DE69634311T2

DE69634311T2 - Feldbasiertes Prozeßsteuerungssystem mit automatischer Abstimmung

Info

Publication number: DE69634311T2
Application number: DE69634311T
Authority: DE
Inventors: Hedong Plymount Zou; Kale P. St. Paul Hedstrom; Jogesh Mountain View Warrior; Coy L. Tulsa Hays
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1995-08-15
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2016-08-10
Also published as: CN1173240C; BR9610301A; EP1122625A1; JPH11510932A; DE69634311D1; EP0845118A2; JP3756521B2; DE69617022T2; WO1997007444A3; WO1997007444A2; EP1122625B1; CN1192813A; EP0845118B1; US5691896A; DE69617022D1; CA2227545A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Industrieprozeßsteuerung mit einer wenig komplexen und einer robusten automatischen Abstimmung, die in Low-Power- und Memory Applications implementierbar ist, z.B. als eine Steuereinheit zur Feldmontage.
Steuereinheiten zur Feldmontage weisen verschiedene Vorrichtungen auf, z.B. Transmitter, Stellglieder, Transducer oder Signalwandler, Schalter und selbständige oder autonome Controller oder Regler. Steuereinheiten zur Feldmontage werden in Prozeßsteuerungssystemen verwendet, um den Prozeß zu steuern, Prozeßgrößen zu messen und die Prozeßgrößen darstellende Ausgangssignale zu erzeugen und über Prozeßsteuerungsschleifen an zentrale Controller oder Feldsteuerungselemente (z.B. Werte) zu übertragen. Die Schleifen wiesen Zweidraht-, Dreidraht- und Vierdraht-Prozeßsteuerungsschleifen auf. Es wurden auch andere Schleifen verwendet, z.B. optische und Hochfrequenz-Steuerungsschleifen.
Steuereinheiten zur Feldmontage werden in einem Feldbereich montiert, in denen Strom- und Spannungspegel typischerweise beschränkt sind, um eine interne Sicherheit bereitzustellen. Die Einheiten werden häufig über die Steuerungsschleife mit Energie versorgt. Ein separater Transducer erfaßt eine Prozeßgröße und führt die erfaßte Prozeßgröße einem Transmitter zu, um sie an den zentralen Controller zu übertragen. Controller können in einem zentralen Kontrollraum oder im Feld angeordnet sein und können die Transducerausgangssignale kombinieren, um geeignete Steuerungsausgangssignale zu erzeugen. Die Steuerungsausgangssignale werden typischerweise über eine separate Regelschleife an entfernte Stellglieder, z.B. Ventile, übertragen, die den Prozeß gemäß der Steuerungsausgangssignale steuern. In bestimmten Anwendungen wählen Controller den geeignetsten Befehlssatz für die Prozeßsteuerungsapparatur aus.
In einer Anwendung weist der Transmitter selbst eine Steuerfunktion auf, durch die die Steuerungsausgangssignale den entfernten Vorrichtungen direkt zugeführt werden, wobei der zentrale Controller umgangen wird. Eine Steuerfunktion kann auch in anderen Feldsteuerungselementen, z.B. in Ventilen, vorgesehen sein. Eine derartige Steuereinheit wird als "smarte" oder "intelligente" Steuereinheit zur Feldmontage bezeichnet und ist in dem US Patent Nr. 5333114 von Warrior et al. ausführlicher beschrieben.
Der Steuerungsalgorithmus oder die Steuerungsgleichung, der/die durch den Controller oder Regler im Transmitter oder im zentralen Kontrollraum ausgeführt wird, ist dem Prozeß, in dem der Controller verwendet wird, speziell angepaßt. Es existieren mehrere Basis-Steuerungsalgorithmen, z.B. Proportional- (P), Proportional-/Integral- (PI), Proportional-/Differential- (PD) und Proportional-/Integral-/Differential- (PID) Steuerungsalgorithmen. Das Verhalten des Steuerungsalgorithmus wird durch Steuerparameter bestimmt, z.B. K_P, T_I und T_D, die einer Proportionalverstärkung, einem Zeitintegral bzw. einem Zeitdifferential für einen idealen PID-Steuerungsalgorithmus entsprechen. In einigen Anwendungen ist K_P durch einen proportionalen Bandparameter PB ersetzt, der eine Funktion von K_P ist. Es existieren auch andersarti ge PID-Steuerungsalgorithmen, z.B. parallele und serielle Gleichungen. Diese Algorithmen weisen entsprechende Parameter auf, die den idealen Parametern ähnlich sind. Die Steuerparameter werden basierend auf einem Modell des zugrunde liegenden Prozesses abgestimmt, um einen optimalen Prozeßablauf zu gewährleisten.
Eine der wichtigsten Aufgaben beim Abstimmen der Steuerparameter ist die Definition des Anfangsprozeßmodells und die Berechnung der entsprechenden Modellparameter. Ein Modell für einen selbstregelnden Prozeß, z.B. einen Temperatur-, Durchfluß- oder Druckregelungsprozeß, kann häufig durch eine plus-Totzeitgleichung erster Ordnung definiert werden. Ein Modell für einen nicht-selbstregelnden Prozeß, z.B. einen Pegelsteuerungsprozeß, kann durch eine Integralgleichung definiert werden. Die entsprechenden Modellparameter werden durch Störung des Prozesses und Beobachten einer Antwort in der Prozeßgröße bestimmt.
Es sind mehrere Verfahren zum Abstimmen der Steuerparameter bekannt, nachdem die Prozeßmodellparameter einmal bestimmt worden sind. Im Open-loop-Abstimmungsverfahren nach Ziegler-Nichols wird die Prozeßgröße y(t) manuell oder automatisch auf einen stabilen Zustand Y_SS geregelt, und eine Stufenfunktion wird auf ein Steuersignal u(t) angewendet. Die Prozeßmodellparameter werden dann durch Beobachten der Antwort in der Prozeßgröße abgeschätzt. Die Prozeßmodellparameterabschätzung ist normalerweise empfindlich auf den Beharrungszustand Y_SS. Es ist schwierig, gewünschte Closed-loop-Antworten zu erhalten, wenn der Beharrungszustand Y_SS nicht ideal eingestellt ist, bevor die Stufenfunktion startet.
Im modifizierten Frequenzbereich (Closed-loop) -verfahren nach Ziegler-Nichols wird einem stabilen Zustandsteue rungssignal u(t) = U_SS ein Relais-Rückkopplungssignal hinzugefügt und zwischen zwei Werten umgeschaltet, um Grenzzyklusoszillationen in der Prozeßgröße zu erzeugen, aus denen Frequenzbereichparameter (Endperiode T_U und Endverstärkung K_U) abgeschätzt werden können. Die Steuerungsparameter werden dann entsprechend einer empirischen Formel erzeugt. Die Abschätzung der Frequenzparameter T_U und K_U ist außerdem bezüglich Y_SS empfindlich. Außerdem machen Lasten und Ventilreibung eine Abstimmung schwierig und können zu weniger als optimal abgestimmten Schleifen führen. Zum Zweck einer robusten und reproduzierbaren Abstimmung ist häufig eine Vorabstimmungsstufe erforderlich, um einen stabilen Zustand Y_SS zu erhalten, bevor die Störung auf den Prozeß angewendet wird. Durch das Erfordernis für eine Vorabstimmung nehmen die Algorithmuskomplexität und die Abstimmungszeit zu. Durch die zusätzliche Komplexität ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, einen solchen Abstimmungsalgorithmus in Anwendungen mit begrenzter Energie bzw. Leistung, Speicher- und Rechenkapazität auszuführen, wie beispielsweise in Steuerungstransmittern zur Feldmontage. Diese und andere Abstimmungsverfahren sind in Adaptive Control, Addison-Wesley Publishing, Kapitel 8 (1989) von K. Astrom und B. Wittenmark beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Prozeßsteuerungssystem weist einen Controller mit einem Prozeßgrößeneingang und einem Steuerausgang auf. Der Controller erzeugt ein Steuerungsausgangssignal am Steuerausgang als Funktion einer am Prozeßgrößeneingang empfangenen gemessenen Prozeßgröße. Eine automatische Abstimmungseinrichtung ist mit dem Controller verbunden. Die automatische Abstimmungseinrichtung regt den Prozeß an, schätzt ein Prozeßmodell basierend auf einer Anstiegs-Totzeit, einer Anstiegs-Änderungsrate, einer Abfall-Totzeit und einer Abfall-Änderungsrate in der gemessenen Prozeßgröße ab und stimmt dann die Funktion des Controllers basierend auf dem Prozeßmodell auf den Prozeß ab. Die automatische Abstimmungseinrichtung erzeugt robuste Ergebnisse, sie ist jedoch rechentechnisch einfach aufgebaut, so daß die Schaltung durch Hard- oder Software in Low-Power- und Low-Memory-Applications implementierbar ist, z.B, in auf Transmittern oder Ventilen basierenden Steuereinheiten zur Feldmontage.
Die automatische Abstimmungsschaltung kann so konfiguriert sein, daß die Steuerfunktionen für selbstregelnde Prozesse und für nicht-selbstregelnde Prozesse abgestimmt werden. In einer Ausführungsform weist die automatische Abstimmungseinrichtung einen Verhaltensfaktoreingang zum Empfangen eines benutzerdefinierten Verhaltensfaktors auf. Die automatische Abstimmungseinrichtung stimmt die Steuerfunktion basierend auf dem Prozeßmodell und dem Verhaltensfaktor ab. Der Verhaltensfaktor kann so ausgewählt werden, daß ein aggressives, ein konservatives und ein kritisch gedämpftes Verhalten erhalten wird. Die automatische Abstimmungseinrichtung kann verwendet werden, um Parameter für Steuerfunktionen, z.B. P-, PI-, PD-, PID- und verschiedene andersartige Steuerfunktionen abzugleichen.
Das Prozeßsteuerungssystem kann auch eine Triggerschaltung aufweisen, die die automatische Abstimmungseinrichtung als Funktion eines empfangenen Triggerbefehls, eines Echtzeituhrausgangssignal oder eines Beobachtungswertes des Prozesses triggert.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Diagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pegelsteuerungssystems.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines in 1 dargestellten Transmitters mit einer Steuereinheit.
3 zeigt ein Diagramm eines erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungssystems.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Wellenformdiagramm zum Darstellen einer automatischen Abstimmungsstufe und einer Regelschleifenstufe für einen nicht-selbstregelnden Prozeß.
5 zeigt ein Wellenformdiagramm zum Darstellen einer automatischen Abstimmungsstufe für einen selbstregelnden Prozeß.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Ventils mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Prozeßsteuerungssystem mit einer robusten automatischen Abstimmungsfunktion bereitgestellt, das bezüglich der Rechenfunktion einfach implementierbar ist, so daß das System in einer Low-Power-Steuereinheit zur Feldmontage in einem Prozeßsteuerungssystem implementierbar ist.
1 zeigt ein Diagramm einer Ausführungsform, für die das erfindungsgemäße Prozeßsteuerungssystem geeignet ist. Das Prozeßsteuerungssystem weist einen Hauptcontroller 10, einen Transmitter 12, einen Behälter 14, ein Eingangsventil 16 und ein Ausgangsventil 18 auf. Der Hauptcontroller 10 ist über eine Zweidraht-Prozeßsteuerungsschleife 20 mit dem Transmitter 12 und dem Eingangsventil 16 verbunden. Die Schleife 20 kann beispielsweise eine 4–20 mA- oder eine 10–50 mA-Stromschleife sein, die eine Kommunikation zwischen dem Hauptcontroller 10, dem Transmitter 12 und dem Ventil 16 durch Ändern des Pegels des durch die Schleife fließenden Stroms ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform kommunizieren der Hauptcontroller 10, der Transmitter 12 und das Ventil 16 durch Ändern des Spannungspegels auf der Schleife 20. Gleichzeitig kommunizieren der Hauptcontroller 10 und der Transmitter 12 auf eine trägermodulierte Weise digital über die Schleife 20, wie beispielsweise im HART^®-Protokoll.
Es können andere digitale Kommunikationssysteme verwendet werden, z.B. ein Feldbus-Standard, der gegenwärtig durch die Fieldbus Foundation verwendet wird. Alternativ überträgt die Schleife 20 modulierte digitale Basisbandsignale, z.B. ein DE-Protokoll. Außerdem können der Hauptcontroller 10 und der Transmitter 12 über einen einzelnen oder einen doppelten Lichtwellenleiter oder durch Hochfrquenz kommunizieren. Ein Beispiel einer optischen Steuerschaltung ist im US-Patent Nr. 5258868 beschrieben, auf die hierin durch Verweis Bezug genommen wird.
Der Hauptcontroller 10 weist einen Controller 22 und eine Spannungsquelle 23 auf, durch die eine Spannung auf der Schleife 20 bereitgestellt und eine Steuerung über die Schleife ermöglicht wird. Der Hauptcontroller 10 kann in einem zentralen Kontrollraum oder an einer entfernten Feldposition zusammen mit dem Transmitter 12 angeordnet sein. Der Hauptcontroller 10, der Transmitter 12 und das Ventil 16 können durch verschiedene Konfigurationen miteinander verbunden sein, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 5333114 von Warrior et al. ausführlicher beschrieben ist.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform stellt die Größe des durch die Schleife 12 fließenden Stroms ein Steuerungsausgangssignal u(t) dar, das durch Steuern der Stellung des Ventils 16 den Fluß in den Behälter 14 regelt. Der Transmitter 12 weist vorzugsweise eine eigene Steuerfunktion auf, die in der Lage ist, die Operation der Schlei fe 20 vom Hauptcontroller 10 zu übernehmen und eine veränderliche Strommenge abzuziehen, um das Steuerungsausgangssignal u(t) einzustellen. Durch die Stellung des Ventils 18 wird der Abfluß aus dem Behälter 14 geregelt. Das Ventil 18 wird durch ein Ventilsteuerungssignal o(t) eingestellt, das durch einen Transmitter 26 über eine Zweidraht-Prozeßsteuerungsschleife 28 bereitgestellt wird, die kaskadenartig mit einer Schleife 20 parallel gekoppelt werden kann (wie durch eine Phantomlinie dargestellt). Die parallele Konfiguration wird als Mehrpunktkonfiguration bezeichnet. Das Ventilsteuerungssignal o(t) kann auch durch eine separate Schleife bereitgestellt werden, die mit dem Transmitter 12 oder dem Hauptcontroller 10 gekoppelt ist.
Ein Sensor 24 ist mit dem Behälter 14 verbunden, um einen Pegelstand y(t) eines Fluids im Behälter zu messen. Die Pegeländerungsrate dy(t)/dt ist eine Funktion der Stellungen von Ventilen 16 und 18. Das Steuerungsausgangssignal u(t) hat eine "direkte Wirkung" auf die Prozeßgröße y(t), weil ein Anstieg in u(t) einen Anstieg in y(t) verursacht. Das Signal o(t) hat eine "umgekehrte Wirkung" auf die Prozeßgröße y(t), weil ein Anstieg in o(t) eine Abnahme in y(t) verursacht. Der Sensor 24 kann ein beliebiger geeigneter Sensor sein, z.B. ein Absolut- oder Differenzdrucksensor, ein Ultraschallsensor oder ein Mikrowellensensor. Es können auch andersartige Sensoren verwendet werden, die in der Lage sind, ein den Fluidpegel im Behälter 14 darstellendes Signal zu erzeugen. Das in 1 dargestellte Pegelsteuerungssystem ist ein Beispiel für einen nicht-selbstregelnden Prozeß. Die vorliegende Erfindung ist auch in Verbindung mit selbstregelnden und anderen nicht-selbstregelnden Prozessen verwendbar.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transmitters 12. Der Transmitter 12 ist ein "intelligenter" Transmitter dahingehend, daß er eine Rechenfunktion aufweist, z.B. eine durch einen Mikroprozessor ausgeführte Rechenfunktion. Der Transmitter 12 weist ein rauhes, explosionssicheres Gehäuse 34 zur Feldmontage, einen Eingangsanschluß 36, einen Ausgangsanschluß 38, eine Ein-/Ausgabeschaltung 40, einen Demodulator 42, einen D/A-Wandler 44, einen Modulator 46, einen Mikroprozessor 48, einen A/D-Wandler 50, einen Prozeßgrößensensor 52, eine Taktschaltung 54 und einen Speicher 56 auf. Die Taktschaltung 54 ist mit dem Mikroprozessor 48 verbunden, um die Operation des Mikroprozessors zu sequentialisieren.
Der Eingangsanschluß 36 ist mit dem Hauptcontroller 10 (in 1 dargestellt) verbunden, während der Ausgangsanschluß 38 mit dem Ventil 16 (ebenfalls in 1 dargestellt) verbunden ist. Die Ein-/Ausgabeschaltung 40 ist zwischen dem Eingangsanschluß 36 und dem Ausgangsanschluß 38 verbunden. Die Schaltung 40 weist eine Eingangsfilterschaltung 70, einen Spannungsregler 72, eine Stromsenke 74 und eine Stromsenke 76 auf, die in der Schleife 20 miteinander in Serie geschaltet sind. Die Ein-/Ausgabeschaltung 40 empfängt Prozeßsignale von der Schleife 20 am Eingangsanschluß 36 und gibt Steuerungsausgangssignale u(t) am Ausgangsanschluß 38 als eine Funktion der Prozeßsignale aus. Der Spannungsregler 72 in der Ein-/Ausgabeschaltung 40 empfängt Spannung von der Schleife 20 und stellt eine geregelte Spannung zum Betreiben der verschiedenen Elemente des Transmitters 12 bereit.
Die zum Erzeugen des Steuerungsausgangssignals u(t) verwendeten Prozeßsignale weisen einen gewünschten Prozeßzustand darstellende Sollwerte, durch den Prozeß erzeugte Prozeßgrößen, Befehle und vollständige oder Teilbefehlssätze zum Betreiben des Mikroprozessors 48, Koeffizienten von Aus drücken zum Steuern des Mikroprozessors 48 und Zustandsabfragen vom Hauptcontroller auf. Die Eingangsfilterschaltung 70 empfängt die Prozeßsignale und führt die Signale dem Demodulator 42 zu. Der Demodulator 42 demoduliert modulierte Prozeßsignale von der Stromschleife und führt dem Mikroprozessor 48 entsprechende digitale Information zu. Die Information kann gegebenenfalls im Speicher 56 gespeichert werden.
Der Mikroprozessor 48 empfängt auch Prozeßsignale vom Prozeßgrößensensor 52. Der Sensor 52 mißt eine Prozeßgröße y(t), z.B. einen Pegel, wie in 1 dargestellt, und führt den Meßwert dem A/D-Wandler 50 zu, der den Meßwert für den Mikroprozessor 48 digitalisiert. Die Prozeßgrößenmeßwerte können dann im Speicher 46 für eine Analyse gespeichert werden oder über die Schleife 20 zum Hauptcontroller 10 zurückübertragen werden. Der Mikroprozessor 48 überträgt digitale Information über den Modulator 46 und die Stromsenke 76, die die Information auf der Schleife 20 modulieren, zum Hauptcontroller 10. In einer alternativen Ausführungsform sind der Sensor 52 und der A-/D-Wandler 50 bezüglich des Transmitters extern angeordnet. In dieser Ausführungsform wird die durch den Sensor 52 gemessene Prozeßgröße dem Mikroprozessor 48 zusammen mit anderen Prozeßgrößen von verschiedenen Sensoren über die Schleife 20 zugeführt.
Die Stromsenke 74 stellt das Steuerausgangssignal u(t) durch Einstellen des Pegels des durch die Schleife 20 fließenden Stroms ein. Der Mikroprozessor 48 steuert die Stromsenke 74 über den D/A-Wandler 44 basierend auf einem Steueralgorithmus oder einem Programm, der/das im Speicher 56 gespeichert ist, und als eine Funktion der gemessenen Prozeßgröße y(t), gespeicherter Steuerparameter und von Anweisungen, die vom Hauptcontroller 10 empfangen werden. Beispielsweise kann der Hauptcontroller 10 einen Sollwert Y_SET oder einen anderen Befehl an den Mikroprozessor 48 übertragen, der den Mikroprozessor anweist, das Steuerungsausgangssignal u(t) so einzustellen, daß die Prozeßgröße y(t) sich dem Sollwert Y_SET nähert.
Erfindungsgemäß weist der Speicher 56 auch einen automatischen Abstimmungsalgorithmus oder ein Programm auf, der/das die durch den Steueralgorithmus verwendeten Steuerparameter abstimmt, um den gesteuerten Prozeß abzustimmen. Der automatische Abstimmungsalgorithmus veranlaßt den Mikroprozessor 48, das Steuerungsausgangssignal u(t) mit der Zeit einzustellen und eine Antwort in der Prozeßgröße y(t) zu beobachten. Aus dieser Antwort kann der Mikroprozessor 48 Modellparameter für den Prozeß abschätzen und die Modellparameter zum Berechnen der gewünschten Steuerparameter verwenden.
Die unter Bezug auf 2 diskutierten Kommunikationsverfahren und Transmitterverbindungen dienen lediglich als Beispiel. Es können auch andere Konfigurationen verwendet werden, wie beispielsweise die im US-Patent Nr. 5333114 beschriebenen Konfigurationen.
Selbstabstimmung
3 zeigt die durch den Mikroprozessor 48 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführten automatischen Abstimmungs- und Steuerfunktionen. Das Steuerungssystem 100 weist einen Summenpunkt 102, einen PID-Controller 104, eine Abstimmungsschaltung 106, einen Schaltpunkt 108 und einen Prozeß 110 auf. Für ein Steuerungsausgangssignal mit "direkter Wirkung" wird ein Prozeßgrößen-Sollwert Y_SET einem positiven Eingang des Summenpunktes 102 zugeführt, und die gemessene Prozeßgröße y(t) wird einem negativen Eingang des Summenpunktes 102 zugeführt. Für ein Steuerungsausgangssignal (nicht dargestellt) mit "umgekehr ter Wirkung" wird Y_SET einem negativen Eingang des Summenpunktes 102 zugeführt, und y(t) wird einem positiven Eingang des Summenpunktes 102 zugeführt. Der Ausgang des Summenpunktes 102 erzeugt ein Fehlersignal e(t), das die Differenz zwischen dem Sollwert Y_SET und der gemessenen Prozeßgröße y(t) darstellt. Das Fehlersignal e(t) wird dem PID-Controller 104 zugeführt. Der PID-Controller 104 weist einen Proportionalverstärkungsblock 112, einen Integrierblock 114 und einen Differenzierblock 116 auf. In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt), wird die gemessene Prozeßgröße y(t) dem Differenzierblock 116 nicht über den Summenpunkt 102, sondern direkt zugeführt. Die Ausgangssignale der Blöcke 112, 114 und 116 werden positiven Eingängen eines Summenpunkts 118 zugeführt. Während der Closed-loop-Steuerung wird am Ausgang des Summenpunktes 118 das Steuerungsausgangssignal u(t) zum Steuern des Prozesses 110 bereitgestellt. Die Basisfunktion des PID-Controllers 104 ist durch Gleichung 1 definiert:
wobei K_P, T_I und T_D abgestimmte Steuerparameter sind, die das Verhalten des PID-Controllers 104 bestimmen. Die Steuerparameter werden erfindungsgemäß so abgestimmt oder modifiziert, daß die Charakteristiken oder Kenngrößen des Prozesses 110 bei der Inbetriebnahme oder zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Steuerung des Prozesses abgestimmt werden.
Die Abstimmungsschaltung 106 weist eine Abstimmungssteuerungsschaltung 122, eine Anregungsschaltung 124, eine Prozeßmodellbestimmungsschaltung 126 und eine Steuerparameterregelschaltung 128 auf. Die Abstimmungssteuerungsschaltung 122 ist mit der Anregungsschaltung 124, der Prozeßmo dellbestimmungs- bzw. abschätzschaltung 126 und der Steuerparameterregelschaltung 128 verbunden, um die Gesamtfunktion der Abstimmungsschaltung 106 zu steuern. Die Anregungsschaltung 124 führt dem Prozeß 110 über den Schaltpunkt 108 ein zeitlich veränderliches Open-loop-Anregungssignal zu. Das Anregungssignal wird während einer automatischen Open-loop-Abstimmungsstufe als das Steuerungsausgangssignal verwendet. Der Schaltpunkt 108 kann ein realer Schalter sein oder ein Steuerungsübergang von einem Algorithmus oder einem Programm bzw. einer Routine zum/zur nächsten. Die Modellabschätzschaltung 126 beobachtet dann die Antwort in der gemessenen Prozeßgröße y(t) und erzeugt ein Modell des Prozesses 110, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Dieses Modell wird der Steuerparameterregelschaltung 128 zugeführt, um die Steuerparameter für den PID-Controller 104 basierend auf einem ausgewählten Satz von Abstimmungsregeln abzustimmen. Das Prozeßmodell und die abgestimmten Steuerparameter werden dann im Speicher 56 (2) gespeichert und können dem Hauptcontroller 10 über die Prozeßsteuerungsschleife 36 zugeführt werden, um die Überwachungs- oder Kaskadensteuerung des Prozesses zu optimieren. Das Prozeßmodell kann anderen kaskadenförmig verbundenen Vorrichtungen zur Verwendung in weiteren Abstimmungsprozeduren zugeführt werden.
Die Abstimmungsschaltung 106 weist ferner eine Triggerschaltung 134, eine Abstimmungsalarmschaltung 136 und eine Echtzeituhrschaltung 138 auf, die mit der Abstimmungssteuerungsschaltung 122 verbunden sind oder darin integriert werden könnten. Die Triggerschaltung 134 triggert die Abstimmungssteuerungsschaltung 122, um die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsfunktion basierend auf durch den Triggereingang 140, die Abstimmungsalarmschaltung 136 oder die Echtzeituhrschaltung 138 zugeführten Triggersignalen auszuführen. Das Triggereingangssignal 140 wird durch den Mikro prozessor 48 (2) in Antwort auf Befehle zugeführt, die durch den Hauptcontroller 10 über die Prozeßsteuerungsschleife 36 bereitgestellt werden. Die Befehle können bei Bedarf durch den Benutzer oder auf Anforderung des Hauptcontrollers 10 aktiviert werden. Alternativ kann die Echtzeituhr 138 die automatische Abstimmungsfunktion basierend auf einer ausgewählten Zeitdauer, z.B. jede halbe Stunde, triggern. In einer alternativen Ausführungsform ist die Echtzeituhr 138 im Hauptcontroller 10 angeordnet und führt dem Triggereingang 140 das Triggersignal über die Prozeßsteuerungsschleife 36 zu.
Die Abstimmungsalarmschaltung 136 triggert die automatische Abstimmungsfunktion über einen Triggerausgang 142. Während der Closed-loop-Steuerungsstufe beobachtet die Abstimmungssteuerungsschaltung 122 e(t), u(t) und y(t) und berechnet passiv neue Steuerparameter über die Schaltungen 126 und 128. Die Abstimmungsalarmschaltung 136 vergleicht die neuen Rechenergebnisse mit zuvor gespeicherten Prozeßsteuerparametern. Wenn die Differenz zwischen den neuen Rechenergebnissen und den gespeicherten Parametern größer ist als ein spezifizierter Bereich, triggert die Abstimmungsalarmschaltung 136 die automatische Abstimmungsfunktion durch die Triggerschaltung 134 oder informiert den Benutzer oder den Hauptcontroller 10 über einen Alarmausgang 144. Die Abstimmungsalarmschaltung 136 verifiziert außerdem passiv das berechnete Prozeßmodell mit dem Prozeß durch Anpassen aktueller Werte von y(t) und u(t) in der (nachstehend diskutierten) Modellgleichung, um zu bestimmen, ob das Modell korrekt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, triggert die Schaltung 136 die automatische Abstimmungsfunktion oder gibt einen Alarm über den Ausgang 144 aus. Die Schaltung 136 überwacht außerdem e(t) und y(t) nach einer Sollwertänderung oder einer Hauptstörung im Prozeß und gibt einen Alarm aus, wenn das gewünschte Verhalten (z.B. kritisch gedämpft) nicht vorliegt. Beispielsweise kann das Integral des Quadrats des Fehlersignals e(t) oder das Integral des Absolutwertes des Fehlers mit einem im Speicher 56 gespeicherten Schwellenwert verglichen werden. Wenn das Fehlerintegral den Schwellenwert überschreitet, gibt die Schaltung 136 einen Alarm aus. Außerdem überwacht die Schaltung 136 y(t) während der Abstimmungsstufe. Wenn y(t) nicht oder nicht korrekt antwortet, erzeugt die Schaltung 136 einen Abstimmungsfehleralarm am Ausgang 144. Der Benutzer kann beispielsweise durch Ändern der ausgewählten Werte von U_MIN, U_MAX oder eines nachstehend beschriebenen Verhaltensfaktors α einwirken, um die automatische Abstimmungsfunktion zu korrigieren.
4 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Wellenformen eines Steuerausgangssignals u(t) und einer Prozeßgröße y(t). Wenn die automatische Abstimmungsstufe aktiviert worden ist, überwacht die Abstimmungssteuerungsschaltung 122 das Vorzeichen von e(t), um festzustellen, ob y(t) größer oder kleiner ist als Y_SET. Wenn e(t) negativ ist, ist y(t) größer als Y_SET. Die Regelschleife wird am Schaltpunkt 108 geöffnet, und die Anregungsschaltung 124 zwingt u(t) zum Zeitpunkt t_O zu einem durch den Benutzer ausgewählten minimalen Steuerungsausgangssignalwert U_MIN, um y(t) zu Y_SET hin zu zwingen. Die Abstimmungssteuerungsschaltung 122 überwacht dann e(t). Wenn e(t) einmal kleiner ist als ein vorgegebener Fehlerschwellenwert, führt die Anregungsschaltung 124 dem Prozeß 110 zu einem Zeitpunkt t_R einen durch einen Benutzer ausgewählten maximalen Steuerungsausgangssignalwert U_MAX zu, so daß y(t) beginnt anzusteigen. Zu einem Zeitpunkt t_MAX steigt y(t) maximal an. Zu einem Zeitpunkt t_F wird der minimale Steuerungsausgangssignalwert U_MIN dem Prozeß 110 erneut zugeführt, so daß y(t) beginnt abzunehmen. Zu einem Zeitpunkt t_-MAX nimmt y(t) maximal ab. Zu einem Zeitpunkt t_A endet die automatische Abstimmungsstufe, und das Prozeßsteuerungssystem 100 wird zu einer geschlossenen PID-Regelschleife, die u(t) abstimmt, um die Prozeßgröße auf den Sollwert y(t) = Y_SET einzustellen.
Wenn das Vorzeichen von e(t) zum Zeitpunkt t_O positiv wäre, wäre die in 4 dargestellte Anregungswellenform u(t) einfach invertiert. Die Anregungsschaltung 124 würde u(t) = U_MAX zuführen, so daß y(t) zu Y_SET hin ansteigt, daraufhin u(t) = U_MIN, so daß y(t) abfällt, und dann u(t) = U_MAX, so daß y(t) erneut ansteigt.
Durch zeitliches Ändern des Steuerungsausgangssignals u(t) während der automatischen Abstimmungsstufe ist die Abstimmungsschaltung 106 in der Lage, alle Systemparameter exakt mit reproduzierbaren und robusten Ergebnissen abzuschätzen, so daß der PID-Controller 104 das gewünschte Verhalten bereitstellt. Die Abstimmungsschaltung 106 kann so konfiguriert sein, daß die Prozeßmodellparameter erfindungsgemäß für nicht-selbstregelnde und selbstregelnde Prozesse berechnet werden.
1. Nicht-selbstregelnde Prozesse
Der in 1 dargestellte Pegelprozeß ist ein Beispiel eines nicht-selbstregelnden Prozesses. Ein nicht-selbstregelnder Prozeß ist ein Prozeß, in dem die gemessene Prozeßgröße y(t) weiterhin zu- oder abnimmt, so lange das Steuerungssignal u(t) einem Beharrungszustandswert U_SS nicht gleicht (d.h., wenn der Zu- und der Abfluß in einem Pegelprozeß ungleich sind). Die Pegelgleichgewichtgleichung des in 1 dargestellten Pegelprozesses kann dargestellt werden durch:
In Gleichung 2 ist vorausgesetzt, daß die Ventile 16 und 18 lineare Ventile sind, und wird ein Staudruckeffekt auf die Ventile vernachlässigt. L bezeichnet eine Systemtotzeit, und m₁ und m₂ sind Konstanten, die dem Volumenfluß in bzw. aus dem Behälter 14, geteilt durch die Fläche des Behälters 14, entsprechen.
Wenn das Steuerungsausgangssignal u(t) einem Beharrungszustand U_SS entspricht und der Totzeiteffekt verschwindet, ergibt sich
Wenn y(t) maximal ansteigt (vergl. 4), gilt u(t) = U_MAX, und
Ähnlicherweise gilt, wenn y(t) maximal abnimmt (vergl. 4), u(t) = U_MIN, und
Durch Dividieren von Gleichung 4 durch Gleichung 5 kann die folgende mathematische Beziehung hergeleitet werden:
Eine Anstiegs-Totzeit L_R und eine Abfall-Totzeit L_F (vergl. 4) der Prozeßgröße y(t) können dargestellt werden durch:
wobei y(t_MAX) die Prozeßgröße zum Zeitpunkt t_MAX ist, wenn die Zeitableitung von y(t) das Maximum in positiver Richtung erreicht. Ähnlicherweise ist y(t_-MAX) die Prozeßgröße zum Zeitpunkt t_-MAX, wenn die Zeitableitung von y(t) das Maximum in negativer Richtung erreicht. Der Ausdruck y_MIN bezeichnet den Minimalwert von y (t) zwischen den Zeitpunkten t_R und t_F, und der Ausdruck y_MAX bezeichnet den Maximalwert von y(t) zwischen den Zeitpunkten t_F und t_A. Durch die Gleichungen 4–5 und 7–8 berechnet die Prozeßmodellabschätzschaltung 126 L_R, L_F, R_R und R_F.
Aus den Gleichungen 4–5 und 6–8 können die Prozeßmodellparameter U_EST (geschätzter Beharrungszustand U_SS), m₁ und L abgeschätzt werden als:
Um zu ermöglichen, daß der Worst-case-Fall durch die erhaltene PID-Funktion kompensiert wird, wird die Gesamttotzeit L des Systems in Gleichung 11 als Maximum von L_R und L_F bestimmt. Die Prozeßmodellabschätzschaltung 126 schätzt die Prozeßmodellparameter U_EST, m₁ und L gemäß den Gleichungen 9–11 ab. Die Gleichungen 9–11 können durch Austauschen von U_MAX und U_MIN leicht modifiziert werden, um einen Prozeß zu bestimmen, in dem das System umgekehrt wirkt. Die Prozeßmodellparameter werden der Steuerparameterregelschaltung 128 zugeführt, die die Steuerparameter K_P, T_I und T_D gemäß ausgewählten Regeln abstimmt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Die ungefilterte Prozeßgröße y(t) kann zu stark verrauscht sein, um reproduzierbare Abstimmungsparameter zu erzeugen. Obwohl mehrere geeignete Verfahren zum Handhaben einer verrauschten Prozeßgröße verfügbar sind, weist die vorliegende Erfindung vorzugsweise ein Tiefpaßfilter 130 (auch als dynamisches Filter oder benutzergedämpfets Filter bezeichnet) auf, das mit dem Ausgang des Prozesses 110 gekoppelt ist. Durch das Tiefpaßfilter 130 kann die Prozessmodellabschätzschaltung 126 eine robuste Abschätzung der Modellparameter U_EST, m₁ und L unter Verwendung der Gleichungen 9–11 bereitstellen.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Gleichungen 4–5 und 7–8 durch die folgenden Gleichungen ersetzt, um die Rauschunterdrückung zu verbessern und noch zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten. Die Anstiegs-Änderungsrate R_R in der Prozeßgröße kann über eine Abtastperiode T definiert werden als:
Weil alle R_R-Werte in Gleichung 12 dem gleichen Steuerungssignal U_MAX zugeordnet sind, können die R_R-Werte gemäß dem folgenden mathematischen Ausdruck für eine bessere Näherung von R_R gemittelt werden, um bei der Abschätzung der Konstanten m₁ einen Fehler nach der Methode der kleinsten Quadrate zu minimieren:
Ähnlicherweise kann die folgende Gleichung für die abfallende Richtung verwendet werden:
Die Anstiegs- und die Abfall-Totzeiten L_R und L_F werden gemäß den Gleichungen 7–8 bestimmt.
Die Steuerparameterregelschaltung 128 stimmt die Steuerparameter für den PID-Controller 104 gemäß einem ausgewählten Satz von Regeln ab. Obwohl erfindungsgemäß ein beliebiger geeigneter Satz von Regeln verwendbar ist, weist die Schaltung 128 vorzugsweise Internal-Model-Control- (IMC) Abstimmungsregeln auf. Durch die Gleichungen 9–11 können die Prozeßmodellparameter mit sehr geringem Rechenaufwand abgeschätzt werden. Durch die IMC-Abstimmungsregeln können die entsprechenden Steuerparameter für PID-Controller hergeleitet werden von:
wobei K_P, T_I und T_D die Proportionalverstärkung, die integrale Zeit bzw. die differentielle Zeit des PID-Controllers 104 bezeichnen und τ eine gewünschte Zeitkonstante der Closed-loop-Antwort ist. Die Steuerparameter für P-, PI- und PD-Controller unterscheiden sich geringfügig von denjenigen in den Gleichungen 15 und 16 und können in Internal Model Control, PID Controller Design, 25 Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 252–65 (1986) gefunden werden. Erfindungsgemäß ist die Zeitkonstante τ als Funktion eines Verhaltensfaktors α definiert, wobei τ = αL Gl. 18ist.
Der Verhaltensfaktor α liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1/2 und 3, um die Grade oder Stufen des gewünschten Verhaltens abzudecken. Beispielsweise wird durch α = 1 eine kritisch gedämpfte Closed-loop-Antwort erzeugt. Durch einen kleineren Wert von α wird eine aggresivere, schnellere Antwort erzeugt, und durch einen größeren Wert von α wird eine mäßigere, langsamere Antwort erzeugt. Durch Einsetzen von Gleichung 21 in die Gleichungen 18–20 werden die entsprechenden PID-abgestimmten Steuerparameter:
Die PID-abgestimmten Steuerparameter K_P, T_I und T_D können daher durch die Steuerparameterregelschaltung 128 mit geringem Rechenaufwand berechnet werden. Der Verhaltensfaktor α wird der Schaltung 128 über einen Eingang 132 und die Steuerschaltung 122 zugeführt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform wird der Verhaltensfaktor α dem Mikroprozessor 48 durch den Hauptcontroller 10 als auf der Schleife 20 modulierter Digitalwert zugeführt.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Prozeßmodellabschätzschaltung 126 und die Steuerparameterregelschaltung 128 kombiniert, und die Steuerparameter werden direkt als eine Funktion von L_R, L_F, R_R und R_F berechnet. Die Prozeßmodellparametergleichungen werden in die Steuerparametergleichungen gefaltet, so daß keine separaten Berechnungen der Prozeßmodellparameter erforderlich sind.
In der vorstehenden Diskussion wurde vorausgesetzt, daß der Prozeß linear ist. Für einen nicht-linearen Prozeß, z.B. für einen Prozeß mit nicht-linearen Ventilkennlinien und Staudruckeffekten auf das Ventil, kann die tatsächliche Ventilstellung im stabilen Zustand während der normalen Closed-loop-Steuerung am Ende einer Zeitfolge t_A verwendet werden, um den geschätzten Wert U_EST in den Gleichungen 10 und 15 für ein zuverlässigeres Verhalten zu ersetzen.
2. Selbstregelnde Prozesse
Die (in 3 dargestellte) Prozeßmodellabschätzschaltung 126 kann auch so konfigueriert sein, daß die Prozeßmodellparameter für einen selbstregelnden Prozeß abgeschätzt werden, z.B. für Wärmetauschertemperatur-, Durchfluß- und Druckregelungsprozesse. Die meisten selbstregelnden Prozesse können durch die folgende plus-Totzeitgleichung erster Ordnung modelliert werden.
wobei die Prozeßmodellparameter L, T_C und K_S die Totzeit, die Zeitkonstante bzw. die statische Verstärkung des Prozesses darstellen.
Die Prozeßmodellparameter werden durch Anwendung des in 5 dargestellten Open-loop-Steuerungsmusters u(t) bestimmt. Wie im nicht-selbstregelnden Prozeß trennt die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsschaltung die Prozeßmodellparameter in Anstiegs- und Abfallrichtungen, um das Verhalten im Worst-case-Fall zu modellieren. Unter Betrachtung der Abfallrichtung können, wenn u(t) = U_MAX ist und y(t) ansteigt (dy(t)/dt > 0) und unter der Voraussetzung, daß die Totzeit L verstrichen ist, die folgenden Gleichungen vom Zeitpunkt t_MAX zum Zeitpunkt t_F geschrieben werden:
wobei T_R und K_R Zeitkonstanten und eine statische Prozeßverstärkung in der Anstiegsrichtung und N die Anzahl der Abtastwerte von y(t) in der Anstiegsrichtung bezeichnen. R_Rn bezeichnet die Änderungsrate von y(t) am n-ten Abtastwert nach t_MAX, die definiert ist durch:
wobei T die Abtastperiode bezeichnet. Die Matrixform der vorstehenden Gleichung kann folgendermaßen dargestellt werden:
Diese Gleichung kann gelöst werden, um T_R und K_R abzuschätzen, während der Fehler nach der Methode der kleinsten Quadrate durch Verwendung des Pseudo-Inversen der Matrix auf der linken Seite von Gleichung 25 minimiert wird. Dies kann durch Modifizieren der vorstehenden Gleichung durch Gleichung 26 erfolgen:
wodurch sich ergibt:
Aus Gleichung 27 können die folgenden Abschätzungen hergeleitet werden:
Das gleiche Verfahren das für den nicht-selbstregelnden Prozeß verwendet wurde, kann auch angewendet werden, um die Anstiegs-Systemtotzeit L_R zu bestimmen,
wobei R_R1 die Anstiegs-Änderungsrate von y(t) beim Abtastwert n = 1 ist.
In der Abfallrichtung ist u(t) = U_MIN, und y(t) nimmt ab (dy(t)/dt < 0). Es können ähnliche Gleichungen verwendet werden, um die Zeitkonstante T_F, die statische Verstärkung K_F und die Totzeit L_F für die Abfallrichtung zu berechnen, wie nachstehend dargestellt wird.
wobei R_F1 die Abfall-Änderungsrate von y(t) beim Abtastwert n = 1 bezeichnet.
Während des Betriebs schätzt die Prozeßmodellabschätzschaltung 126 (3) vom Zeitpunkt t_R zum Zeitpunkt t_F L_R gemäß Gleichung 32 ab und zählt die Variablen ΣR_Rn, ΣR_Rn ², Σy_n und Σy_nR_Rn in Gleichung 28. Vom Zeitpunkt t_F zum Zeitpunkt t_A schätzt die Schaltung 126 L_F gemäß Gleichung 34 ab und zählt die Variablen ΣR_Fn, ΣR_Fn ², Σy_n und Σy_nR_Fn in Gleichung 30.
Ein typischer Prozeß verhält sich in der Anstiegs- und in der Abfallrichtung unterschiedlich. Beispielsweise kann der Prozeß in Temperaturregelungsanwendungen dieses Verhalten aufgrund von endothermen und exothermen Reaktionen im Prozeß zeigen. Die zufällige Auswahl der Prozeßmodellparameter in der Anstiegs- oder Abfallrichtung kann manchmal zu einem unerwünschten Closed-loop-Steuerungsverhalten führen. Durch die erfindungsgemäße Prozeßmodellbestimmungsschaltung kann ein robusteres PID-Steuerungsverhalten erreicht werden. Erstens wird ein starkes Tiefpaßfilter (Filter 130) verwendet, um zu verhindern, daß das Differentialsignal dy(t)/dt durch Rauschen verfälscht wird. Zweitens werden die Prozeßmodellparameter gemäß den folgenden Gleichungen durch die Schaltung 126 abgeschätzt:
Wenn die Prozeßmodellparameter für die plus-Totzeit-Prozeßgleichung erster Ordnung einmal abgeschätzt worden sind, können die P-, I- und D-Steuerparameter als Funktion mehrerer vorhandener Abstimmungsregeln abgestimmt werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, daß durch die folgenden Internal-Model-Control- (IMC) Abstimmungsregeln ein bevorzugtes PID-Steuerungsverhalten erhalten wird:

wobei K_P, T_I und T_D die Proportionalverstärkung, die integrale Zeit bzw. die differentielle Zeit bezeichnen. Wie im nicht-selbstregelnden Prozeß ist die Closed-loop-Zeitkonstante τ als Funktion des Verhaltensfaktors α definiert, wobei τ = αL Gl. 38ist. Wie vorstehend diskutiert, liegt der Verhaltensfaktor α vorzugsweise im Bereich zwischen 1/2 und 3. Gleichung 34 gewährleistet eine maximale Closed-loop-Zeitkonstante τ. Die Gleichungen 32 und 33 gewährleisten die kleinstmögliche Proportionalverstärkung K_P für einen vorgegebenen Verhaltensfaktor α.
Die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsschaltung kann beispielsweise auch in einer Ventilsteuerungseinheit implementiert werden. 6 ist 2 ähnlich und zeigt ein Blockdiagramm einer Ventilsteuerungseinheit 160, die eine Eingangsfilterschaltung 162, einen Spannungsregler 164, eine einstellbare Stromsenke 166, einen Stromtransducer 168, einen Demodulator 170, einen A/D-Wandler 172, einen Modulator 174, einen Mikroprozessor 176, einen Speicher 178, eine Taktschaltung 180, einen D/A-Wandler 182 und ein Stellglied 184 aufweist. Die Schaltung 162, der Regler 164 und der Stromtransducer 168 sind mit der Prozeßsteuerungsschleife 186 in Serie geschaltet, um die gemessene Prozeßgröße y(t) und modulierte digitale Daten, z.B. den Sollwert Y_SET, von der Schleife zu empfangen.
Der Demodulator 170 demoduliert die Daten und führt die Daten dem Mikroprozessor 176 für eine Analyse zu. Der Regler 164 empfängt Energie von der Schleife 186 und stellt eine geregelte Spannung zum Versorgen der Elemente der Ventilsteuerungseinheit 160 mit Energie bereit. Der Stromtransducer 168 mißt den analogen Strompegel y(t) in der Schleife 186, der durch den A/D-Wandler 172 in digitale Daten für den Mikroprozessor 176 umgewandelt wird. Der Mikroprozessor 176 überträgt Daten über die Schleife 186 durch Modulieren des durch die Senke 166 fließenden Stroms durch den Modulator 174 z.B. durch das HART^®-Protokoll. Der automatische Abstimmungsalgorithmus, der Steuerungsalgorithmus, die Prozeßmodell- und Abstimmungsparameter werden im Speicher 178 gespeichert, um den Mikroprozessor 176 zu konfigurieren und das Stellglied 184 über den D/A-Wandler 182 als Funktion der gemessenen Prozeßgröße y(t) und des Sollwertes Y_SET zu steuern.
Die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsschaltung hat mehrere Vorteile, die herkömmliche Abstimmungstechniken nicht aufweisen. Die automatische Abstimmungsschaltung erzeugt exakte Modellparameter durch einfache Berechnungen. Die einfachen Berechnungen ermöglichen, daß die automatische Abstimmungsschaltung in Low-Power- und Low-Memory-Applications implementierbar ist, z.B. in Steuereinheiten zur Feldmontage. Eine 4–20 mA-Stromschleife stellt nur wenige Milliampere Strom bereit, nachdem der Signalbereich subtrahiert ist, um alle elektronischen Komponenten in der Einheit mit Energie zu versorgen. Dadurch werden die Komplexität der Komponenten und die Speicherkapazität begrenzt. Die Kapazität eines typischen Speichers in einem Transmitter kann beispielsweise auf 8K bis 64 Kbyte begrenzt sein.
Für die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsschaltung ist keine wesentliche Wechselwirkung mit dem Benutzer erforderlich. Anders als beim Open-loop-Test nach Ziegler-Nichols ist es in der erfindungsgemäßen automatischen Abstimmungsschaltung nicht erforderlich, daß Benutzer einen stabilen Zustand einrichten, bevor der Open-loop-Test durchgeführt wird, stattdessen ist die Schaltung in der Lage, die stabilen Zustandsbedingungen herzuleiten. Der Benutzer leitet die Abstimmungsprozedur ein, indem Anfangsvariablen bereitgestellt werden, z.B. die gewünschten U_MAX- und U_MIN-Pegel, wählt einen gewünschten Verhaltensfaktor α aus und leitet dann die Selbstabstimmungsprozedur ein.
Die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsschaltung kann für eine manuelle Operation oder eine automatische Operation implementiert sein, und sie kann in der Inbetriebnahmephase der Schleife bei der Systeminitialisierung oder zu einem beliebigen anderen Zeitpunkt aktiviert werden, wenn der Benutzer die Schleife abstimmen möchte. Für eine automatische Operation ist die automatische Abstimmungsschaltung in der Lage, die Prozeßgröße auf die Nähe des Sollwertes einzustellen und den Abstimmungsvorgang automatisch ohne Einwirkung des Benutzers zu starten. Während einer manuellen Operation stellt der Benutzer die Prozeßgröße auf die Nähe des Sollwertes ein und leitet dann den Abstimmungsvorgang durch den Hauptcontroller 10 ein.
Die erfindungsgemäße automatische Abstimmungsschaltung erzeugt eine geführte Störung des Prozesses. Anders als bei einem auf einer Closed-loop-Relaissteuerung basierenden Abstimmungsvorgang oder anderen Frequenzbereichtechniken kann die vorliegende Erfindung auf einen Betrieb innerhalb eines definierten Bereichs begrenzt sein. Beispielsweise können einige Benutzer eine u(t)-Störung von nur 10% und 75% Skalenendwert bevorzugen. Die automatische Abstimmungsschaltung ist einfach, benutzerfreundlich und erzeugt reproduzierbare und robuste Ergebnisse. Sie kann dazu verwendet werden, Steuerparameter für P-, PI-, PD-, PID- und andersartige Controller, z.B. Fuzzy-Logik-Controller, abzustimmen. Geeignete Fuzzy-Logik-Controller sind im Artikel "Auto-Tuned Fuzzy Logic Control" von J. Quin, ACC Conference 1994, Baltimore, Maryland, beschrieben, auf den hierin durch Verweis Bezug genommen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute ersichtlich, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können. Die Abstimmungsschaltung kann als Softwareprogramm oder als Algorithmus implementiert werden, das/der im Speicher gespeichert ist und durch einen programmierten Computer, z.B. einen Mikroprozessor, ausgeführt wird. In alternativen Ausführungsformen wird die Schaltung durch digitale oder analoge Hardware implementiert. Die Abstimmungsschaltung kann im Transmitter, im Ventil oder im Hauptcontroller 10 angeordnet sein. Der Hauptcontroller 10 kann im zentralen Kontrollraum, an einer entfernten Stelle in der Nähe des Transmitters oder Ventils oder in einem handgehaltenen Konfigurator angeordnet sein, der zum Konfigurieren des Transmitters während der Inbetriebnahmestufe verwendet wird. Die Abstimmungsschaltung kann die Prozeßmodellparameter abschätzen und die Steuerparameter in verschiedenen Berechnungsstufen abstimmen oder die Prozeßmodellparametergleichungen in die Steuerparametergleichungen falten, so daß nur eine Rechenstufe erforderlich ist. Erfindungsgemäß können auch andere Konfigurationen verwendet werden.

Claims

Intelligente Steuereinheit (104) zur Feldmontage, die über eine Prozeßsteuerschleife betrieben wird, zum Steuern eines Prozesses (110) durch ein Steuerausgangssignal auf der Basis einer gemessenen Prozeßgröße (y (t)), wobei die Steuereinheit aufweist: eine Ein/Ausgabeeinrichtung, die geeignet ist, mit der Prozeßsteuerschleife verbunden zu werden, zum Empfangen von Strom von der Prozeßsteuerschleife; eine Mikroprozessoreinrichtung, die mit der Ein/Ausgabeeinrichtung verbunden ist und aufweist: einen Kontroller mit einem Prozeßgrößeneingang und einem Steuerausgang, wobei der Kontroller ein Steuerausgangssignal am Steuerausgang als Funktion einer am Prozeßgrößeneingang empfangenen gemessenen Prozeßgröße auf der Basis von Steuerfunktionsparametern erzeugt; und einen Speicher, der mit der Mikroprozessoreinrichtung verbunden ist, zum Speichern der Steuerfunktionsparameter; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ferner aufweist: eine Abstimmeinrichtung (106), die mit dem Kontroller verbunden ist, zum Zuführen eines Open-Loop-Anregungssignals zu dem Steuerausgang während eines Open-Loop-Abstimmungsmodus und zum Abstimmen der Steuerfunktionsparameter an den Prozeß auf der Basis einer gemessenen Prozeßgröße, die in Antwort auf das Anregungssignal empfangen wird.