DE102008047418A1

DE102008047418A1 - Method for selecting or calculating control and regulation algorithm in control unit, which controls technical system, involves supplying previous model of system by off-line or on-line system model identification

Info

Publication number: DE102008047418A1
Application number: DE200810047418
Authority: DE
Inventors: Aleksandar Dr. Juloski; Johannes Dr. Reinschke
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-04-08

Abstract

The method involves supplying a previous model of a system by off-line or on-line system model identification. A new model (7) of the system is supplied by on-line system model identification. A distance between previous and new models of the system does not exceed a given value. A control and regulation algorithm is calculated on-line depending on the new model of the system. An independent claim is included for a device for selecting or calculating a control and regulation algorithm in a control unit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl oder zum Entwurf einer Steuereinrichtung für ein technisches System, insbesondere eine industrielle Anlage, die einen industriellen Ablauf erzeugt, betrifft eine entsprechende Vorrichtung zur Ausführung eines derartigen Verfahrens und eine entsprechende Steuereinrichtung.The The present invention relates to a method of selection or to Design of a control system for a technical system, in particular an industrial plant, which is an industrial process generates, relates to a corresponding device for execution such a method and a corresponding control device.

Eine Steuereinrichtung weist mindestens einer Vorsteuerung und/oder mindestens einen Regler oder Regelung auf. Im Folgenden werden die Begriffe Steuereinrichtung, Vorsteuerung und Regler oder Regelung verwendet. Insofern umfasst Steuern ebenso Regeln.A Control device has at least one feedforward control and / or at least a regulator or regulation. The following are the terms Control device, feedforward control and regulator or control used. In that sense, taxes also include rules.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Güte beziehungsweise Leistungsfähigkeit von modellbasierten Steuereinrichtungen und insbesondere die Leistungsfähigkeit von modellbasierten Vorsteuerungen, sogenannten „Feedforward Control”-Einrichtungen. Eine derartige Leistungsfähigkeit hängt von zwei Kriterien ab. Erstens von der Qualität des Anlagenmodells, und zwar wie gut es den realen Zusammenhang wiedergibt zwischen den Stellgrößen („manipulated variables”) und den geregelten bzw. gesteuerten Größen („controlled variables”), als auch den gemessenen Störgrößen („disturbance variables”); zweitens davon, wie wirksam die entworfene Steuereinrichtung an das Anlagenmodell angepasst werden kann beziehungsweise dieses Anlagenmodell nutzen kann. Die modellbasierte Steuereinrichtung kann ein Regler d. h. eine „Feedback Control”-Einrichtung, sein oder, insbesondere wenn gemessene Anlagenstörungen bzw. Störgrößen vorliegen, eine Vorsteuerung, d. h. eine „Feedforward Control”-Einrichtung; oder es handelt sich um eine Kombination aus Vorsteuerung und Regler. Die Vorsteuerung versucht den Einfluss von messbaren Störungen zu kompensieren und erzielt dies im Wesentlichen durch Invertierung des Anlagenmodells von den Störgrößen zu den gesteuerten Grö ßen. Die Erfahrung lehrt, dass die Leistungsfähigkeit einer kombinierten Vorsteuerung mit einem Regler in der Regel durch die Vorsteuerung bestimmt wird, wenn die Hauptanlagenstörungen gemessen werden.The The present invention relates to the quality Performance of model-based control devices and in particular the performance of model-based Pilot controls, so-called "feedforward control" facilities. Such efficiency depends on two Criteria. First of the quality of the plant model, and how well it reflects the real context between the manipulated variables and the controlled variables ("controlled variables "), as well as the measured disturbances ("Disturbance variables"); secondly, how effectively, the designed control device is adapted to the plant model can or can use this system model. The model-based Control device, a controller d. H. a "feedback Control "device, or, in particular, if measured Plant faults or disturbance variables present, a feedforward, d. H. a feedforward control device; or it is a combination of feedforward control and regulator. The pilot control tries to influence measurable disturbances to compensate and achieves this essentially by inversion of the plant model of the disturbances to the controlled sizes. Experience teaches that the performance of a combined feedforward with a regulator usually determined by the feedforward, when the major plant malfunctions are measured.

Anlagenmodelle werden herkömmlicherweise folgendermaßen erhalten:

a) durch physikalisches Modellieren der Anlage, und zwar nach Grundprinzipien und Gesetzen der Physik und/oder der Chemie, oder
b) durch Anwendung von Systemidentifikationsverfahren, die auf Eingangs-Ausgangs-Daten der Anlage angewendet werden. Herkömmlicherweise finden Offline-Systemidentifikationsverfahren Anwendung, wie sie beispielsweise aus [1] bekannt sind, oder
c) durch eine Kombination von a) und b). Gemäß der Anmeldung wird angenommen, dass das Anlagenmodell gemäß dem Verfahren b) erhalten wird.

Plant models are conventionally obtained as follows:

a) by physically modeling the plant according to basic principles and laws of physics and / or chemistry, or
b) by applying system identification procedures applied to input-output data of the plant. Conventionally, offline system identification methods, such as those known from [1], or
c) by a combination of a) and b). According to the application, it is assumed that the plant model is obtained according to the method b).

Ein Online-Verfahren oder Online-System in einer Steuereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren oder System zeitlich parallel bzw. synchron mit dem Anlagenbetrieb mitläuft und keine Unterbrechungen oder Stopps des Anlagenbetriebs erforderlich macht.One Online method or online system in a control device is characterized in that the method or system is timed runs parallel or synchronously with the plant operation and no interruptions or stops to plant operation required power.

Offline bedeutet „nicht online”. Das Verfahren oder System läuft entweder nicht zeitlich parallel mit dem Anlagenbetrieb mit, und/oder das Verfahren oder System erfordert für sein fortlaufendes Funktionieren wiederholte Unterbrechungen oder Stopps des Anlagenbetriebs.Offline means "not online". The procedure or system either does not run in parallel with the plant operation with, and / or the procedure or system requires for continuous operation repeated interruptions or stops of the Plant operation.

Die meisten industriellen Anlagen verändern sich mit der Zeit. Dies erfolgt in Folge von Alterung, Modifikationen an Anlagenkomponenten, sich ändernden Rohmaterialeigenschaften oder Produktspezifikationen.The Most industrial plants change over time. This is due to aging, modifications to plant components, changing raw material properties or product specifications.

Als eine Folge verschlechtert sich die Qualität des Anlagenmodells beziehungsweise der Anlagenmodelle, die in modellba sierten Steuereinrichtungen verwendet werden. Auf diese Weise verschlechtert sich ebenso die Leistungsfähigkeit der Steuereinrichtung. Dies betrifft insbesondere den Vorsteuerungsteil einer Steuereinrichtung. Es sei denn, die Anlagenmodelle und die darauf aufbauenden modellbasierten Steuereinrichtungen werden an die veränderte Anlage angepasst.When As a consequence, the quality of the plant model deteriorates or the plant models used in model-based control devices be used. In this way, the same deteriorates Performance of the control device. this concerns in particular the pilot control part of a control device. It was because, the plant models and the model based on them Control devices are adapted to the changed system.

Gemäß dem Stand der Technik sind drei herkömmliche Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe bekannt:
Ein erstes herkömmliches Verfahren umfasst die folgenden Schritte: das Ausführen einer Offline-Anlagenmodellidentifikation, das erneute Entwerfen beziehungsweise Berechnen der in der Steuereinrichtung implementierten Vorsteuerungs- und Regleralgorithmen offline, das Implementieren der neuen Vorsteuerungs- und Regleralgorithmen in der Steuereinrichtung, und das erneute Starten der Steuereinrichtung. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht im Arbeitsaufwand, der mit diesem Verfahren verbunden ist. Häufig müssen für die Offline-Anlagenmodellidentifikation gezielt Störungen auf die Anlage gebracht oder anderweitige Versuche an der Anlage durchgeführt werden, die mit Produktionsausfall oder verminderter Produktqualität verbunden sind. Somit ergibt sich als weiterer Nachteil eine verminderte oder eine zeitlich befristete qualitativ minderwertige Produktion.According to the prior art, three conventional methods for achieving this object are known:
A first conventional method comprises the steps of: performing offline plant model identification, redesigning the pre-control and control algorithms implemented in the controller offline, implementing the new feedforward and control algorithms in the controller, and restarting the controller , The disadvantage of this method is the labor associated with this method. Frequently, malfunctions have to be brought to the plant for the offline plant model identification or other tests on the plant are to be carried out that are associated with production downtimes or reduced product quality. Thus, as a further disadvantage, a reduced or a temporally limited inferior quality production results.

Ein zweites herkömmliches Verfahren umfasst eine Online-Anlagenmodellidentifikation verbunden mit einer Vorhersagemodell-basierten Vorsteuerung beziehungsweise Regelung, insbesondere einem modell-prädiktiven Regelung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in [2] beschrieben. Die Nachteile dieses Verfahrens sind der hohe Rechenaufwand sowie die nicht definierten beziehungsweise definierbaren Robustheitseigenschaften. Als Folge ist dieses Verfahren nur schwer oder nicht anwendbar auf schnelle Abläufe sowie auf Anlagen mit einer nicht vernachlässigbaren Unbestimmtheit im Hinblick auf Rückkopplungs-Stabilität. Zusätzlich ist der Inbetriebsetzungsaufwand für ein solches Verfahren nicht unerheblich und lohnt sich häufig nicht, wenn für die Vorsteuerung beziehungsweise die Regelung der Anlage beziehungsweise des Anlagenaggregats nur wenige Störgrößen, Stellgrößen, geregelte beziehungsweise gesteuerte Größen sowie Nebenbedingungen beziehungsweise Referenzgrößen zu berücksichtigen sind.A second conventional method includes an on-line asset model identification associated with a predictive model-based asset control or regulation, in particular a model-predictive regulation. Such a method is described, for example, in [2]. The disadvantages of this method are the high computational complexity and the undefined or definable robustness properties. As a consequence, this method is difficult or not applicable to fast processes as well as to installations with a non-negligible uncertainty in terms of feedback stability. In addition, the commissioning effort for such a method is not insignificant and is often not worthwhile if only a few disturbance variables, manipulated variables, controlled or controlled variables as well as secondary conditions or reference variables are to be taken into account for the precontrol or the regulation of the system or the plant aggregate.

Vorhersagemodell-basierte Steuereinrichtungen nutzen fortgeschrittene Online-Optimierungsverfahren zur Vorsteuerung und Regelung industrieller Abläufe, und sind seit den Neunzehnhundertachtzigern beispielsweise in Chemieanlagen oder Ölraffinerien im Einsatz. Vorhersagemodell-basierte Steuereinrichtungen verwenden dynamische Modelle der Anlage, meistens lineare empirische beziehungsweise datengestützte Modelle, die durch Systemidentifikation erhalten wurden. Die Modelle werden zur Vorhersage des Verhaltens von Ausgangsgrößen eines dynamischen Systems im Hinblick auf Veränderungen der Eingangsgrößen verwendet. Eine derartige Vorhersagemodell-basierte Steuereinrichtung verwendet die Modelle und aktuelle Anlagenmessungen zur Berechnung von zukünftigen Stellgrößen, wobei die Berechnung mit Hilfe eines Online-Optimierungsverfahrens erfolgt, das alle Randbedingungen der Eingangs- und Ausgangsgrößen zu berücksichtigt sucht. Trotz der Tatsache, dass das Verhalten der meisten realen Anlagen lediglich innerhalb eines begrenzten Betriebsfensters annähernd linear ist, werden lineare Vorhersagemodell-basierte Steuereinrichtungen bei der Mehrzahl der Anwendungen beziehungsweise Anlagen verwendet. Sind lineare Modelle nicht ausreichend genau, kann eine Anlage mit nichtlinearen Vorhersagemodell-basierten Steuereinrichtungen ausgestattet werden.Predictive model-based Controllers use advanced online optimization techniques for precontrol and regulation of industrial processes, and since the nineteen-eighties, for example, in chemical plants or oil refineries in use. Predictive model-based Controllers use dynamic models of the plant, mostly linear empirical or data-based models, obtained by system identification. The models will for predicting the behavior of output quantities a dynamic system in terms of change the input variables used. Such a predictive model-based Control device uses the models and current system measurements for Calculation of future manipulated variables, the calculation using an online optimization method takes place, all the boundary conditions of the input and output variables to be considered. Despite the fact that the behavior most real assets only within a limited Operating window is approximately linear, are linear predictive model-based Control devices in the majority of applications, respectively Plants used. Are linear models not accurate enough can be a facility with nonlinear predictive model-based control facilities be equipped.

Gemäß eines dritten herkömmlichen Verfahrens werden die Steuereinrichtung und das Anlagenmodell, auf dem die Steuereinrichtung beruht, unverändert gehalten bis auf einen oder einige ausgewählte Parameter, die im laufenden Anlagenbetrieb nachjustiert oder angepasst werden, und zwar durch Vergleich von Online-Modellausgangsgrößen mit den entsprechend gemessenen Variablen. Derartige Verfahren sind beispielsweise in [3] beschrieben. Der Nachteil dieser Klasse von adaptiven Vor steuer- und Regelungsverfahren ist, dass die Einschränkungen verursacht durch ledigliches Variieren eines oder einiger Parameter im Vorsteuerungs- und Regelungsalgorithmus nicht die beste mögliche Leistungsfähigkeit bereitstellen.According to one third conventional method, the control device and the plant model on which the controller is based remains unchanged held to one or a few selected parameters, which are readjusted or adjusted during operation of the plant, namely by comparing online model output variables with the correspondingly measured variables. Such methods are for example, described in [3]. The disadvantage of this class of Adaptive before tax and regulatory procedure is that causes the restrictions merely by varying one or several parameters in the pilot control and control algorithm is not the best possible performance provide.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Steuereinrichtung bereitzustellen, die die Leistungsfähigkeit einer modellbasierten Steuereinrichtung für ein technisches System derart verbessern, dass zeitliche Änderungen von Parametern des technischen Systems bei dem Entwurf und der Implementierung der Steuereinrichtung berücksichtigt sind. Die Erfindung betrifft insbesondere modellbasierte Steuereinrichtungen. Es sollen bei dem Verfahren insbesondere die zu steuernde beziehungsweise zu regelnde Anlage Weiterbetrieben und manuelle Arbeiten weitgehend vermieden werden. Zudem soll der Rechenaufwand klein und eine Anwendbarkeit auf schnelle Systemabläufe gegeben sein. Des Weiteren soll eine bestmögliche Leistungsfähigkeit der Steuereinrichtung bereitgestellt werden.It The object of the present invention is a method, a device and provide a controller that improves performance a model-based control device for a technical Improve system such that changes in time of Parameters of the technical system in the design and implementation the control device are taken into account. The invention particularly concerns model-based control devices. It should in the method in particular those to be controlled or System to be controlled Further operations and manual work largely avoided become. In addition, the computational effort should be small and an applicability be given to fast system sequences. Furthermore, should provided the best possible performance of the control device become.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs, eine Vorrichtung gemäß einem Nebenanspruch gelöst.The The object is achieved by a method according to the features of the main claim, a device according to a Side claim solved.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auswählen oder Berechnen eines Steuerungs- und/oder Regelungsalgorithmus in einer Steuereinrichtung für ein technisches System bereitgestellt, dass durch die Schritte

– Bereitstellen eines bisherigen Modells des Systems mittels einer Offline- oder Online-Systemmodellidentifikation;
– Bereitstellen eines jeweils aktualisierten neuen Modells des Systems mittels einer wiederholten Online-Systemmodellidentifikation, wobei ein Abstand zwischen bisherigem und neuem Modell des Systems einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet;
– Online-Neuberechnen des Steueralgorithmus in Abhängigkeit von dem neuen Modell des Systems

gekennzeichnet ist.According to a first aspect of the invention, a method is provided for selecting or calculating a control and / or regulation algorithm in a control system for a technical system, which is characterized by the steps

Providing an existing model of the system by means of offline or online system model identification;
- Providing an updated each new model of the system by means of a repeated online system model identification, wherein a distance between the previous and new model of the system does not exceed a predetermined value;
- Online recalculation of the control algorithm depending on the new model of the system

is marked.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens bereitgestellt. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Online-Systemmodellidentifikation,
– das Online-Neuberechnen des Steueralgorithmus und
– das Online-Steuern des technischen Systems

mittels getrennter Softwaremodule auf einer Rechnereinrichtung bereitgestellt sind. Online-Identifikation, Online-Entwurfsroutinen für Steueralgorithmen und (Online-)Steueralgorithmen können als getrennte Module auf einer dedizierten Automatisierungshardware (z. B. Siemens TDC) oder auf einem an eine solche Automatisierungshardware angeschlossenen PC („Personal Computer”) implementiert sein. Insbesondere kann es sinnvoll sein, das Softwaremodul „Online-Steuern” auf der Automatisierungshardware selbst, die Softwaremodule „Online-Systemmodellidentifikation” und „Online-Neuberechnen des Steueralgorithmus” auf einem an die Automatisierungshardware angeschlossenen PC zu implementieren.According to a second aspect, an apparatus for carrying out a method is provided. This is characterized by the fact that

- the online system model identification,
- the online recalculation of the control algorithm and
- Online control of the technical system

provided by means of separate software modules on a computer device. Online identification, online design routines for control algorithms and (on-line) control algorithms may be provided as separate modules on dedicated automation hardware (eg Siemens TDC) or on one connected to such automation hardware PC ("personal computer") to be implemented. In particular, it may be useful to implement the software module "online control" on the automation hardware itself, the software modules "online system model identification" and "online recalculation of the control algorithm" on a PC connected to the automation hardware.

Ein Systemmodell kann ein sogenanntes MIMO-Systemmodell sein. MIMO (Multiple Input Multiple Output) ist ein systemtheoretischer Begriff, der Systeme mit mehreren Eingangs- und Ausgangsgrößen beschreibt. Technische Systeme können einer der folgenden Kategorien zugeordnet werden: Systeme, die über genau eine Eingangs- und eine Ausgangsgröße bzw. -variable verfügen, werden als SISO-System (Single Input Single Output) bezeichnet. Verfügt ein System über mehrere Eingangs- und Ausgangsgrößen, spricht man von einem MIMO-System. Analog werden auch die Begriffe SIMO (Single Input Multiple Output) und MISO (Multiple Input Single Output) verwendet. Systemmodelle gemäß der vorliegenden Anmeldung sind insbesondere SISO-, MISO- oder MIMO-Systemmodelle.One System model can be a so-called MIMO system model. MIMO (Multiple Input Multiple Output) is a system-theoretical term that describes systems describes with several input and output variables. Technical systems can be one of the following categories systems that have exactly one input and an output variable or variable, are called SISO (Single Input Single Output). has a system over several input and output variables, This is called a MIMO system. The terms are analogous as well SIMO (Single Input Multiple Output) and MISO (Multiple Input Single Output). System models according to the present Registration is in particular SISO, MISO or MIMO system models.

Es werden ein Verfahren zur Auswahl oder zum Berechnen eines Steuerungs- und/oder Regelungsalgorithmus in einer Steuereinrichtung und entsprechende Implementierungsverfahren, eine Vorrichtung, in der eine derartige Steuereinrichtung verwirklicht ist, und die Steuereinrichtung bereitgestellt.It A procedure for selecting or calculating a control and / or control algorithm in a control device and corresponding Implementation method, an apparatus in which such Control device is realized, and provided the control device.

Die Vorteile des Verfahrens, der Vorrichtung und/oder der Steuereinrichtung sind folgende.

– Eine gute Leistungsfähigkeit durch Ermöglichen des maximal möglichen Freiheitsgrades bei der Online-Anpassung der Steuereinrichtung.
– Nach einer anfänglichen Inbetriebnahme besteht kein Bedarf mehr an einer erneuten manuellen Kalibrierung. Ebenso ist das Anhalten des technischen Systems für zusätzliche Systemidentifikationsmessungen nicht erforderlich.
– Gute Robustheit durch eine mögliche Verwendung von robusten Steuerungs- und Regelungsverfahren.
– Eine niedrige Berechnungskomplexität für die Steuereinrichtung selber.

The advantages of the method, the device and / or the control device are the following.

- Good performance by allowing the maximum possible degree of freedom in the online adjustment of the controller.
- After an initial start-up there is no need for a renewed manual calibration. Likewise, stopping the technical system for additional system identification measurements is not required.
- Good robustness through the possible use of robust control and regulation procedures.
- A low computational complexity for the controller itself.

Letzterer Vorteil bezieht sich auf das Modul „Online-Steuern”. Dieser ermöglicht eine Realisierung in Form einer vergleichsweise einfachen Software sowie das Laufen auf speicherprogrammierbaren Steuerungen (programmable logic controler, PLC) oder weiterer Steuerungshardware, insbesondere zur Steuerung schneller Abläufe.The latter Advantage refers to the module "Online Taxes". This allows a realization in the form of a comparatively simple software as well as running on programmable logic Controllers (programmable logic controler, PLC) or other control hardware, especially for controlling fast processes.

Das Verfahren betrifft das Auswählen oder Entwerfen einer Steuereinrichtung für ein technisches System. Das heißt an Textstellen, an denen „auswählen” geschrieben ist, gilt dies ebenso für „entwerfen”.The Method relates to selecting or designing a controller for a technical system. That means at passages, where "select" is written This also applies to "design".

Verfahren zur Ausführung einer Online-Modellidentifikation für technische Systeme sind in [2] und den dortigen Referenzen beschrieben. Die Plausibilität für jedes neue Systemmodell ist dadurch sichergestellt, das der Abstand zwischen dem neuen und dem vorherigen gültigen Systemmodell einen vorbestimmten Wert nicht überschreiten darf.method to execute an online model identification for technical systems are described in [2] and the references there. The plausibility for every new system model This ensures that the distance between the new and the previous valid system model a predetermined Value may not exceed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.Further advantageous embodiments are in conjunction with the subclaims claimed.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das technische System eine industrielle Anlage sein, die industrielle Abläufe erzeugt. Systemmodelle können damit Anlagenmodelle sein.According to one advantageous embodiment, the technical system can be an industrial Plant that generates industrial processes. System models can thus be plant models.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das technische System mehrere Mess- und Stellgrößen aufweisen.According to one Further advantageous embodiment, the technical system have several measured and manipulated variables.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens ein SISO-Teilmodell des Systems ein Mehrfachmodell sein bestehend aus einer Mehrzahl von linearen, zeitinvarianten Modellen, zwischen denen in Abhängigkeit vom Wert einer Stellgröße umgeschaltet wird.According to one Further advantageous embodiment, at least one SISO submodel of the system to be a multiple model consisting of a plurality of linear, time-invariant models, between which in dependence is switched from the value of a manipulated variable.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung mindestens eine Vorsteuerung und/oder mindestens einen Regler aufweisen. Jeder Steuereinrichtungsmodus kann aus einer Vorsteuerung- und einem Regler bestehen, deren Ausgangssignale sich addieren.According to one Further advantageous embodiment, the control device have at least one feedforward control and / or at least one controller. Each controller mode may consist of a feedforward and a There are controllers whose output signals add up.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Abstand in einer Norm, insbesondere der H-unendlich-Norm oder der Gap-Metrik gemessen werden. Die Gap-Metrik ist in [4] beschrieben.According to one further advantageous embodiment, the distance in a standard, especially the H-infinity norm or the gap metric. The gap metric is described in [4].

H-unendlich-Verfahren werden in der Regelungs- und Steuerungstheorie zum Entwurf beziehungsweise zur Realisierung von Steuereinrichtungen mit robuster Stabilität und Güte bzw. Leistungsfähigkeit verwendet. Bei Verwendung von H-unendlich-Verfahren stellt ein Regelungsingenieur die Regelungsaufgabe als eine mathematische Optimierungsaufgabe dar und findet die Steuereinrichtung, die diese Aufgabe löst. Darüber hinaus haben H-unendlich-Verfahren den Vorteil, dass sie gleichermaßen auf SISO-, MISO- und MIMO-Systemen mit Kreuzabhängigkeiten zwischen unterschiedlichen Kanälen anwendbar sind. Der Begriff H-unendlich ergibt sich daher, dass man mathematische Modelle linearer, zeitinvarianter Systeme als Elemente mathematischer „Hardy-Räume” auffassen kann. Wenn man die Größe der Ein- und Ausgangssignale der Systeme in der 2-Norm (d. h. der Euklidischen Norm) misst, dann ist die zugehörige (man sagt: „induzierte”) Norm für Systeme die Unendlich-Norm.H-infinity methods are used in control and control theory for the design or implementation of control devices with robust stability and quality or performance. Using H-infinity techniques, a control engineer presents the control task as a mathematical optimization task and finds the controller that accomplishes this task. In addition, H-infinity methods have the advantage of being equally applicable to SISO, MISO and MIMO systems with cross-dependencies between different channels. The notion H-infinity therefore results in mathematical models of linear, time-invariant systems as elements of mathematical "hardy spaces". If one considers the size of the input and output signals of the Systems in the 2-norm (ie the Euclidean norm) measures, then the appropriate (one says "induced") norm for systems the infinity norm.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Berechnen einer Vorsteuerung in der Steuereinrichtung als Lösen eines H-unendlich-„model matching”-Problems ausgeführt werden. Eine Vorsteuerung kann für jedes neu gültige Modell des technischen Systems erneut berechnet werden.According to one Further advantageous embodiment, the calculation of a feedforward control in the control device as releasing an H-infinity model matching problems. A feedforward control can be for any new model of technical System be recalculated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Berechnen eines Reglers in der Steuereinrichtung als Lösen eines Standard-H-unendlich-Problems ausgeführt werden, oder es kann ein H-unendlich-„Loop-Shaping”-Verfahren mit vorgegebenen Wichtungsfunktionen verwendet werden.According to one Another advantageous embodiment can be the calculation of a controller in the controller as solving a standard H-infinity problem or it may be an H-infinity "loop-shaping" method be used with predetermined weighting functions.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Berechnen einer Vorsteuerung und/oder eines Reglers in der Steuereinrichtung als Lösen eines Standard-H-unendlich-Problems ausgeführt werden mit vorgegebenen Wichtungsfunktionen.According to one Another advantageous embodiment, the calculation of a feedforward control and / or a regulator in the control device as a release of a Standard H-infinity problems are run with default Weighting functions.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Steuereinrichtung ein modellprädiktiver Algorithmus verwendet werden.According to one further advantageous embodiment may in the control device a model predictive algorithm can be used.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Online-Modellidentifikation des technischen Systems zur Bereitstellung des neuen Modells in regelmäßigen vorbestimmten Intervallen wiederholt oder nach Bedarf ausgeführt werden. Dazu werden entweder permanent oder für jeweils eine gewisse Zeit den Stellgrößen Störungen aufgeschaltet, deren Auswirkung messbar, d. h. in den gemessenen Größen sichtbar, sind, die aber andererseits den Anlagenbetrieb nicht derart stören, dass die Produktqualität außerhalb des zulässigen Toleranzbandes zu liegen kommt. Die Systemmodellidentifikation erfolgt online, d. h. wiederholt, ohne das technische System zu stoppen. Wiederholungszeiten können regelmäßige vorbestimmte Intervalle sein oder wann immer es erforderlich sein kann.According to one Another advantageous embodiment, the online model identification of the technical system to provide the new model in repeated at regular predetermined intervals or run as needed. This will either be permanently or for a certain time the manipulated variables Disruptions are triggered, their impact measurable, d. H. are visible in the measured quantities, but they are on the other hand, do not disturb the plant operation in such a way that the product quality outside the permitted Tolerance band comes to rest. The system model identification takes place online, d. H. repeatedly without stopping the technical system. Repeat times can be regular be predetermined intervals or whenever necessary can.

Letzteres kann durch automatisches Beobachten der Steuereinrichtungsleistungsfähigkeit oder auf Anforderung des Anlagenfahrers bzw. der Betriebsperson des technischen Systems erfolgen.The latter can by automatically monitoring the controller performance or at the request of the operator or the operator of the technical system.

Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dem Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The The present invention is based on an embodiment described in more detail in connection with the figures. Show it:

1 eine herkömmliche Konfiguration für eine Online-Systemidentifikation; 1 a conventional configuration for on-line system identification;

2 einen Ablaufplan gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Identifikationsmodul; 2 a flowchart according to the present invention in an identification module;

3 einen Ablaufplan gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Steuerungsmodul; 3 a flowchart according to the present invention in a control module;

4 ein Ausführungsbeispiel eines technischen Systems; 4 an embodiment of a technical system;

5 einen ersten Schritt einer Systemidentifikation; 5 a first step of system identification;

6 ein Blockschaltbild des geregelten technischen Systems; 6 a block diagram of the regulated technical system;

7 ein Blockschaltbild für die Auslegung der Steuereinrichtung. 7 a block diagram for the design of the control device.

1 zeigt eine typische Konfiguration für eine Online-Systemidentifikation. Die gestrichelte Line umfasst ein Identifikationsmodul 1. In diesem erzeugt ein Identifikationsalgorithmus 2 ein Modell 3. Die Informationen über eine industrielle Anlage oder Prozess 4 und das Modell 3 gehen in ein Steuerungsmodul 5 ein. Die Informationen der Anlage 4 sind gemessene gesteuerte Größen und Störgrößen B. Diese gehen ebenso in den Identifikationsalgorithmus 2 ein. Das Steuerungsmodul 5 gibt Steuereinrichtungs-Ausgangsgrößen C aus. Der Identifikationsalgorithmus 2 liefert kleine Anregungssignale 6 zur Verknüpfung mit den Steuereinrichtungs-Ausgangsgrößen C. A bezeichnet gemessene Stellgrößen, die ebenso in den Identifikationsalgorithmus 2 einfließen. 1 shows a typical configuration for an online system identification. The dashed line comprises an identification module 1 , In this generates an identification algorithm 2 a model 3 , The information about an industrial plant or process 4 and the model 3 go into a control module 5 one. The information of the plant 4 are measured controlled quantities and disturbances B. These are also included in the identification algorithm 2 one. The control module 5 outputs controller outputs C The identification algorithm 2 provides small excitation signals 6 for linking with the controller outputs C. A denotes measured manipulated variables, which are also included in the identification algorithm 2 incorporated.

2 zeigt eine erfindungsgemäßen Ablaufplan in einem Identifikationsmodul 1. Eingangsgrößen für einen Modellidentifikationsalgorithmus 2 sind gemessene Stellgrößen A und gemessene gesteuerte und Störgrößen B. Der Modellidentifikationsalgorithmus 2 wird typischerweise in regelmäßigen Zeitintervallen angestoßen. Der Modellidentifikationsalgorithmus 2 stellt neue Modelldaten 7 bereit. Ein Block 8 stellt Anfangsmodelldaten oder vorherige insbesondere bestätigte Modelldaten 9 bereit. In einem Block 10 erfolgt eine Berechnung des Abstandes zwischen dem neuen Modell 7 und den vorherigen Modell 9. Mit den neuen Modelldaten 7 und dem berechneten Abstand 11 wird in einem Block 12 entschieden, ob der Abstand 11 kleiner als vorgegeben ist. Ist dies nicht der Fall, also bei „Nein” erfolgt mit einem Schritt S1 ein Streichen der neuen Modelldaten 7. Ist der Abstand 11 kleiner als vorgegeben, also im Fall „Ja” stehen neue insbesondere bestätigte Modelldaten 13 für den Block 8 bereit. Die neuen bestätigten Modelldaten 13 stoßen ein Steuerungsmodul 5 an. 2 shows a flowchart according to the invention in an identification module 1 , Input variables for a model identification algorithm 2 are measured manipulated variables A and measured controlled and disturbances B. The model identification algorithm 2 is typically triggered at regular time intervals. The model identification algorithm 2 presents new model data 7 ready. A block 8th provides initial model data or previous model data especially confirmed 9 ready. In a block 10 a calculation is made of the distance between the new model 7 and the previous model 9 , With the new model data 7 and the calculated distance 11 will be in a block 12 decided if the distance 11 smaller than specified. If this is not the case, that is to say with "No", a deletion of the new model data takes place with a step S1 7 , Is the distance 11 smaller than specified, so in the case of "yes" are new particular confirmed model data 13 for the block 8th ready. The new confirmed model data 13 encounter a control module 5 at.

3 zeigt einen erfindungsgemäßen Ablaufplan im Steuerungsmodul 5. Ein Block 14 entwirft oder berechnet automatisch erneut eine Steuereinrichtung 15. Dieses erfolgt anhand vorgegebener Gütekriterien oder einer Wichtungsfunktion, die von Block 16 bereitgestellt werden. Block 14 wird von neuen bestätigten Modelldaten 13 eines Identifikationsmoduls 1 angestoßen. Block 14 stellt neue Daten 17 für die Steuereinrichtung 15 bereit. Die Steuereinrichtung 15 ist eine Vorsteuerung und/oder ein Regler. Anhand eines weiteren Blocks werden gemessene gesteuerte Größen und Störgrößen B für die Steuereinrichtung 15 bereitgestellt. Die Steuereinrichtung 15 stellt Steuereinrichtungs-Ausgangsgrößen C bereit. 3 shows a flowchart according to the invention in the control module 5 , A block 14 automatically re-designs or recalculates a controller 15 , This is done on the basis of given quality criteria or a weighting function, which is used by Block 16 to be provided. block 14 will from new confirmed model data 13 an identifier onsmoduls 1 initiated. block 14 presents new data 17 for the control device 15 ready. The control device 15 is a feedforward control and / or a regulator. On the basis of another block are measured controlled variables and disturbances B for the controller 15 provided. The control device 15 provides controller outputs C.

4 ein Ausführungsbeispiel eines zu steuernden und zu regelnden technischen Systems, das einen industriellen Ablauf erzeugt. Der industrielle Ablauf ist hier der des Bleichens von Papier. 4 zeigt eine Bleich-Steuereinrichtung BC, eine Einstelleinrichtung für einen Weiße-Sollwert in einem Stapelturm ST. Weitere Bestandteile einer industriellen Anla ge sind ein Standrohr SR1, eine Presse Pr, ein Disperger D, ein weiteres Standrohr SR2, eine Dithionit-Einrichtung sowie den Stapelturm ST. Anhand einer derartigen Anlage soll eine Identifikation der industriellen Anlage und ein Berechnen oder Auswählen von Steuereinrichtungen zur Vorsteuerung und Regelung eines Bleichablaufs bei einer Papierherstellung als Ausführungsbeispiel dargestellt werden. 4 an embodiment of a to be controlled and regulated technical system that generates an industrial process. The industrial process here is that of bleaching paper. 4 1 shows a bleach controller BC, a white setpoint adjuster in a stack tower ST. Other components of an industrial Anla ge are a standpipe SR1, a press Pr, a Disperger D, another standpipe SR2, a dithionite device and the stacking tower ST. On the basis of such a system, an identification of the industrial plant and a calculation or selection of control devices for the precontrol and regulation of a bleaching process in a papermaking process will be illustrated as an exemplary embodiment.

5 zeigt einen Schritt einer Systemidentifikation gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden die Daten einer realen Papierbleichanlage zur Systemidentifikation verwendet. Dabei war die ursprüngliche Datenabtastrate eine Sekunde. Vor der Identifikation wurden alle 30 Sekunden Daten erneut abgetastet. Die ursprüngliche Aufgabenstellung war ein technisches System mit folgenden Variablen:

– eine manipulierte Variable (MV) oder Stellgröße: Dith_A_SP als Menge des dem Papier zugeführten Dithionits;
– eine gesteuerte Variable (CV): Weißgrad_ST als Bleichgrad des Papiers im Stapelturm ST;
– 4 Störvariablen oder Störgrößen (DV): Weißgrad_SR1A als Weißgrad im Standrohr SR1, sowie 3 weitere Störgrößen.

5 shows a step of a system identification according to an embodiment of a method according to the invention. The data of a real paper bleaching plant are used for system identification. The original data sampling rate was one second. Prior to identification, data was rescanned every 30 seconds. The original task was a technical system with the following variables:

A manipulated variable (MV) or manipulated variable: Dith_A_SP as the amount of dithionite fed to the paper;
A controlled variable (CV): whiteness_ST as the degree of bleaching of the paper in the stacking tower ST;
- 4 disturbance variables or disturbance variables (DV): Whiteness_SR1A as whiteness in the standpipe SR1, as well as 3 other disturbance variables.

Nach Durchsicht der Daten wurde entschieden, das 3 von 4 Störvariablen nicht genug Anregung für eine Modellidentifikation lieferten, das heißt diese sind meistens konstant. Auf diese Weise wurde die ursprüngliche Aufgabenstellung auf eine manipulierte Variable, eine gesteuerte Variable und eine Störvariable reduziert. 5 zeigt als Block die Anlage mit den entsprechenden Variablen.After reviewing the data, it was decided that 3 of 4 noise variables did not provide enough inspiration for a model identification, that is, these are mostly constant. In this way, the original task was reduced to a manipulated variable, a controlled variable and a disturbance variable. 5 shows the system with the corresponding variables as a block.

6 zeigt ein Blockschaltbild des geregelten technischen Systems gemäß 4 und 5. Die Steuereinrichtung C enthält sowohl eine Vorsteuerung als auch einen Regler. P stellt die Anlage aus 5 dar. Eingangsgrößen sind c_ziel, d und m. Ausgangsgröße ist c. 6 shows a block diagram of the controlled technical system according to 4 and 5 , The control device C contains both a pilot control and a controller. P turns off the system 5 Input variables are c _target , d and m. Output is c.

7 zeigt ein Blockschalbild für die Auslegung der Steuereinrichtung C aus 6. Es wird eine H-unendlich-Norm der Übertragungsfunktion von

minimiert. P_ref ist ein Referenzsystem, dem das geregelte System in seinem Verhalten möglichst nahe kommen soll. Dies entspricht dem Modellanpassungsproblem. Die Blöcke W1 und W2 sind Wichtungsfunktionen, das heißt diese stellen Güte-Parameter der Minimierung beziehungsweise Optimierung dar. Sie bestimmen die Regelgüte der resultierenden Steuereinrichtung C. 7 shows a block diagram for the design of the control device C. 6 , It becomes an H-infinity norm of the transfer function of

minimized. P _ref is a reference system to which the controlled system should come as close as possible in its behavior. This corresponds to the model matching problem. The blocks W1 and W2 are weighting functions, that is to say they represent quality parameters of the minimization or optimization. They determine the quality of control of the resulting control device C.

Literaturverzeichnisbibliography

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- L. Ljung: "System identification. Theory for the user. "2nd Edition. Prentice Hall, 1999 [0052]
Y. Zhu et al .: "Towards an Industrial Adaptive MPC Controller" [0053]
- KJ Astrome & B. Wittenmark: "Adaptive Control." 2nd Edition. Addison-Wesley 1995 [0054]
- "Essentials of Robust Control" Chapter 17, by Kemin Zhou, Louisiana State University, Prentice Hall International, Inc. 1998 [0055]

Claims

Method for selecting or calculating a control and / or regulation algorithm in a control device, which controls a technical system, characterized by the steps - Provide a previous model of the system by means of an offline or Online system model identification; - Provide a new model of the system by means of an online system model identification, being a distance between the previous and new model of the system does not exceed a predetermined value; - Online recalculation the control and / or regulation algorithm in dependence from the new model of the system.

Method according to claim 1, characterized in that that the technical system is an industrial plant.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the technical system several measuring and control variables having.

Method according to claim 3, characterized that at least one SISO submodel of the system is a multiple model is composed of a plurality of linear, time invariant models, between them depending on the value of a manipulated variable is switched.

Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized the control device has at least one pilot control and / or has at least one controller.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance in a standard, in particular the H-infinity norm or the gap metric.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the calculation of a feedforward control in the controller as solving an H-infinity model adaptation task is performed.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that calculating a controller in the Controller as solving a standard H-infinity problem is executed or H-infinity loop shape method be used with predetermined weighting functions.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the calculation of a precontrol and / or a regulator in the control device as a release a standard H-infinity problem is executed with predetermined weighting functions.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the control device a model predictive Algorithm is used.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the online system model identification to provide the new model in regular predetermined intervals repeated or performed as needed becomes.

Apparatus for carrying out a method according to one of claims 1 to 11, characterized, that - the online system model identification, - the Online recalculation of the control and / or regulation algorithm and - Online control of the technical system by means of separate software modules provided on a computing device are.