisierten Modells durchgeführt wird und der Anstieg der extrapolierten Regelabweichung ebenfalls unter Zuhilfenahme des aktualisierten Modells bestimmt wird, und daß dann die durch Größe und Anstieg der extrapolierten Regelabweichung bzw. des Meßsignals gegebene lineare Funktion für den nachfolgenden Zyklus, oder für den Zeitpunkt des Beginns des Zyklus ihr Wert (Ordinate) bestimmt und mit diesem und dem Wert der Funktion, die in gleicher Weise zu Beginn des vorhergehenden Zyklus bestimmt wurde, eine neue lineare Funktion gebildet wird, deren Verlauf zwischen den beiden

Werten (Ordinaten) , als Regelabweichung (rekonstruiertes Signal Regelabweichung) herangezogen und als Hilfsgröße dem Regelkreis auf geschaltet wird, bzw . als tatsächliche Meßgröße dient. Zweckmäßiger weise ist das Modell unter Zuhilfenahme einer Matrix der

Größe i * r , welche die Parameter uj, vj und wj beinhaltet, ausgebil¬ det. Die Parameter uj entsprechen einer Zeitdifferenz, die Parameter vj entsprechen dem Produkt aus dem Übertragungsfaktor der Regelstrecke

und dem Wert einer Störgröße, und die Parameter wj entsprechen dem Produkt aus dem Übertragungsfaktor der Regelstrecke und dem Wert des Anstiegs einer Störgröße, wobei der Index j die folgenden Werte anneh- mem kann : j= 1, 2,3, . . . ,i-l. Die übrigen Parameter der Matrix setzen sich aus Summen werten dersel¬ ben zusammen, wobei der Parameter vi den Wert einer Regelabweichung besitzt und der Parameter wi den Wert des Anstiegs einer Regelabwei¬ chung besitzt. Der Index i kennzeichnet die Größe der Matrix und wird aus dem Quotienten des Vorlauf Zeitraumes und der Zeit eines Zyklus ge- büdet.

Der Rang der Matrix r wird anhand der zur Charakterisierung der para- metrisierten Eingangsfunktion der Übertragungsfunktion der jeweiligen Regelstrecke notwendigen Parameteranzahl gewonnen , wobei vorzugsweise r=3 gesetzt wird . Bei der Bestimmung von r sollen Redundanzen bei- spielsweise mit den Parametern uj vermieden werden . Bei ungleichen Pa¬ rametern uj sind diese zur Bestimmung des Ranges der Matrix r zu be¬ rücksichtigen . Ein Rang der Matrix r=2 wird bei Verwendung eines ap¬ proximierten sprung- oder rampenförmigen Eingangssignals der Übertra¬ gungsfunktion bestimmt, hierbei entfallen die Parameter wj und wi bzw . die Parameter vj. Wird das Eingangssignal der Übertragungsfunktion als sprung- oder rampenförmiges Signal mit konstanter Zeit und somit kon¬ stanten uj Parameter approximiert, so wird r gleich Eins gesetzt. Die vom Modell gelieferten Werte der Regelabweichung werden aus der Summe des Parameters vi und des Produkts aus der Zykluszeit mit dem Parameter wi und einer Summenfunktion , welche durch einsetzen der Zeit und der Parameter uj, vj und wj in der allgemeinen Gleichung der Regelstrecke dargestellt wird , bestimmt.

Die r Kennparameter werden anhand der allgemeinen Gleichung der Regelstrecke und der Differenz werte der Regelabweichung sowie der Zeit in bisher bekannter Weise bestimmt.

Die Aktualisierung des Modells erfolgt, indem diejenigen Parameter uj, vj, wj, welche die ältesten der Matrix sind , in komprimierter Form in den Parametern vi und wi gebracht werden , und zusätzlich werden dann die Kennparameter an' die Stelle der Matrix gebracht, wo sich die älte- sten Parameter uj, vj, wj befunden haben . Der Parameter vi setzt sich nun aus der Summe seines bisherigen Wertes und des Produkts aus Zykluszeit und dem Wert des Parameters wi und des ältesten Parameters vj und des Produkts aus Zeit und dem Wert des ältesten Parameters wj

und des Produkts aus dem Wert des ältesten Parameters uj sowie dem Wert des ältesten Parameters wj zusammen . Der Parameter wi setzt sich nun aus der Summe seines bisherigen Wertes und des Wertes des älte¬ sten Parameters wj zusammen . In der Praxis erweist es sich oft als zweckmäßig, die Zeit, welche in der

Verarbeitungseinheit verwendet wird, in bestimmten zeitlichen Abständen um eine frei und zweckmäßig zu wählende Zeit zu verringern . Dies hat zur Folge, daß die Matrix korrigiert werden muß, es sind dies die Para¬ meter uj und vi. Korrigiert werden die Parameter uj, indem sie um diejenige Zeit erhöht werden, um welche die Zeit (in der

Verarbeitungseinheit) verringert wurde. Der Parameter vi wird korri¬ giert, indem zu seinem bisherigen Wert ein Produkt, bestehend aus dem Parameter wi und derjenigen Zeit, um welche die Zeit (in der Verarbei¬ tungseinheit) verringert wurde, hinzuaddiert wird . In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei zeitweiser Unbestimm¬ bar keit der Kennparameter auf die Aktualisierung des Modells verzichtet oder es werden die Kennparameter auf einen zweckmäßigen Wert, z . B . auf Null gesetzt. Der Wert der extrapolierten Regelabweichung wird mittels des Modells aus der Summe des Parameters vi und des Produkts aus dem Vorlauf Zeit¬ raum mit den Parameter wi und einer Summenf nktion , welche durch ein¬ setzen der Zeit, des Vorlauf Zeitraumes und der Parameter uj, vj und wj in die allgemeine Gleichung der Regelstrecke dargestellt wird, bestimmt. Bei Verwendung eines sehr großen Vorlauf Zeitraumes wird die Su men- funktion durch einsetzen der Zeit, des Vorlauf Zeitraumes und der Para¬ meter uj, vj und wj in die vereinfachte allgemeine Gleichung der Regel¬ strecke dargestellt.

Der Wert des Anstiegs der extrapolierten Regelabweichung wird mittels des Modells aus der Summe des Parameter wi und einer Summenfunktion, welche durch einsetzen der Zeit, des Vorlauf Zeitraumes und der Parame¬ ter uj, vj und wj in die differenzierte allgemeine Gleichung der Regel¬ strecke dargestellt wird, bestimmt. Bei Verwendung eines sehr großen Vorlaufzeitraumes wird die Summenfunktion durch einsetzen der Zeit, des Vorlauf Zeitraumes und der Parameter uj, vj und wj in die differen- zierte vereinfachte allgemeine Gleichung der Regelstrecke dargestellt.

Die allgemeine Gleichung der Regelstrecke entspricht in diesem Fall der Lösung der Differentialgleichung einer PTn-Regelstrecke, wobei die Ein¬ gangsfunktion dieser Differentialgleichung gleichzeitig einen sprung- und

einen rampenförmigen Verlauf der Eingangsgröße aufweist. Die verein¬ fachte Gleichung der Regelstrecke entspricht dem linearen Anteil der allgemeinen Gleichung der Regelstrecke, wobei der unlineare Teil der allgemeinen Gleichung der Regelstrecke bei Verwendung eines großen Vor lauf Zeitraumes als Faktor gegen Eins bzw . als Summe gegen Null kon¬ vergiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei Regelstrecken ohne Ausgleich die gemessene Regelabweichung zunächst differenziert, und von dieser differenzierten Regelabweichung werden dann die Werte m-mal gemessen, insbesondere in äquidistanten Abständen . Hierbei wird die allgemeine Gleichung der Regelstrecke aus der differenzierten Lösung der Differentialgleichung der Regelstrecke, bei welcher sich die Eingangsfunktion aus einem sprung- und einem rampenförmigen Verlauf der Eingangsgröße zusammensetzt, gewonnen. Bei diesen Regelstrecken wird zur Hil sgrößenauf Schaltung das rekonstruierte Signal differenzierte

Regelabweichung einmal über der Zeit integriert. Dieses integrierte Si¬ gnal stellt das rekonstruierte Signal "integrale Regelabweichung" dar und wird dem Regler als Hilfsgröße auf geschaltet .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei DTn-Regelstrecken die gemessene Regelabweichung zunächst integriert, und von dieser inte¬ grierten Regelabweichung werden dann die Werte m-mal gemessen . Bei diesen Regelstrecken wird zur Hilfsgrößenaufschaltung das rekonstru¬ ierte Signal integrierte Regelabweichung einmal differenziert. Dieses differenzierte Signal stellt das rekonstruierte Signal "differenzielle Regelabweichung" dar und wird dem Regler als Hilfsgröße auf geschaltet.

Die allgemeine Gleichung der Regelstrecke wird bei diesen Regelstrecken aus der integrierten Lösung der Differentialgleichung der Regelstrecke, bei welcher sich die Eingangsfunktion aus einem sprung- und einem rampenförmigen Verlauf der Eingangsgröße zusammensetzt, gewonnen . Prinzipiell läßt sich das Verfahren auch an anderen Regelstreckentypen anwenden , hierbei wird die allgemeine Gleichung der Regelstrecke anhand der Lösung der Differentialgleichung des betreffenden Regel¬ streckentyps bestimmt.

Zur Realisierung des Verfahrens wird von einer Schaltungsanordnung ausgegangen, bei der das Ausgangssignal einer Verarbeitungseinheit, in der das Korrektursignal gebildet wird , als Hilfsgröße zur Störgrößenkompensation dem Regelkreis auf geschaltet ist.

Erfindungsgemäß ist dem Ausgang des Reglers ein Speicher mit zykli¬ scher Verzögerung nachgeordnet, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit an einen Summierpunkt gelegt ist. An diesen ist fernerhin über einen weiteren Speicher mit zyklischer Verzögerung das Ausgangssignal des Summierpunktes zurück¬ geführt, dessen Ausgang weiterhin in gleicher Weise wie der Ausgang des Reglers auf das Stellglied geschaltet ist. Zweck mäßiger weise sind die Speicher so geschaltet, daß sie jeweils einen beliebigen Wert ihres Ein¬ gangssignales des jeweils vorhergehenden Zyklus aufnehmen und diesen Wert über einen Zykluszeitraum an ihren Ausgängen bereitstellen. Eine anderweitige Variante sieht solche Speicher vor, die ihr Eingangssignal kontinuierlich um einen Zykluszeitraum verzögert ausgeben . Eine weitere Variante sieht solche Speicher vor, die die zeitliche Fortsetzung des Eingangssignals des vorherigen Zyklus, welches insbesondere einer linearen Funktion gehorcht bzw . linearisiert wurde, als Ausgangssignal ausgeben .

Eine nähere Erläuterung des Verfahrens und der Schaltungsanordnug erfolgt anhand von Zeichnungen, es zeigen

B g. 1 / Fig. 2: den Prozeß der Signalgewinnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 3: das Blockschaltbild des Regelkreises mit der Schaltungsanordnug zur Realisierung des Verfahrens.

Das Verfahren wird an einem aufgetrennten Regelkreis mit einer Regel¬ strecke 6. Ordnung mit Ausgleich erläutert, der prinzipiell einer Me߬ kette entspricht.

Zur Realisierung des Verfahrens ist in der Verarbeitungseinheit 8 (Fig . 3) ein Modell enthalten, dieses Modell bildet die Regelstrecke nach.

Die allgemeine Gleichung der Regelstrecke fRS() (Gin . 1) läßt sich durch jede allgemeine Gleichung einer beliebigen Regelstrecke zur Anpassung an andere Regelstrecken ersetzen .

Xwj(tj)=fRS(K,z * j,zj,tj,n,l/Tii) [Gin. 1] n

=K*[z β j*tj+zj+ Σ c-i*exp(-tj/TiL)] ü=l

In der allgemeinen Gleichung der Regelstrecke fRS() (Gin . 1) stellt K den Übertragungsfaktor der Regelstrecke, n die Ordnung der Regel¬ strecke, Tii die Zeitkonstanten der Regelstrecke, tj die Zeit, z"j den Anstieg einer Störgröße, zrj den Wert einer Störgröße und cii regelstrec¬ kenspezifische Konstanten dar.

Aufgrund des Zeitverhaltens der allgemeinen Gleichung der Regelstrecke fRS() (Gin . 1) vereinfacht sich diese nach einem bestimmten Zeitraum zu einer linearen Gleichung , der vereinfachten Gleichung der Regelstrecke fRSv() (Gin . 2) .

X j(tj)=fRSv(K,z°j,zj,tj)=K*[z * j*tj+zj] [Gin . 2]

Das Modell wird nun zweckmäßigerweise als Matrix der Größe i * r, wel¬ che die Parameter uj, vj und wj beinhaltet, ausgebildet. Die Größe der Matrix i wird anhand der Summe von Eins und dem Integerwert des Quo¬ tienten aus Vorlauf Zeitraum Dt und der Zykluszeit tR bestimmt (Gin . 3) . i=l+int(Dt/tR) [ Gin . 3]

Der Rang der Matrix r wird gleich 3 gesetzt. Die Parameter uj entsprechen einer Zeitdifferenz aus dem Zeitparameter trj und der Zeit t

( Gin . 4) , die Parameter vj entsprechen dem Produkt aus dem Übertra¬ gungsfaktor der Regelstrecke K und dem Wert einer Störgröße zj ( Gin . 5) , und die Parameter wj entsprechen dem Produkt aus dem Über ¬ trag ungsfaktor der Regelstrecke K und dem Wert des Anstiegs einer Störgröße z * j ( Gin . 6) . uj=tj-t vj=K*zj wj=K*z * j [Gin . 4-6]

Wobei der Index j die folgenden Werte annimmt

Die restlichen 3 Parameter des Modells setzen sich aus Summen werten zusammen, wobei der Parameter ui ohne Bedeutung ist, der Parameter vi den Wert einer Regelabweichung besitzt und der Parameter wi den Wert des Anstiegs einer Regelabweichung besitzt (Gin . 7-9) .

β » ui=0 vi=∑ wj*(uj+t)+vj wi=∑ wi [Gin . 7-9] j=i+l j=i+l

Hierbei ist der Summenindexbereich von i+1 bis ∞ (unendlich) symbolisch als eine Funktion der Zeit zu verstehen .

Fig . 1 und Fig . 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Regelabweichung Xw(t) . Zu ihrer Gewinnung wird gemäß Fig . 3 die Regelgröße X erfaßt, mittels Filter 7 von überlagerten Fremdsignalen befreit und dann in einem Summierpunkt 2 die Differenz der gefilterten Regelgröße X und der Führungsgröße w gebildet. Das Ausgangssignal Xw des Summmierpunktes 2 ist sowohl an den Eingang des Reglers PID-R als auch an eine Verarbeitungseinheit 8 gelegt. In dieser wird, mit dem Zeitpunkt tn (Fig . 1 und Fig 2) beginnend, das Signal Regelabweichung

Xw(t) 5 mal hintereinander in kurzen und gleichen Zeitabständen erfaßt und eine Differenzbildung zwischen diesen erfaßten Werten der Regelabweichung Xw(t) und den zugehörigen 5 Werten Xwm der Regelabweichung , welche von dem Modell geliefert werden ( Gin . 10) , durchgeführt, und mittels dieser 5 Differenzen werden die 3 Kennpara¬ meter tk, vk, wk, welche zur Aktualisierung des Modells dienen, in an sich bekannter Weise ermittelt, und mit Hilfe des aktualisierten ' Modells wird das Signal Regelabweichung für einen Vorlauf Zeitraum Dt, welcher etwa der 99% Zeit der Regelstrecke entspricht, extrapoliert Xw(tn+Dt) (Fig . 1 und Fig . 2; Gin . 16 , 16a) .

Als nächstes wird der Anstieg Xw(tn+Dt) ° des extrapolierten Signals Re¬ gelabweichung Xw(tn+Dt) an der Stelle tn+Dt, im Extrapolationpunkt PE(tn) mittels des Modells ermittelt (Gin. 17 , 17a) . Mit diesen Größen wird die Tangente Tn des extrapolierten Signals Regelabweichung Xw(tn+Dt) im Extrapolationspunkt PE(tn) konstruiert (Fig . 1 und Fig .

2) .

Aus dieser Tangente Tn wird eine Strecke Sn gewonnen , welche bei tn+1 (entspricht Beginn des nächsten Zyklus) beginnt und bei tn+2 (entspricht Beginn des übernächsten Zyklus) endet. Diese lineare Funk- tion Tn stellt im genannten Intervall das rekonstruierte Signal Re¬ gelabweichung Xw(t)-rek dar (Fig . 1) oder es wird nunmehr die Ordinate des Entwicklungspunktes E(tn) , welcher sich auf der Tan¬ gente Tn befindet, an der Stelle tn ermittelt. Aus diesem E(tn) und dem vorherigen Entwicklungspunkt E(tn-l) , welcher im vorherigen Zyklus in gleicher Weise ermittelt wurde, wird nunmehr mittels der

Zweipunkte-Methode eine neue lineare Funktion SHn gebildet und im Intervall von tn+1 ( Beginn des nächsten Zyklus) bis tn+2 (Beginn des

übernächsten Zyklus) als rekonstruiertes Signal Regelabweichung Xw(t)-rek benutzt (Fig . 2) .

Mittels des Übertragungsfaktors der Regelstrecke K wird daraus das re¬ konstruierte Störsignal z(t)-rek gebildet. Dieser Vorgang wird zu Beginn jedes Zyklus wiederholt, so daß sich weitere Extrapolations- punkte PE(tn+l) , PE(tn+2) , PE(tn+3) u .s . w . sowie weitere Strecken Sn+1, Sn+2, Sn+3 (Fig . 1) oder Abschnitte SHn+1, SHn+2, SHn+3 (Fig . 2) u.s. w . ergeben, die den Verlauf des Signals rekonstruierte Re¬ gelabweichung Xw(t)-rek kennzeichnen . Es ist in Fig . 1 und Fig . 2 gestrichelt dargestellt. Die Werte der Regelabweichung Xwm, welche von dem Modell geliefert werden, werden nach folgender Gleichung bestimmt (Gin . 10) .

i-1 Xwm=wi*tR+vi+ Σ fRS(t,uj, vj, wj,n,l/Tii) [ Gin . 10] j=l

Die 3 Kennparameter tk, vk, wk werden anhand der allgemeinen Glei¬ chung der Regelstrecke (Gin . 1) , der Differenz werte der Regelabwei- chung und der Zeit t in an sich bekannter Weise bestimmt.

Die Aktualisierung des Modells erfolgt für den Zeitpunkt des jeweiligen Zyklusbeginns, dabei wird berücksichtigt, daß das Modell einen mög¬ lichst hohen Informationgehalt aufweist. Als erstes werden dazu die älte¬ sten Parameter uz, vz, wz nach folgender Vorschrift in den Parametern vi und wi in komprimierter Form abgelegt ( Gin . 11 ,12) : vi:=vi+wi*tR+vz+wz*(uz+t) [Gin . 11] wi:=wi+wz [Gin . 12]

Anschließend werden die ermittelten 3 Kennparameter tk, vk, wk an der

Stelle der Matrix , an welcher sich die ältesten Parameter uz, vz, wz befunden haben, nach folgender Vorschrift abgelegt ( Gin . 13-15) : uz=tk-t vz=vk wz=wk [Gin . 13-15]

Der Wert der extrapolierten Regelabweichung Xw(tn+Dt) wird mittels des Modells wie folgt bestimmt ( Gin . 16 ) : i-1 Xw(tn+Dt)=wi*Dt+vi+ Σ fRS(t, Dt,uj,vj,wj,n,l/Tii) [Gin . 16] j=l

Bei Wahl eines sehr großen Vorlauf Zeitraumes Dt vereinfacht sich die Gin. 16 zur Gin . 16a: i-1 Xw(tn+Dt)=wi*Dt+vi+ Σ fRSv(t,Dt,uj,vj,wj) [Gin . 16a] T=l

Der Wert des Anstiegs der extrapolierten Regelabweichung Xw(tn+Dt) ° wird mittels des Modells wie folgt bestimmt (Gin. 17) : i-1 Xw(tn+Dt) β =wi+ Σ fRS(t,Dt,uj,vj,wj,n,Tii) * [Gin. 17] j=l

Bei Wahl eines sehr großen Vorlauf Zeitraumes Dt vereinfacht sich die Gin . 17 zur Gin . 17a:

i-1 i-1 Xw(tn+Dt) °=wi+ Σ fRSv(t,Dt,uj,vj,wj) '=wi+ Σ wj [Gin . 17a] j=l j=l

in der Schaltungsanordnug zur Realisierung des Verfahrens gemäß Fig . 3 wird im Summierpunkt 3 das Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 8, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird , und das

Ausgangssignal des Reglers PID-R zum Zeitpunkt des jeweiligen Zyklus¬ beginns über den Speicher 9 und das im Summierpunkt 3 gebildete Stör¬ signal z(t)-rek* zum selben Zeitpunkt über den Speicher 10 auf summiert. Dieses so gewonnene Signal z(t)-rek* ist dem Stellglied 1 des Regelkrei¬ ses direkt auf geschaltet.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird die Störgrößenantwort der Regelstrecke mit Verzögerung in die Störgrößenantwort einer Regel¬ strecke ohne Verzögerung (nullter Ordnung) transformiert, wobei zu beachten ist, daß Verzerrungen des rekonstruierten Signales Regelab¬ weichung auftreten können , die von den Änderungsgeschwindigkeiten der Störgrößen und von der gewählten Zykluszeit abhängig sind.




 
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