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Dokumentenidentifikation DE19857602A1 21.06.2000
Titel Verfahren zur Regelung zeitkritischer Mehrgrößensysteme durch einen kaskadierten High Speed Matrix Controller
Anmelder Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik (IPM) an der HTWS Zittau/Görlitz (FH), 02763 Zittau, DE
Erfinder Hampel, Rainer, 02797 Luftkurort Lückendorf, DE;
Stegemann, Holger, 18273 Güstrow, DE;
Worlitz, Frank, 02763 Oberseifersdorf, DE;
Chaker, Nasredin, 02763 Zittau, DE
DE-Anmeldedatum 15.12.1998
DE-Aktenzeichen 19857602
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse G05B 13/00
Zusammenfassung In bekannten technischen Lösungen wird bei der Regelung von zeitkritischen Mehrgrößensystemen der Rechenaufwand für die Abarbeitung der Algorithmen aufgrund deren Komplexität auf mehrere Recheneinheiten verteilt. Das neue Verfahren soll die Abarbeitungszeit verringern und damit den Einsatz in schnell ablaufenden Prozessen ermöglichen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung, Regelung und Signalverarbeitung zeitkritischer Mehrgrößensysteme durch kaskadierte High Speed Matrix Controller.
Durch neue Verfahren zur Strukturtransformation werden Regelalgorithmen für Mehrgrößensysteme in eine kaskadierte Struktur mit je zwei Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße transformiert, aus denen eine Kaskade von Kennfeldern erzeugt wird. Die Kennfelder werden extern berechnet und auf elektronische Speicher der High Speed Matrix Controller geladen. Hierbei bilden die digitalisierten Eingangsgrößen die Adressen, über die der Speicher angesprochen wird. Der Inhalt der über die Adresse angesprochenen Speicherzelle ist eine digitale Hilfsgröße, die zusammen mit einer weiteren Eingangsgröße auf den nachfolgenden Controller gegeben wird. Der letzte Controller der Kaskade bildet die Ausgangsgröße (Stellgröße).
Die Erfindung kann in allen Bereichen der Industrie, wo die schnelle Abarbeitung komplexer Regelalgorithmen mit mehreren Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße gefordert ist, zweckmäßig eingesetzt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung, Regelung und Signalverarbeitung zeitkritischer Mehrgrößensysteme durch kaskadierte High Speed Matrix Controller mit zwei Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße unter Ausnutzung von Kennfeldern, in denen der Algorithmus hinterlegt ist.

Die Erfindung kann in allen Bereichen der Industrie, wo die schnelle Abarbeitung komplexer Algorithmen mit mehreren Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße gefordert ist, zweckmäßig eingesetzt werden.

In bisher bekannten technischen Lösungen wird der Regelalgorithmus in Form von mathematischen Gleichungen auf einen Rechner realisiert. Der entsprechende Rechenaufwand ist für zeitkritische Systeme unvertretbar. Bei zeitkritischen Mehrgrößensystemen ist die Abarbeitungszeit des Regelalgorithmus aufgrund der Komplexität der Algorithmen zu hoch, so daß eine anwendungstaugliche Realisierung scheitert. Um den Rechenaufwand zu minimieren, wird i. a. der Regelalgorithmus auf mehrere Recheneinheiten verteilt. Dadurch ergibt sich eine hierarchische Struktur des Regelsystems mit einer kleineren Zykluszeit, jedoch sind der Hardware- und Schnittstellenaufwand und damit der Kostenaufwand hoch.

Bei Mehrgrößensystemen wird die Anzahl der im Regelalgorithmus zu verarbeitenden Eingangsgrößen reduziert, indem zwei oder mehrere Eingangsgrößen vor deren Verarbeitung im Algorithmus zu einer Größe zusammengefaßt werden [Mo Jamshidi: Fuzzy Control of Complex Systems, Soft Computing 1 (1997) 42-56]. Zwar ergibt sich dadurch eine Reduzierung des Rechenaufwandes und der Komplexität des Regelsystems, aber die Zusammenfassung mehrerer Eingangsgrößen zu einer Größe ist nur bedingt möglich. Dies setzt eine eindeutige Abhängigkeit zwischen den zu zusammenfassenden Eingangsgrößen voraus, was sehr anwendungsspezifisch und damit nicht immer möglich ist [G. V. S. Raju: Adaptive Hierarchical Fuzzy Controller, IEEE Transactions on Systems, MAN, and Cybernetics. Vol. 23. No. 4, 1993].

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei der Regelung und Diagnose von Mehrgrößensystemen mit mehreren Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße (MISO- Systeme) die Zeit für die Abarbeitung des Algorithmus durch Einsatz von zweidimensionalen High Speed Matrix Controllern [Hauptpatent Anmeldung DE 197 56 507 A1], die zu einer Kaskade zusammengeschaltet sind, zu verringern und damit den Einsatz in schnell ablaufenden Prozessen zu ermöglichen. Für den Einsatz der Controller in der Kaskade sind Algorithmen zur Strukturtransformation notwendig, die das MISO-System in mehrere Systeme mit je zwei Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße transformieren. Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Für die Regelung von Mehrgrößensystemen mit n Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße können n-1 zweidimensionale High Speed Matrix Controller in Form einer Kaskade nach Patentanspruch 1 zusammengeschaltet werden. Dazu werden durch Prozeßanalyse die dominierenden und nichtdominierenden Eingangsgrößen des Mehrgrößensystems festgelegt. Die Eingangsgrößen werden auf die einzelnen Controller der Kaskade aufgeteilt, wobei die dominierenden Größen den Controllern am Anfang der Kaskade und die nichtdominierenden Größen den nachfolgenden Controllern zugeordnet werden. Controller mit dominierenden Eingangsgrößen bilden den Basiswert für die Ausgangsgröße und Controller mit nichtdominierenden Eingangsgrößen beinhalten eine Adaptionsvorschrift. Die Festlegung der Berechnungsvorschrift kann sowohl mit wissensbasierten als auch mit analytischen Methoden erfolgen. Durch Variation der Eingangsgrößen je nach applikationsabhängiger Auflösung werden die Kennfelder für die einzelnen Controller berechnet.

Die n-1 Kennfelder werden auf eine Kaskade von n-1 High Speed Matrix Controllern geladen, wobei jeder Controller zwei Eingänge und einen Ausgang besitzt. Der erste Controller der Kaskade verarbeitet zwei Meßgrößen als Eingangsgrößen zu einer virtuellen Größe als Ausgangsgröße. Die weiteren Controller verarbeiten jeweils eine Meßgröße und die virtuelle Ausgangsgröße des vorigen Controllers zu einer weiteren virtuellen Größe. Der Adreßbereich des Speicherblocks des ersten Controllers ergibt sich aus der Summe der Auflösungen der beiden A/D-Wandler, die Adreßbereiche der Speicherblöcke der folgenden Controller ergeben sich aus der Summe der Auflösungen des jeweiligen A/D-Wandlers und der Datenbreite der virtuellen Größen. Der Inhalt der über die Adresse angesprochenen Speicherzelle eines Speicherblocks bildet zusammen mit der durch Digitalisierung einer Eingangsgröße gebildeten Adresse eine weitere Adresse für den nachfolgenden Speicherblock. Die Datenbreite eines Speicherblocks wird aus der Auflösung der entsprechenden virtuellen Größe am Ausgang bestimmt. Der Inhalt der adressierten Speicherzelle des letzten Speicherblocks ist die Ausgangsgröße, wobei sich die Datenbreite des letzten Speicherblocks aus der Auflösung des entsprechenden D/A-Wandlers ergibt.

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel als Reglerkaskade aus Fuzzy- Controllern nachfolgend näher beschrieben.

Darin zeigen:

Fig. 1 Aufbau einer Kaskade von High Speed Matrix Controllern.

Für den Einsatz in einem Mehrgrößensystem mit beispielsweise vier Eingangsgrößen und einer Ausgangsgröße werden aus einer mehrdimensionalen Fuzzy-Controller- Struktur (wissensbasiertes System) eine Kaskade von zweidimensionalen Fuzzy- Controllern erzeugt. Nach Festlegung der dominierenden und nichtdominierenden Eingangsgrößen und Aufteilung auf die einzelnen Controller der Kaskade werden drei der oben beschriebenen High Speed Matrix Controller mit je zwei Eingängen und einem Ausgang zu einer Kaskade zusammengeschaltet.

Der erste Controller verarbeitet die Eingangsgrößen E1 und E2 zu einer virtuellen Größe H1 am Ausgang. Die virtuelle Größe H1 und die Eingangsgröße E3 sind die Eingangsgrößen für den zweiten Controller, dessen Ausgang H2 ist. Die virtuelle Größe H2 und die Eingangsgröße E4 sind die Eingangsgrößen für den dritten Controller, dessen Ausgang A ist (Fig. 5). In diesem Fall werden die virtuellen Größen Hi (i = 1, 2) direkt aus dem Speicher, in dem das Kennfeld hinterlegt ist, ausgelesen und bilden ohne nachfolgende D/A- und A/D-Wandlung zusammen mit der nächsten Eingangsgröße die Adresse für den nachfolgenden Speicher. Eine A/D-Wandlung ist nur noch für die Eingangsgrößen und eine D/A-Wandlung für die Ausgangsgröße erforderlich.

Eine Optimierung der Fuzzy-Controller erfolgt offline in einem Simulationssystem durch Variation der Parameter (Anzahl, Form und Verteilung der Fuzzy-Sets) der virtuellen Größen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den Einsatz von zweidimensionalen High Speed Matrix Controllern in Form einer Kaskade die Abarbeitungszeit für die Regelung von Mehrgrößensystemen verringert wird, wobei durch die kaskadierte Struktur die Übersichtlichkeit und die Validierbarkeit des Algorithmus sowie die transparentere Darstellung des Erfahrungswissens gewährleistet werden. Die Regelung der Mehrgrößensysteme kann dabei durch beliebige Algorithmen (z. B. PD-Algorithmus, Fuzzy-Algorithmus, Zustandsregelung, Störgrößenaufschaltung) realisiert werden. Durch Einbeziehung von zusätzlichen Meßinformationen und/oder Erfahrungswissen in Form eines nachgeschalteten Kennfeldes wird eine höhere Qualität des Controllers in MISO-Systemen erreicht.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung zeitkritischer Mehrgrößensysteme durch einen kaskadierten High Speed Matrix Controller mit Algorithmus in Form von hintereinandergeschalteten Kennfeldern, die extern berechnet und auf elektronische Speicher geladen werden, dadurch gekennzeichnet, daß

    1. - aus Meßdaten und Erfahrungswissen über Mehrgrößensysteme mehrdimensionale Fuzzy-Controller in Form von Regeln generiert werden,
    2. - aus der mehrdimensionalen Fuzzy-Controller-Struktur eine kaskadierte Struktur mit einer kleineren Anzahl von Regeln durch einen neuartigen Substitutionsalgorithmus entwickelt wird,
    3. - aus der kaskadierten Struktur eine Kaskade von Kennfeldern erzeugt wird, die auf eine Anzahl von High Speed Matrix Controllern, die mit der Anzahl der Elemente der Kaskade übereinstimmt, geladen wird,
    4. - der erste Controller der Kaskade zwei Meßgrößen als Eingangsgrößen zu einer Hilfsgröße als Ausgangsgröße verarbeitet und die weiteren Controller jeweils eine Meßgröße und die Hilfsgröße des vorigen Controllers zu einer weiteren Hilfsgröße verarbeiten,
    5. - der Adreßbereich eines Speicherblocks des Controllers sich aus der Summe der Auflösungen des jeweiligen A/D-Wandlers und der Datenbreite der Hilfsgrößen ergibt,
    6. - der Inhalt der über die Adresse angesprochenen Speicherzelle eines Speicherblocks zusammen mit der durch Digitalisierung einer Eingangsgröße gebildeten Adresse eine weitere Adresse als Hilfsgröße zum nachfolgenden Speicherblock bildet,
    7. - die Datenbreite eines Speicherblocks aus der Auflösung der entsprechenden Hilfsgröße am Ausgang bestimmt wird,
    8. - der Inhalt der adressierten Speicherzelle des letzten Speicherblocks die Ausgangsgröße ist, wobei sich die Datenbreite des letzten Speicherblocks aus der Auflösung des entsprechenden D/A-Wandlers ergibt.
  2. 2. Kaskadierter High Speed Matrix Controller nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

    1. - die höhere Qualität des Controllers durch die einfache Einbeziehung von zusätzlichen Meßinformationen und/oder Erfahrungswissen in Form eines nachgeschalteten Kennfeldes erreicht wird,
    2. - die Übersichtlichkeit und die Validierbarkeit des Algorithmus sowie die transparentere Darstellung des Erfahrungswissens durch die kaskadierte Struktur gewährleistet werden.






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