DE3650164T2

DE3650164T2 - Prozessregler mit einem System zur Einstellung mit zwei Freiheitsgraden.

Info

Publication number: DE3650164T2
Application number: DE3650164T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hachiooji-Shi Tokyo Hiroi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-02-19
Filing date: 1986-02-19
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2006-02-20
Also published as: DE3650164D1; US4755924A; CN86101892A; EP0192245B1; CN1010433B; EP0192245A2; EP0192245A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung bzw. einen Regler, die bzw. der zur Prozeßregelung verwendet wird, und insbesondere eine Regelvorrichtung, die sowohl bei Kennlinien für ein Folgen eines Sollwerts als auch bei Kennlinien für eine Unterdrückung einer äußeren Störgröße überragend ist.
Aufgrund einer Steigerung bezüglich der Notwendigkeiten bei einer Prozeßoperation, wie beispielsweise (1) einem Sparen von Betriebsmitteln und einem Sparen von Energie, (2) einer Reduzierung des Personals und eines Sparens von Leistung, (3) einer Vereinheitlichung und einer hohen Qualität von Produkten, (4) der Sicherheit, und (5) der Flexibilität, ist die Prozeßregelung dazu herausgefordert, eine ansteigend hohe Regelfähigkeit zu haben, und es sind verschiedene Einrichtungen vorgeschlagen, um zu versuchen, zur Grenze zu gelangen.
Beim Betreiben einer Anlage, insbesondere eines kontinuierlichen Prozesses oder ähnliches, wird sich der Einfluß nach Art einer Kettenreaktion in Richtung stromab ausbreiten, wenn die Regelung des Systems auch nur geringfügig gestört wird, und zwar aufgrund von sich ändernden Faktoren, wie beispielsweise der Änderungen bezüglich der Ergiebigkeit stromauf, der verschiedenen äußeren Störungen, der Änderungen bezüglich des Sollwerts aufgrund einer Optimierungs- und Kaskadenregelung usw. Demgemäß besteht das fundamentale Prinzip zur Regelung darin, die Regelfähigkeit des einzelnen Regelsystems bis zum Äußersten zu verbessern. Vor kurzem sind häufig Fälle gefunden worden, bei denen große Störungen bzw. Störgrößen, wie beispielsweise Belastungsänderungen während des Betriebs zusammen mit der Flexibilität des Anlagenbetriebs und der Energieerhaltung erzeugt werden, oder es gibt häufige und große Änderungen des Sollwerts aufgrund der Optimierung, der Kaskadenregelung, der Sollwertregelung usw.
In einem solchen Umfeld treten beim Erfüllen des obigen Erfordernisses zwei Probleme auf, nämlich (1) ein Erreichen einer gewünschten Systemantwort gegenüber Änderungen bezüglich eines Sollwerts, und (2) ein Erreichen einer ausreichenden Rückkopplung, um Störungen zu handhaben. Jedoch sind Regelvorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht so aufgebaut worden, daß sie gleichzeitig und ausreichend mit den zwei Problemen fertig werden. Insbesondere wird gewünscht, eine zufriedenstellende Einstellung einer integralen Zeit zu erreichen, zu der möglicherweise eine Inkonsistenz zwischen den Kennlinien zum Folgen der Änderung bezüglich des Sollwerts und der Kennlinien zum Unterdrücken des Einflusses aufgrund der Störungen, die auf das Objekt wirken, auftreten.
Die US-A-3 758 762 beschreibt ein Regelsystem, das eine Vorwärts- und Rückwärtsregelung einer Stellgröße eines Prozesses kombiniert, und das aufgebaut ist, um eine Abänderung des Fehlersignals zu schaffen, auf das die Rückkopplung antwortet, um eine Entkopplung der Handlungen der Vorwärts- und Rückwärtsregelung zu bewirken. Das Fehlersignal wird durch ein Signal einer Größe verringert, die ausreicht, die Antwort durch die Rückwärtsregelung um einen vorbestimmten Betrag zu minimieren oder zu reduzieren, damit sie als Vorwärtsregelung handelt, wie es bei Änderungen der Stellgröße reflektiert wird. Das Vorsehen ist auch durchgeführt, um eine unnötige Rückwärtsregelung in Antwort auf Änderungen des Sollwertes zu vermeiden, wenn eine Vorwärtshandlung von den Änderungen des Sollwerts hervorgerufen wird.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird der Stand der Technik sowie auch die Erfindung ausführlicher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein funktionelles Blockdiagramm einer allgemeinen Prozeß-Regelvorrichtung des Standes der Technik.
Fig. 2 die Regelkonstanten für das CMR-Verfahren.
Fig. 3 ein funktionales Diagramm einer weiteren Prozeß- Regelvorrichtung nach dem Stand der Technik.
Fig. 4 ein Blockdiagramm, das eine Prozeß-Regelvorrichtung vom Separationstyp zeigt.
Fig. 5 die optimalen Parameter für externe Störgrößen und die optimalen Parameter für einen Sollwert der PID- Parameter.
Fig. 6 die Antworten auf eine stufenförmige externe Störgröße in den Fällen der Verwendung jeweiliger optimaler Parameter.
Fig. 7 die Antworten auf eine Einheitsstufenänderung des Sollwerts.
Fig. 8 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 eine äquivalente Änderung der Integrationszeit durch Verändern des Einstellparameters für die Änderung des Sollwerts.
Fig. 10 eine erklärende Kurve, die zeigt, wie die Kennlinie des Systems durch Verändern des Parameters gemäß der Erfindung eingestellt wird.
Fig. 11 eine erklärende Kurve, die zeigt, wie die Kennlinie des Systems durch Verändern des Parameters gemäß der Erfindung eingestellt wird.
Fig. 12 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13 die Übertragungsfunktionen zweiter bis vierter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Fig. 14(A) die Ausgabe der Führungs-/Verzögerungsoperation.
Fig. 14(B) die Änderungen bei des Prozeßwerts PV.
Fig. 15 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 16 eine erklärende Kurve, die zeigt, wie die Kennlinie des Systems durch Verändern des Parameters gemäß der Erfindung eingestellt wird.
Fig. 17 ein Blockdiagramm, das eine andere Konfiguration der Kompensations-Operationseinheit zeigt.
Fig. 18(A) und 18(B) die Antwort auf die Stellgröße PV.
Fig. 19(A) eine erklärende Kurve, die zeigt, wie die Kennlinie des Systems durch Verändern des Parameters gemäß der Erfindung eingestellt wird.
Fig. 19(B) eine erklärende Kurve, die zeigt, wie die Kennlinie des Systems durch Verändern des Parameters gemäß der Erfindung eingestellt wird.
Fig. 20, 21 und 22 Flußdiagramme, die eine andere Konfiguration der Kompensations-Operationseinheiten des fünften Ausführungsbeispiels zeigen.
Fig. 23 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 24 die Antwort-Kennlinie des Ausgangssignals für ein Einheitsstufen-Eingangssignal der Übertragungsfunktion.
Fig. 25 die Antwort für eine Einheitsstufe in dem Fall, wenn das Verfahren durch ein Element, nämlich für eine Verzögerung erster Ordnung + Totzeit, durchgeführt wird.
Fig. 26 ist ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines siebten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 27 ein Blockdiagramm, das einen äquivalenten Integral- Aktionsteil des siebten Ausführungsbeispiels zeigt.
Fig. 28 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines achten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 29 und 30 erklärende Kurven, die die Kennlinien des siebten Ausführungsbeispiels zeigen.
Fig. 31 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines achten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 32 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines neunten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 33 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines zehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 34 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines elften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 35 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines dreizehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 37 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines vierzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 38 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 39 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines sechzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 40 eine andere Konfiguration, die die Integrationsoperation des sechzehnten Ausführungsbeispiels verkörpert.
Fig. 41 und 42 funktionale Blockdiagramme zum Darstellen der Struktur eines siebzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 43 die Antwort-Kennlinie zum Folgen eines Sollwerts des siebzehnten Ausführungsbeispiels.
Fig. 44 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines achtzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 45 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines neunzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 46 und 47 funktionale Blockdiagramme zum Darstellen der Struktur eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 48 verschiedene Regelformen gemäß dem zwanzigsten Ausführungsbeispiel.
Fig. 49 die Antwort-Kennlinien zum Folgen eines Sollwerts des zwanzigsten Ausführungsbeispiels.
Fig. 50 die Antwort-Kennlinien zum Folgen eines Sollwerts in einer nicht perfekten Regelvorrichtung mit zwei Freiheitsgraden.
Fig. 51 und 52 funktionale Blockdiagramme zum Darstellen der Struktur eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 53 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 54 das Ergebnis einer Simulation für die Antwort einer Stellgröße PV für den Fall einer Übertragungsfunktion für das Regelobjekt gemäß der Erfindung.
Fig. 55 verschiedene Regelformen gemäß dem zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel.
Fig. 56 eine abgeänderte Konfiguration des zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels.
Fig. 57 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 58 ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 59(A), 59(B) und 60 Beispiele von Antworten des fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiels.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Prozeß- Regelvorrichtung geschaffen, die Operationsparameter mit zwei Freiheitsgraden einstellen kann, die leichter und genauer erreicht werden können, um mit Störungen bzw. Störgrößen und Änderungen des Sollwertes fertig zu werden. Kurz beschrieben ist es eine primäre Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Prozeß-Regelvorrichtung mit zwei Freiheitsgraden zu schaffen. Insbesondere hat man sich die vorliegende Erfindung ausgedacht, um zu ermöglichen, eine integrale Zeit in ausreichendem Maß einzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Prozeß-Regelsystem mit ersten und zweiten Regelvorrichtungen gelöst, die beide zum Regeln einer Antwort auf einen Prozeß-Ausgabewert gegenüber einer Störung dienen, die einem Prozeß zugeführt wird, und zum Folgen eines Prozeß-Ausgabewertes einer Sollwertänderung,
wobei die erste Regelvorrichtung einen ersten einstellbaren Parametersatz einschließlich wenigstens von Parametern für proportionale und integrierende Operationen aufweist, die ein Steuersignal auf der Basis des Prozeß-Ausgabewertes für ein optimales Regeln der Antwort des Prozeß-Ausgabewertes durch Einstellen des ersten Parametersatzes dem Prozeß zuführt, bei dem die Störgröße angewendet ist, und
wobei die zweite Regelvorrichtung einen zweiten einstellbaren Parametersatz einschließlich wenigstens eines Integrierparameters für eine integrierende Operation aufweist, die unabhändig von dem ersten Parametersatz einstellbar ist, zum Regeln der Antwort des Prozeß- Ausgabewertes durch Einstellen des zweiten Parametersatzes, wobei die Sollwertänderung angewendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelvorrichtung eine Integrationseinheit mit einer Übertragungsfunktion
Kp·1/T&sub1;·x
enthält und die zweite Regelvorrichtung eine Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit mit einer Übertragungsfunktion
enthält,
und die zweite Regelvorrichtung die Antwort des Prozeß- Ausgabewertes durch Einstellen des Integrationsparameters β optimal regelt, der positiv ist, wobei Kp und Ti die proportionale Verstärkung und die Integrationszeitkonstante der Übertragungsfunktionen und s die komplexe Variable ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Einstellen von Parametern eines Prozeß-Regelsystems gelöst, das erste und zweite Regelvorrichtungen aufweist, die sowohl eine Antwort eines Prozeß-Ausgabewertes gegenüber einer Störung regeln, die einem Prozeß zugefügt ist, als auch einen Prozeß-Ausgabewert zu einem Folgen einer Sollwertänderung, wobei das Verfahren folgendes aufweist:
a) einen ersten Schritt zum Einstellen eines ersten einstellbaren Parametersatzes der ersten Regelvorrichtung einschließlich wenigstens von Parametern für proportionale und integrierende Operationen, die ein Steuersignal zu dem Prozeß auf der Basis des Prozeß-Ausgabewertes zum optimalen Regeln der Antwort des Prozeß-Ausgabewertes durch Einstellen des ersten Parametersatzes zuführt, wenn die Störung zugefügt ist, und
b) einen zweiten Schritt zum Einstellen eines zweiten einstellbaren Parametersatzes der zweiten Regelvorrichtung einschließlich wenigstens eines Parameters für eine integrale Operation, die unabhängig von dem ersten Parameter einstellbar ist, zum Regeln der Antwort des Prozeß Ausgabewertes durch Einstellen des zweiten Parametersatzes, wenn die Sollwertänderung angewendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelvorrichtung eine Integrationseinheit 17 mit einer Übertragungsfunktion
Kp·1/T&sub1;·s
enthält, und die zweite Regelvorrichtung eine Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit mit einer Übertragungsfunktion
enthält, und die zweie Regelvorrichtung die Antwort des Prozeß-Ausgabewertes durch Einstellen des Integrationsparameters β optimal regelt, der positiv ist, wobei Kp und Ti die proportionale Verstärkung und die Integrationszeitkonstante der Übertragungsfunktionen und s die komplexe Variable ist.
Zum Erleichtern des Verstehens der Schwierigkeiten, die beim Stand der Technik auftreten, werden kurz herkömmliche Regelsysteme beschrieben.

[Herkömmliche Konfigurationen von Regelsystemen]

In Fig. 1 ist ein funktionales Blockdiagramm einer allgemeinen Prozeß-Regelvorrichtung nach dem Stand der Technik gezeigt. In der Figur ist 1 eine Abweichungs- Operationseinheit, 3 ist eine Regel-Operationseinheit, und 5 ist ein Regelobjekt. Die Abweichungs-Operationseinheit 1 berechnet die Abweichung E (= SV-PV) zwischen der Stellgröße PV, die von dem Regelobjekt 5 zurückgeführt wird, und dem Sollwert SV. Die Regel-Operationseinheit 3 führt jede der proportionalen, der integrierenden und der differenzierenden Operationen für die Abweichung E basierend auf der Übertragungsfunktion C(s) aus, die durch Gleichung (1) vorgegeben ist, bestimmt ein eingestelltes Operations- Ausgangssignal MV, um die Stellgröße PV und den Sollwert miteinander in Übereinstimmung zu bringen, und gibt ihn zu dem Regelobjekt 3 aus. Bei dem Regelobjekt 3 wird eine Regeloperation unter Verwendung des eingestellten Operations-Ausgangssignals MV als der manipulierte Wert bzw. die Stellgröße ausgeführt, und wenn bei der Regelung eine Störung aufgrund des Aufprägens einer Störung bzw. eines Störsignals D erzeugt wird, wird sie bzw. es als eine Veränderung der Stellgröße PV erfaßt.
In der obigen Gleichung sind Kp, TI und TD die Regelkonstanten der Übertragungsfunktion C(S), die jeweils die proportionale Verstärkung, die Integrationszeit und die Abweichungszeit darstellen. Weiterhin ist S die komplexe Variable.
Die Antwort-Kennlinien der Regelvorrichtung wird, wie es aus der Übertragungsfunktion gesehen werden kann, die durch Gleichung (1) gezeigt ist, durch die Einstellbedingung der Regelkonstanten Kp, TI und TD bestimmt. Bei der normalen Regelung sind die Regelkonstanten Kp, TI und TD auf einen Zustand eingestellt, der den Einfluß der Störung schnell unterdrücken kann, wenn dem Prozeß eine Störung zugefügt wird, d. h. die optionale Bedingung zum Unterdrücken einer Störung.
Jedoch geht bei einer Änderung des Sollwertes SV dann, wenn die Regelkonstanten auf den optimalen Zustand der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung eingestellt sind, die Regelung zu weit, und der Regelwert bzw. die Stellgröße PV kann der Änderung des Sollwertes nicht folgen und erzeugt einen Überschwinger. Weiterhin ist dann, wenn die Regelkonstanten auf einen Zustand eingestellt sind, in dem der Regelwert PV der Änderung des Sollwertes optimal folgt, d. h. auf einen optimalen Zustand der Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes, die Kennlinie für eine Unterdrückung der Störung unzureichend, so daß die Antwort lange Zeit braucht.
Wie bei dem obigen unterscheiden sich die Werte der Regelkonstanten für den optimalen Zustand der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung und jene für den optimalen Zustand der Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes bemerkenswert. Dies kann durch Untersuchen der Einstellformeln für die Regelkonstanten aufgrund des CHR- (Chien, Hrones und Reswick)-Verfahrens verstanden werden, das in Fig. 2 gezeigt ist.
Nun kann für die Übertragungsfunktion der Regel- Operationseinheit 3 nur eine Art einer Regelkonstante für jeweils KP, TI und TD eingestellt werden. Aus diesem Grund wird bei der bekannten Vorrichtung entweder einer der zwei Sätze von Regelkonstanten im Hinblick auf die Systemkennlinien (beispielsweise antwortende Kraft auf eine Störung) des Regelobjekts 3 ausgewählt, oder die Art der Regelung (beispielsweise die Form einer Änderung des Sollwertes) , wobei der andere Satz geopfert wird, oder es wird ein Kompromiß bei einer Antwort gemacht, die für beide der Zustände tolerierbar ist.
Eine andere Prozeß-Regelvorrichtung nach dem Stand der Technik ist in Fig. 3 gezeigt. Diese ist eine PID-Regelung mit einer Differenzierung für PV. Es ist nämlich zu der Abweichung E zwischen dem Sollwert SV und dem Prozeßwert PV die PI-Operation an eine PI-Operationseinrichtung 7 angelegt. Von dem Ausgangssignal der PI- Operationseinrichtung 7 wird bei einem Subtrahierer 9 das Ausgangssignal der Differenzier-Operation des Prozeßwertes PV bei der Differential-Operationseinrichtung 11 subtrahiert. Das Ergebnis wird der Proportional- Verstärkungseinrichtung 13 eingegeben, damit es mit der proportionalen Verstärkung KP multipliziert wird. Das resultierende Signal wird einem Regelobjekt 5 als ein manipuliertes Signal bzw. eine Stellgröße MV aufgeprägt, und eine Regelung wird ausgeführt, um den Prozeßwert PV und den Sollwert SV in Übereinstimmung zu bringen.
Diese Regelung wird jedoch nicht sowohl mit Störungen als auch mit Änderungen des Sollwertes fertig, wie die davor beschriebene Regelung.
Zum Lösen des obigen Problems sind einige Konfigurationen mit zwei Freiheitsgraden ausgedacht worden. Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Prozeß-Regelvorrichtung vom Separationstyp zeigt, bei der der Gedanke der zwei Freiheitsgrade angewendet ist.
Wie es durch Fig. 4 gezeigt wird, wird bei der früheren Prozeß-Regelvorrichtung die Abweichung E1 (=SV-PV) zwischen dem Sollwert SV und dem Regelwert PV in einem Subtrahierer 15 bestimmt, und die Abweichung E1 wird einer integrierenden Operation in der Integrations- Operationseinheit 17 unterzogen.
Andererseits wird, nachdem der Sollwert SV mit einem Koeffizienten α in einer Koeffizienteneinheit 19 multipliziert ist, die Abweichung E2 (= α SV-PV) von dem Regelwert PV in einem Subtrahierer 21 gefunden (proportionale Operation).
Weiterhin wird der Sollwert SV in einer Koeffizienteneinheit 23 mit einem Koeffizienten γ multipliziert, die Abweichung E3 (= γ SV-PV) wird durch Subtrahieren des Regelwertes PV von dem obigen Ergebnis in einem Subtrahierer 25 gefunden, und die Abweichung E3 wird einer differenzierenden Operation in einer Differential-Operationseinheit 27 unterzogen.
Dann werden das integrierte Ausgangssignal, die Abweichung E2 und das differenzierte Ausgangssignal in einem Addierer 29 addiert, und nachdem es mit einer proportionalen Verstärkung KP in einer Proportional-Verstärkungseinheit 31 multipliziert ist, wird das Ergebnis einem Regelobjekt 5 als ein manipuliertes Signal MV zugeführt.
Bei der obigen Regelvorrichtung nach dem Stand der Technik werden die Regelkonstanten, nämlich die proportionale Verstärkung K , die Integrationszeit TI und die Vorhaltezeit TD, wenn eine Störung D an ein Regelobjekt 5 angelegt ist, auf einen Zustand eingestellt, in dem ihre Auswirkungen schnell unterdrückt werden, nämlich auf einen optimalen Zustand von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung. Für eine Änderung des Sollwertes wird durch Einstellen des Koeffizienten α zum Einstellen der proportionalen Verstärkung und des Koeffizienten γ zum Einstellen der Abweichungszeit versucht, der Änderung des Sollwerts zu folgen.
Da jedoch bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik die Integrationszeit TI nicht kompensiert wird, die die Regelrolle bei der Integrationsoperation spielt, blieb, obwohl die proportionale Verstärkung KP und die Vorhaltezeit TD durch Einstellen der Koeffizienten α und γ kompensiert werden, die folgenden Probleme.
Die Integrationszeit eines Regelsystems wird nämlich als ein optimaler Wert zum Unterdrücken einer Störung durch die Größe der Totzeit (L) des Regelobjekts bestimmt, und wird als ein optimaler Wert zum Folgen des Sollwertes durch die Größe der Zeitkonstante To bestimmt. Zwischen der Totzeit L und der Integrationskonstante To gibt es eine große Differenz, und darüber hinaus ist die Kennlinie zum Folgen des Sollwertes umso schlechter, je größer die Zeitdifferenz zwischen ihnen ist, wenn die Kennlinie zum Unterdrücken einer Störung optimiert ist. Daher ist die bekannte Regelvorrichtung als PID-Regelvorrichtung mit zwei
Freiheitsgraden unvollständig, und ist absolut nicht einsatzfähig für eine Anlage und anderes, wo eine große Anzahl von PID-Regelvorrichtungen verwendet werden müssen.
Hier wird das folgende Modell als ein Modell GP(s) für den astatischen Prozeß angenommen.
GP(s) = e-5s/{S (1+S)}
In Fig. 5 sind die optimalen Parameter für Störungen gezeigt (bei denen die Regelvorrichtung die Einflüsse aufgrund von Störungen optimal unterdrückt), nämlich KP, TI und TD, und die optimalen Parameter für einen Sollwert (bei dem die Regelvorrichtung die Anlage schnell in den neuen Zustand versetzt), nämlich KP*, TI* und TD* der PID-Parameter, nämlich der proportionalen Verstärkung KP, der Integrationszeit TI und der Vorhaltezeit TD. Zusätzlich sind die Antworten auf eine Stufenstörung in den Fällen der Verwendung jeweiliger optimaler Parameter in Fig. 6 gezeigt, und die Antworten auf eine Einheitsstufen-Änderung des Sollwertes sind in Fig. 5 gezeigt.
Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, wird für den Fall einer Stufen-Störung eine zufriedenstellende bzw. ausreichende Antwort erhalten, wenn die optimalen Parameter für Störungen KP, TI und TD eingestellt sind, wie es durch die Kurve (A) gezeigt ist. Jedoch dann, wenn die optimalen Parameter für den Sollwert KP*, TI* und TD* eingestellt sind, wird eine ständige Abweichung erzeugt, wie es durch die Kurve (C) gezeigt ist.
Gegensätzlich dazu ist für eine Stufenänderung des Sollwertes SV, wenn die Parameter auf die optimalen Parameter für einen Sollwert KP*, TI* und TD* eingestellt sind, die Antwort zufriedenstellend, wie es durch die Kurve (C) gezeigt ist. Jedoch dann, wenn sie auf die optimalen Parameter für Störungen KP, TI und TD eingestellt sind, wird ein Überschwingen erzeugt und wird oszillatorisch, wie es durch die Kurve (A) in Fig. 7 gezeigt ist.
Nachfolgend sind Prozeß-Regelvorrichtungen mehrerer Typen gezeigt, auf die die vorliegenden Erfindung angewendet wird.

[Vorwärtsregelungs-Kompensationstyp]

In der Beschreibung wird der Ausdruck "Vorwärtsregelung" für eine Konfiguration verwendet, bei der der Sollwert bearbeitet wird und das Ergebnis dem Regelobjekt zugeführt wird, wobei an einer Abweichungs-Operationseinheit vorbeigeführt wird.
Fig. 8 ist ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen der Struktur eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der Figur ist das Bezugszeichen 33 eine Kompensations- Operationseinheit. Der Sollwert SV wird der Kompensations- Operationseinrichtung 33 und einer Abweichungs- Operationseinheit 35 zugeführt, und die Abweichungs- Operationseinheit 35 bestimmt die Abweichung E zwischen dem Sollwert SV und dem Regelwert PV von einem Regelobjekt 37, und gibt das Ergebnis zu einer Regel-Operationseinheit 39 aus. Die Regel-Operationseinheit 39 wendet auf die Abweichung E jede Operation an, nämlich die proportionale, die integrierende und die differenzierende, und zwar basierend auf der Übertragungsfunktion C(s), die in Gleichung (1) definiert ist, um das eingestellte Ausgangssignal MV zu berechnen.
Hier ist angenommen, daß die Regelkonstanten KP, TI und TD für die Übertragungsfunktion auf die optimale Bedingung bzw. den optimalen Zustand zum Unterdrücken von Störungen eingestellt sind, und zwar mittels des CHR-Verfahrens, das in Fig. 2 gezeigt ist, oder ein anderes, so daß die Abweichungen des Regelwertes PV aufgrund der Störungen D durch das eingestellte Ausgangssignal u zu einem Zustand ohne Überschwingen und mit minimaler Einstellzeit unterdrückt werden.
Jedoch wird für die durch die obige Einstellung bestimmten Regelkonstanten dann, wenn sich der Sollwert ändert, die Verstärkung groß, so daß eine Regelung exzessiv ist und der Regelwert PV in einem großen Ausmaß über den Sollwert hinausschießt. Daher führt die Kompensations- Operationseinheit 33 eine Kompensationsoperation für den Sollwert SV basierend auf der Übertragungsfunktion H(s) aus, die durch Gleichung (2) gegeben ist, um die Kompensationsgröße a(s) zu berechnen, um die Regelkonstanten KP, TI und TD zu korrigieren, die auf die optimale Kennlinien-Bedingung zum Unterdrücken von Störungen eingestellt sind, damit sie den Parametern KP*, TI* und TD* für eine optimale Kennlinien-Bedingung zum Folgen des Sollwertes äquivalent sind, und zwar in bezug auf die Abweichung E, die durch die Veränderungen des Sollwertes erzeugt wird. Die Kompensationsgröße a(s) wird zu einer Operationseinheit 41 ausgegeben, wo sie von dem eingestellten Ausgangssignal u subtrahiert wird, das von der Regel-Operationseinheit kommt, und das Ergebnis der Subtraktion wird dem Regelobjekt 37 als der manipulierte Wert MV zugeführt. Mittels dieser Kompensation wird die durch Gleichung 1 gegebene Übertragungsfunktion, die auf die Bedingung eingestellt ist, die optimale Kennlinien zum Unterdrücken von Störungen hat, für die Abweichung E aufgrund von Veränderungen des Sollwertes zu einer Übertragungsfunktion C*(s) für die Bedingung abgeändert, die optimale Kennlinien zum Folgen des Sollwertes hat, wie es virtuell durch Gleichung 3 gezeigt ist.
wobei α, β und γ Einstellparameter sind. α stellt die proportionale Verstärkung Kp ein, β verändert die Integrationszeit TI äquivalent, und γ ändert die Vorhaltezeit TD ab.
Durch Aufbauen der Regelvorrichtung wie oben wird ungeachtet dessen, ob es aufgrund von Variationen des Regelwertes PV oder der Änderung des Sollwertes ist, für die Abweichung E von der Abweichungs-Operationseinheit 1 eine Berechnung über die Übertragungsfunktion, die durch Gleichung (2) gegeben ist, zu der Bedingung einer optimalen Kennlinie zum Unterdrücken der Störungen ausgeführt. Aus dem Ergebnis der Berechnung wird jener Teil, der auf der Abweichung aufgrund der Änderung des Sollwertes basiert, durch Gleichung (2) durch die Kompensationsmenge a(s) korrigiert, die nur auf dem Sollwert basierend berechnet wird, und wird abgeändert, als ob sie berechnet wird, um eine Bedingung zu ergeben, die eine optimale Kennlinie zum Folgen des Sollwertes hat, und zwar mittels der durch Gleichung (3) definierten virtuellen Übertragungsfunktion. Durch ein derartiges Handeln wird es möglich, die Regelkonstanten KP*, TI* und TD* für die optimale Kennlinienbedingung zum Folgen des Sollwertes durch Korrigieren der Parameter α, β und γ einzustellen, die zur Optimierung für das Ändern des Sollwertes unabhängig eingestellt werden können, ohne Ändern der Regelkonstanten KP, TI und TD, die auf die optimale Kennlinienbedingung zum Unterdrücken von Störungen eingestellt sind.
Als nächstes wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Regelantwort für den in Fig. 8 gezeigten Prozeß kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden.
Gemäß Gleichung (5) muß man zum einzelnen Manipulieren der Antwort zu dem Sollwert SV ohne ein Ändern der Antwort auf die Störung D, wenn der Sollwert SV geändert wird, nur den Faktor {C(s) - H(s)} ändern. Wenn wir {C(s) - H(s)} die Übertragungsfunktion C*(s) für die optimale Kennlinienbedingung zum Folgen des Sollwertes nennen, wird es notwendig, die Übertragungsfunktion C*(s) derart zu gestalten, daß es möglich ist, die Werte für die Regelkonstanten KP, TI und TD der Übertragungsfunktion unabhängig zu ändern, um die Kennlinien zum Folgen der Antwort aufgrund der Änderung des Sollwertes einzig auf der Änderung des Sollwertes SV basierend zu optimieren, ohne ein Ändern der Wertender Regelkonstanten, die auf die optimale Bedingung zum Unterdrücken der Störungen eingestellt sind.
Darüber hinaus ist es dafür, daß die Regelantwort auf den Sollwert SV eingestellt wird, gemäß dem Grenzwert-Theorem notwendig, daß dann, wenn der Sollwert SV bei einem festen Wert der Störung D schrittweise um einen festen Wert a geändert wird, die Abweichung Esv = a in einem Ruhezustand verschwinden muß.
Als Funktion, die den obigen zwei Bedingungen genügt, ist eine Übertragungsfunktion C*(s) angeraten, die durch Gleichung (3) gegeben ist.
In bezug auf die vorherigen Bedingungen sind nämlich die Einstellparameter α, β und γ in dem Ausdruck in einer derartigen Weise enthalten, daß sie die Werte jeder der Regelkonstanten KP, TI und TD nur für den Sollwert SV ändern, ohne durch den Regelwert PV beeinflußt zu werden. Zum Realisieren einer derartigen Funktion C*(s) ist dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Aufbau gegeben, bei dem die Kompensations-Operationseinheit 33 eine Kompensationsmenge a(s) zu dem Ausgangssignal der Regel- Operationseinheit 39 zuführt, und seine Übertragungsfunktion H(s) ist aufgebaut, wie es durch Gleichung (2) gegeben ist.
Die Übertragungsfunktion H(s) ist durch die Gleichung definiert, die folgt, und die Kompensationsmenge a(s) wird für den Sollwert SV durch die Kompensationsoperation für jede der proportionalen, der integrierenden und der differenzierenden Operationen basierend auf den Einstellwerten der Einstellparameter α, β und γ bestimmt.
H(s) = C(s) - C*(s) (6)
Die Sollwerte für die Einstellparameter α, β und γ der Funktion werden wie folgt durch Ersetzen der Übertragungsfunktion C*(s), die durch Gleichung (3) gegeben ist, wie es durch Gleichung (4) gezeigt ist, durch das Verwenden der Regelkonstanten KP*, TI* und TD* für die optimale Kennlinienbedingung zum Folgen des Sollwertes bestimmt. Hier haben KP*, TI* und TD* Werte, die durch das in Fig. 2 gezeigte CHR-Verfahren oder ähnliches bestimmt werden können.
Zuerst kann α bestimmt werden durch
Der Parameter β kann, in Relation zu dem Grenzwert-Theorem, das kurz beschrieben wird, durch Einstellen von
bestimmt werden.
Dann kann β bestimmt werden aus
Weiterhin kann γ wie folgt bestimmt werden:
Als nächstes wird die zweite Bedingung, nämlich daß das Grenzwert-Theorem erfüllt werden kann, erklärt.
Damit die stetige Abweichung ESV = a verschwindet, ist es notwendig, die folgende Gleichung zu haben:
Zum Erfüllen von Gleichung (11) wird der Integrationsausdruck wichtig. Dies ist deshalb so, weil für s→0 folgt:
so daß Gleichung (11) nicht gültig sein wird, bis nicht der Zähler und der Nenner der Gleichung (11) einen gleichen Wert haben. Daher kann die Integrationszeit TI nicht durch einfaches Multiplizieren von ihm mit einem Parameter α oder γ geändert werden, so daß ein Aufbau bzw. eine Konstruktion vorgesehen ist, um ihn äquivalent durch Verwenden einer Verzögerung erster Ordnung zu verändern, deren Operation jener einer Integration am nächsten ist, wie es durch Gleichung (9) gezeigt ist.
Bei einer solchen Konstruktion werden dadurch identische Integrationsausdrücke im Nenner und Zähler erzeugt, und die Integrationszeit im Zähler wird mittels einer Verzögerung erster Ordnung eingestellt, so daß es möglich wird, dem Grenzwert-Theorem zu genügen.
Als nächstes wird beschrieben, ob es möglich ist, durch das Verwenden einer Verzögerung erster Ordnung die Integrationszeit auf äquivalente Weise zu ändern, die normalerweise für die Vergangenheit schwierig zu kompensieren ist.
Gemäß den Gleichungen (1) und (3) lautet der Integrationsausdruck für die Störung 1/T&sub1;·s, und der Integrationsausdruck für die Änderung des Sollwertes lautet
Durch Vergleichen der zwei Integrationsausdrücke ist es durch Verändern der Einstellparameter möglich, nur die Integrationszeit für die Änderung des Sollwertes äquivalent zu ändern, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, wobei der Integrationsausdruck für Störungen fest ist.
In Fig. 9 ist (a) die Kurve für den Integrationsausdruck 1/T&sub1;·s, (b) ist die Kurve, bei der eine Verzögerung erster Ordnung β/1+T&sub1;·s (β=1/2) von der Kurve (a) subtrahiert ist, (c) ist die Kurve, bei der eine Verzögerung erster Ordnung β/1+T&sub1;·s (β=1) von der Kurve (a) subtrahiert ist. Von diesen Kurven sind (b) und (c) die Ergebnisse einer äquivalenten Abänderung um die Verzögerung erster Ordnung der Integrationszeit für die Kurve (a), so daß sie durch β/T&sub1;·s angenähert werden kann, wie in Gleichung (8) , und der optimale Wert für β wird durch eine aktuelle Simulation so gebildet daß er 2 · β ist. Da das Ausgangssignal der Verzögerung erster Ordnung durch den Wert von β bestimmt wird, wächst die Integrationszeit in der Reihenfolge (a), (b) und (c), da der Wert von β anwächst. Darüber hinaus ist die Periode, während der die Integrationszeit bei der aktuellen Regelung geändert werden muß, in der Größenordnung der Zeit für den Prozeß, um zu antworten (die Integrationszeit TI für die Integrationsoperation), wofür die Integration fast linear angenähert werden kann. In derselben Figur ist die Subtraktionskomponente aufgrund der Verzögerung erster Ordnung jeder Antwort zur Bezugnahme mit Kurven (i), (ii) gezeigt. Wie es oben mit der Kurve (a) als Bezug gesehen wird, kann die Integrationszeit TI durch Erhöhen von β in positiver Richtung erhöht werden, und die Integrationszeit kann durch Erhöhen von β in der negativen Richtung erniedrigt werden.
Wie es leicht verstanden wird, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Integrationsoperation mit einer relativ langen Integrationszeit für eine gewisse Periode nach einer Änderung des Sollwertes ausgeführt, während der Sollwert darauf folgend einer Integrationsoperation mit kurzer Integrationszeit unterzogen wird.
Als nächstes folgt die Operation des vorliegenden Ausführungsbeispiels und das Verfahren zum Einstellen jeder der Regelkonstanten und der Einstellparameter.
Als das Einstellverfahren gibt es (1) ein Verfahren, bei dem die Prozeßkennlinien (Zeitkonstante T, Totzeit L und Verstärkung K des Prozesses) zuerst bestimmt werden und danach eine Einstellung basierend auf diesen Werten, wobei das Verfahren das CHR-Verfahren oder ein anderes ist, und (2) ein Verfahren, durch das die Regelkonstanten derart eingestellt werden, daß ihre Sprungantwort auf den Sollwert der gewünschten Antwort gleicht, und zwar unter den Bedingungen unvollständig bekannter Prozeß-Kennlinien.
Gemäß dem Verfahren (1) können die Regelkonstanten KP, TI, TD, KP*, TI* und TD* für sowohl die optimale Kennlinien- Bedingung zum Unterdrücken der Störungen als auch die optimale Kennlinien-Bedingung zum Folgen des Sollwertes berechnet werden, so daß die Einstellparameter α, β und γ durch Einsetzen von ihnen in Gleichungen (7), (9) und (10) berechnet werden können.
Weiterhin werden beim Verfahren (2) das in vielen Fällen verwendet wird, zuerst die Regelkonstanten KP, TI und TD für die Regel-Operationseinheit 39 derart eingestellt, daß sie eine Antwort auf den Regelwert PV haben, die der optimalen Kennlinien-Bedingung zum Unterdrücken von Störungen gleicht, und zwar durch schrittweises Ändern des Sollwertes SV. Danach werden die Einstellparameter korrigiert, um zu einer Antwort zu führen, die der gewünschten optimalen Kennlinien- Bedingung zum Folgen des Sollwertes entspricht. Beispielsweise ändert sich, wenn eine Simulation mit γ = 0 (der Fall für eine proportionale und integrierende Kompensationsoperation) für die Übertragungsfunktion
für das Regelobjekt durchgeführt wird, die Antwort, wie es durch Fig. 10 und 11 gezeigt ist, abhängig von den Werten der Parameter α und β.
Darüber hinaus hat das vorliegende Ausführungsbeispiel einen Aufbau, durch den die Antwort durch die Parameter so eingestellt werden kann, daß verschiedene Formen einer Regelung durch Verändern des Wertes des Parameters α erhalten werden können. Somit wird es in Fig. 10, wenn man α = 0 setzt, die I-PD-Regelung, und wenn α = 1 gesetzt wird, dann führt dies zu der Regelung für nur die Kennlinien- Bedingung zum Unterdrücken der Störungen, die der bekannten Regelung ähnlich ist. Hier stellt der Parameter α die proportionale Verstärkung KP der Regelkonstanten ein, und die Steigung der Kennlinien und die Überschwing-Bedingung der Antwort kann durch Verändern ihres Werts unter der Bedingung 0 ≤ α ≤ 1 ausgewählt werden. Zusätzlich dient β zum Ändern der Integrationszeit TI, und es kann das Überschwingen der Antwort verbessern, ohne das Ansteigen der Antwortkurve zu beeinträchtigen, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Eine aktuelle Simulation zeigt, daß die optimalen Kennlinien für α = 0,4 und β = 0,15 erhalten werden. Weiterhin dient γ zum Ändern der Vorhaltezeit TD, durch die es möglich ist, die Anstiegskennlinien der Antwortkurve zu ändern.
Sind die Regelkonstanten KP, TI und TD und die Einstellparameter α, β und γ einmal wie oben eingestellt, wird dann, wenn dem Regelobjekt 3 eine Störung D aufgeprägt wird, die Veränderung des Regelwertes PV deshalb zu der Regel-Operationseinheit 39 als die Abweichung von dem Sollwert SV zugeführt. Dann wird das Einstell-Ausgabesignal u basierend auf den Regelkonstanten für die optimale Kennlinien-Bedingung zum Unterdrücken der Störung berechnet, und das Ergebnis wird zu der Operationseinheit 41 ausgegeben. Bei der Operationseinheit 41 ändert sich die Kompensationsmenge a(s) von der Kompensations- Operationseinheit 33 nicht, da es keine Änderung des Sollwertes SV gibt, und die Veränderung aufgrund der Störung D wird durch Ausgeben des manipulierten Wertes MV zu dem geregelten Objekt 37 schnell unterdrückt.
Wenn der Sollwert SV weiter geändert wird, führt die Regel- Operationseinheit 39 eine Operation unter der Bedingung des Unterdrückens der Störung sogar für die Abweichung E aus, die der zusätzlichen Änderung entspricht. Jedoch für den Teil einer Änderung des Sollwertes SV wird die Kompensationsmenge a(s), die bei der Kompensations-Operationseinheit 33 basierend auf den Einstellparametern berechnet wird, bei der Operationseinheit 41 subtrahiert, und das Ergebnis wird zu dem Regelobjekt 37 ausgegeben, was zu einer Kompensation führt, die auch dem Sollwert SV optimal antwortet.
Wie bei dem obigen ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, (1) die Regelkonstanten virtuell zu korrigieren, die auf die Bedingung zur Unterdrückung der Störung eingestellt sind, zu einer Bedingung, die dem Sollwert folgt, so daß es möglich ist, sowohl Kennlinien einer Störunterdrückung als auch eines Folgens eines Sollwertes zu realisieren. Weiterhin ist es möglich, (2) die Konstanten für die Bedingung der Störunterdrückung und für die Bedingung des Folgens eines Sollwertes unabhängig einzustellen, so daß es möglich ist, die optimale Bedingung für beide frei auszuwählen. Darüber hinaus, (3) da die Einstellparameter nach einem Einstellen der Regelkonstanten zum Optimieren der Antwort des Regelwertes PV auf den Sollwert SV ausgewählt werden können, wird eine Einstellung an jener Stelle bis zu jenem Ausmaß möglich, das zu der Zuverlässigkeit, Leichtigkeit und Schnelligkeit der Einstellung führt. Weiterhin, (4), hat sie einen Aufbau, der durch bloßes Hinzufügen der Funktion der Kompensations- Operationseinheit 33 zu der Regel-Operationseinheit 39 realisiert werden kann, so daß sie leicht auf eine existierende Regelvorrichtung anwendbar ist. Schließlich, (5), da sie die Integrationszeit TI kompensieren kann, ist es, obwohl äquivalent, was bis jetzt für unmöglich gehalten wurde, möglich, die Regelbarkeit für insbesondere den Integrationsprozeß (astatischer Prozeß) auch signifikant zu verbessern. Dies ist deshalb so, weil, im Gegensatz zu der Endlichkeit der Integrationszeit für die optimale Kennlinien-Bedingung zum Unterdrücken der Störung die Integrationszeit für die optimalen Kennlinien-Bedingungen zum Folgen des Sollwertes unendlich gemacht werden muß, so daß es notwendig ist, einen Aufbau zuzuteilen, der es möglich macht, die Integrationszeit zu ändern, um die optimale Regelbarkeit für beide Bedingungen zu erhalten. Weiterhin wird auch beim CHR-Verfahren, das in Fig. 2 gezeigt ist, die Integrationszeit allein durch verschiedene Parameter bestimmt, nämlich durch die Totzeit L des Regelobjekts zur Unterdrückung der Störung und durch die Zeitkonstante T des Regelobjekts für den Sollwert, so daß seine Kompensation absolut notwendig zum Verbessern der Regelbarkeit ist.
Voranstehend ist in der Beschreibung für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Erläuterung unter der Annahme durchgeführt worden, daß die Regel-Operationseinheit 39 jede Operation der proportionalen, der integrierenden und der differenzierenden Operation ausführt, und die Kompensations-Operationseinheit 33 auch die entsprechenden Operationen, nämlich die proportionale, die integrierende und die differenzierende Operation, ausführt. Jedoch muß bei der vorliegenden Erfindung die Regel-Operationseinheit 11 nur einen Aufbau haben, der wenigstens eine integrierende Operation ausführt, die das Kernstück zum Verbessern der Regelbarkeit bildet. Anders ausgedrückt, besteht der Geist der Erfindung in einer Einstellung der Integrationszeiten sowohl für die Kennlinien, die dem Sollwert folgen, als auch den Kennlinien zur Unterdrückung der Störung. Die Kompensations-Operationseinheit 10 muß auch einen Aufbau haben, der die äquivalente integrierende Kompensationsoperation eines Verzögerungselements als Zentrum hat, was eine Integration allein oder eine selektive Kombination aus Integration und proportionaler Operation oder Differentiation ist, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Folge-Antwort auf den Sollwert. Beispielsweise kann, wenn eine Regelung des Überschwingens allein das ist, was benötigt wird, eine Kompensation nur eine Integration sein, und man muß sie nur mit einer proportionalen oder differenzierenden Operation kombinieren, oder sowohl der proportionalen als auch der differenzierenden Operation, und zwar in Abhängigkeit von dem Verbesserungsgrad der Anstiegskennlinien der Antwort.
Darüber hinaus würde bei der obigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels Gebrauch gemacht von einer nicht perfekten Differentiation, die im allgemeinen häufig verwendet wird als die differenzierende Operation für die Regel-Operationseinheit 39. Jedoch muß nicht gesagt werden, daß ähnliche Effekte durch das Verwenden der perfekten Differentiation erhalten werden können. Anders ausgedrückt ist mit Differentiation gemeint, daß sowohl die perfekte als auch die nichtperfekte Differentiation enthalten ist.

[Sollwert-Kompensation]

Die vorliegende Erfindung kann auch auf ein Prozeß- Regelsystem angewendet werden, bei dem der Sollwert in der Vorstufe einer Abweichungs-Operationseinheit bearbeitet wird durch eine Kompensationseinheit, die keinen Einfluß auf die Kennlinien zum Unterdrücken der Störungen bringt, die auf das System wirken.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 12 bis 22 werden ein zweites bis sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hier sind Bauteilen, die zu jenen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, identische Symbole zugeordnet, um eine weitere Erklärung weglassen zu können.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat eine Kompensations- Operationseinheit 47 in der Vorstufe der Abweichungs- Operationseinheit 35 für den Sollwert SV. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird zum virtuellen Kompensieren bei der Regel-Operationseinheit 39 für eine Änderung des Sollwertes die Regelkonstanten KP, TI und TD, die auf die optimale Bedingung zum Unterdrücken der Störung eingestellt sind, zu jenen für die optimale Bedingung zum Folgen des Sollwertes die Kompensationsmenge a(s) von der Kompensations- Operationseinheit 33 einmal bei der Regel-Operationseinheit 39 unter der Bedingung zum Unterdrücken der Störung berechnet, einschließlich der Abweichung aufgrund der Änderung des Sollwertes. Das Ergebnis der Berechnung wird durch Addieren von ihm zu dem eingestellten Ausganssignal kompensiert. Gegensätzlich dazu wendet die Kompensations- Operationseinheit 47 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kompensationsoperation für eine Änderung des Sollwertes SV an, die die vorbestimmten Regelkonstanten zum Unterdrücken der Störung der Regel- Operationseinheit zu der Kompensationsmenge ändert, die virtuell zu den Regelkonstanten für die Bedingung zum Folgen des Sollwertes korrigiert. Das Ergebnis der Kompensationsoperation wird der Abweichungs- Operationseinheit 39 zugeführt.
Die Regelantwort des in Fig. 12 gezeigten vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nämlich durch die folgende Gleichung dargestellt.
Aus Gleichung (28) wird gesehen, daß es zum Manipulieren der Antwort auf den Sollwert SV ohne Ändern der Antwort auf die Störung nur nötig ist, die Übertragungsfunktion H(s)·C(s) zu ändern.
Fig. 13 zeigt die Übertragungsfunktionen der zweiten bis vierten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, bei denen eine Führungs-/Verzögerungs-Operationseinrichtung als die Kompensations-Operationseinheit 47 verwendet wird. In dieser Figur sind auch die Gesamt-Einstellmoden entsprechend jedem Ausführungsbeispiel gezeigt.
In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck "Gesamt- Einstellmodus" erklärt, der in der Beschreibung verwendet wird. Es gibt vier unterschiedliche Symbole, aus denen der Ausdruck zusammengesetzt ist, nämlich P, I, D und Bindestrich. Ausdrücke ohne Bindestrich entsprechen den Systemen vom Typ mit einem Freiheitsgrad. Beispielsweise drückt PI-Modus ein System aus, das nur bezüglich einer Proportionsrate und einer Integrationszeit sowohl für die Kennlinien zum Folgen des Sollwertes als auch für die Unterdrückung von Störungen, die auf das System wirken, geregelt werden kann. Mit einem Bindestrich können Einstellmoden mit unterschiedlichen Regelmoden für die zwei Kennlinien ausgedrückt werden. Symbole, die einem Bindestrich vorangehen, beziehen sich auf den Einstellmodus der beiden Kennlinien, während Symbole nach dem Bindestrich nur die Kennlinien zum Unterdrücken der Störung ausdrücken. Beispielsweise stellt I-P einen Einstellmodus dar, bei dem eine Integrationszeit für beide Kennlinien eingestellt werden kann, während nur die Störunterdrückungs-Kennlinien einer proportionalen Operation unterzogen werden. Wenn voranstehende und nachfolgende Symbole dasselbe Symbol sind, bezeichnet der Ausdruck ein System vom Typ mit zwei Freiheitsgraden. In einem Fall, in dem drei Sätze von Symbolen miteinander durch zwei Bindestriche verbunden sind, zeigt der vorangehende Modus jenen für die dem Sollwert folgende Kennlinien, der letzte Modus zeigt jenen für die Störunterdrückungs-Kennlinien, und der mittlere Modus dazwischen zeigt die beiden. Beispielsweise drück P-I-P einen Einstellmodus aus, in dem die Proportionsraten- Einstellung zwei Freiheitsgrade aufweist, und in dem die Integrationsoperation mit einem Freiheitsgrad für die beiden Kennlinien ausgeführt wird.

(1.1) Nr. 1.1 Standard-PI-Regelung

Wenn α = 1 . . . . . Dies führt zu H(s) = 1, was die Standard- PI-Regelung nach dem Stand der Technik ist.

(1.2) Nr. 1.2 P-I-Regelung

Wenn α = 0 . . . . . . Es wird
H(s) = 1/1+T&sub1;·s
erhalten, was die PID-Regelung mit Filter für den Sollwert ist. In diesem Fall werden die PI-Parameter für eine PI- Regelung auf die optimalen PI-Parameter für eine Störunterdrückung eingestellt, und die Zeitkonstante für Führungs-/Verzögerungs-Operationseinrichtung 31 wird auf die Integrationszeit TI eingestellt. Durch einen derartigen Aufbau erreicht man ein Optimum sowohl für Variationen von Störungen als auch für Änderungen des Sollwertes, wodurch ein Regelsystem mit zwei Freiheitsgraden erhalten wird.
Für Änderungen des Prozeßwertes PV wird
erhalten, was eine PI-Operation darstellt.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) wird
H(s) · C(s)
erhalten, wovon man sagen kann, daß dies das sogenannte I-P- Regelsystem darstellt.

(1.3) Einstell-Nr. 1.3 P-I-P-Regelung

Wenn 0 < α < 1 . . . . . . In diesem Fall wird
erhalten, was unter einem Gesamtgesichtspunkt eine P-I-P- Regelung darstellt, wie der folgende Beweis zeigt. Dies bedeutet, daß 1 (eine Integration) gleichzeitig an dem Sollwert und dem Prozeßwert arbeitet, und P (proportional) bedeutet, daß die Werte für die Änderungen des Sollwertes und die Werte für die Änderungen des Prozeßwertes unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Für Änderungen des Prozeßwertes PV ergibt sich
was eine PI-Operation darstellt.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt sie zu
H(s) · C(s)
Verglichen mit Gleichung (29) bedeutet der obige Ausdruck eine Addition eines proportionalen Ausdrucks von KP · α für die Änderungen des Sollwertes SV, so daß er zeigt, daß die Kennlinien zum Folgen der Änderungen des Sollwertes durch Verändern des Wertes von α verbessert werden können, ohne die Kennlinien für die externen Störungen zu ändern.
Fig. 14(A) zeigt das Ausgangssignal der Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinrichtung 31 für verschiedene Werte von α, nämlich für α = 0, α = 1 und 0 < α < 1, wenn es eine stufenähnliche Änderung des Sollwertes SV gibt. Anderseits zeigt Fig. 14(B) die Änderungen des Prozeßwertes PV entsprechend den obigen Fällen.

2.1 Einstell-Nr. 2.1 Standard-PID-Regelung

Wenn α = 1 und δ = 1, führt dies zu H(s) = 1, was der Standard-PID-Regelung nach dem Stand der Technik entspricht.

2.2 Einstell-Nr. 2.2 I-PD-Regelung

Wenn α = 0 und δ = 0, wird
erhalten, was der PID-Regelung mit Filter für den Sollwert entspricht. In diesem Fall werden die PID-Parameter für die PID-Regelung auf die optimalen Parameter zum Unterdrücken einer Störung eingestellt, und die Parameter für die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinrichtung 31 werden auch auf dieselben PID-Parameter eingestellt. Durch diesen Aufbau wird er ein Optimum für die Veränderungen der Störungen und auch für die Änderung des Sollwertes, was ein PID-Regelsystem mit zwei Freiheitsgraden realisiert.
Für Veränderungen des Prozeßwertes (PV) ergibt sich
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt sie zu
H(s) · C(s)
= Kp/T&sub1;·s (31)
Von dieser Gleichung kann gesagt werden, daß sie dem sogenannten I-PD-Regelsystem entspricht.

(2.3) Einstell-Nr. 2.3 P-PI-PD-Regelung

Wenn 0 < α < 1 und δ = 0, wird
erhalten. Dies entspricht insgesamt der P-I-PD-Regelung, wie der folgende Beweis zeigt. Dies bedeutet, daß I (Integration) gemeinsam an dem Sollwert und dem Prozeßwert arbeitet, P (proportional) die Werte für die Veränderungen des Sollwertes unabhängig von den Werten für die Veränderungen des Prozeßwertes einstellt, und D (Differentiation) nur an dem Prozeßwert arbeitet.
Für Änderungen des Prozeßwertes ergibt sich
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen in des Sollwertes führt dies zu
H(s) · C(s)
Verglichen mit Gleichung (31) ist dieser ein Proportionalausdruck KP · α für Veränderungen des Sollwertes hinzugefügt, so daß es möglich ist, die Kennlinien zum Folgen der Änderungen des Sollwertes durch Verändern des Wertes von α zu verbessern, ohne die Kennlinien zum Unterdrücken der Störungen zu ändern. Anders ausgedrückt entspricht dies dem P-I-PD-Regelsystem.

(2.4) Einstell-Nr. 2.4 D-I-PD-Regelung

Wenn α = 0 und 0 < δ < 1, wird
erhalten. Es kann gezeigt werden, daß dies einem gesamten D-I-PD-Regelsystem entspricht, wie der folgende Beweis zeigt. Anders ausgedrückt ergibt sich für Änderungen des Prozeßwertes:
was der PID-Operation entspricht.
Für den Sollwert führt dies zu
H(s) · C(s)
Dies entspricht der ID-Operation für Änderungen des Sollwertes.
Die obigen Ergebnisse zusammenfassend entspricht dies daher insgesamt einem D-I-PD-Regelsystem.

(2.5) Einstell-Nr. 2.5 PD-I-PD-Regelung

Wenn = < α < 0 und 0 < δ < 1, wird
erhalten, was insgesamt dem PD-I-PD-Regelsystem entspricht, wie der folgende Beweis zeigt.
Anders ausgedrückt führt dies für Änderungen des Prozeßwertes zu
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes ergibt sich:
H(s) · C(s)
was bedeutet, daß dies der PID-Operation für Änderungen des Sollwertes entspricht.
Das Obige zusammenfassend entspricht dies daher dem PD-I-PD- Regelsystem.

(3.1) Einstell-Nr. 3.1 PID-Steuerung mit Differentiation für PV

In Fig. 15 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Führungs-/Verzögerungs- Operationseinrichtung zwei Elemente 47 und 47b, die aufeinanderfolgend verbunden sind.
In diesem Fall sind die Übertragungsfunktionen für die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinrichtung und andere in Fig. 2 gezeigt. In der Tabelle ist eingestellt:
H1 = δ · TD
H2 = γ · δ TD = γ · H&sub1;, (γ = 0,1-0,3)
Hier ist γ = 0,1 in dem Fall analoger Einstellvorrichtungen, aber γ = 0,3 oder so ist in dem Fall einer digitalen Operation geeignet.
(Fall eines Einstellens auf α = 1 und δ = 0)
Wenn α = 1 und δ = 0 wird die Übertragungsfunktion für das Führungs-/Verzögerungselement H(s) = 1, was der PID-Regelung mit Differentiation für PV nach dem Stand der Technik entspricht.

(3.2 Einstell-Nr. 3.2 I-PD-Regelung

(Fall eines Einstellens auf α = δ = 0)
Wenn α = δ = 0, wird die Übertragungsfunktion für das Führungs-/Verzögerungselement:
H(s)= 1/1+T&sub1;·s
Dies zeigt, daß das Filter für den Sollwert die PID-Regelung mit Differentiation für PV wird, aber es kann durch den folgenden Beweis gezeigt werden, daß es der I-PD-Regelung entspricht.
Für Änderungen des Prozeßwertes (PV) ergibt sich:
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt dies zu:
was der I-Operation entspricht.
Daher entspricht die insgesamt der sogenannten I-PD-Regelung.

(3.3) Einstell-Nr. 3.3 P-I-PD-Regelung

(Fall eines Einstellens auf 0 < α < 1 und δ = 0)
Wenn 0 < α < 1 und δ = 0, ist die Übertragungsfunktion für das Führungs-/Verzögerungselement gegeben durch:
was insgesamt der P-I-PD-Regelung entspricht, wie der folgende Beweis zeigt.
Für Änderungen des Prozeßwertes (PV) ergibt sich
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt dies zu
H(s) · C(s)
was der PI-Operation entspricht.
Daher entspricht dies insgesamt der P-I-PD-Regelung.

(3.4) Einstell-Nr. 3.4 D-I-PD-Steuerung

(Fall eines Einstellens auf α = 0 und 0 < δ < 2)
Wenn α = 0 und 0 < δ < 2, ist die Übertragungsfunktion für das Führungs-/Verzögerungselement gegeben durch
wovon gemeint werden kann, daß dies der D-I-PD-Regelung entspricht, wie der folgende Beweis zeigt.
Für Änderungen des Prozeßwertes (PV) ergibt sich:
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt dies zu
H(s) · C(s)
was der ID-Operation entspricht.
Daher entspricht dies insgesamt der D-I-PD-Regelung.

(3.5) Einstell-Nr. 3.5 PD-I-PD-Regelung

(Fall eines Einstellens auf 0 < α < 1 und 0 < δ < 2)
Wenn 0 < α < 1 und 0 < δ < 1, wird die Übertragungsfunktion für das Führungs-/Verzögerungselement:
was der PD-I-PD-Regelung entspricht, wie es folgender Beweis zeigt.
Für Änderungen des Prozeßwertes (PV) ergibt sich:
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt sie zu:
H(s) · C(s)
was der PID-Operation vom Interferenztyp entspricht.
Daher entspricht sie insgesamt der PD-I-PD-Regelung.

(3.6) Einstell-Nr. 3.6 Standard-PID-Regelung

(Fall eines Einstellens auf α = 1 und δ = 1)
Wenn α = 1 und δ = 1 wird die Übertragungsfunktion für das Führungs-/Verzögerungselement:
was angesehen werden kann, als ob es der Standard-PID- Regelung entspricht, wie es der folgende Beweis zeigt.
Für Änderungen des Prozeßwertes (PV) ergibt sich:
was der PID-Operation entspricht.
Für Änderungen des Sollwertes (SV) führt sie zu:
H(s) · C(s)
was der PID-Operation vom Interferenztyp entspricht.
Daher entspricht sie insgesamt der Standard-PID-Regelung.

(4) PID-PI-Regelung

Es ist möglich, Übertragungsfunktionen des Systems in Fig. 12 derart zu bestimmen, daß ein Standard-PID-Regelsystem für eine System-Übertragungsfunktion aufgebaut wird, wie sie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut ist.
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel wird zum Vereinfachen der Erklärung eine Beschreibung unter Verwendung einer Übertragungsfunktion für die Regel-Operationseinheit 39 durchgeführt, die, wie es durch Gleichung (39) gezeigt ist, beide Operationen, nämlich die proportionale und die integrierende Operation ausführen kann. Wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ist es natürlich richtig, daß die Operation auf jede Weise mit einer proportionalen oder differenzierenden Operation kombiniert werden kann, die man wünscht, wenn sie wenigstens eine integrierende Operation enthält.
In Gleichung (40) ist
die Proportionalverstärkungs- Kompensationskomponente für ein Führungs-/ Verzögerungselement,
ist die Kompensationskomponente für die äquivalente Integrationszeit aufgrund des Verzögerungselements erster Ordnung, und
ist die Kompensationskomponente für die Integrationszeit. Ein funktionales Blockdiagramm für diese Elemente ist so, wie es durch Fig. 12 gezeigt ist.
Die Proportionalverstärkungs-Kompensationskomponente, wie sie durch Fig. 18(A) gezeigt ist, kann eine stufenartige Änderung des Sollwertes SV als eine Kombination einer Verstärkung, die dem Wert von α aufgrund des Führungselements entspricht, und einer Funktion einer Verzögerung erster Ordnung aufgrund des Verzögerungselements kompensieren. Die Antwort auf den Regelwert PV ist so, wie es durch Fig. 18(B) gezeigt ist.
Gemäß der durch Fig. 18(B) gegebenen Antwort wird dann, wenn α = 0, wenn nämlich die Änderung des Sollwertes SV nur aus einer Funktion erster Ordnung besteht, keine Überschwingung erzeugt, aber es gibt eine Verzögerung beim Anstieg. Wenn α ≥≥≥ 1, zeigt der Regelwert PV eine bemerkenswerte Überschwingung, weil die Änderung des Sollwertes zu der Regel-Operationseinheit 11 wie er ist oder mit α multipliziert ausgegeben wird. Unter einem solchen Umstand wird die Antwort auf den Regelwert PV auf die optimale Bedingung durch Verändern des Wertes von α eingestellt, so daß α ähnlich zu dem Fall von Gleichung (7) bestimmt werden kann. Weiterhin kann die Führungs-/Verzögerungsoperation für die Proportionalverstärkungs-Kompensation verschiedene Arten eines Aufbaus annehmen, wie beispielsweise die Form einer Übertragungsfunktion zweiter Ordnung oder ähnliches.
Weiterhin ist die Kompensationskomponente für die Integrationszeit, wie es im Zusammenhang mit Fig. 2 erklärt ist, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch derart gebildet, daß die Integrationszeit durch ein Verzögerungselement äquivalent geändert wird, um dem Grenzwert-Theorem zu genügen. Der Einstellparameter β wird ähnlich zu jenem des ersten Ausführungsbeispiels bestimmt.
Darüber hinaus ändert die Kompensationskomponente für die Vorhaltezeit den Betrag einer nicht perfekten Differentiation entsprechend der Änderung des Sollwertes SV mittels des Einstellparameters γ, wie es durch Fig. 19(A) gezeigt ist. Dadurch kann die Antwort auf den Regelwert PV wie auf den Anstiegskennlinien mit fast keinem Einfluß auf die Überschwingung verbessert werden.
Als nächstes wird die Operation des sechsten Ausführungsbeispiels beschrieben. Da das Einstellverfahren für die Regelkonstanten und die Einstellparameter gleich jenem bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ist, wird eine weitere Erklärung weggelassen. Zuerst führt dann, wenn eine Störung bzw. eine Störgröße D auf das geregelte Objekt 37 aufgeprägt wird, die Regel-Operationseinheit 39 jede der proportionalen, der integrierenden und der differenzierenden Operationen basierend auf den Regelkonstanten KP, TI und TD aus, die auf die Kennlinien-Bedingung eingestellt sind, um die Änderung des Regelwertes PV schnell zu unterdrücken. Das eingestellte Ausgangssignal wird dem Regelobjekt 37 als manipulierter Wert MV zugeführt. Wenn es eine Änderung des Sollwertes SV in diesem Zustand gibt, wird die Änderung auf den geänderten Wert SV' durch die proportionale, integrierende und differenzierende Kompensationsoperation korrigiert, der die Regelkonstanten KP, TI und TD in der Regel-Operationseinheit 39 zu der optimalen Kennlinien- Bedingung zum Folgen des Sollwertes KP*, TI* und TD* virtuell korrigiert. Der geänderte Wert SV' wird bei der Abweichungs-Operationseinheit 35 mit dem Regelwert PV verglichen, und die Abweichung E wird der Regel- Operationseinheit 39 zugeführt. Bei der Regel- Operationseinheit 39 wird an der Abweichung E eine Operation angewendet, um eine optimale Charakeristiken-Bedingung zum Unterdrücken der Störung zu ergeben. Da jedoch zuvor eine Kompensation bezüglich des geänderten Betrags des Sollwertes gegeben ist, wird sie zu dem Regelobjekt 37 als ein manipulierter Wert MV bei der optimalen Kennlinien-Bedingung zum Folgen des Sollwertes ausgegeben. Auf diese Weise antwortet das Regelobjekt 37 optimal sowohl auf die Störung D als auch den Sollwert SV.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Beschreibung ähnlich zu dem vorangehenden Ausführungsbeispielen unter der Annahme durchgeführt, daß alle Operationen, nämlich die proportionale, die integrierende und die differenzierende Operation, sowohl bei der Regel-Operationseinheit 39 als auch der Kompensations-Operationseinheit 47 durchgeführt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann jedoch, wenn die Regel-Operationseinheit 39 wenigstens eine integrierende Operation enthält und die Kompensations-Operationseinheit 47 einen Aufbau hat, der eine entsprechende Kompensationsoperation ausführen kann, z. B. einen Aufbau, der durch Fig. 20 gezeigt ist (gemäß dem nur eine integrierende Kompensation realisiert werden kann), der Rest in Abhängigkeit von der gewünschten Prozeßantwort selektiv kombiniert werden.
Darüber hinaus kann, wenn der Blockaufbau durch Erreichen identischer Funktionen vereinfacht werden soll, wie bei dem Aufbau, der in Fig. 12 gezeigt ist, er organisiert werden, wie es durch Fig. 15 gezeigt ist.
Weiterhin muß dann, wenn nur die differenzierende Kompensationsoperation in der Kompensations- Operationseinheit 47 auszuführen ist, sie nur α und β in Gleichung (40) auf Null setzen, so daß sie gebildet werden kann, wie in Fig. 16. Die Differentiation darin enthält wie zuvor sowohl die perfekte als auch die nicht perfekte Differentiation.
In Fig. 23 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das vom separierten Operationstyp ist.
Wie es in der Figur gezeigt ist, hat die Regelung spezielle Merkmale, die sich von der PID-Regelung unterscheiden, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, und zwar darin, daß sie mit einem Verzögerungsfilter 55 erster Ordnung in dem integrierenden Regelelement versehen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zuerst der Sollwert SV parallel zu der ersten Koeffizienteneinheit 19, der zweiten Koeffizienteneinheit 23 und dem Verzögerungsfilter 55 erster Ordnung eingegeben. In der ersten Koeffizienteneinheit 19 wird der Sollwert SV mit einem Koeffizienten α multipliziert, und die Abweichung E&sub1; bei einem ersten Subtrahierer 25 zwischen dem Ausgangssignal α · SV und dem Prozeßwert PV, der an einem geregelten Objekt 37 erfaßt wird, berechnet. In der zweiten Koeffizienteneinheit 23 wird der Sollwert mit einem Koeffizienten δ multipliziert, das Ausgangssignal δ · SV wird einem zweiten Subtrahierer 25 eingegeben, die Abweichung E&sub2; zwischen dem Prozeßwert PV wird berechnet, und die Abweichung E&sub2; wird einer differenzierenden Operation mit einer Vorhaltezeit TD in einer Differenzier- Operationseinheit 27 unterzogen. Das Verzögerungsfilter 55 erster Ordnung dient zum Ausgeben des Sollwertes SV durch Angeben einer Zeitverzögerung entsprechend seiner Änderung, sein Ausgangssignal wird einem dritten Subtrahierer 15 eingegeben, um die Abweichung E&sub3; zwischen dem Prozeßwert PV zu berechnen, und die Abweichung E&sub3; wird einer integrierenden Operation mit einer Integrationszeit TD in einer Integrier-Operationseinheit 17 unterzogen.
Dann werden die Abweichung E&sub1;, der differenzierte Wert der Abweichung, die durch die Differenzier-Operationseinheit 27 erhalten wird, und der integrierte Wert der Abweichung E&sub3; von der Integrier-Operationseinheit 17 einem Addierer 29 eingegeben, und nach einem Zusammensetzen von ihnen durch eine Addition wird das Ergebnis einer Proportional-Einheit 31 eingegeben, wo es mit einer Proportional-Verstärkung KP multipliziert wird, und das Ergebnis wird dem Regelobjekt 11 als ein manipuliertes Signal MV aufgeprägt. Durch den obigen Aufbau wird eine Regelung ausgeführt, um den Prozeßwert PV dem Sollwert SV gleichzumachen.
Ein Aufbau wie oben ist derart eingerichtet, daß er gleichzeitig sowohl das "Folgen einem Sollwert" als auch eine "Störunterdrückung" durch Einstellen der PID-Parameter KP, TI und TD der Koeffizienten α und δ und der Zeitkonstante To des Verzögerungsfilters 55 erster Ordnung optimieren kann.
(I) Zuerst wird jeder der PID-Parameter KP, TI und TD auf die optimalen Parameter für eine Störung eingestellt.
Wie es aus diesem Aufbau gesehen werden kann, arbeitet die Regelung 1 auf identische Weise zu der Standard-PID-Regelung für den Prozeßwert PV. Daher wird durch das obige Einstellen eine Operation gemäß den optimalen Parametern für eine Störung KP, TI und TD für den Prozeßwert PV erhalten, so daß die Antwort auf die Störungen zufriedenstellend sein wird.
(II) Als nächstes werden die Koeffizienten α und δ wie folgt basierend auf der optimalen Proportionalverstärkung oder der Störung KP, die optimale Haltezeit für die Störung TD, die optimale Proportionalverstärkung für den Sollwert KP*, die optimale Haltezeit für den Sollwert TD* unter den optimalen Parametern für eine Störung und für einen Sollwert der Standard-PID-Regelung eingestellt.
α = KP*/KP (41)
δ = α · TD*/TD (42)
Bei der Regelungsvorrichtung 1 ist die aktuelle Proportionalverstärkung α · KP und die aktuelle Haltezeit ist δ · KP · TD für den Sollwert SV, und zwar aufgrund der Handlung der Koeffizienten α und δ. Daher werden durch Einstellen der Koeffizienten α und δ, wie oben, die aktuelle Proportionalverstärkung und die aktuelle Haltezeit für den Sollwert SV KP* bzw. KP* · TD*, da KP und TD schon auf KP und TD eingestellt sind. Es werden nämlich für den Sollwert SV Proportional- und Differenzier-Operationen erhalten, die dieselben wie ein Einstellen der Standard-PID-Regelung auf die optimalen Parameter für einen Sollwert KP*, TI* und TD* sind.
(III) Als nächsten wird durch Einstellen der Zeitkonstante To die aktuelle Integrationszeit für den Sollwert SV derart geregelt, daß sie gleich der Integrationszeit TI*/KP* ist, die erhaltbar ist, wenn die Standard-PID-Regelung auf die optimalen Parameter für einen Sollwert KP*, TI* und TD* eingestellt ist.
Die Einstellung der Zeitkonstante To kann beispielsweise durchgeführt werden, wie es in der vorangehenden Beschreibung für das erste Ausführungsbeispiel gelehrt ist.
Im Schritt (I) wird die Integrationszeit TI für die Integrier-Operationseinheit 17 auf die optimale Integrationszeit Tor für eine Störung eingestellt. Daher wird die Übertragungsfunktion für eine integrale Operation für den Sollwert SV:
1/(TI·s·(1+To·s)) = 1/(TI·s) - (To/TI)/(1 + To·s)
Die Antwort-Kennlinien des Ausgangssignals ID&sub3; für ein Einheitsstufen-Eingangssignal der Übertragungsfunktion Gi(s) sind in Fig. 24 gezeigt. In dieser Figur ist die Antwort des Systems gezeigt, wenn To = TI/2 oder TI ist, wie auch die Antwort des Verzögerungsfilters 79 erster Ordnung allein.
Hier wird für Änderungen des Eingangssignals die Regelung im allgemeinen in einem Bereich eines kleinen Wertes einer Zeit verwendet, z. B. in dem Zeitbereich, der geringer als die Zeit T&sub1; der Figur ist. Daher entspricht ein Anwachsen der Zeitkonstante To einem Abfallen der Neigung des Anstiegs der Kurve, was in etwa äquivalent einem Anwachsen der Integrationszeit TI/2 für den Sollwert SV ist. Daher muß man nur die Zeitkonstante To schrittweise von "0" erhöhen, um sie auf einen Wert einzustellen, für den eine aktuelle Integrationszeit für den Sollwert SV äquivalent dem Fall des Einstellens der Proportionalverstärkung KP auf die optimale Proportionalverstärkungs KP* für einen Sollwert und der Integrationszeit TI auf die optimale Integrationszeit TI* für einen Sollwert ist.
Durch Einstellen der Koeffizienten α und δ und der Zeitkonstante To wie in den Schritten (II) und (III), kann durch diese eine Regeloperation erhalten werden, die den optimalen Parametern für einen Sollwert KP*, TI* und TD* folgt, so daß eine Antwort erhalten wird, die beim Folgen des Sollwertes zufriedenstellend ist.
Im Folgenden wird das Operationsverfahren des Bedieners und das Einstellverfahren der Parameter für die Schritte (I), (II) und (III) durch das Verwenden des astatischen Prozeßmodells beschrieben.
(I) Zuerst ändert der Bediener den Sollwert schrittweise um einen vorbestimmten Betrag in dem Zustand vor einem Verändern der Koeffizienten α und δ zum Optimieren für den Sollwert, um die PID-Parameter KP, TI und TD auf die optimalen Parameter für eine Störung einzustellen. Dann erzeugt diese Änderung in dem Prozeß Veränderungen des Prozeßwertes PV, die ähnlich den Veränderungen aufgrund von Störungen sind, und die optimalen Parameter für eine Störung werden eingestellt, um diese Veränderungen zu optimieren. Ein Beispiel einer derartigen Operation ist in Fig. 5 mit KP = 0,188, TI = 14,6 (mi.) und TD = 1,98 (min) gezeigt.
(II) Wenn die Parameter für eine Störung im Schritt (I) einmal eingestellt sind, stellt der Bediener als nächstes die Koeffizienten α und δ ein, um die Veränderungen aufgrund des Sollwertes zu optimieren.
Es wird nämlich aus Fig. 5 zu sehen sein, daß die optimale Proportionalverstärkung für eine Störung KP, die optimale Proportionalverstarkung für einen Sollwert KP*, die optimale Vorhaltezeit für eine Störung TD und die optimale Vorhaltezeit für einen Sollwert TD* jeweils durch das Folgende vorgegeben sind:
KP = 0,118, KP* = 0,126, TD = 0,198 (min.), TD* = 2,04 (min.).
Durch Einsetzen der obigen Werte in die Gleichungen (2) und (3) werden die Koeffizienten folgendermaßen eingestellt:
α = KP*/KP = 0,126/0,188 = 0,67, δ = α · TD*/TD = 0,67 · 2,04/1,98 = 0,69.
(III) Als nächstes wird die Zeitkonstante To wie folgt eingestellt:
Da die Integrationszeit TI auf die optimale Integrationszeit für eine Störung TI = 14,6 (min.) eingestellt ist, muß nämlich die Zeitkonstante To nur für den Sollwert SV eingestellt werden, als ob sie auf die optimale Integrationszeit für einen Sollwert von TI* = ∞ eingestellt wird. Beispielsweise ist die Auswahl von To = TI = 14,6 (min.) für praktische Zwecke ausreichend.
Durch das Einstellen in jedem der Schritte (I), (II) und (III) wird eine Antwort der Regelungsvorrichtung 1 erhalten, die für eine Stufenstörung gleich bzw. ähnlich dem Fall ist, in dem die Standard-PID-Regelung auf die optimalen Parameter für eine Störung KP, TI und TD eingestellt ist, wie es durch die Kurve (A) der Fig. 6 gezeigt ist, und ist für eine Einheitsstufenänderung des Sollwertes SV ähnlich dem Fall, in dem die Standard-PID-Regelung auf die optimalen Parameter für einen Sollwert KP*, TI* und TD* eingestellt ist, wie es durch die Kurve (C) der Fig. 7 gezeigt ist. Anders ausgedrückt kann der Prozeß sowohl für eine "Störunterdrückung" als auch ein "Folgen eines Sollwertes" optimiert erden.
Als Ergebnis wird die Antwort auf eine Einheitsstufe in dem Fall, wenn der Prozeß 11 beispielsweise durch ein Element "Verzögerung erster Ordnung + Totzeit" aufgebaut ist, wie es in Fig. 25 gezeigt ist. Die Regelbarkeit gegenüber Veränderungen bezüglich einer Störung ist nämlich zufriedenstellend, ohne einen Versatz zu erzeugen, auch wenn die Zeitkonstante To anwächst, während die Regelbarkeit für Veränderungen eines Sollwertes ein hohes Maß eines Folgens mit geringem Überschwingen aufweist.
Zusätzlich gibt es bei dieser Regelung für die gesamte Regelung keine Notwendigkeit zum Ausführen einer komplizierten Verarbeitung, die die Regelparameter durch gleichzeitiges Inbetrachtziehen der Ansprechbarkeit der Regelung auf die Störungen und die Veränderungen des Sollwertes bestimmt, um die Antwort auf die Störungen und auf die Veränderungen des Sollwertes zu optimieren. Das bedeutet, daß die Einstellung extrem leicht ist und ein einfaches Einstellverfahren erfordert, wie es durch die Schritte (I) bis (III) einzeln und unabhängig für jede Regelschleife gezeigt ist, und daß sie schließlich ausreichend ist durch eine Einstellung an der Konsole durch den Bediener.
Es sollte angemerkt werden, daß die Optimierung eines astatischen Prozesses, der oben erklärt ist, die schwierigste ist, aber die Optimierung wird weiterhin erleichtert, wenn es ein "Verzögerung erster Ordnung + Leerlaufzeit"-Prozeß (e-L S/(1+TI·S)) oder ein "Verzögerung zweiter Ordnung + Totzeit"-Prozeß (e-L S/(1+TI·S)/(1+T&sub2;·S)) ist, da die optimale Integrationszeit für den Sollwert TI* niemals unendlich werden wird.
Weiterhin sollte erkannt werden, daß die verschiedenen Regelsysteme in der Vergangenheit durch Einstellen der Koeffizienten α und δ auf "1" oder "0" ausgewählt werden können. Beispielsweise wird, wenn die Zeitkonstante zu To = 0 gewählt ist, das Folgende erhalten.
(I) Wenn α = δ = 1
Dies entspricht einem Vernichten der ersten und der zweiten Koeffizienteneinheit 3 und 5, was äquivalent der Standard- PID-Regelung ist.
(II) Wenn α = 1 und δ = 0
Dies entspricht einem Anwenden der Differenzierhandlung auf den Prozeßwert PV allein, was äquivalent der PID-Regelung mit einer PV-Differentiation ist.
(III) Wenn α = 0 und δ = 0
Dies entspricht einem Anwenden der proportionalen und der differenzierenden Handlungen auf den Prozeßwert PV allein, was äquivalent der I-PD-Regelung ist.
Wie oben eliminiert die Prozeßregelung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Defekte der früheren Technologie, und zur gleichen Zeit besitzt sie ein hohes Maß an Regelfähigkeit und eine weite allgemeine Anwendbarkeit bei der Möglichkeit eines freien Auswählens verschiedener Arten früherer Regelsysteme.
Folglich wird es durch das Anwenden der Regelungsvorrichtung 1, verteilt innerhalb der Anlage, möglich, jede Regelung der Anlage sowohl von Störungen als auch Änderungen des Sollwertes zu optimieren. Daher ist es möglich, den schwierigen Anforderungen in den letzten Jahren effektiver zu entsprechen, die zuvor angegeben sind, und zwar mit einem äußerst signifikanten Beitrag für die Industrie.
Es ist für das obige Ausführungsbeispiel anzumerken, daß die Beschreibung in Verbindung mit der perfekten Differentiation (TD·s) durchgeführt wurde. Jedoch wird aus praktischen Gründen eine nicht perfekte Differentiation (TD/(1+γ·TD·s)) verwendet, wobei γ = 0,2-0,3.
In Fig. 26 ist ein Blockdiagramm für die Regelung gezeigt, die ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft.
Wie es in der Figur gezeigt ist, entspricht die Regelungsvorrichtung 31 dem früheren Ausführungsbeispiel, von dem die zweite Koeffizienteneinheit 23, die für die Differentiationshandlung sorgt, und der zweite Subtrahierer 25 und die Differenzier-Operationseinheit 27 weggelassen sind, und sie kann auf den Fall angewendet werden, bei dem die PI-Regelung für einige Prozesse ausreichend ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, gleichzeitig sowohl ein "Folgen eines Sollwertes" als auch eine "Störunterdrückung" in dem Bereich der PI-Regelung zu optimieren, ähnlich zu dem Fall der vorangehenden Ausführungsbeispiele.
Darüber hinaus kann das Folgende als Abänderungen an den Ausführungsbeispielen angesehen werden.
(I) Das Verzögerungsfilter 55 erster Ordnung kann wie folgt abgeändert werden.
1/(1+To·s) = 1 - To·s/(1+To·s)
Daher wird es auch äquivalent der Anordnung des Integrier- Handlungsteils sein, wie es in Fig. 27 gezeigt ist, um die Abweichung E&sub4; zwischen dem Sollwert SV und dem Prozeßwert PV zu berechnen, die Abweichung E&sub3; zwischen der Abweichung E&sub4; und dem Wert des Sollwertes SV, der durch ein Filter 57 ging, das dem zweiten Ausdruck in dem obigen Ausdruck entspricht, zu berechnen, und die Abweichung E&sub3; einem Integrierglied 17 hinzuzufügen.
(II) Um eine Einstellung für die aktuelle Proportionalverstärkung unabhängig von den differenzierenden und integrierenden Handlungen ausführen zu können, kann erneut eine Koeffizienteneinheit an einer Position zwischen dem ersten Subtrahierer 21 und dem Addierer 29 hinzugefügt werden, oder die Proportional-Einheit 31 zu dieser Position verschoben werden.
(III) Neue Koeffizienteneinheiten können jeweils auf den Eingabestrecken des Prozeßwertes PV jeweils zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Subtrahierer 21, 25 und 15 eingefügt werden. Durch eine solche Anordnung wird die optimale Einstellung weiter erleichtert.
Fig. 28 ist ein funktionales Blockdiagramm zum Darstellen des Aufbaus eines siebten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist anstelle der Einheit in Fig. 26 der Operationsausdruck für die Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit 59 durch die folgende Gleichung gegeben:
Wie es aus der Figur klar werden kann, ist eine Operationseinstellung gegeben durch:
für eine Änderung des Prozeßwertes PV, oder
für eine Änderung des Sollwertes. Hier werden die Proportionalverstärkung KP und die Integrationszeit TI auf die optimalen Parameter zum Unterdrücken einer Störung eingestellt.
In Gleichung (45) für eine Änderung des Sollwertes SV ist es eingerichtet, die Integrationszeit allein äquivalent zu verändern, und zwar durch Verändern des Koeffizienten α und des Koeffizienten β in der Führungs-/Verzögerungs- Operationseinheit 59 für den Sollwert, mit dem Integrationsausdruck für eine Störung, die fest auf einem konstanten Wert ist.
Wenn der Integrationsausdruck in Gleichung (45) neu angeordnet wird, wird das folgende Ergebnis erhalten:
In der obigen Gleichung (46) ist der erste Ausdruck auf der rechten Seite ein Integrationsausdruck mit einer Integrationszeit TI und der zweite Ausdruck ist ein Ausdruck für eine integrierte Einstellung aufgrund der Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit 5. Daher ist es möglich, die Integrationszeit Te (äquivalente Integrationszeit) für eine Änderung des Sollwertes durch Verändern des Koeffizienten β in dem Ausdruck für eine integrierte Einstellung der Gleichung (46) zu verändern.
Wenn in Gleichung (46) β = 0 entspricht dies dem Fall, in dem es keine Einstellung für die Integrationszeit gibt, und hat eine äquivalente Integrationszeit Te = Integrationszeit TI zur Folge.
Darüber hinaus resultiert aus β > 0, daß gilt: äquivalente Integrationszeit Te > Integrationszeit TI.
Weiterhin ist es dann, wenn β < 0 ist, leicht zu verstehen, daß man folgendes hat: äquivalente Integrationszeit Te < Integrationszeit TI. Daher kann, wenn die optimale Integrationszeit zum Unterdrücken einer Störung TI einmal bestimmt ist, die äquivalente Integrationszeit Te leicht durch Verändern des Koeffizienten β in derselben Weise verändert werden, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Dann werden die Koeffizienten α und β korrigiert, um die Antwort auf die optimale Bedingung der Kennlinien zum Folgen des Sollwertes hervorzubringen. Beispielsweise dann, wenn eine Simulation durch Verwenden einer Übertragungsfunktion
für ein Regelobjekt 15 ausgeführt wird, ändert sich die Antwort, wie es in den Fig. 29 und 30 gezeigt ist, gemäß den Werten der Koeffizienten α und β.
Änderungen des Koeffizienten, der die Proportionalverstärkung KP unter den Regelkonstanten einstellt, erlauben einem, die Charakteristiken des Anstiegs der Antwortkurve und den Zustand eines Überschwingens der Kurve auszuwählen, wie es in Fig. 29 gezeigt ist, und zwar durch Ändern in dem Bereich 0 < α < 1. Weiterhin dient der Koeffizient β zum Ändern der Integrationszeit TI, und durch Verändern seines Wertes wird es möglich, das Überschwingen der Antwortkurve zu verbessern, wie es in Fig. 30 gezeigt ist, ohne das Ansteigen der Antwortkurve zu beeinträchtigen. Eine aktuelle Simulation offenbarte, daß optimale Kennlinien für α = 0,4 und β = 0,15 erhaltbar sind.
In Fig. 31 ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, und in Fig. 32 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, und in Fig. 32 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hier sind Komponenten, die identisch zu jenen für das in Fig. 28 gezeigte Ausführungsbeispiel sind, identische Symbole zugeordnet, um eine weitere Erklärung weglassen zu können.
Das in Fig. 31 gezeigte Ausführungsbeispiel ist die sogenannte PID-Regelung mit Differentiation an PV. Bei einer Differenzier-Operationseinheit 61 wird eine Differenzieroperation auf den Prozeßwert PV angewendet, und ihr Ausgangssignal wird in einem Addierer 29 zusammen mit den Abweichungen E&sub1; und E&sub2; additiv zusammengesetzt. Die anderen Komponenten sind gleich dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 28 gezeigt ist.
Weiterhin ist das in Fig. 32 gezeigte Ausführungsbeispiel die PID-Regelung des nichtperfekten Differenzier- Operationstyps. Der Sollwert SV wird mit einem Koeffizienten γ bei einer Koeffizienteneinheit multipliziert und eine Abweichung E&sub3; (= γ SV - PV) wird in einem Subtrahierer 65 durch Subtrahieren des Prozeßwertes PV von dem Ausgangssignal γ SV der Koeffizienteneinheit 63 erhalten. Eine Differenzier-Operation wird auf die Abweichung E&sub3; in einer Differenzier-Operationseinheit 61 angewendet, und ihr Ausgangssignal wird in dem Addierer 29 mit den Abweichungen E&sub1; und E&sub2; additiv zusammengesetzt.
Da eine integrale Einstellung aufgrund der Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit 5 auch bei den in den Fig. 31 und 32 gezeigten Ausführungsbeispielen ausgeführt wird, ist es möglich, die Integrationszeit durch Verändern des Koeffizienten β leicht zu ändern.
In Fig. 33 ist ein zehntes Ausführungsbeispiel der Prozeßregelung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hier sind den Komponenten, die zu jenen für das in Fig. 33 gezeigte Ausführungsbeispiel identisch sind, identische Symbole bzw. Zeichen zugeordnet, um eine weitere Erklärung weglassen zu können.
Bei dieser Prozeß-Regelung wird der Sollwert der Koeffizienteneinheit 1 als auch einer Verzögerungs- Operationseinheit 69 eingegeben, und er wird auch der Integrier-Operationseinheit 17 eingegeben, nachdem der Prozeßwert PV von ihm in dem Subtrahierer 15 subtrahiert ist. Das Ausgangssignal, das für die Verzögerung in der Verzögerungs-Operationseinheit 69 berechnet wird, und das Ausgangssignal, das in der Integrier-Operationseinheit 17 integriert wird, werden in einem Subtrahierer 71 subtrahiert, und das Ergebnis wird zu dem Addierer 29 ausgegeben.
Um genauer zu sein, wird die Verzögerungs-Operationseinheit 69 auf eine Verzögerung erster Ordnung eingestellt, die durch β/(1+TI·s) dargestellt wird, so daß das Ausgangssignal von dem Subtrahierer 71 zu dem Addierer 29 einen Ausdruck hat, der nachfolgend gezeigt ist.
Daher sind der Subtrahierer 7 und 71, die Integrier- Operationseinheit 17 und die Verzögerungs-Operationseinheit 69 für eine Führungs-/Verzögerungs-Operationseinrichtung so, daß das manipulierte Signal MV wie folgt dargestellt werden kann:
Es wird aus dem Obigen gesehen werden, daß in der Prozeß- Regelung des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Regelung ähnlich zu jener für den in Fig. 28 gezeigten Fall ausgeführt werden wird. Es ist nämlich für eine Änderung des Sollwertes SV möglich, nur die Integrationszeit für die Sollwertänderung äquivalent zu verändern, und zwar durch Verändern der Koeffizienten α und β, wobei der Integrationsausdruck für eine Störung fest beibehalten werden kann. Zusätzlich hat, im Gegensatz zu dem Fall der Fig. 28, wobei eine Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit erforderlich war; um die Integrationszeit zu verändern, das vorliegende Ausführungsbeispiel einen Vorteil, daß es keine derartige komplizierte Operationseinheit benötigt, sondern mit einem einfachen Verzögerungselement erster Ordnung aufgebaut werden kann.

[Prozeßwert-Kompensationstyp]

Es ist auch möglich, ein verbessertes Prozeß-Regelsystem mit zwei Freiheitsgraden durch vorsehen einer Einstelleinrichtung für ein Element (Elemente) zu bilden, die den Prozeßwert derart bearbeitet, daß er rückgekoppelt wird.
Eine solche Prozeßregelung ist in Fig. 34 als ein elftes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Regelung ist unterschiedlich von dem sechsten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 23 dargestellt ist, darin, daß anstelle der Koeffizienteneinheiten 19 und 23 zum Bearbeiten des Sollwertes SV eine erste Koeffizienteneinheit 75, eine zweite Koeffizienteneinheit 77 und ein Führungselement 79 mit der Übertragungsfunktion (1+2·To·s)/(1+To·s) in den Eingangsleitungen bzw. -wegen des Prozeßwertes PV vorgesehen sind.
Zuerst wird nämlich der Prozeßwert PV parallel zu der ersten Koeffizienteneinheit 75, der zweiten Koeffizienteneinheit 77 und dem Führungselement 79 eingegeben. Der Prozeßwert PV wird mit einem Koeffizienten α in der ersten Koeffizienteneinheit 75 multipliziert, und ihr Ausgangssignal α · PV wird einem ersten Subtrahierer 21 eingegeben, wo die Abweichung E&sub1; von dem Sollwert SV berechnet wird. In der zweiten Koeffizienteneinheit 75 wird der Prozeßwert PV mit δ multipliziert, ihr Ausgangssignal δ · PV wird einem zweiten Subtrahierer 25 eingegeben, wo die Abweichung E&sub2; von dem Sollwert SV berechnet wird, und die Abweichung E&sub2; wird einer Differenzier-Operation mit der Vorhaltezeit TD In einer Differenzier-Operationseinheit 27 unterzogen. Weiterhin wird das Ausgangssignal LPV von dem Führungselement 79, das aus dem Prozeßwert PV erhalten wird, einem dritten Subtrahierer 15 eingegeben, wo die Abweichung E&sub3; von dem Sollwert SV berechnet wird, und die Abweichung E&sub3; wird einer integralen Operation mit der Integrationszeit TI in einer Integrier-Operationseinheit 17 unterzogen.
Dann werden die Abweichung E&sub1;, der differenzierte Wert der Abweichung E&sub2; von der Differenzier-Operationseinheit 27 und der integrierte Wert der Abweichung E&sub3; von der Integrier- Operationseinheit 17 einem Addierer 29 eingegeben, wo sie additiv zusammengesetzt werden. Nachdem das Ergebnis einer Proportional-Operationseinheit 31 eingegeben ist, wo es mit der Proportionalverstärkung KP multipliziert wird, wird es dem Regelobjekt 37 als ein manipuliertes Signal MV aufgeprägt. Auf diese Weise wird der Prozeßwert PV geregelt, um gleich dem Sollwert SV zu werden.
Bei einem derartigen Aufbau für die Regelung wird es möglich, den Prozeß sowohl für ein "Folgen des Sollwertes" als auch für eine "Störunterdrückung" zu optimieren, und zwar durch Einstellen der PID-Parameter KP, TI und TD, der Koeffizienten α und δ, und der Zeitkonstante To des Führungselements 79, wie es im Folgenden gezeigt ist.
(I) Zuerst werden die PID-Parameter KP, TI und TD auf die optimalen Parameter für den Sollwert KP*, TI* und TD* der Standard-PID-Regelung eingestellt.
Die Regelung verhält sich identisch zu der Standard-PID- Regelung, wie man es aus dem Aufbau ersehen kann. Daher wird durch das obige Einstellen für den Sollwert SV eine Operation erhalten, die den optimalen Parametern für einen Sollwert KP*, TI* und TD* folgt, so daß die Antwort der Regelung für den Sollwert SV zufriedenstellend ist.
(II) Als nächstes werden die Koeffizienten α und δ wie folgt basierend auf der optimalen Proportionalverstärkung für eine Störung KP, eine optimale Vorhaltezeit für eine Störung TD, eine optimale Proportionalverstärkung für einen Sollwert KP* und eine optimale Vorhaltezeit für einen Sollwert TD* unter den optimalen Parametern für eine Störung und für einen Sollwert der Standard-PID-Regelung eingestellt.
α = KP/Kp*
δ = α · TD/TD*
In dieser Regelung werden durch die Wirkung der Koeffizienten α und δ die aktuelle Proportionalverstärkung und die aktuelle Vorhaltezeit für den Prozeßwert PV α · KP bzw. δ · KP · TD. Daher werden dann, wenn die Koeffizienten α und δ wie oben angegeben eingestellt werden, die aktuelle Proportionalverstärkung und die aktuelle Vorhaltezeit für den Prozeßwert PV KP bzw. KP · TD, wenn KP und TD schon auf KP* und KP eingestellt sind. Es wird nämlich für den Prozeßwert eine proportionale und eine differentiale Operation erhalten, die ähnlich jener ist, wenn die Standard-PID-Regelung auf die optimalen Parameter für eine Störung KP, TI und TD eingestellt ist.
(III) Als nächstes wird die aktuelle Integrationszeit für den Prozeßwert PV durch Einstellen der Zeitkonstante To gleich der aktuellen Integrationszeit TI*/KP gemacht, die durch Einstellen der Parameter für die Standard-PID-Regelung auf die optimalen Parameter für eine Störung KP*, TI* und TD* erhaltbar ist.
Die Zeitkonstante To kann eingestellt werden, wie es auf die Weise gelehrt ist, die in Verbindung mit dem sechsten Ausführungsbeispiel erklärt ist. Der Integrationsausdruck, der Störungen bearbeitet, kann nämlich neu aufgebaut bzw. angeordnet werden, wie folgt:
Wie es aus der obigen Gleichung verstanden wird, erniedrigt sich bei diesem Ausführungsbeispiel dann, wenn To anwächst, die Integrationszeit, was unterschiedlich von dem sechsten Ausführungsbeispiel ist, bei dem die Integrationszeit anwächst, wenn To anwächst. In diesem Zusammenhang kann es auch derart aufgebaut werden, um die Einstellweise ähnlich jener des siebten Ausführungsbeispiels zu ermöglichen, und zwar durch Einsetzen der folgenden Gleichung anstelle jener der obigen Gleichung:
In diesem Fall ist der Integrationsausdruck:
Gemäß diesem System wird eine Einstellung der Integrationszeit ermöglicht, wie es in Fig. 9 gezeigt ist.
Fig. 35 zeigt ein Blockdiagramm für eine Regelung, die ein zwölftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Wie es in der Figur gezeigt ist, hat die Regelungsvorrichtung bzw. Regelung des vorliegenden Ausführungsbeispiels in den Eingangswegen des Sollwertes SV zu dem ersten Subtrahierer 21 und dem zweiten Subtrahierer 25 jeweils eine dritte Koeffizienteneinheit 81 und eine vierte Koeffizienteneinheit 83. Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat eine unterschiedliche Kennlinie darin, daß das Signal γ·SV, das durch Multiplizieren des Sollwertes SV mit dem Koeffizienten γ der dritten Koeffizienteneinheit 81 für eine proportionale Operation zugeführt wird, und das Signal ξ·SV, das durch Multiplizieren des Sollwertes SV mit dem Koeffizienten ξ der vierten Koeffizienteneinheit 83 für eine differentiale Operation zugeführt wird.
Durch die Addition der dritten und der vierten Koeffizienteneinheit 81 und 83 wird die Optimierung weiter vereinfacht.
Weiterhin ist es möglich, verschiedener Arten bekannter Regelsysteme durch Zuordnen von "1" oder "0" zu den Koeffizienten α, δ, γ und ξ auszuwählen. Beispielweise wird durch Wählen der Zeitkonstante To = 0 das Folgende erhalten.
(I) Wenn α = δ = γ = ξ = 0
Dies entspricht einem Eliminieren der ersten bis zu der vierten Koeffizienteneinheit, so daß sie äquivalent der Standard-PID-Regelung wird.
(II) Wenn α = δ = γ = 1 und ξ = 0
Dies entspricht einem Arbeiten der Differenzier-Operation nur an dem Prozeßwert PV, so daß sie äquivalent der PID- Regelung mit einer Differentiation für PV wird.
(III) Wenn α = δ = 1 und γ = ξ = 0
Dies entspricht einem Anwenden der proportionalen und der differentialen Operation auf den Prozeßwert PV allein, so daß sie der l-PD-Regelung äquivalent wird.
Wie es oben beschrieben ist, besitzt die Regelung, wenn das vorliegende Ausführungsbeispiel die Defekte eliminiert, die beim Stand der Technik exstierten und sie gleichzeitig die verschiedenen Arten von Regelsystemen nach dem Stand der Technik frei wählen kann, eine hohe Regelfähigkeit und eine breite Anwendbarkeit.
Demgemäß wird es durch ein Verteilen der Regelung innerhalb der Anlage möglich, jede Regelung der Anlage sowohl für eine Störung als auch für einen Sollwert zu optimieren. Daher wird es möglich, den kürzlichen ernsthaften Anforderungen zu entsprechen, die zuvor angegeben worden sind, und zwar mit einem profunden bzw. gehaltvollen Beitrag für die industrielle Welt.
Weiterhin zeigt Fig. 36 ein Blockdiagramm für ein dreizehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Regelung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist aus dem fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiel durch Ersetzen der dritten bzw. der vierten Koeffizienteneinheit 81 und 83 durch einen ersten und einen zweiten Schalter 87 und 87 erhaltbar. Dies entspricht einem Aufbau, bei dem die Koeffizienten γ und ξ für das fünfundzwanzigste Ausführungsbeispile durch "0" oder "1" ersetzt werden. Daher ist es ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel möglich, die Regelung sowohl einer Störung als auch von Änderungen des Sollwertes zu optimieren, und es ist auch möglich, die bekannten Regelsysteme genauso auszuwählen, wie es bei dem fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiel erfolgt.
Es sollte angemerkt werden, daß, obwohl Beschreibungen des ersten bis zweiten Ausführungsbeispiels durch das Verwenden der perfekten Differentiation (TD·s) gegeben wurden, in der Praxis eine nichtperfekte Differentiation (TD/(1+η·TD·s) wobei η = 0,2-0,3) verwendet wird.
Fig. 37 zeigt ein Blockdiagramm für eine Regelung, die ein vierzehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft.
Wie es in der Figur gezeigt ist, ist die Regelung aus dem ersten Ausführungsbeispiel durch Eliminieren der zweiten Koeffizienteneinheit 77 und des zweiten Subtrahierers 25 erhaltbar, die mit der differenzierenden Operation zu tun haben.
Darüber hinaus zeigen die Fig. 38 und 39 Blockdiagramme für Regelungen, die ein fünfzehntes und ein sechzehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betreffen. Die Regelungen entsprechen dem vierundzwanzigsten und dem zweiten Ausführungsbeispiel, von denen Elemente, die die differentielle Operation betreffen, eliminiert sind.
Die Ausführungsbeispiel 15 bis 16 werden verwendet, wenn eine PI-Regelung allein ausreichend ist, in Abhängigkeit von dem Prozeß, der von Interesse ist. Sie besitzen innerhalb des Bereiches der PI-Regelung jene Kennlinien von denen angenommen ist, daß sie auch die elften bis dreizehnten Ausführungsbeispiele besaßen.
Weiterhin kann man als eine Abänderung der elften bis sechzehnten Ausführungsbeispiele das Folgen erwägen.
(I) Die Übertragungsfunktion GL(s) für das Führungselement 79 kann wie folgt neu angeordnet werden:
Daher kann ein äquivalentes Ergebnis erhalten werden, wie es durch Fig. 40 gezeigt ist, durch Finden der Abweichung E&sub4; zwischen dem Sollwert SV und dem Prozeßwert PV, Finden der Abweichung E&sub3; zwischen der Abweichung E&sub4; und dem Signal, das aus dem Prozeßwert PV erhalten wird durch Gehenlassen von ihm durch ein Filter 81, das eine Übertragungsfunktion hat, die durch den zweiten Ausdruck in der obigen Gleichung gezeigt ist, und durch Addieren der Abweichung E&sub3; zu der Integrier-Operationseinheit 17.
(II) Zum Anordnen bzw. Einrichten der Einstellung für die aktuelle Proportionalverstärkung, die auszuführen ist, unabhängig von der differenzierenden und der integrierenden Operation, kann eine neue Koeffizienteneinheit bei einer Position zwischen dem ersten Subtrahierer 79 und dem Addierer 29 hinzugefügt werden, oder die Proportionaleinheit 31 kann zu jener Position verschoben werden.
Bei den elften bis sechzehnten Ausführungsbeispielen werden Einstellungen für die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes ausgeführt, nachdem man eine optimale Regelung zur Unterdrückung einer Störung gegeben hat. Gegensätzlich dazu sind die siebzehnten bis vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiele, wie nachfolgend beschrieben, aufgebaut, um es möglich zu machen, das System anfänglich zur Unterdrückung einer Störung einzustellen, und danach dem System eine optimale Regelung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes zu geben.
Die Fig. 41 und 42 sind Blockdiagramme zum Zeigen der Konstruktion eines siebzehnten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Der einfacheren Beschreibung halber ist nur der Integrier-Operationsteil, der den wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, in jeder Figur herausgezogen bzw. gesondert gezeigt, und von den anderen Teilen, nämlich dem Proportional-Operationsteil und dem Differenzier- Operationsteil, wird angenommen, daß sie identisch zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen sind.
In Fig. 41 wird der Regel wird PV, der zurückgeführt wird, einem Subtrahierer 21 über eine Kompensations- Operationseinheit 91 eingegeben.
In dem Subtrahierer 21 wird eine Abweichung E zwischen dem Sollwert SV und dem Regelwert PV, die der Kompensations- Operation unterzogen worden ist, gefunden, und das Ergebnis wird einer Integrier-Operationseinheit 93 zugeführt.
In der Integrier-Operationseinheit 93 wird eine Integrier- Operation auf die Abweichung E angewendet, das Ausgangssignal wird einer Proportional-Operation in einer Proportional-Operationseinheit 31 unterzogen, und das Ergebnis wird einem Regelobjekt 38 als das manipulierte Signal MV zugeführt. Auf diese Weise wird eine Regelung ausgeführt, um den Regelwert PV und den Sollwert SV zu einer Übereinstimmung zu bringen.
Hier werden die Funktionen F(s) und I(s) für die Kompensations-Operationseinheit 1 und die Integrier- Operationseinheit 93 der vorliegenden Erfindung auf die folgende Weise eingestellt.
Zuerst wird die Antwort der Fig. 41 durch die folgende Gleichung gegeben.
In der obigen Gleichung werden F(s) und I(s) eingestellt als:
In der Gleichung (48) wird F(s)·I(s) eingestellt, um die Unterdrückung der Störung zu optimieren, und I(s) in Gleichung (47) wird eingestellt, um die Kennlinien zum Folgen des Sollwertes variabel zu gestalten.
Weiterhin muß man, wie es aus Fig. 41 klar werden kann, F(s) = 1 für einen stetigen Zustand haben, bei dem es keine Änderung des Sollwertes SV gibt.
Daher muß die Übertragungsfunktion F(s) entsprechend dem Grenzwert-Theorem folgender Gleichung genügen
lim F(s) = 1 s → 0 (50)
Bestimmt man die Übertragungsfunktion F(s) aus den Gleichungen (48), (49) und (50), erhält man:
Es ist leicht zu sehen, daß die obige Übertragungsfunktion das Grenzwert-Theorem erfüllt.
Für die Übertragungsfunktion F(s) und I(s), die wie in dem Obigen eingestellt ist, ist ein konkreter Aufbau in Fig. 42 gezeigt. Die Funktion F(s) für die Kompensations- Operationseinheit 1 zeigt nämlich eine Führungs-/ Verzögerungs-Operation, und die Funktion I(s) für die Integrier-Operationseinheit 93 zeigt eine Zusammenfassung einer Integration und einer Verzögerung erster Ordnung. Dies bedeutet, daß die Integrationszeit für eine Änderung des Sollwertes äquivalent zu der Integrationszeit für eine Änderung der Störung verändert werden kann, die auf einem festen Wert gehalten wird.
Erklärt man die Regelcharakteristiken des vorliegenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 43, zeigt die Figur die Antwort auf eine Änderung des Sollwertes SV in dem Zustand, in dem die Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung optimal für eine Übertragungsfunktion
des Regelobjektes 37 ist.
Sie zeigt, daß durch Einstellen der Regelkonstanten KP, TI und TD auf die optimale Bedingung zum Unterdrücken einer Störung (KP = 2,59, TI = 3,41 Sekunden und TD = 0,56 Sekunden) und durch Fixieren der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung auf die optimale Bedingung es möglich ist, die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes durch äquivalentes Verändern der Integrationszeit für eine Änderung des Sollwertes durch Einstellen des Koeffizienten β bemerkenswert zu verbessern. Nämlich, obwohl die Antwort eine große Überschwingung zeigt, wie es durch die Kurve (a) für β = 0 gezeigt ist (der Fall des früheren Beispiels, bei dem es für die Integrationszeit TI keine Kompensation gegeben hat), wird gesehen, daß die Kennlinien zum Folgen des Sollwertes wesentlich verbessert werden, wie es durch die Kurve (b) gezeigt ist, schließlich ohne ein Ändern der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung durch Verändern der äquivalenten Integrationszeit für einen Sollwert.
Fig. 44 ist ein Blockdiagramm zum Darstellen der Konstruktion eines achtzehnten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dem was folgt, werden den Komponenten, die jenen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, identische Symbole zugeordnet, damit eine weitere Erklärung weggelassen werden kann.
Die Figur zeigt die zweite PID-Regelung von I-PD-Regeltyp. Die Abweichung zwischen dem Sollwert SV und dem Regelwert PV, die einer Führungs-/Verzögerungs-Operation in der Kompensations-Operationseinheit 91 unterzogen worden ist, geht durch eine Integrier-Operation in der Integrier- Operationseinheit 29. Andererseits wird der Regelwert PV einer proportionalen und einer differentialen Operation in einer Proportional- + Differenzier-Operationseinheit 93 unterzogen. Nachdem das Ausgangssignale der Proportional- und Differenzier-Operation von dem Integrations- Ausgangssignal in einem Subtrahierer 94 subtrahiert ist, wird das Ergebnis in einer Proportional-Operationseinheit 31 mit der Proportional-Verstärkung KP multipliziert, und das Ergebnis wird zu dem Regelobjekt 37 als ein manipuliertes Ausgangssignal MV ausgegeben.
Wie es aus der Figur gesehen werden kann, regelt das vorliegende Ausführungsbeispiel optimal die Unterdrückung der Störung durch Ausführen einer PID-Regelung für Veränderungen der Störung D. Darüber hinaus ist es für Änderungen des Sollwerts möglich, eine optimale Regelung für die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes zu geben, und zwar durch Einstellen der Koeffizienten, wobei die Kennlinien für eine Unterdrückung einer Störung auf festen Werten gehalten sind.
Fig. 45 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen der Konstruktion bzw. des Aufbaus eines neunzehnten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist derart aufgebaut, daß es die Koeffizienten hat, die mit dem Regelwert PV multipliziert werden, die zu der Differenzier- Operationseinheit und zu der Integrier-Operationseinheit zurückgeführt werden, um jeweils durch 1/α und 1/β gegeben zu sein, und der Integrier-Operationsteil ist derselbe wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei einem derartigen Aufbau ist es möglich, die Effekte zu erreichen, die ähnlich bzw. gleich jenen für die ersten Ausführungsbeispiele sind.
Die Fig. 46 und 47 zeigen Blockdiagramme, die die Konstruktion bzw. den Aufbau eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist, ähnlich zu dem siebten Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 41 und 42 gezeigt ist, die sogenannte PID-Regelung mit zwei Freiheitsgraden von dem Typ mit einem Filter für einen Prozeßwert.
Daher werden, wie es in Zusammenhang mit dem siebzehnten Ausführungsbeispiel erklärt ist, die Regelkonstanten KP, TI und TD auf die optimalen Werte zum Unterdrücken einer Störung eingestellt, und eine Optimierung wird für eine proportionale Verstärkung KP zum Einstellen eines Sollwertes durch den Koeffizienten α durchgeführt, und für eine Vorhaltezeit Td durch den Koeffizienten δ.
Weiterhin wird die Funktion I(s) für die Integrier- Operationseinheit 93 durch Gleichung (49) bestimmt, und die Funktion F(s) für die Kompensations-Operationseinheit 91 wird durch Gleichung (51) bestimmt.
Andererseits werden die Koeffizienten α und δ wie folgt bestimmt.
Wenn man die optimalen Regelkonstanten zum Unterdrücken einer Störung KP, TI und TD, die optimalen Regelkonstanten zum Folgen eines Sollwertes KP*, TI* und TD* und den optimalen Regelalgorithmus zum Folgen eines Sollwertes C*(s) aufruft, erhält man:
woraus folgt
Hier werden die Koeffizienten α, β und δ die optimalen Werte in den Bereichen von 0 < α < 1, 0 < β < 1 nd 0 < δ < 1.
Fig. 48 zeigt Veränderungen der PID-Struktur, die durch das Ändern der Parameter α, β und δ realisiert werden können. Wie es in der Figur gezeigt ist, wird dann, wenn alle der Koeffizienten α, β und δ verändert werden (Einstell-Nr. 6), eine perfekte PID-Regelung mit zwei Freiheitsgraden erhalten.
In den Antwort-Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes (Fig. 49), wobei ein Einstellen der Regelkonstanten KP, TI und TD auf die optimalen Werte zum Unterdrücken einer Störung für den Fall des Regelobjektes G(s) = e-2s(1+5s) erfolgt, ist es für die I-PD-Regelung möglich, die Kennlinien für das Ansteigen der Antwortkurve durch Unveränderthalten der Größe des Überschwingens in der Größenordnung von α = 0,2 zu verbessern.
In Fig. 50 werden für dasselbe Regelobjekt die Antwort- Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes für den Fall von α = 0,4 in einen nicht perfekten Regelung mit zwei Freiheitsgraden (P-I-PD-Regelung der Einstell-Nr. 4) verglichen, und die Änderung des Sollwertes für den Fall, bei dem α = 0,4 und β = 0,15 in einer perfekten Regelung mit zwei Freiheitsgraden (PI-PID-Regelung). Wie es gesehen werden kann, ist es möglich, die Überschwingung ohne bloßes Ändern der Anstiegs-Kennlinien zu unterdrücken, und zwar durch Ändern der äquivalenten Integrationszeit durch den Koeffizienten β.
In Fig. 51 und Fig. 52 sind Blockdiagramme zum Darstellen der Konstruktion bzw. des Aufbaus eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist die sogenannte PID- Regelung mit zwei Freiheitsgraden vom Typ einer Rückführung zu einem Sollwert. Der Unterschied zu dem zwanzigsten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß der Regelwert PV, der über die Kompensations-Operationseinheit 1 zurückgeführt wird, von dem Sollwert SV subtrahiert wird, der der Integrier-Operation in der Integrier-Operationseinheit 93 unterzogen worden ist.
Die Funktion F(s) für die Kompensations-Operationseinheit 1 wird zuerst wie folgt eingestellt:
Die Gleichung (52) ist vorgesehen zum Einstellen der Regelungsvorrichtung auf die optimale Bedingung der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung, während die Gleichung (53) vorgesehen ist zum Einstellen der Regelungsvorrichtung auf die optimale Bedingung der Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes.
Als eine Bedingung wird gefordert, daß das Grenzwert-Theorem
erfüllt werden muß.
Aus den Gleichungen (52) und (53) wird folgendes erhalten
F(s) = β/1+T&sub1;·s (55)
Es leicht zu sehen, daß Gleichung (55) die durch die durch die Gleichung (54) vorgebene Bedingung erfüllte. In den Fig. 59(A) und 59(B) ist ein konkreter Aufbau des vorliegenden Ausführungsbeispiels gezeigt.
Darüber hinaus sind die Veränderungen der PID-Struktur , die durch die Änderungen der Koeffizienten α, β und δ realisiert werden können, so wie sie in Fig. 48 eingestellt sind.
Durch einen Aufbau wie oben ist es möglich, Antwort- Kennlinien zu realisieren, die ähnlich bzw. gleich jenen der Fig. 49 und 50 sind.
Ein zweiundzwanzigstes Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 53 bis 57 gezeigt ist, ist vom Interferenz-Typ, auf den die Überlegung des siebzehnten bis einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels angewendet ist.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung für ein Ausführungsbeispiel durch Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Fig. 53 zeigt ein Blockdiagramm, das die Funktion eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. In den Figuren werden Komponenten, die zu jenen in Fig. 10 identisch sind, identische Symbole zugeordnet, um eine weitere Erklärung weglassen zu können.
In den Figuren ist 91 eine Kompensations-Operationseinheit, die eine Kompensations-Operation auf den Regelwert PV von einem Regelobjekt 37 anwendet, und den Kompensations- Regelwert PV' einer Abweichungs-Operationseinheit 21 zuführt. Die Abweichungs-Kompensationseinheit 1 bestimmt die Abweichung zwischen dem Kompensations-Regelwert PV' und dem Sollwert SV und gibt das Ergebnis zu einer Regel- Operationseinheit 105 aus. Die Regel-Operationseinheit 105 ist mit einer Übertragungsfunktion C*(s) (Interferenz-Typ) versehen, die die Regelkonstanten KP, TI und TD Kompensationst und korrigiert, die durch die Einstellparameter α und δ unter der optimalen Bedingung der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung mittels des CHR- Verfahrens oder ähnlichem einzustellen sind. Für die proportionale und die differentiale Operation korrigiert die Übertragungsfunktion C*(s) die Regelkonstanten KP, TD und stellt sie ein, wobei die Regelkonstanten in der optimalen Bedingung der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung sind, zu den Regelkonstanten KP* und TD* für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes. Die proportionale, die integrale und die differentiale Operation werden für die Abweichung basierend auf den Regelkonstanten KP*, TI und TD* ausgeführt, um das eingestellte Ausgangssignal NV zu erhalten, das zu dem Regelobjekt 3 ausgegeben wird.
Hier korrigiert der Einstellparameter die Proportional- Verstärkung und δ verändert die Vorhaltezeit. Die Werte für diese Parameter können berechnet werden, wie es bisher gelehrt ist, und zwar unter Verwendung der Werte in den Einstellformeln, die durch das CHR-Verfahren oder ähnliches vorgegeben sind. Beispielweise sorgen sie für keine Überschwingung und eine minimale Einstellzeit in dem Fall des Einstellmodus einer PID-Regelung, daß sie derart gefunden werden, daß α = 0,63 und δ = 1,25.
Jedoch ergeben die Regelkonstanten KP* und TD*, die auf die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes eingestellt sind, für Veränderungen des Regelwertes PV eine kleine Verstärkung und eine große Einstellzeit. Aus diesem Grund führt die Kompensations- Opertionseinheit 91 für den Regelwert PV eine Kompensations- Operation basierend auf der Übertragungsfunktion H(s) aus, die durch Gleichung (54') gezeigt ist, um einen Kompensationsten Regelwert PV' zu erhalten, um die Regelkonstanten KP* und TD* zu korrigieren, die auf die optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung zu den Regelkonstanten KP und TD eingestellt werden bzw. sind, was bedeutet, den Einfluß aufgrund der Korrekturkomponente in den Einstellparametern zu entfernen.
Auf diese Weise führt die Regel-Operationseinheit 105 die Operation des Einstellens auf die optimale Bedingung zum Folgen der Änderungen des Sollwertes konstant aus. Bezüglich der Veränderungen des Regelwertes PV aufgrund einer Störung führt die Kompensations-Operationseinheit 91 zuerst eine Kompensations-Operation aus, die die Regelkonstanten KP*, TI* und TD* für die Regel- Operationseinheit auf jene der optimalen Bedingung zum Unterdrücken einer Störung einstellt. Dann gibt die Kompensations-Operationseinheit 91 das Ergebnis zu der Regel-Operationseinheit 105 aus. Auf diese Weise wird die Regelung mit zwei Freiheitsgraden realisiert, die in wechselseitig unabhängiger Weise zu Bedingungen eingestellt werden kann, die sowohl zum Folgen des Sollwertes als auch zum Unterdrücken einer Störung optimal sind.
Als nächstes wird das Prinzip des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Regelantwort des in Fig. 53 gezeigten Prozesses kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden.
Gemäß der obigen Gleichung (55') ist es nur dann notwendig, wenn eine Störung D aufgeprägt wird, C*(S)H(s) zu korrigieren, um die Antwort auf die Störung zu manipulieren. Daher ist die Kompensations-Operationseinheit 91 in der Regelung vorgesehen, um C*(s)H(s) derart einzustellen, daß es die Übertragungsfunktion C(s) unter der optimalen Bedingung der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung ist. In diesem Falle kann gemeint werden, daß durch ein Einstellen von C*(s)H(s) auf C(s) die Antwort auf den Sollwert SV auch manipuliert werden kann. Jedoch wird er, wie es durch Gleichung (56) gezeigt ist, äquivalent dem Aufbau, bei dem nur die Antwort auf den Sollwert mittels der Einstellparameter α und δ verändert werden kann, in dem Zustand, in dem die Antwort auf die Störung auf die optimalen Unterdrückungs-Kennlinien für immer eingestellt wird.
Zusätzlich wird es für den Prozeß, der in einen stetigen Zustand einzustellen ist, notwendig, das Grenzwert-Theorem zu erfüllen. Das bedeutet, daß die stetige Abweichung ESV = a für den Fall verschwinden muß, in dem der Sollwert SV auf eine Stufenweise um einen Wert geändert wird, wobei die Störung D auf einem konstanten Wert gehalten wird. Aus diesem Grund muß die Übertragungsfunktion H(s) für die Kompensations-Operationseinheit 91 der folgenden Gleichung genügen, wie es auch aus Fig. 41 gesehen werden kann, und Gleichung (54) erfüllt eine solche Bedingung.
lim H(s) = 1 s → 0
Wie oben ist die Kompensations-Operationseinheit 91 vorgesehen, um für Veränderungen des Regelwertes PV die Regelkonstanten, die zu den Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes eingestellt werden, virtuell zu den Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung einzustellen, und sie beeinflußt nicht die Regelantwort in dem stetigen Zustand.
In Fig. 54 ist das Ergebnis einer Simulation für die Antwort des Regelwertes PV für den Fall einer Übertragungsfunktion von GP(s) = e-2l/(1+5s) für das Regelobjekt 37 durch die Einstellparameter α und δ gezeigt.
Darüber hinaus, da das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Struktur hat, durch die die Antwort mittels der Einstellparameter eingestellt werden kann, ist es möglich, verschiedene Regel formen durch Ändern der Werte der Parameter α und δ zu realisieren, wie es durch Nr. 2 in Fig. 55 angezeigt ist. In diesem Fall zeigt der Gesamt- Einstellungsmodus verschiedene Regel formen eines Interferenz-Typs.
Nämlich für α = δ = 1 wird es die gewöhnliche PID-Regelung mit einem Freiheitsgrad, für α = δ = 0 führt sie eine I- Regelung allein für Änderungen des Sollwertes aus, während sie eine PID-Regelung für Veränderungen des Regelwertes ausführt, und schließlich für 0 < α < δ < 1 und 0 < δ < 1 hat sie einen Aufbau, bei dem sie für Änderungen des Sollwertes eine PD-Regelung ausführt, die die Regelkonstanten KP* und TD* einstellen kann, wie auch eine I-Regelung mit einer gemeinsamen Regelkonstanten TI, während sie für den Regelwert eine PD-Regelung ausführt, die frei eingestellt werden kann, sowie auch eine gemeinsame I-Regelung. Der Einstell-Parameter α ist vorhanden zum Einstellen der Proportionalverstärkung unter den Regelkonstanten und es ist möglich, die Anstiegs-Kennlinien und die Überschwingungs- Bedingung der Antwort zu korrigieren. Weiterhin ist der Parameter dafür da, die Anweichungszeit einzustellen, durch deren Verwendung es möglich ist, die Anstiegs-Kennlinien der Antwort zu korrigieren, ohne die Überschwingungs-Bedingung zu sehr zu beeinflussen.
Wenn dem System eine Störung in dem Zustand zugefügt wird, für den die Regelkonstanten KP, TI und TD und die Einstellparameter α und δ eingestellt werden, wird die Veränderung des Regelwertes PV aufgrund der Störung der Kompensations-Operationseinheit 91 eingeführt. Dort wird er zu einem kompensierten Regelwert PV' geändert, der die Regelkonstanten KP* und TD* virtuell zu der optimalen Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung korrigiert, wobei das Ergebnis zu der Abweichungs- Operationseinheit 21 ausgegeben wird, wo die Abweichung von dem Sollwert SV bestimmt wird, und die Abweichung wird zu einer Regel-Operationseinheit 105 ausgegeben.
Wenn es eine Änderung des Sollwertes SV gibt, berechnet die Regel-Operationseinheit 105 ein eingestelltes Ausgangssignal u für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen der Abweichung in dem geänderten Betrag.
In Verbindung mit dem vorangehend beschriebenen zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel werden alle Operationen, nämlich die proportionale, die integrierende und die differenzierende Operation, in der Regel- Operationseinheit 105 ausgeführt, und sowohl die proportionale als auch die differenzierende Operation werden in der Kompensations-Operationseinheit 91 ausgeführt. Jedoch muß die Regel-Operationseinheit 105 gemäß der vorliegenden Erfindung nur einen Aufbau zum Ausführen wenigstens einer der Operationen aufweisen, und die Kompensations-Operationseinheit 91 kann in Abhängigkeit von der Antwort eines Folgens des Sollwertes einen Aufbau aufweisen, bei dem jede der proportionalen, der integrierenden und der differenzierenden Operationen einzeln oder in einer selektiven Kombination eingeführt sind. Beispielsweise dann, wenn die Regel-Operationseinheit 105 aus proportionalen und integralen Operationen besteht, und die Kompensations-Operationseinheit 91 aus der Operation zum Kompensationsen der Proportionalverstärkung besteht, ist der Aufbau, wie es durch Fig. 56 gezeigt ist, und die Regelform, die für diesen Fall realisierbar ist, ist so wie es durch Nr. 1 der Fig. 55 gezeigt ist.

[Prozeßwert-Rückführungs-Kompensationstyp]

In Fig. 57 wird ein dreiundzwanzigstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist von einem PID-PID-Regeltyp mit einer vereinfachten Konfiguration.
In diesem Ausführungsbeispiel führt die Regel- Operationseinheit 109 alle der proportionalen, differenzierenden und integrierenden Operationen basierend auf den Regelkonstanten KP*, TI* und TD* in der optimalen Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes aus, und zusätzlich wendet sie für den Regelwert PV dieselben Operationen auf das eingestellte Ausgangssignal von der Operations-Einheit 107 an, die die Regelkonstanten zu jenen für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung kompensiert, d. h. zu KP, TI und TD. Bei dem ersten und dem fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiel war die Regelung nämlich von dem Typ mit Filter für einen Regelwert, wobei die Regelkonstanten KP*, TI* und TD* für den Regelwert PV zuerst in der Kompensations- Operationseinheit 107 zu jenen der Bedingung zum Unterdrücken einer Störung kompensiert werden und dann das Ergebnis zu der Regel-Operationseinheit 109 ausgegeben wird. Gegensätzlich dazu ist das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem Regelwert-Rückführungstyp, wobei der Teil, aufgrund dessen Veränderungen des Regelwertes PV des eingestellten Ausgangssignals, das bei der Regel-Operationseinheit 109 für die Bedingung zum Folgen des Sollwertes berechnet wird, zu der Bedingung zum Unterdrücken der Störung mittels des Kompensierten Ausgangssignals a(s) korrigiert wird, das auf eine Kompensationsweise berechnet wird, basierend auf dem Regelwert PV.
In der Figur sind Komponenten, die zu jenen in Fig. 1 identisch sind, identische Symbole zugeordnet. In der Regel-Operationseinheit 109 werden, wie es in Gleichung (57) gezeigt ist, die Regelkonstanten KP, TI und TD, die auf die optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung eingestellt sind, durch die Einstellparameter α, β und δ zu jenen für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes KP*, TI* und TD* eingestellt, und das Ausgangssignal, das auf die Einstellweise berechnet ist, und zwar basierend auf dieser Einstellung, wird zu der Operationseinheit 111 zugeführt.
In der Operationseinheit 111 wird dem eingestellten Ausgangssignal das kompensierte Ausgangssignal a(s) hinzugefügt bzw. hinzuaddiert, das in der Kompensations- Operationseinheit 107 erhalten wird, und zwar durch Ausführen aller der proportionalen, der integrierenden und der differenzierenden Kompensationsoperationen für den Regelwert PV basierend auf Gleichung (58). Das Ergebnis der Addition wird zu dem Regelobjekt 3 als der manipulierte Wert u ausgegeben.
Durch diesen Aufbau wird dem Regelobjekt 37 ein manipulierter Wert u zugeführt, der für jede der Änderung des Sollwertes und der Änderung des Regelwertes PV optimal ist.
Als nächstes ist die Regelantwort des vorliegenden Ausführungsbeispiels wie folgt:
Durch Einsetzen der Gleichungen (57) und (58) für C*(S) und H(s) in Gleichung (59) werden die Nenner für sowohl den Sollwert SV als auch die Störung D der allgemeine Ausdruck für proportionale, integrierende und differenzierende Regelung mit den Regelkonstanten KP, TI und TD für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung, und nur der Zähler für den Ausdruck des Sollwertes kann durch die Einstellparameter α, β und δ verändert werden. Daher wird es möglich, nur die Kennlinien für den Sollwert SV wie gewünscht frei zu optimieren, und zwar unter der Bedingung, bei der die Kennlinien für die Störung auf dem optimalen Werten festgehalten werden.
Darüber hinaus, da die Antwort den Integrationsausdruck durch ein Verzögerungselement erster Ordnung kompensiert, genügt sie, wie es zuvor angegeben ist, der Bedingung zum Einstellen des Prozesses in den stetigen Zustand, nämlich dem Grenzwert-Theorem.
Weiterhin können die Werte der Einstellparameter α, β und γ aus den Werten der Regelkonstanten KP, TI und TD für die Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung und den Werten der Regelkonstanten KP*, TI* und TD* für die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes bestimmt werden, die durch ein CHR- Verfahren oder ähnliches gegeben sein können.
α kann nämlich aus KP(1-α) = KP* als α = 1 - KP*/KP bestimmt werden und γ kann aus KP(1-γ)·TD = KP*·TD*= 1 - (1-α) x TD*/TD bestimmt werden.
Weiterhin erhält man bezüglich β durch Einstellen von
aus
und gemäß dem Ergebnis einer Simulation wird ein optimaler Wert für βo &sim; 2 · β, gefunden, was bedeutet, daß in der Nähe dieses Wertes gilt:
β = 1/2 · βo.
Wenn die Werte der Einstellparameter auf die obige Weise bestimmt werden, ist es möglich, das System auf eine optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung durch Einstellen der Werte der Regelkonstanten KP, TI und TD einzustellen, um die Antwort des Regelwertes PV für den Fall einer Stufenänderung des Sollwertes zu haben, wie es zum Folgen von Kennlinien gewünscht ist.
Auf diese Weise bestimmt dann, wenn der Regelwert PV aufgrund einer Störung D bei der Bedingung verändert wird, wo die Regelkonstanten virtuell in eine optimalen Bedingung von Kennlinien für sowohl eine Störunterdrückung als auch einem Folgen eines Sollwertes eingestellt werden, die Regel- Operationseinheit 109 für die Abweichung aufgrund der obigen Veränderung ein eingestelltes Ausgangssignal basierend auf den Regelkonstanten für die Bedingung zum Folgen des Sollwertes. Ein Kompensationstes Ausgangssignal a(s), das in der Operationseinheit 111 nur basierend auf dem Regelwert PV berechnet wird, unabhängig von dem Sollwert SV, wird zu dem eingestellten Ausgangssignal addiert, und das Ergebnis wird äquivalent als eine Bedingung zum Unterdrücken einer Störung ausgegeben.
In Fig. 58 ist ein fünfundzwanzigstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Figuren ist eine Prozeßwert-Rückführ-Kompensationseinheit vorgesehen, die eine zweite Kompensations-Operationseinheit bildet.
Die Sollwert-Rückführ-Kompensationseinheit 113 empfängt den Regelwert PV und wendet auf ihn eine Kompensationsoperation an, die auf der Übertragungsfunktion F(s) basiert, die durch Gleichung (63) gegeben ist. Für die Abweichung E aufgrund von Veränderungen des Regelwertes PV führt sie einen Kompensationswert f zu einer Operationseinheit 115, der die Regelkonstanten KP*, TI* und TD*, die auf die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes eingestellt sind, veranlaßt, äquivalent zu jenen für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung zu korrigieren. Die Operationseinheit 115 subtrahiert den Kompensationswert f von dem Einstell- Ausgangssignal u, das von der Regel-Operationseinheit 39 kommt, um das kompensierte eingestellte Ausgangssignal u' zu erhalten, das dann zu einer Operationseinheit 41 ausgegeben wird.
Da jedoch der Kompensationswert f nicht nur die Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung, sondern auch die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes korrigiert, verbessert das kompensierte eingestellte Ausgangssignal u' die Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung, verschlechtert aber die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes. Die Sollwert- Weiterführ-Kompensationseinheit 33 ist dafür da, die Verschlechterung der Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes zu entdecken. Sie wendet eine Kompensationsoperation auf den Sollwert SV basierend auf einer Übertragungsfunktion (s) an, die der Übertragungsfunktion F(s) der Prozeßwert- Rückführ-Kompensationseinheit 113 entspricht, und gibt den erhaltenen Kompensationswert h zu der Operationseinheit 41 aus. Die Recheneinheit 14 addiert den Kompensationswert h zu dem Kompensationsten eingestellten Ausgangssignal u', um das Ergebnis zu dem Regelobjekt 37 auszugeben.
Als nächstes wird das Prinzip beschrieben, durch das es möglich ist, eine Optimierung sowohl der Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes als auch zum Unterdrücken einer Störung zu erreichen, und zwar durch Auswählen der Inhalte der zwei Kompensationseinrichtungen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Zuerst sollte daran erinnert werden, daß, da die Regelkonstanten der Regel-Operationseinheit 39 auf die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes eingestellt sind, wenn es keine Kompensation in beiden Kompensationseinheiten 33 und 113 gibt, der Regelwert PV Änderungen des Sollwertes SV optimal folgt, wie es durch Gleichung (62) gezeigt ist.
Da jedoch die Antwort gemäß Gleichung (62) schwache Unterdrückungs-Kennlinien für eine Störung D hat, wird sie der Sollwert-Rückführ-Kompensationseinheit 113 zugeführt, um die Regelkonstanten äquivalent zu den Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung zu korrigieren, wie es in Gleichung (63) zu sehen ist, um die Störungs-Kennlinien zu verbessern.
Jedoch beeinflußt die Übertragungsfunktion F(s) zum Kompensieren der Unterdrückung einer Störung nicht nur die Antwort auf die Störung D, sondern beeinflußt auch den Sollwert SV.
Aus diesem Grund ist die Sollwert-Weiterführ- Kompensationseinheit 115 vorgesehen, um nur die Kennlinien zum Folgen des Sollwertes SV durch Fixieren der Antwort auf die Störung D zu manipulieren. Als Ergebnis einer solchen Kompensation wird die Regelantwort des Prozesses so, wie es durch Gleichung (64) gezeigt ist.
Gemäß der Gleichung (64) ist zu sehen, daß die Unterdrückungs-Kennlinien für eine Störung D durch {C*(s) + F(s)} eingestellt wird, während die Folge-Kennlinien für einen Sollwert SV durch {C*(s)+H(s))}/[1+{C*(s)+F(s)}] eingestellt wird.
Als nächstes wird die Übertragungsfunktion F(s) für die Prozeßwert-Rückführ-Kompensationseinheit 11 basierend auf der Antwort bestimmt, die durch Gleichung (64) gegeben wird. Nämlich dann, wenn die Übertragungsfunktion C(s) zum Einstellen der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung D auf eine optimale Bedingung für Kennlinien durch die Gleichung (65) und (66) definiert ist, kann die Übertragungsfunktion F(s) berechnet werden, wie es durch die Gleichungen (67) und (68) vorgegeben ist.
In der obigen Gleichung sind KP*, TI* und TD* die Regelkonstanten für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes, KP, TI und TD sind die Regelkonstanten für die optimale Bedingung zum Unterdrücken einer Störung, und α, β und γ sind Einstellparameter.
C*(s) + F (s) = C(s)
F(s) = C(s) - C*(s) (67)
Damit diese Übertragungsfunktion richtig ist, muß die Regelantwort des Prozesses das Grenzwert-Theorem erfüllen. Nämlich in dem Fall des Änderns des Sollwertes SV um einen festen Betrag auf eine stufenweise Art, muß unter der Bedingung einer konstanten Störung D die Abweichung in dem stetigen Zustand verschwinden. Zum Erfüllen der obigen Bedingung muß Gleichung (69) erfüllt werden, und in Folge muß die Gleichung (70) erfüllt werden.
Wenn die Ausdrücke für die Übertragungsfunktionen F(s) und C*(s) in Gleichung (11) eingesetzt werden, ist der Ausdruck in F(s), der dem Integrationsausdruck 1/T*I·s in C*(s) entspricht, der Verzögerungsausdruck erster Ordnung 1/(1+TI· s), so daß es klar ist, daß F(s) die Gleichung (70) erfüllt, da der Nenner zu Unendlich geht, wenn s → 0.
Als nächstes wird die Übertragungsfunktion H(s) für die Sollwert-Weiterführ-Kompensationseinheit 33 abgeleitet. Diese Funktion ist dafür da, die Folge-Kennlinien für den Sollwert SV zu entdecken, der durch die Handlung der Prozeßwert-Rückführ-Kompensationseinheit 113 geändert wird, wie es durch Gleichung (63) gezeigt ist, um eine Bedingung zu entdecken, wie sie durch Gleichung (62) gezeigt ist. Wenn die Antwort auf den Sollwert, die durch Gleichung (64) gegeben ist, korrigiert wird, wie es durch Gleichung (62) vorgeben ist, wird folgendes erhalten:
Jedoch schwingt gemäß der Gleichung (71) die Antwort den Sollwert über, wie man es aus Gleichung (64) sehen kann. Deshalb wird Gleichung (71) zu Gleichung (72) verändert, und zwar unter Verwendung eines Koeffizienten k (0 < k < 1), um nur die Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes durch Verändern des Wertes von k zu manipulieren.
H(s) = k · F(s) (72)
Auf diese Weise werden die Regelkonstanten KP, TI und TD äquivalent auf eine wechselseitig unabhängige Weise in Abhängigkeit von der Kompensationshandlung korrigiert, um optimale Kennlinien sowohl für eine Störunterdrückung als auch ein Folgen eines Sollwertes zu erhalten.
Als nächstes wird ein Beispiel zum Berechnen der Werte der Einstellparameter α, β und γ zum Einstellen der Werte der Übertragungsfunktion F(s) für die Prozeßwert-Rückführ- Kompensationseinheit und die Übertragungsfunktion H(s) für die Sollwert-Weiterführ-Kompensationseinheit beschrieben.
Vergleicht man die Operationen in den Gleichungen (6) und (7) kann man nämlich für die proportionale Operation sehen, daß gilt:
Weiterhin erhält man durch Einstellen von {1/TI*·s + β /(1+TI*·s)} in Gleichung (6) auf β/TI·s für den integralen Operationsteil:
Darüber hinaus erhält man für den differentialen Operationsteil:
Da KP, TI und TD, KP*, TI* und TD* durch das CHR-Verfahren oder ähnliches erhalten werden kann, können die Werte für α, β und γ gefunden werden.
Wie oben korrigiert dann, wenn die Regelkonstanten KP*, TI* und TD* auf die optimale Bedingung für Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes eingestellt sind, das vorliegende Ausführungsbeispiel für Veränderungen aufgrund von Störungen die Regelkonstanten äquivalent zu jenen für die optimale Bedingung von Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung mittels der Kompensationshandlung, die auf der Übertragungsfunktion F(s) für die Sollwert-Rückführ- Kompensationseinheit 113 basiert. Jedoch verschlechtert die Kompensationshandlung Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes. Zum Entdecken und Kompensationsen der Verschlechterung wird für die Komponente, die der Änderung des Sollwertes SV entspricht, eine Kompensationsoperation basierend auf der Übertragungsfunktion H(s) für die Sollwert-Weiterführ-Kompensationseinheit 33 angewendet. Auf diese Weise wird es möglich, eine optimale Bedingung von Kennlinien sowohl für eine Störunterdrückung als auch ein Folgen eines Sollwertes zu realisieren. Zusätzlich kann die Antwort durch Einstellen des Koeffizienten k in Gleichung (72) zum Folgen eines Sollwertes frei und unabhängig optimiert werden, um die Überschwingung einzustellen, und durch Verändern der Parameter α, β und γ zum Unterdrücken einer Störung.
Als ein Beispiel einer Antwort des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist in den Fig. 59(A) und (B) gezeigt, wobei die Übertragungsfunktion F(s) für die Prozeßwert- Rückführ-Kompensationseinheit 113 einzig aus der proportionalen Kompensation KP* · (α-1) besteht. Bei dem Beispiel wird die Kennlinie zum Unterdrücken einer Störung durch Erhöhen des Wertes von α von α = 1 (keine Kompensation) zu größeren Werten verbessert, und zwar durch Fixieren der Kennlinien zum Folgen eines Sollwertes (k = konstant).
Weiterhin verändert sich, wie es in Fig. 60 gezeigt ist, der Wert von β äquivalent zu der Integrationszeit der Kennlinien zum Unterdrücken einer Störung. Durch das Verwenden dieses Parameters ist es möglich, den maximalen Wert der Veränderung zu erniedrigen. Der Parameter γ ist vorgesehen zum Verändern der Vorhaltezeit, durch die es möglich wird, die Störung schnell zu unterdrücken.
Obwohl in der Beschreibung einige Ausführungsbeispiele der perfekten Differentiationen vorgestellt worden sind, während es andere, nämlich nicht perfekte Differentiationen gibt, ist es leicht zu verstehen, daß die Differentiationen der zwei Arten bei jedem Ausführungsbeispiel wechselseitig austauschbar sind. Es sollte auch bemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung sowohl auf das Positionstyp- Opertionssystem als auch das Geschwindigkeitstyp- Operationssystem frei anwendbar ist, das weitverbreitet bei einer direkten digitalen Regelung verwendet wird.

Claims

1. Prozeß-Regelsystem mit einer ersten und einer zweiten Regelungsvorrichtung sowohl zum Regeln einer Antwort auf einen Prozeß-Ausgangswert (PV) gegenüber einer Störung (D), die einem Prozeß (Gp(S)) zugefügt wird, als auch zum Folgen eines Prozeßausgangswertes (PV) einer Änderung eines Sollwertes (SV),

wobei die erste Regelungsvorrichtung einen ersten einstellbaren Parametersatz (KP, Ti; Kp, Ti, Td) einschließlich wenigstens der Parameter für proportionale und integrierende Operationen (Kp, Ti) aufweist, die dem Prozeß (Gp(S)) ein Regelsignal (MV) auf der Basis des Prozeßausgangswertes (PV) zuführen, zum optimalen Regeln der Antwort des Prozeßausgangswertes (PV) durch Einstellen des ersten Parametersatzes, wenn die Störung (D) zugeführt wird, und

wobei die zweite Regelungsvorrichtung einen zweiten einstellbaren Parametersatz (α, β; α, β, γ; α, H1, H2; α, H1, H2, γ) einschließlich wenigstens eines Integrierparameters für eine integrierende Operation (β, H2) aufweist, der unabhängig von dem ersten Parametersatz einstellbar ist, zum Regeln der Antwort des Prozeßausgangswertes (PV) durch Einstellen des zweiten Parametersatzes, wenn die Änderung des Sollwertes (SV) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Regelungsvorrichtung eine Integrationseinheit (17) mit einer Übertragungsfunktion von

enthält,

und die zweite Regelungsvorrichtung eine Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit (59, 17) mit einer Übertragungsfunktion von

enthält,

und die zweite Regelungsvorrichtung die Antwort des Prozeßausgangswertes (PV) durch Einstellen des Integrierparameters β optimal regelt, der positiv ist; wobei Kp und TI die Proportionalverstärkung und die Integrationszeitkonstante der Übertragungsfunktionen sind, und s die komplexe Variable ist.

2. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung angepaßt ist, wenigstens einen Parameter einer Integrationszeit einzustellen.

3. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung geeignet ist, wenigstens einen Parameter einer Proportionalverstärkung einzustellen.

4. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit die Einstellparameter aufweist.

5. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, wobei TD Null sein kann, um einem System ohne Differentiationsoperation zu entsprechen.

6. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung proportionale und integrierende Operationen ausführt.

7. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung weiterhin eine Differentiationsoperation ausführt.

8. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung wenigstens eine Kompensations-Operationseinheit mit wenigstens einem Parameter aufweist, der im wesentlichen die Kennlinien zum Unterdrücken externer Störungen nicht beeinflußt, die auf das System wirken, das derart aufgebaut ist, daß das Prozeß-Regelsystem ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

9. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung ein Weiterführ-Element ist, das an dem Sollwert arbeitet und das Ergebnis davon von dem manipulierten Wert subtrahiert, der von der ersten Regelungsvorrichtung ausgegeben wird.

10. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung eine Regel- Operationseinheit ist, die an der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Prozeßwert arbeitet und das Ergebnis davon als den manipulierten Wert ausgibt.

11. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und die erste Regelungsvorrichtung die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, wobei KP eine Proportionalverstärkung ist, TI eine Integrationszeit ist und TD eine Vorhaltezeit ist, die alle optimal gewählt sind zum Unterdrücken der externen Störungen, die auf das System wirken, und TI unendlich sein kann, was einem System entspricht, das keine Integrationsoperation aufweist, während TD Null sein kann, entsprechend einem System ohne Differentiationsoperation.

12. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung wenigstens ein Filterelement ist, das an dem Sollwert arbeitet, und das Ergebnis davon durch den Prozeßwert subtrahiert und durch eine Regel-Operationseinheit bearbeitet wird, um das Einstell-Ausgangssignal des manipulierten Wertes zu erhalten.

13. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung die Operation optimal zum Unterdrücken externer Störungen ausführt, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

14. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung die Operation ausführt, gefolgt durch die Operation der Regel-Operationseinheit, um eine gesamte Übertragungsfunktion in Zusammenarbeit mit der Regel-Operationseinheit zu bilden, die optimal auf ein Folgen der Änderung des Sollwertes antwortet.

15. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und die zweite Regelungsvorrichtung die Operation gemäß der Gleichung

ausführt,

wobei KP, TI und TD jeweils eine Proportionalverstärkung, eine Integrationszeit und eine Vorhaltezelt sind, die optimal gewählt sind zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist, und TI unendlich sein kann, entsprechend einem System ohne Integratationsoperation, während TD Null sein kann, entsprechend einem System ohne Differentiationsoperation.

16. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung einen ersten Teil aufweist, der das Ausgangssignal von der zweiten Regelungsvorrichtung bearbeitet, und einen zweiten Teil, der von dem Ausgangssignal von dem ersten Teil den differenzierten Wert des Prozeßwertes bezüglich einer Differentiationszeit TD subtrahiert, die zum Unterdrücken externer Störungen geeignet ist, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

17. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und der zweite Teil eine Proportional- Operationseinheit mit einer Proportionalverstärkung KP ist, wobei TI und KP optimal gewählt sind zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

18. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung die Operation gemäß wenigstens einer der Gleichungen

ausführt, wobei TD optimal gewählt wird zum Unterdrücken einer externen Störung.

19. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung eine erste und eine zweite Proportional-Operationseinheit mit Proportionalkoeffizienten α und γ aufweist, und die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit, die jeweils an dem Sollwert arbeiten und den Prozeßwert von den Ergebnissen davon subtrahieren, wobei das Ergebnis der zweiten Proportional-Operationseinheit bezüglich einer Vorhaltezeit TD differenziert wird, und das Ergebnis der Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit bezüglich einer Integrationszeit TI integriert wird, und die differenzierten und integrierten Ergebnisse und das Ergebnis der ersten Proportional-Operationseinheit summiert und mit einem Koeffizienten KP multipliziert werden, um das Einstellsignal des manipulierten Wertes zu erhalten, wobei KP, TI und TD derart gewählt werden, daß sie geeignet zum Unterdrücken externer Störungen sind, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß- Regelsystem aufgebaut ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist, wobei TD und β Null sein können.

20. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit eine Verzögerungs-Operationseinheit erster Ordnung ist.

21. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungs-/Verzögerungs-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt.

22. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung eine erste Proportional- Einheit aufweist, die den Sollwert mit einem Parameter multipliziert und den Prozeßwert von dem Ergebnis davon subtrahiert, und eine Verzögerungs-Operationseinheit erster Ordnung mit einer Verzögerungszeit TI, die den Sollwert bearbeitet und das Ergebnis davon von dem integrierten Wert des bearbeiteten Wertes bezüglich einer Integrationszeit TI subtrahiert, wobei die zwei subtrahierten Ergebnisse summiert werden und mit einem Parameter KP multipliziert werden, wobei KP und TI geeignet sind zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

23. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung wenigstens eine Kompensations-Einheit mit wenigstens einem Einstellparameter aufweist, der im wesentlichen keine Auswirkung auf die Kennlinien zum Folgen der Änderung des Sollwertes hat.

24. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung wenigstens eine Kompensations-Operationseinheit ist, die den Prozeßwert bearbeitet und das Ergebnis davon von dem Sollwert subtrahiert.

25. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit eine Führungs-/ Verzögerungs-Operationseinheit aufweist.

26. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und das Ergebnis davon mit einer Integrationszeit TI* integriert wird, die zum Folgen der Änderung des Sollwertes eingestellt ist.

27. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit weiterhin eine erste Proportional-Einheit aufweist, die den Prozeßwert mit einer einstellbaren Konstante α multipliziert und das multiplizierte Ergebnis von dem Sollwert subtrahiert.

28. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit weiterhin eine zweite Proportional-Einheit aufweist, die den Prozeßwert mit einer einstellbaren Konstante γ multipliziert und das Ergebnis davon von dem Sollwert subtrahiert, und das subtrahierte Ergebnis bezüglich einer Vorhaltezeit T* wird, die geeignet ist zum Folgen der Änderung des Sollwertes.

29. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die multiplizierten, integrierten und differenzierten Ergebnisse der Kompensations-Operationseinheiten aufsummiert und mit einer Konstante KP* multipliziert werden, die zum Folgen der Änderung des Sollwertes eingestellt ist, um das Einstellsignal mit manipulierten Werten auszugeben.

30. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das multiplizierte Ergebnis der ersten Proportional- Einheit von dem Sollwert subtrahiert wird, der mit einer einstellbaren Konstante δ multipliziert ist, statt direkt von dem Sollwert.

31. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 29, weiterhin gekennzeichnet durch eine Umschalt-Einheit zum Abschneiden des Führens des Sollwertes zu der ersten Proportional-Einheit.

32. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das multiplizierte Ergebnis der zweiten Proportional- Einheit von dem Sollwert subtrahiert wird, der mit einer einstellbaren Konstanten δ multipliziert ist, statt direkt von dem Sollwert.

33. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 32, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschalt-Einheit zum Abschneiden des Führens des Sollwertes zu der zweiten Proportional-Einheit vorgesehen ist.

34. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung ausgestattet ist mit wenigstens einer Rückführ-Operationseinheit, die an dem Prozeßwert mit wenigstens einem einstellbaren Parameter β arbeitet, und das Ergebnis davon von dem Sollwert subtrahiert, und wenigstens einer Regel- Operationseinheit, die das subtrahierte Ergebnis mit dem einstellbaren Parameter β bearbeitet.

35. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Operations-Kombination, die die Operation der Regel- Operationseinheit der Operation der Kompensations- Operationseinheit folgend ausführt, eine Operation bildet, die keine Wirkung auf die Kennlinien zum Unterdrücken externer Störungen ergibt, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

36. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und die Regel-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, wobei TI eine Integrationszeit ist, die als geeignet zum Unterdrücken externer Störungen eingestellt ist, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

37. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis, das von der Regel-Operationseinheit ausgegeben wird, mit einer Konstanten KP multipliziert wird.

38. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 36, weiterhin dadurch gekennzeichnet durch eine Rückführ-Operationseinheit, die den Sollwert bearbeitet und das Ergebnis davon von dem Ergebnis der Kompensations-Operationseinheit subtrahiert.

39. Prozeß-Regelesystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführ-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung 1 + TD ausführt, wobei TD eine Vorhaltzeit ist, die zum Unterdrücken externer Störungen eingestellt ist, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß- Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

40. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit weiterhin eine erste Proportional-Einheit aufweist, die den Prozeßwert mit einer einstellbaren Konstante α&supmin;¹ multipliziert und das Ergebnis davon von dem Sollwert subtrahiert, wobei das subtrahierte Ergebnis mit der Konstanten α multipliziert wird.

41. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit weiterhin eine zweite Proportional-Einheit aufweist, die den Prozeßwert mit einer einstellbaren Konstante δ&supmin;¹ multipliziert und das Ergebnis davon von dem Sollwert subtrahiert, und das subtrahierte Ergebnis bezüglich einer Differentiationzeit δ · TD differenziert wird, wobei TD zum Folgen der Änderung des Sollwertes gewählt ist.

42. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Ergebnisse der Kompensations- Operationseinheiten aufsummiert und mit einer Konstanten KP* multipliziert werden, die zum Folgen der Änderung des Sollwertes eingestellt ist, um das Einstellsignal mit manipulierten Werten auszugeben.

43. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß das multiplizierte Ergebnis der ersten Proprortional- Einheit von dem Sollwert subtrahiert wird, der mit einer einstellbaren Konstante multipliziert wird, statt direkt von dem Sollwert.

44. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß das multiplizierte Ergebnis der zweiten Proportional- Einheit von dem Sollwert subtrahiert wird, der mit einer einstellbaren Konstante multipliziert ist, anstatt direkt von dem Sollwert.

45. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und die Regel-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, wobei TI eine Integrationszeit ist, die geeignet ist zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist, und TD eine Vorhaltzeit ist, die geeignet ist zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist, und TI unendlich sein kann, entsprechend einem System ohne Integrationsoperation, während TD Null sein kann, entsprechend einem System ohne Differentiationsoperation.

46. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsoperatinseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und die Regel-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, wobei TI eine Integrationszeit ist, die geeignet ist zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

47. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, und die Rückführ-Operationseinheit die Operation gemäß der Gleichung

ausführt, wobei KP, TI und TD eine Proportionalrate, eine Integrationszeit und eine Vorhalte- bzw. Differentiationszeit sind, die jeweils optimal gewählt sind zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist, und TI unendlich sein sein kann, entsprechend einem System mit keiner Integrationsoperation, während TD Null sein kann, entsprechend einem System ohne Differentiationsoperation.

48. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelungsvorrichtung eine Rückführ- Kompensations-Operationsseinheit aufweist, die an dem Prozeßwert arbeitet und das Ergebnis davon von dem manipulierten Wert subtrahiert, der von der ersten Regelungsvorrichtung ausgegeben wird.

49. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung eine Regel- Operationseinheit aufweist, die die Operation gemäß der Gleichung C*(s) ausführt, die optimal gewählt ist zum Folgen der Änderung des Sollwertes.

50. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichung F(s), gemäß der die Rückführ- Kompensations-Operationseinheit die Operation ausführt, derart gewählt wird, daß C*(s) + F(s) die Gleichung wird, die geeignet ist zum Unterdrücken externer Störungen, die auf das System wirken, das mit dem Prozeß-Regelsystem gebildet ist, das ein Einstellsystem und das Objekt aufweist.

51. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin folgendes aufweist: eine Sollwert-Kompensations-Operationseinheit, die an dem Sollwert arbeitet und das Ergebnis davon von dem manipulierten Wert subtrahiert, der von der Regel- Operationseinheit ausgegeben wird, wobei die Gleichung H(s), gemäß der die Kompensations- Operationseinheit die Operation ausführt, folgender Bedingung genügt:

H(s) = K · F(s) (0 ≤ K ≤ 1).

52. Prozeß-Regelsystem nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß folgendes gilt:

53. Verfahren zum Einstellen von Parametern eines Prozeß- Regelsystems mit einer ersten und einer zweiten Regelungsvorrichtung sowohl zum Regeln einer Antwort auf einen Prozeßausgangswert (PV) gegenüber einer Störung (D), die einem Prozeß (Gp(S)) zugefügt wird, als auch zum Folgen eines Prozeßausgangswertes (PV) einer Änderung eines Sollwertes (SV), wobei das Verfahren folgendes aufweist:

a) einen ersten Schritt zum Einstellen eines ersten einstellbaren Parametersatzes (KP, Ti; Kp, Ti, Td) der ersten Regelungsvorrichtung einschließlich wenigstens der Parameter für proportionale und integrierende Operationen (Kp, Ti), die dem Prozeß (Gp(S)) ein Regelsignal (MV) auf der Basis des Prozeßausgangswertes (PV) zuführen zum optimalen Regeln der Antwort des Prozeßausgangswertes (PV) durch Einstellen des ersten Parametersatzes, wenn die Störung (D) zugeführt wird, und

b) einen zweiten Schritt zum Einstellen eines zweiten einstellbaren Parametersatzes (α, β; α, β, γ; α, H1, H2, α, H1, H2, γ) der zweiten Regelungsvorrichtung einschließlich wenigstens eines Integrierparameters für eine integrierende Operation (β, H2), der unabhängig von dem ersten Parametersatz einstellbar ist, zum Regeln der Antwort des Prozeßausgangswertes (PV) durch Einstellen des zweiten Parametersatzes, wenn die Änderung des Sollwertes (SV) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelungsvorrichtung eine Integrationseinheit (17) mit einer Übertragungsfunktion von

enthält,