DE69212721T2

DE69212721T2 - Prozesssteuerung

Info

Publication number: DE69212721T2
Application number: DE69212721T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hiroi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1992-06-10
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: US5544039A; EP0518651A3; KR960003368B1; EP0518651B1; DE69212721D1; KR930001030A; EP0518651A2; CN1061764C; CN1069134A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Prozeßregelsystem und insbesondere auf ein Prozeßregelsystem, das ein verbessertes Smith-Verfahren für eine Totzeitkompensation verwendet.
Steuereinheiten, die PI- oder PID-Einstellfunktionen verarbeiten, werden verbreitet in allen industriellen Gebieten durch die Geschichte der Prozeßsteuerung oder -regelung verwendet und sind für einen Anlagenbetrieb noch unverzichtbar.
Wenn ein Prozeßsystem durch die Totzeit L und eine Verzögerung T (Zeitkonstante) erster Ordnung angenähert wird, so kann das Prozeßsystem einfach durch eine PID- Regel in dem Fall einer Verzögerung erster Ordnung allein gesteuert werden. Wenn jedoch eine Totzeit L eingeschlossen ist, wird, da die Totzeit L größer wird, mit anderen Worten, da L/T größer wird, eine Regelung durch PID-Regelung allein graduell schwieriger.
Daher schlug als ein Verfahren zum Verbessern der Steuerbarkeit eines Prozeßsystems, das eine Totzeit einschließt, O. J. M. Smith (persönlicher Name) das sogenannte "Smith-Verfahren" oder das "Totzeit-Smith-Kompensationsverfahren" vor, das nunmehr verbreitet verwendet wird. Dieses ist ausgelegt zum Steuern des Verzögerungsprozeßsystems scheinbarer erster Ordnung allein durch Addieren eines Totzeitkompensators, der ein Prozeßsystemmodell verwendet, zu einer PID-Regelung, und durch Verschieben der Totzeit außerhalb der Regelschleife.
Fig. 1(a) zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer Steuereinheit, die ein derartiges Totzeit-Smith-Kompensationsverfahren verwendet. In dieser Einheit ist der Totzeitkompensator 5 neu einem Regelsystem beigefügt. Eine Abweichungsregelvorrichtung ist erhält die Abweichung En zwischen einem Zielwert SVN und einer gesteuerten Variablen PVn. Eine PID-Einstellvorrichtung 3 führt eine PI- oder PID-Regeloperation aufgrund dieser Abweichung En durch und beeinflußt ein Manipulationssignal MVn, das an dem Prozeßsystem 2 erhalten ist.
In dem Totzeitkompensator 5 liefert eine Verzögerungsmodellvorrichtung 6 erster Ordnung eine Manipulationsvariable MVn der PID-Einstellvorrichtung 3 durch eine Verzögerungstransferfunktion erster Ordnung. Die Prozeßsystemmodellvorrichtung (ach als "Prozeßsystemmodell bezeichnet") 7 liefert das gleiche Manipulationssignal MVn der PID-Einstellvorrichtung 3 über eine Transferfunktion mit einer Verzögerung erster Ordnung und Totzeit. Eine Subtraktionsvorrichtung 8 subtrahiert das Ausgangssignal des Prozeßsystemmodells 7 von dem Ausgangssignal der Verzögerungsmodellvorrichtung 6 erster Ordnung.
Der Aufbau ist derart, daß das Ausgangssignal der Subtraktionsvorrichtung 8 zu einer Subtraktionsvorrichtung 4 geleitet wird, welche auf der Außenseite der Abweichungsrechenvorrichtung 1 vorgesehen ist, wo das Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5 von der Abweichung En subtrahiert wird.
In Fig. 1(a) bedeuten:
Gp e-Lp s: Transferfunktion des Prozeßsystems
Gp - Kp/(1 + Tp s): Transferfunktion des Prozeßsystems bei eliminierter Totzeit
Lp: Prozeßsystem-Totzeit
Kp: Prozeßsystemverstärkungsfaktor
Tp: Prozeßsystemzeitkonstante
s: Laplace-Operator
und weiterhin:
Gm e-Lms: Prozeßsystemmodus-Transferfunktion
Gm = Km/(1+Tm s): Transferfunktion des Prozeßsystemmodells mit eliminierter Totzeit
Lm: Prozeßsystemmodell-Totzeit
Km: Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktor
Tm: Prozeßsystemmodell-Zeitkonstante
Wird Fig. 1(a) durch gleichwertige Umsetzung umgeordnet, so wird sie zu Fig. 1(b).
Hier ist eine Störung D klein und kann vernachlässigt werden. Auch wenn die Bedingung einer Übereinstimmung der Prozeßsystemkennlinie und der Kennlinie des Prozeßsystemmodelles 7 angenommen wird, das heißt, wenn die Beziehung
Störung = klein, Tp = Tm, Lp = Lm (1)
aufgestellt wird, so gilt Gp = Gm, und wenn die Transferkonstante für SVn T PVn in diesem Fall gefunden wird, so entsteht
PVn/SVn = {(Gc Gm)/(1 + Gc Gm)} e-Lp s (2)
und diese kann in den Typ eines Aufbaues in Fig. 1c umgewandelt werden. Daher bedeutet dies, daß in dieser Steuereinheit die Verzögerungsmodellvorrichtung 6 erster Ordnung mit der eliminierten Totzeit durch die PID-Einstellvorrichtung 3 rückgekoppelt gesteuert bzw. geregelt werden kann. Mit anderen Worten, da die Totzeit aus der Regelschleife entfernt werden kann, kann diese Einheit leicht durch die PID-Einstellvorrichtung 3 gesteuert werden, und es kann eine gute Steuerbarkeit erwartet werden. Ein Totzeitelement 9 ist außerhalb der Regelschleife gelegen.
Wie jedoch aus den obigen Erläuterungen folgt, können Regel- bzw. Steuereinheiten, die den obigen Typ des Totzeit-Smith-Kompensationsverfahrens verwenden, nicht aufgebaut werden, wie dies in Fig. 1(c) gezeigt ist, wenn nicht die Bedingungen von Gleichung (1) eingehalten sind.
Dennoch ist es schwierig, immer die Bedingungen in Gleichung (1) bei einer tatsächlichen Anlagenregelung einzuhalten. Beispielsweise können die Bedingungen von Gleichung (1) im Laufe der Zeit durch Veränderungen in den Kennlinien des Prozeßsystems und Umgebungsänderungen, wie beispielsweise Umgebungstemperatur, Katalysatortemperatur, Rohmaterialbedingungen oder Größe einer Last, verändert werden. Als ein Ergebnis wird die Steuerbarkeit um so mehr verschlechtert, je stärker sich die Bedingungen in Gleichung (1) verändern. Daher tritt das Problem auf, unfähig zur Erzielung der Funktionen des Totzeit-Smith-Kompensationsverfahrens zu werden, was zu einem großen Einfluß auf die Steuerbarkeit der Anlage führt.
Einige frühere Versuche zum Verbessern des Betriebsverhaltens sind in US-A-4 054 780 und EP-A-0 390 686 beschrieben. US-A-4 054 780 offenbart ein System, bei dem eine Änderung im Prozeßwert in transienten oder kurzzeitigen Bedingungen geschätzt wird, und der auf den Prozeßwert einwirkende Verstärkungsfaktor wird entsprechend eingestellt. Jedoch kann die Veränderung des Prozeßwertes nicht nur auf Veränderungen im Verstärkungsfaktor, sondern auch auf Veränderungen in der Zeitkonstanten, der Totzeit und dergleichen beruhen, so daß durch dieses Verfahren keine richtige Korrektur erhalten werden kann. Andererseits offenbart EP-A-0 390 686 ein System, bei welchem die PID-Parameter durch Berechnen der Zeitkonstanten der geschlossenen Schleife des Regelsystems oder des Rauschabstandes der Systemausgangssignale eingestellt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Prozeßregelsystem mit einer Totzeit-Kompensationssteuereinheit zu steuern.
Eine andere Aufgabe ist es, ein Steuern eines Prozeßregelsystems, das Änderungen in seiner Prozeßsystem-Verstärkungsfaktorkennlinie unterworfen ist, mit einer verbesserten Totzeit-Kompensationssteuereinheit zu ermöglichen.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein System zum Steuern eines Prozeßsystems mit einem Prozeßsystemverstärkungsfaktor und Totzeit, wobei die Transferfunktion des Regelsystems ein Verstärkungsfaktortermelement entsprechend dem Prozeßsystem-Verstärkungsfaktor und ein Tottermelement enthält, das einer externen Störung unterworfen ist, durch Einstellen einer gesteuerten Variablen, die von dem Prozeßsystem ausgegeben ist, zu einem Zielwert mittels eines Controllers oder Reglers, der angeordnet ist, um wenigstens Proportional- und Integral-Steueroperationen aufgrund der Abweichung zwischen der ausgegebenen gesteuerten Variablen und dem Zielwert durchzuführen, wobei das System aufweist:
eine Totzeitkompensationseinrichtung, die mit dem Regler verbunden ist und eine Prozeßsystemmodelleinheit mit einer Systemtransferfunktion, die sich der Transferfunktion des Prozeßsystems annähert und eine Modelleinheit, die parallel mit der Prozeßsystemmodelleinheit verbunden ist, aufweist, um eine Modelltransferfunktion zu liefern, die auf einem Kompensieren des Totzeittermelementes der Systemtransferfunktion beruht, gekennzeichnet durch:
eine Verstärkungsfaktoreinstelleinrichtung, die mit der Totzeitkompensationseinrichtung verbunden und angeordnet ist, um das Ausgangssignal des Kompensators gemäß der Veränderung im Verstärkungsfaktor des Prozeßsystems einzustellen, so daß der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles entsprechend eingestellt ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Steuern eines Prozeßsystems mit einem Prozeßsystemverstärkungsfaktor und Totzeit, wobei die Transferfunktion des Regelsystems ein Verstärkungsfaktortermelement entsprechend dem Prozeßsystemverstärkungsfaktor und ein Totzeittermelement entsprechend der Totzeit, unterworfen einer externen Störung, umfaßt, durch Einstellen einer gesteuerten variablen, die von dem Prozeßsystem ausgegeben ist, zu einem Zielwert mittels eines Controllers oder Reglers, der wenigstens Proportional- und Integral-Steueroperationen aufgrund der Abweichung zwischen der gesteuerten ausgegebenen Variablen und dem Zielwert durchführt, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Kompensieren der Totzeit mittels einer Totzeit-Kompensationseinrichtung, die mit dem Regler verbunden ist und eine Prozeßsystem-Modelleinheit mit einer Systemtransferfunktion, die sich der Transferfunktion des Prozeßsystemes annähert, und eine Modelleinheit, die parallel zu der Prozeßsystem-Modelleinheit verbunden ist, aufweist, um eine Modelltransferfunktion infolge Kompensierens des Totzeittermelementes aus der Systemtransferfunktion zu liefern, und
Einstellen des Ausgangssignales des Kompensators gemäß der Veränderung des Verstärkungsfaktors des Prozeßsystems, so daß der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles entsprechend eingestellt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a) bis 1(c) sind Blockdiagramme, die ein herkömmliches Prozeßregelsystem zeigen, das eine Totzeit kompensieren kann.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Prozeßregelsystem zeigt, das ein Smith-Verfahren zur Totzeitkompensation gemäß der Erfindung verwendet.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Prozeßregelsystem zeigt, das ein Smith- Verfahren zur Totzeitkompensation gemäß der Erfindung verwendet.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Operationen des in Fig. 3 gezeigten Prozeßregelsystems veranschaulicht.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist unten anhand der Fig. 2 beschrieben. Nebenbei sind Detailbeschreibungen von solchen Funktionen oder Teilen in Fig. 2, die die gleichen Symbole wie in Fig. 1 haben, weggelassen.
In Fig. 2 ist ein Modellverstärkungskorrektur 10, der automatisch den Verstärkungsfaktor des Totzeitkompensators 5 abhängig von der Veränderung der Prozeßsystemverstärkung des Prozeßsystems 2 korrigiert, für den Totzeitkompensator 5 vorgesehen.
Im Modellverstärkungskorrektor 10 empfängt eine Teilungs- bzw. Divisionsvorrichtung 11 eine gesteuerte Variable PVn von dem Prozeßsystem 2 und ein Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles 7, das einen Teil des Totzeitkompensators 5 zusammensetzt, und berechnet deren Verhältnis Kn = PVn/PVmn. Eine Zeitmittelwertoperationsvorrichtung 12 berechnet das mittlere Verhältnis Kn' (im folgenden sind Mittelwerte durch einfache Beifügung von gezeigt). Durch Berechnen des Zeitmittelwertes des Ausgangssignales Kn der Divisionsvorrichtung 11. Eine Multiplikationsvorrichtung 13 korrigiert automatisch das Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5 durch Multiplizieren des Ausgangssignales des Totzeitkompensators 5 durch dieses mittlere Verhältnis Kn'.
Daher werden in dem Modellverstärkungskorrektor 10 die gesteuerte Variable PVn von dem Prozeßsystem 2 und das Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles 7, das einen Teil des Totzeitkompensators 5 zusammensetzt, zu der Divisionsvorrichtung 11 geleitet. Hier wird es nach Ermitteln des Verhältnisses Kn' durch Ausführen der Operation PVn/PVmn zu der nachfolgenden Zeitmittelwertoperationsvorrichtung 12 übertragen. In der Zeitmittelwertoperationsvorrichtung 12 wird das mittlere Verhältnis Kn' durch Ausführen einer Zeitmittelwertoperation an dem ursprünglichen Verhältnis Kn von der Divisionsvorrichtung 11 ermittelt und zu der Multiplikationsvorrichtung 13 geleitet. Hier wird das Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5 automatisch durch Multiplizieren des Ausgangssignales des Totzeitkompensators 5 mit dem mittleren Verhältnis Kn' verändert.
Sodann wird die Korrektur der Prozeßsystemmodellverstärkung zur Veränderung des Prozeßsystemverstärkungsfaktors beschrieben. Wenn hier die Kennlinien des Prozeßsystemes 2 und des Prozeßsystemmodelles 7 in Übereinstimmung sind, sollten die gesteuerte Variable PVn und das Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles 7 ebenfalls in Übereinstimmung sein. Wenn hier das Verhältnis Kn = PVn/PVmn vorliegt, dann gilt Kn = 1. Jedoch liegt in der Prozeß Kn = 1 aufgrund von Veränderungen in den Kennlinien des Prozeßsystemes 2 vor. Daher wird in dieser Einheit die Veränderung des Prozeßsystemverstärkungsfaktors, das Verhältnis Kn, erfaßt, und die Veränderung des Prozeßsystemmodell- Verstärkungsfaktors wird gemäß diesem Verhältnis Kn korrigiert.
Hier können die gesteuerte Variable PVn und das Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles 7 für das Manipulationssignal MVn wie folgt ausgedrückt werden:
PVn = MVn {Kp / (1 + Tp s)} e-Lp s (3)
PVmn = MVn {Km / (1 + Tm s)} e-Lp s (4)
Hier ist das Verhältnis Kn, das das Ausgangssignal der Divisionsvorrichtung 11 ist, gegeben durch:
Kn = Kn = PVn/PVmn (5)
Wenn somit die Gleichungen (3) und (4) in Gleichung (5) eingesetzt werden, so entsteht:
Kn (Kp/Km) {(1 + Tm s)}/ (1 + Tp s)} e-(Lp - LM) s (6)
Wenn hier Tm = Tp, Lm = Lp angenommen wird, so kann Gleichung (6) wie folgt umgeschrieben werden:
Kn = Kp / Km
Um darüber hinaus den Einfluß von momentanen Schwankungen des Verhältnisses Kn auszuschließen, wird das Verhältnis Kn zu der Zeitmittelwertoperationsvorrichtung 12 geleitet. Wenn hier der Zeitmittelwert für eine spezifische Zeit genommen und das Ausgangssignal als Kn' vorausgesetzt wird, so gilt:
Kn' = (Kp'/Km') (8)
Wenn daher dieses mittlere Verhältnis Kn' zu der Multiplikationsvorrichtung 13 geleitet und mit dem Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5 multipliziert wird, so ist das Ausgangssignal Mon der Multiplikationsvorrichtung 13 gegeben durch:
Mon = Kn' x Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5
Da hier Km' = Km vorliegt, gilt:
Mit anderen Worten, wie aus Gleichung (9) hervorgeht, ist durch Beifügung des Modellverstärkungskorrektors 10 auf der Ausgangsseite des Totzeitkompensators 5 der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles 7 des Totzeitkompensators 5 immer automatisch zu Kp, dem Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemes 2, korrigiert.
Wenn daher der obige Typ des Aufbaues des Ausführungsbeispiels angewendet wird, ist es immer möglich, Kennlinien des Prozeßsystemes mit denjenigen des Prozeßsystemmodelles übereinstimmen zu lassen, indem automatisch der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles 7 gemäß der Veränderung des Prozeßsystemverstärkungsfaktors korrigiert wird. Somit ist die Steuerbarkeit durch vollständiges Anwenden der Totzeit-Smith-Kompensationsmethode selbst für eine Kennlinienänderung und Umgebungsschwankungen des Prozeßsystems gesteigert. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Verstärkungsfaktorverhältnis zur Korrektur durch Dividieren der gesteuerten Variablen von dem Prozeßsystem 2 durch das Ausgangssignal des Prozeßsystemmodelles 7 zu erhalten. Somit kann der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles 7 mit einem sehr einfachen Aufbau korrigiert werden.
Weiterhin kann der Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktor genau korrigiert werden, ohne dem Einfluß von momentanen Schwankungen oder Fluktuationen des Verhältnisses zu unterliegen, indem das Verhältnis, das durch Dividieren der gesteuerten Variablen von dem Prozeßsystem 2 durch das Ausgangssignal von dem Prozeßsystemmodell 7 erhalten ist, zu dem Zeitmittelwert für eine spezifische Zeit mittels der Zeitmittelwert-Operationsvorrichtung 12 wird.
Insbesondere ändern sich in einer tatsächlichen Anlage die Kennlinien des Prozeßsystemes stark und oft. Jedoch kann der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles 7 automatisch gemäß den Änderungen in dem Prozeßsystemverstärkungsfaktor korrigiert werden. Somit trägt es selbst in einem Regelsystem mit Totzeit stark zu der Verbesserung der Steuerbarkeit bei.
Nebenbei ist in dem obigen Ausführungsbeispiel das Verhältnis Kn erhalten durch die Divisionsvorrichtung 11 und gewonnen von dem Zeitmittelwert einer spezifischen Zeit in der Zeitmittelwert-Operationsvorrichtung 12. Selbst wenn jedoch die Zeitmittelwert-Operationsvorrichtung 12 weggelassen wird, kann ein angenäherter Effekt erhalten werden. Abgesehen hiervon kann diese Erfindung auf verschiedene Modifikationen angewandt werden, sofern sie nicht von ihrem Wesen abweichen.
Ein anderes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist unten anhand der Fig. 3 beschrieben. Nebenbei werden Detailbeschreibungen von solchen Funktionen oder Teilen in Fig. 3, denen die gleichen Symbole wie in den Fig. 1(a) bis (c) zugewiesen sind, weggelassen.
In Fig. 3 korrigiert ein Modellverstärkungskorrektor 10 automatisch den Verstärkungsfaktor des Totzeitkompensators 5 abhängig von der Veränderung des Verstärkungsfaktors des Prozeßsystemes 2 in dem Totzeitkompensator 5, der das Srnith-Verfahren anwendet.
Der Modellverstärkungskorrektor 10 ist mit einer Divisionsvorrichtung 11 versehen, die eine gesteuerte Variable PVn von dem Prozeßsystem 2 und ein Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles 7 empfängt, welches einen Teil des Totzeitkompensators 5 zusammensetzt, und die deren Verhältnis Kn = PVn/PVmn berechnet. Das berechnete Verstärkungsfaktor-Verhältnissignal Kn wird in einer Speichervorrichtung 12 gespeichert. Eine Multiplikationsvorrichtung 1 korrigiert den Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles 7 abhängig von einer Änderung des Verstärkungsfaktors des Prozeßsystemes 2. Hier wird das aus der Speichervorrichtung 12 ausgelesene Verstärkungsfaktor-Verhältnissignal mit dem Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5 multipliziert. Der Aufbau ist so, daß das nach der Verstärkungsfaktorkorrektur erhaltene Signale zu der Subtraktionsvorrichtung 4 gespeist ist.
Auch hat der Modellverstärkungskorrektur 10 eine Signaldiskriminiervorrichtung 14, die nahezu null Signale diskriminiert, die von dem Totzeitkompensator 5 ausgegeben sind, und liefert ein Null-Diskriminiersignal. Das hier erhaltene Null-Diskriminiersignal wird zu einer Zeitbegrenzungsvorrichtung 15 geleitet. Die Zeitbegrenzungsvorrichtung 15 hat eine Zeitgeberfunktion. Wenn das Null-Diskriminiersignal, das Ausgangssignal Null des Totzeitkompensators 5, für mehr als eine spezifische Zeit Tn fortgesetzt ist, so führt es ein Fortschreiben des Verstärkungsfaktor-Verhältnissignales Kn durch, indem ein Fortschreibbefehlssignal zu der Speichervorrichtung 12 gespeist wird. Zu anderen Zeiten als dieser hat es die Funktion des Stoppens des Speicher- Fortschreibens und des Korrigierens des Verstärkungsfaktors des Prozeßsystemmodelles 7, während das unmittelbar vorangehende Verstärkungsfaktor-Verhältnissignal Kn beibehalten wird.
Im folgenden werden die Umstände, unter denen der in Fig. 3 gezeigte Aufbau angewandt werden kann, und auch die Ergebnisse eines Experiments und einer Untersuchung erläutert. Wenn nunmehr die Zeit, die für eine vollständige Antwort des Prozeßsystemes 2 erforderlich ist, zu TR angenommen wird, so kann diese für eine vollständige Antwort erforderliche Zeit TR ausgedrückt werden
TR = angenäherte Totzeit Lp + (3 - 5) Tp
Wenn hier die Kennlinien des Prozeßsystems und die Kennlinien des Prozeßsystemmodelles in Übereinstimmung sind, stimmen die gesteuerte Variable PVn und das Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles überein, wenn eine für eine vollständige Antwort erforderliche Zeit TR der obigen Gleichung nach Veränderung der gesteuerten Variablen PVn überschritten wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Daher sollte das Verstärkungsfaktorverhältnis Kn zu dieser Zeit gegeben sein durch:
Kn = PVn/PVmn = 1
Jedoch ist in der Praxis gelegentlich Kn = 1 nicht zutreffend. Dies beruht darauf, daß sich der Verstärkungsfaktor der Prozeßsystem-Kennlinien sich aufgrund Kennlinienänderungen des Prozeßsystems 2 und Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Umgebungstemperatur, Katalysatordichte, Materialbedingungen und Größe der Last verändert, und somit sind die Verstärkungsfaktoren der Prozeßsystemkennlinien und des Prozeßsystemmodelles nicht in Übereinstimmung. Wenn daher der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemmodelles in Übereinstimmung mit dem Verstärkungsfaktor der Prozeßsystemkennlinien durch Berechnen des Verstärkungsfaktorverhältnisses Kn gebracht wird, werden die Bedingungen des Smith-Verfahrens erfüllt.
Daher ist eine Zeitsteuerung der für eine vollständige Antwort erforderliche Zeit TR erforderlich. Da jedoch die Totzeit bereits durch den Totzeitkompensator 5 eliminiert ist, wird die verbleibende Zeit Ts der für eine vollständige Antwort erforderlichen Zeit TR, von der die Totzeit Lm eliminiert wurde, das heißt,
Ts = (3 - 5) Tm
als die angenäherte für eine vollständige Antwort erforderliche Zeit getaktet. Wenn das Verstärkungsfaktorverhältnis Kn, das nach Ablauf dieser Zeit Ts erhalten ist, verwendet wird, nimmt es einen Wert an, der in geeigneter Weise die Verstärkungsfaktoränderung des Prozeßsystemes reflektiert. Wenn darüber hinaus eine Verstärkungsfaktorkompensation des Prozeßsystemmodelles mittels dieses Verstärkungsfaktorverhältnisses Kn ausgeführt wird, so können die Bedingungen des Smith-Verfahrens erfüllt werden.
Eine Korrektur des Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktors für Veränderungen des Prozeßsystem-Verstärkungsfaktors ist unten mit einigen Gleichungen erläutert.
Zunächst können die gesteuerte Variable PVN des Manipulationssignales MVn, das von der PID-Einstellvorrichtung 3 eingespeist ist, und das Ausgangssignal PVmn des Prozeßsystemmodelles 7 ausgedrückt werden durch:
PVn = MVn Gp e-Lp s = MVn {Kp/(1 + Tp s)} e-Lp s (10)
PVmn = MVn Gm e-Lp n = MVn {Km/(1 + Tm s)} e-Lp s (11)
Zu dieser Zeit ist das Verstärkungsfaktor-Verhältnissignal Kn, das das Ausgangssignal der Division 11 ist, gegeben durch:
Kn = PVn/PVmn (12)
und wenn die Gleichungen (10) und (11) in Gleichung (12) eingesetzt werden, so kann die folgende Gleichung (13) erhalten werden:
Kn = (kp/Km) {(1 + Tm s)/(1 + Tp s)} e-(Lp-LM) s (13)
Wenn hier das Ausgangssignal des Totzeitkompensators 5 den Wert Null annimmt und ein Null-Signal durch die Signaldiskriminiervorrichtung 14 diskriminiert und ein Fortschreibbefehlssignal von der Zeitbegrenzungsvorrichtung 15 ausgegeben wird, gilt in Gleichung (13), da die für eine vollständige Antwort erforderliche Zeit TR nach einer Änderung des Manipulationssignales MVn überschritten ist, folgendes:
(1 + Tm s)/(1 + Tp s) = 1 e-(Lp-LM) s = 1
Daher wird schließlich Gleichung (13) zu:
Kn = (kp/Km) (14)
Daher wird das durch diese Gleichung erhaltene Verstärkungsfaktorverhältnissignal zu der Verstärkungskorrekturvorrichtung 13 geleitet und mit dem Ausgangssignal Xn des Totzeitkompensators 5 multipliziert. Dadurch wird ein Ausgangssignal Yn, wie in den folgenden Gleichungen angegeben, von der Verstärkungskorrekturvorrichtung 13 erhalten:
Wie dies aus Gleichung 16 folgt, zeigt diese, daß dann, wenn das Verstärkungsfaktor-Verhältnissignal Kn des Modellverstärkungskorrektors 10 mit dem Ausgangssignal Xn des Totzeitkompensators 5 multipliziert wird, der Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktor Km des Totzeitkompensators 5 immer automatisch mit dem Prozeßsystem- Verstärkungsfaktor Kp korrigiert wird.
Wenn daher im allgemeinen die Smith-Totzeit-Kompensationsmethode auf ein Prozeßsystem angewandt wird, das eine Totzeit enthält, liegt der Fall vor, daß eine Störung klein ist und daß auch die Prozeßsystemkennlinien und das Prozeßsystemmodell in Übereinstimmung sind. Jedoch verändert sich in den meisten Fällen der Verstärkungsfaktor der Prozeßsystemkennlinien aufgrund Kennlinienänderungen des Prozeßsystems 2 und der Umgebungsbedingungen. Daher stimmen die Verstärkungsfaktoren des Prozeßsystems und des Prozeßsystemmodelles nicht überein, und es liegt ein großer Einfluß auf die Steuerbarkeit vor.
Somit findet diese Einheit das Verstärkungsfaktor-Verhältnissignal von der gesteuerten Variablen und das Ausgangssignal von dem Prozeßsystemmodell und speichert gleichzeitig das Verstärkungsfaktorverhältnis zu einer Zeit gleichwertig zu der vollständigen Antwortzeit nach einer Änderung des manipulierten Signales. Der Aufbau ist derart, daß der Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktor mittels dieses gespeicherten Verstärkungsfaktor- Verhältnissignales korrigiert werden kann. Somit wird der Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktor des Totzeitkompensators 5 aufgrund des veränderten Verstärkungs faktors des Prozeßsystemes korrigiert. Daher können die Funktionen des Smith-Totzeit-Kompensationsverfahrens vollständig dargeboten werden, und es kann eine Totzeit-Kompensationssteuereinheit mit wirksamer Steuerbarkeit erzielt werden.
Insbesondere verändert sich in einer tatsächlichen Anlage der Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemes stark und oft. Jedoch ist die Anwendbarkeit auf eine tatsächliche Anlage beträchtlich durch eine automatische Korrektur des Prozeßsystemmodell-Verstärkungsfaktors verbessert. Wenn dies auf Steuereinheiten angewandt wird, die an zahlreichen Stellen um die Anlage verstreut sind, trägt dies stark zu der Verbesserung der Steuerbarkeit der gesamten Anlage bei. Darüber hinaus kann eine Vollskalen-Flexibilität und Super-Automatisierung der Anlagenoperation erzielt werden, und es können Produkte hoher Qualität hergestellt werden.
Nebenbei ist diese Erfindung nicht auf das obige Ausführungsbeispiel begrenzt. Mit anderen Worten, in dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Aufbau so, daß das Ausgangssignal der Divisionsvorrichtung 11 zu der Multiplikationsvorrichtung 13 so gesandt wird, wie es vorliegt, nachdem es in der Speichervorrichtung 12 gespeichert wurde. Jedoch kann es eine Konstruktion haben, die eine Glättungsvorrichtung zum Eliminieren von momentanen Schwankungen des Verhältnisses Kn auf der Ausgangsseite von beispielsweise der Verhältnisoperationsvorrichtung 11 oder der Speichervorrichtung 12 liefert. Auch kann ein Fortschreiben mittels eines Ausganges Null des Totzeitkompensators 5 durch Eliminieren der Zeitsteuervorrichtung 15 oder mittels beispielsweise T = (3 - 5) Tm von den Zeitsteuerstellwerten der Zeitsteuervorrichtung 15 ausgeführt werden. In dem letzteren Fall kann die Region aufgrund einer Zeitkonstanten Tm einfach vernachlässigt werden, und er kann auf eine Verstärkungsfaktoränderung mittels Annäherung angewandt werden.
Wenn diese Erfindung, wie oben beschrieben, verwendet wird, ist es möglich, eine Totzeitkompensationssteuereinheit zu liefern, die vollständig die Funktionen des Totzeit-Smith-Kompensationsverfahrens aufweisen kann. Selbst wenn Veränderungen im Verstärkungsfaktor des Prozeßsystemes aufgrund Kennlinienänderungen in dem Prozeßsystem und Änderungen in dessen Umgebung vorliegen, ist es auch möglich, eine Steuerung mit wirksamer Steuerbarkeit auszuführen, selbst in einem Steuersystem mit Totzeit.

Claims

1. System zum Regeln eines Prozeßsystems (2) mit einer Prozeßsystemverstärkung und einer Totzeit und ausgesetzt einer externen Störung durch Einstellen einer von dem Prozeßsystem ausgegebenen gesteuerten Variablen zu einem Zielwert mittels eines Reglers mit einer Transferfunktion, die entsprechende Verstärkungsterm- und Totzeittermelemente umfaßt und angeordnet ist, um wenigstens Proportional- und Integralsteueroperationen aufgrund der Abweichung zwischen der ausgegebenen gesteuerten Variablen und dem Zielwert durchzuführen, wobei das System aufweist:

eine Totzeitkompensationseinrichtung (5), die mit dem Regler (3) verbunden ist und eine Prozeßsystemeinheit (7) mit einer Systemtransferfunktion, die sich der Transferfunktion des Prozeßsystemes annähert, und eine Modelleinheit (6), die parallel zu der Prozeßsystemmodelleinheit verbunden ist, hat, um eine Modelltransferfunktion zu liefern, die auf einem Kompensieren des Totzeittermelementes der Systemtransferfunktion beruht, gekennzeichnet durch:

eine Verstärkungseinstelleinrichtung (10), die mit der Totzeitkompensationseinrichtung verbunden und angeordnet ist, um den Ausgang der Totzeitkompensationseinrichtung (5) gemäß der Veränderung in der Verstärkung des Prozeßsystemes (2) einzustellen, so daß die Verstärkung des Prozeßsystemmodelles (7) entsprechend eingestellt ist.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkungseinstelleinrichtung eine Einrichtung (11, 12), die angeordnet ist, um das Verhältnis der Verstärkung des Prozeßsystems zu der Verstärkung der Systemmodelleinheit zu bestimmen, und eine Multiplikationseinrichtung (13), die angeordnet ist, um das Kompensationssignal von der Totzeit-Kompensationseinrichtung mit dem Verstärkungsverhältnis zu multiplizieren, umfaßt, wobei das Kompensationssignal auf einem Subtrahieren des Ausgangssignales der Systemmodelleinheit von dem Ausgangssignal der Modelleinheit beruht.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Verstärkungsverhältnis-Bestimmungeinrichtung eine Divisionseinrichtung (11), die angeordnet ist, um die gesteuerte Variable durch das Ausgangssignal der Systemmodelleinheit zum Erfassen eines ursprünglichen Verstärkungsverhältnisses zu dividieren, und eine Einrichtung (12), die angeordnet ist, um einen Zeitmittelwert des ursprünglichen Verstärkungsverhältnisses zu liefern, umfaßt.

4. System nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkungseinstelleinrichtung eine Divisionseinrichtung (11) zum Dividieren der gesteuerten Variablen durch das Ausgangssignal der Systemmodelleinheit zum Erfassen eines Verstärkungsverhältnisses, eine Speichereinrichtung (12) zum Speichern des Verstärkungsverhältnisses und eine Fortschreibeinrichtung (14, 15) zum Fortschreiben des Verstärkungsverhältnisses, wenn das durch die Totzeit-Kompensationseinrichtung ausgegebene Kompensationssignal Null für mehr als eine vorbestimmte Zeit ist, umfaßt.

5. System nach Anspruch 4, bei dem die Fortschreibeinrichtung eine Signaldiskriminiereinrichtung (14) zum Erzeugen eines Diskriminiersignales, wenn das durch die Totzeit-Kompensationseinrichtung ausgegebene Kompensationssignal Null ist, und eine Zeitbegrenzungseinrichtung (15) zum Fortschreiben des in der Speichereinrichtung gespeicherten Verstärkungsverhältnisses, wenn das Diskriminiersignal fortdauert, für mehr als eine vorbestimmte Zeit erzeugt zu sein, umfaßt.

6. Verfahren zum Steuern eines Prozeßsystems, das eine Prozeßsystemverstärkung und eine Totzeit hat und einer externen Störung unterworfen ist, durch Einstellen einer von dem Prozeßsystem ausgegebenen gesteuerten Variablen zu einem Zielwert mittels eines Reglers, der eine Transferfunktion mit entsprechenden Verstärkungsterm- und Totzeittermelementen hat und angeordnet ist, um wenigstens Proportional- und Integralsteueroperationen aufgrund der Abweichung zwischen der gesteuerten ausgegebenen Variablen und dem Zielwert durchzuführen, umfassend die folgenden Schritte:

Kompensieren der Totzeit mittels einer Totzeit- Kompensationseinrichtung, die mit dem Regler verbunden ist und eine Prozeßsystem-Modelleinheit mit einer Systerntransferfunktion, die sich der Transferfunktion des Prozeßsystems annähert und eine Modelleinheit, die parallel mit der Prozeßsystem- Modelleinheit verbunden ist, hat, um eine Modelltransferfunktion aufgrund des Kompensierens mit dem Totzeittermelement von der Systemtransferfunktion zu liefern, und

Einstellen des Ausgangssignales der Totzeit- Kompensiereinrichtung gemäß der Veränderung der Verstärkung des Prozeßsystems, so daß die Verstärkung des Prozeßsystemmodelles entsprechend eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Einstellens den Schritt des Bestimmens des Verhältnisses der Verstärkung des Prozeßsystems zu der Verstärkung der Systemmodelleinheit und des Multiplizierens des durch die Totzeit-Kompensationseinrichtung ausgegebenen Kompensationssignales mit dem Verstärkungsverhältnis umfaßt, wobei das Kompensationssignal auf einem Subtrahieren des Ausgangssignales der Systemmodelleinheit von dem Ausgangssignal der Modelleinheit beruht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Bestimmens des Verstärkungsverhältnisses den Schritt des Dividierens der gesteuerten Variablen durch das Ausgangssignal der Systemmodelleinheit zum Erfassen eines ursprünglichen Verstärkungsverhältnisses und den Schritt des Erzeugens eines Zeitmitteiwertes des ursprünglichen Verstärkungsverhältnisses umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Einstellens den Schritt des Dividierens der gesteuerten Variablen durch das Ausgangssignal der Systemmodelleinheit zum Erfassen eines Verstärkungsverhältnisses, den Schritt des Speicherns des Verstärkungsverhältnisses und den Schritt des Fortschreibens des Verstärkungsverhältnisses, wenn ein Kompensationssignal, das durch die Totzeit-Kompensationseinrichtung ausgegeben ist, Null für mehr als eine vorbestimmte Zeit ist, umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Fortschreibens den Schritt des Erzeugens eines Diskriminiersignales, wenn das durch die Totzeit-Kompensationseinrichtung ausgegebene Kompensationssignal Null ist, und den Schritt des Fortschreibens des in der Speichereinrichtung gespeicherten Verstärkungsverhältnisses, wenn das Diskriminiersignal für mehr als eine vorbestimmte Zeit erzeugt wird, umfaßt.