VDI VDE 3685 Blatt 2-2015 Adaptive controllers - Explanations and examples.pdf

1、ICS 25.040.40 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2015 December 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Adaptive Regler Erluterungen und Beispiele Adaptive controllers Explanations and examples VDI/VDE 3685 Blatt 2 / Part 2 Ausg. deutsch/englisch Issue Ger

2、man/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Engineering und Betrie

3、b automatisierter Anlagen VDI/VDE-Handbuch Automatisierungstechnik VDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 5: Spezielle Verfahrenstechniken Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:01.92;12.13 Entw

4、urf,deutschFormereditions:01.92;12.13 Draft,in German onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative

5、 Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen und Abkrzungen . 3 5 Beispiele verschiedener Strukturen adaptiver Regelsysteme . 4 5.1 Regler nach dem Modellvergleichsverfahren 4 5.2 Adaptive Regler ohne Vergleichsmodell . 4 5.3 Strukturumschaltender Regler 5 5.4 Gain“-(oder Parameter-)Scheduling-Regler .

6、5 5.5 Extremwertregler . 6 6 Beispiele fr die Anwendung der Merkmalliste 6 6.1 Stromrichtergespeister Gleichstromantrieb . 6 6.2 Abwasserneutralisation 6 6.3 Modellprdiktive Regelung mit mehreren Prozessmodellen (Multi-model MPC) . 9 6.4 Banddickenregelung in Kaltwalzwerken . 11 6.5 Industrieroboter

7、 13 6.6 Kunststoffverarbeitungsprozesse . 14 6.7 Adaptiver Zustandsregler . 15 6.8 Extremalwertregler 16 Schrifttum 20 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols and abbreviations . 3 5 Examples of different structures of adaptive c

8、ontrol systems . 4 5.1 Controller according to the model reference principle . 4 5.2 Adaptive controller without reference model . 4 5.3 Variable structure controller 5 5.4 Gain or parameter scheduling controller 5 5.5 Extremal value controller 6 6 Examples for application of the list of characteris

9、tic properties 6 6.1 Thyristor driven DC motor . 6 6.2 Waste water neutralisation . 6 6.3 Model predictive control with several process models (multi-model MPC) 9 6.4 Control of band thickness in cold rolling mills 11 6.5 Industrial robots . 13 6.6 Plastics processing units 14 6.7 Adaptive state-spa

10、ce controller 15 6.8 Extremum seeking controller . 16 Bibliography 20 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1F92DEF1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2015-12 2 VDI/VDE 3685 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Ds

11、seldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorb

12、ehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der

13、 aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3685. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of re

14、print-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VD

15、I Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3685. Einleitung Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3685 wurde ber-arbeitet und ergnzt. Blatt 1 wurde im D

16、ezember 2009 und im November 2015 berprft und ist unverndert gltig. Blatt 3 ist an die Vorgaben des aktuellen Richtlinientemplates angepasst und um den Abschnitt Ausgewhlte Methoden der Reg-lerselbsteinstellung“ erweitert worden. Das vorlie-gende Blatt 2 ist leicht modifiziert und an den Stand der T

17、echnik angepasst worden. Introduction The standard series VDI/VDE 3685 have been edit-ed and complemented. Part 1 has been revised al-ready in December 2009 and in November 2015 and is valid without changes. Part 3 has been aligned to the standards of the actual standard tem-plate and has been exten

18、ded by the chapter “select-ed methods of controller self”. This Part 2 at hand has been slightly modified and adapted to the cur-rent state of technology. 1 Anwendungsbereich Die Begriffsdefinitionen von Blatt 1 werden an-hand von Beispielen erlutert. Aufgrund der Viel-falt der unterschiedlichen Alg

19、orithmen und der zahlreichen Anwendungen wird hier eine exempla-rische Darstellung und Erluterung der Richtlinien angestrebt. Dazu werden in Abschnitt 5 verschie-dene Strukturen in Form von Blockschaltbildern beispielhaft dargestellt. Abschnitt 6 zeigt die Handhabung der Merkmalliste fr die Charakte

20、ri-sierung verschiedener in der Literatur vorgestellter adaptiver Regelverfahren. In der industriellen Praxis werden vor allem die Inbetriebnahmeadaption und die gesteuerte Adap-tion angewendet. Adaptive Regler mit geregelter, permanenter Adaption sind in speziellen Anwendungsfllen, z. B. bei Regels

21、trecken mit ausgeprgter nichtlinea-rer Charakteristik, erfolgreich angewendet worden. Dies ist durch zahlreiche Verffentlichungen be-legt. Die dabei realisierten Adaptionsstrategien und -konzepte sind aber meist so speziell, dass sie selbst bei hnlich gelagerten Problemstellungen 1 Scope Terms and d

22、efinitions of Part 1 are illustrated based on examples. Due to the variety of different algo-rithms and numerous applications an exemplary representation and explanation of the standards is intended here. Therefore, Section 5 illustrates dif-ferent structures in form of block diagrams. Sec-tion 6 de

23、monstrates the handling of the list of char-acteristic properties for characterisation of various adaptive control methods presented in literature. Mainly self-tuning at start-up and feedforward ad-aptation are used in industrial practice. Adaptive controllers with permanent adaptation have been suc

24、cessfully applied in special cases like e.g. with plants that show distinctive nonlinear characteristics. This has been proved by numerous publications. However, the strategies and concepts of adaptation realised in these cases usually are so specific that they hardly can be transferred to simi-lar

25、problems and therefore would go beyond the B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1F92DEF1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2015-12All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 3685 Blatt 2 / Part 2 3 nur schwer bertragb

26、ar sind und aus diesem Grund den Rahmen dieser Richtlinie sprengen wrden. Diese Richtlinie verwendet die Signalbezeichnun-gen gem DIN IEC 60050-351. In der internatio-nalen Literatur werden die Regelgre blicher-weise mit y und die Stellgre mit u bezeichnet. scope of this standard. This part uses the

27、 signal notation according to DIN IEC 60050-351. In international publications the controlled variable typically is indicated with y and the manipulated variable is indicated with u. 2 Normative Verweise Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieser Richtlinie erforderlich: DIN IEC

28、60050-351:2014-09 Internationales Elek-trotechnisches Wrterbuch; Teil 351: Leittech-nik VDI/VDE 3685 Blatt 1:1990-05 Adaptive Regler; Begriffe und Eigenschaften 2 Normative references The following referenced documents are indispen-sable for the application of this standard: DIN IEC 60050-351:2014-0

29、9 International electro-technical vocabulary; Part 351: Control technol-ogy VDI/VDE 3685 Part 1:1990-05 Adaptive control-lers; Terms and properties 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach VDI/VDE 3685 Blatt 1. 3 Terms and definitions For the purposes of this standard,

30、the terms and definitions as per VDI/VDE 3685 Part 1 apply. 4 Formelzeichen und Abkrzungen Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Bezeichnung e Regeldifferenz e* Modellfehler pVektor, dessen Elemente das Prozessver-halten kennze

31、ichnen oder beeinflussen rVektor der Reglerparameter TbAusgleichszeit TeVerzugszeit TsAbtastzeit TtTotzeit w Fhrungsgre w0voreingestellter Wert der Fhrungsgre x Regelgre y Stellgre z Strgre Prdiktorfehler Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Abkrzungen verwendet: FCC F

32、luidised Catalyst Cracking Unit MIMO Multi-Input Multi-Output (= Mehrgren) ITAE Integral of Time-weighted Absolute Val-ue SISO Single-Input Single-Output 4 Symbols and abbreviations Symbols The following symbols are used throughout this standard: Symbol Designation e control error e* model error pve

33、ctor whose entries characterize and influ-ence the process behaviour rvector of controller parameters Tbbalancing time Teequivalent dead time Tssampling time Ttdead time w reference variable w0prespecified value of the reference variable x controlled variable y manipulated variable z disturbance var

34、iable prediction error Abbreviations The following abbreviations are used throughout this standard: FCC fluidised catalyst cracking unit MIMO multi-input multi-output ITAE integral of time-weighted absolute value SISO single-input single-output B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B

35、1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1F92DEF1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2015-12 4 VDI/VDE 3685 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 5 Beispiele verschiedener Strukturen adaptiver Regelsysteme Die Bilder beziehen sich auf Eingrenregelungen, die

36、adaptiven Strukturen sind aber sinngem auf Mehrgrensysteme erweiterbar. 5 Examples of different structures of adaptive control systems The figures relate to the control of single-input-single-output (SISO) systems, however the adaptive structures can be expanded to corresponding MIMO-systems. 5.1 Re

37、gler nach dem Modellvergleichsverfahren Ein Beispiel fr eine adaptive Regelung nach Bild 1 ist die in Abschnitt 6.2 nher beschriebene Abwasserneutralisation. Bild 1. Direktes, deterministisches, parameter-adaptives Regelsystem mit geregelter Adaption zur Minimierung des Modellfehlers e* 5.1 Controll

38、er according to the model reference principle An example of an adaptive control configuration according to Figure 1 is the waste water neutrali-sation described in Section 6.2. Figure 1. Direct, deterministic, parameter adaptive control system with adaptation for minimisation of the model error e* 5

39、.2 Adaptiver Regler ohne Vergleichsmodell Ein Beispiel fr eine adaptive Regelung nach Bild 2a ist der in Abschnitt 6.7 nher beschriebe-ne adaptive Zustandsregler. Ein Beispiel fr eine adaptive Regelung nach Bild 2b ist der in Abschnitt 6.6 nher beschriebe-ne Kunststoffverarbeitungsprozess. Bild 2a.

40、Indirektes, deterministisches oder stochas-tisches, parameteradaptives Regelsystem mit gere-gelter Adaption 5.2 Adaptive controller without reference model An example of an adaptive control configuration according to Figure 2a is the adaptive state-space-controller described in Section 6.7. An examp

41、le of an adaptive control configuration according to Figure 2b is the plastics processing unit described in Section 6.6. Figure 2a. Indirect, deterministic or stochastic, parameter adaptive control system with closed-loop adaptation B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE

42、74F0686BD19CFC1F92DEF1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2015-12All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 3685 Blatt 2 / Part 2 5 Bild 2b. Direktes, deterministisches oder stochas-tisches, parameteradaptives Regelsystem mit ge-regelter Adaption Figure 2b. Dir

43、ect, deterministic or stochastic, pa-rameter adaptive control system with closed-loop adaptation 5.3 Strukturumschaltender Regler Ein Beispiel fr eine adaptive Regelung nach Bild 3 ist der in Abschnitt 6.1 nher beschriebene stromrichtergespeiste Gleichstromantrieb. Weitere Beispiele sind: Temperatur

44、regelung von Industriefen, die mit unterschiedlicher Beschickung gefahren werden Prozesse mit hufigen Anfahrvorgngen im Automatikbetrieb mit groer Regelabweichung, bei denen man in krzester Zeit auf die Fh-rungsgre einregeln will, jedoch ohne dass die Regelgre berschwingt (Konzept: P-Regler mit grer

45、er Reglerverstrkung bei groer Ab-weichung vom Sollwert, in der Nhe des Soll-werts Umschaltung auf einen PI-Regler). Bild 3. Strukturadaptives Regelsystem mit gere-gelter Adaption Die Identifikation kann sich beschrnken auf die Auswahl oder Kombination von Signalen, die fr die Umschaltbedingung verwe

46、ndet werden. 5.3 Variable structure controller An example of an adaptive control configuration according to Figure 3 is the thyristor-driven DC motor described in Section 6.1. Further examples are: Temperature control of furnaces that are operat-ed with different chargings Processes with frequent st

47、art-ups in automatic mode with large control deviation, where it is intended to reach the setpoint as fast as possible without overshoot (concept: high-gain propor-tional controller for large control deviation, switch to a PI controller when near to the set-point). Figure 3. Parameter adaptive contr

48、ol system with closed-loop adaptation Identification may be restricted to selection/com-bination of signals that are used for the switching criterion. 5.4 Gain“-(oder Parameter-)Scheduling-Regler Ein Beispiel fr eine adaptive Regelung nach Bild 4 ist die in Abschnitt 6.4 nher beschriebene Banddicken

49、regelung in Kaltwalzwerken. 5.4 Gain or parameter scheduling controller An example of an adaptive control configuration according to Figure 4 is the control of band thick-ness in cold rolling mills described in Section 6.4. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1F92DEF1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2015-12 6 VDI/VDE 3685 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.