VDI VDE 3685 Blatt 3-2015 Adaptive controllers - Tuning systems for feedback controllers.pdf

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1、ICS 25.040.40 VDI/VDE-RICHTLINIEN Mai 2015 May 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Adaptive Regler Inbetriebnahmesysteme fr Regelungen Adaptive controllers Tuning systems for feedback controllers VDI/VDE 3685 Blatt 3 / Part 3 Ausg. deutsch/engli

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

3、ng und Betrieb automatisierter Anlagen VDI/VDE-Handbuch Automatisierungstechnik VDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 5: Spezielle Verfahrenstechniken Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgaben:09.0

4、1;08.13Entwurf,deutschFormereditions:09/01;08/13Draft,inGerman onlyZu beziehen durch/ AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten/ All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung. 2 Einleitung 2 1 Anwendungsbereich 2 2 Normative

5、Verweise . 3 3 Einordnung der Inbetriebnahme in den allge-meinen Planungs- und Inbetriebnahmeablauf . 3 4 Funktionale Beschreibung der Inbetriebnahme von Regelungen . 4 5 Charakteristische Eigenschaften 4 5.1 Datengewinnung 4 5.2 Modellgewinnung 5 5.3 Modellverifikation . 6 5.4 Reglergewinnung . 6 5

6、.5 Modellregelkreisverifikation 7 5.6 Reglereinstellung . 7 5.7 Verifikation an der realen Regelstrecke . 7 6 Schnittstellen zum Prozess . 7 6.1 Schnittstellen zu prozessnahen Komponenten . 7 6.2 Schnittstellen zur Vernderung von Strukturen und Parametern 8 6.3 Inbetriebnahmesystem als Testsystem .

7、8 6.4 Schnittstellen zum Verndern von Automati-sierungsstrukturen und Bausteininhalten . 8 7 Schnittstelle zum Benutzer . 9 7.1 Adquate Bedienoberflche . 9 7.2 Zugriffsrechte 9 8 Ergnzende Funktionalitten 9 8.1 berwachungsmechanismen der prozessnahen Komponenten 9 8.2 Archivierung und grafische Dars

8、tellung 9 8.3 Simulation mit Algorithmen des Zielsystems und mit anwenderspezifischen Algorithmen 10 8.4 Dokumentation der Ergebnisse und der Ergebnisfindung . 10 8.5 Speicherung von Standardwerten und Standardwegen . 10 8.6 Allgemeine Forderungen . 10 8.7 Zuknftige Aspekte . 10 9 Ausgewhlte Methode

9、n der Reglerselbsteinstellung . 11 9.1 Arten der Reglerselbsteinstellung 11 9.2 Reglerselbsteinstellung auf Anforderung . 11 9.3 Identifikationsmethoden 13 9.4 Regelalgorithmen . 16 9.5 Berechnung der PID-Reglerparameter . 21 Schrifttum 25 Preliminary note 2 Introduction . 2 1 Scope 2 2 Normative re

10、ferences 3 3 Integration of the tuning within the general planning and commissioning phase . 3 4 Functional description of the tuning of feedback controllers 4 5 Characteristic properties . 4 5.1 Data acquisition . 4 5.2 Modelling . 5 5.3 Model validation 6 5.4 Controller design . 6 5.5 Closed-loop

11、verification. 7 5.6 Controller settings 7 5.7 Verification at the real plant 7 6 Process interfaces . 7 6.1 Interface to DCS-components 7 6.2 Interfaces for the changing of structures and parameters . 8 6.3 Tuning system as test system . 8 6.4 Interfaces for changing of automation structures and mod

12、ule contents 8 7 Interface to user . 9 7.1 Adequate user interface 9 7.2 Access rights 9 8 Supplementary functionalities 9 8.1 Supervisory mechanisms of the process-oriented components 9 8.2 Archiving and graphical representation . 9 8.3 Simulation using algorithms of the target system and user-spec

13、ific algorithms 10 8.4 Documentation of results and method of obtaining results . 10 8.5 Storage of standard values and standard paths . 10 8.6 General requirements . 10 8.7 Future aspects 10 9 Selected methods of controller self-tuning . 11 9.1 Types of controller self-tuning . 11 9.2 Controller se

14、lf-tuning on request . 11 9.3 Identification methods . 13 9.4 Control algorithms . 16 9.5 Calculation of PID controller parameters . 21 Bibliography 25 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9NormCD - Stand 2015-05 2 VDI/VDE 3685 Blatt 3 / Part 3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingeni

15、eure e.V., Dsseldorf 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-d

16、ig, sind vorbehalten. 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. E

17、ine Liste der 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, includin

18、g those of reprint-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) specif

19、ied in the VDI 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

20、 1 wurde bereits im De-zember 2009 berprft und ist unverndert gltig. Blatt 2 wurde berarbeitet, erweitert und erneut verffentlicht. Die hier vorgelegte Fassung von Blatt 3 ist redaktionell berarbeitet und um den Abschnitt Ausgewhlte Methoden der Regler-selbsteinstellung“ erweitert worden. Introducti

21、on The series of standards VDI/VDE 3685 has been revised and supplemented. Part 1 has been re-viewed in December 2009 and is still valid. Part 2 is revised, updated and published again. The ver-sion of Part 3 presented here has been editorially revised and extended to the section entitled “Se-lected

22、 methods of controller self-tuning”. 1 Anwendungsbereich Die Inbetriebnahme von Regelungen stellt einen Teil der Gesamtinbetriebnahme von Anlagen und Maschinen dar. Aufgrund der speziellen Eigen-schaften von Regelungen (Rckkopplungsstruktur, die bei ungeeigneter Parametrierung instabil wer-den kann)

23、 bentigt der Inbetriebnehmer besondere Kenntnisse fr die Einstellung. Verschiedene Kompaktregler und Prozessleitsysteme stellen integrierte oder PC-basierte Systeme zur Verf-gung, die die Inbetriebnahme von Regelungen untersttzen sollen. Es werden Begriffe und Leistungsmerkmale von Inbetriebnahmesys

24、temen definiert und eingeordnet. Inbetriebnahmesysteme sind als selbststndige oder integrierte Produkte denkbar. Dem Hersteller solcher Systeme wird die Mglichkeit gegeben, anhand dieser Richtlinie sein Inbetriebnahmesys-tem einzuordnen. Mit der Beschreibung der Inbetriebnahme als Ab-laufdiagramm so

25、ll zudem Anwendern wie Herstel-lern die Mglichkeit gegeben werden, Inbetrieb-nahmesysteme einordnen und bewerten zu knnen. 1 Scope The tuning of feedback controllers is part of the overall commissioning of plants and machines. On account of the special properties of control loops (feedback structure

26、 which can become unstable with unsuitable setting of controller parameters), the commissioning person needs special knowl-edge for making such settings. Various compact controllers and process control systems provide integrated or PC-based systems to support the tun-ing of feedback controllers. Ter

27、ms and performance parameters of tuning sys-tems are defined and classified. Tuning systems could be designed as independent or integrated products. With this part of the standard, manufac-turers of such systems are given the possibility to evaluate their tuning tools. With the description of tuning

28、 in the form of a flow chart, users and manufacturers can classify and evaluate tuning systems. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9NormCD - Stand 2015-05All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 3685 Blatt 3 / Part 3 3 2 Normative Verweise Das folgende z

29、itierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 3685 Blatt 1:1990-05 Adaptive Regler; Begriffe und Eigenschaften 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this standard: VDI/VDE 3685 Part 1:1990-05 Adaptive contro

30、l-lers; Terms and properties 3 Einordnung der Inbetriebnahme in den allgemeinen Planungs- und Inbetriebnahmeablauf Um die Inbetriebnahme von Regelungen zeitlich und aufgabenmig einordnen zu knnen, wird exemplarisch der Planungsprozess einer Anlage kurz skizziert. Planung und Bau einer Anlage las-sen

31、 sich in drei groe Abschnitte einteilen: Basisplanung Detailplanung Montage und Inbetriebnahme Die Basisplanung erfolgt in zwei Schritten: Im ersten Schritt werden die Anforderungen formu-liert und in einem Lastenheft dokumentiert. Die spezifische Lsung wird im zweiten Schritt ge-plant, die Ergebnis

32、se werden in einem Pflichten-heft festgehalten. Bereits in dieser Phase werden Regelungen von Prozessgren, wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Fllstand, sowie zum Teil ap-paratespezifische Regelungen durch Eintrag in Rohrleitungs- und Instrumentierungsschemata fest-gelegt. Das Prozessleitsystem bzw.

33、die erforderli-chen Komponenten werden ausgewhlt. In der Detailplanung wird die konkrete Planung und Bestellung der Sensoren und Aktoren vorge-nommen. Die Software wird entsprechend ihrer Verarbeitungstiefe konfiguriert und parametriert. In der Montage- und Inbetriebnahmephase wird nach Montage der

34、Sensoren und Aktoren eine Pr-fung der jeweiligen Signalpfade mit Simulatoren und Hilfsstoffen wie Wasser oder Luft zur ber-prfung der einzelnen Kreise durchgefhrt. Sind die Eigenschaften der Hilfsstoffe denen der im realen Prozess verwandten Stoffe sehr hnlich, werden bereits whrend der Inbetriebnah

35、mephase einzelne Regelungen eingestellt. Die Regelkreise, deren Eigenschaften wesentlich von Produktgren abhngen, lassen sich erst whrend der ersten Pro-duktfahrten einstellen. Aus dem hier Dargestellten wird deutlich, dass sich Regelkreise erst dann endgltig einstellen lassen, wenn die dynamischen

36、Eigenschaften der Regel-strecke messbar oder berechenbar sind. Die Inbetriebnahme von Regelungen liegt damit in der Regel zeitlich im bergang zwischen der An-lagen-Inbetriebnahme und dem ersten Anfahren der Anlage. Falls nur wenige Erfahrungswerte ber 3 Integration of the tuning within the general p

37、lanning and commissioning phase To show the tuning of feedback controllers in time and task schedules, the planning process of a plant is briefly outlined. The planning and construction of a plant can be divided into three major sections: basic planning detailed planning installation and commissioni

38、ng The basic planning is carried out in two steps: in the first step, the requirements are formulated and documented in a requirement specification. The specific solution is planned in the second stage, and the results are set out in a functional specifica-tion. Closed-loop control of process variab

39、les such as temperature, pressure, flow, level and to some extent equipment specific feedback control loops are already fixed at this stage by entries in pipe and instrumentation plans. The process control system or the necessary components are selected. The detailed planning covers the concrete pla

40、n-ning and ordering of sensors and actuators. The software is configured and parameterised accord-ing to its processing level. Within the installation and commissioning phase, after installation of sensors and actuators, a test of the corresponding signal paths is carried out with simulators and aux

41、iliaries such as air or water for the verification of the individual circuits. If the properties of the auxiliaries are very similar to the substances used in the real process, individual feedback controllers are already tuned during the commissioning phase. Those control loops whose characteristics

42、 largely depend on product proper-ties can be tuned only during the production phase. Therefore, the final tuning of controllers can only be done when the dynamic properties of the con-trolled process can be measured or calculated. The tuning of controllers is usually carried out between the commiss

43、ioning and the first start-up of the plant. If little empirical knowledge about the plant dynamics is available, the use of assistant B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9NormCD - Stand 2015-05 4 VDI/VDE 3685 Blatt 3 / Part 3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldo

44、rf 2015 das dynamische Verhalten der Regelstrecken vor-liegen, ist es sinnvoll, Werkzeuge einzusetzen, die den Inbetriebnehmer untersttzen. Verschiedene andere Grnde legen es ebenfalls nahe, Inbetriebnahmesysteme zu verwenden. Dazu gehren z. B.: Verkrzung der Inbetriebnahmezeit Erreichung reproduzie

45、rbarer und verlsslicher Ergebnisse Einstellung von Reglern durch regelungstech-nisch weniger erfahrenes Personal bessere Einstellergebnisse fr schwierige oder komplexe Prozesse besseres Prozessverstndnis Dokumentation der Ergebnisse und der Metho-den zur Ergebnisfindung tools for carrying out the tu

46、ning is recommended. There are also various other reasons for using tun-ing systems. These include, for example: shortening of the commissioning period attainment of reproducible and reliable results adjustment of controllers by persons with little experience of automatic control better adjustment r

47、esults for difficult or com-plex processes better understanding of the process documentation of the results and methods of obtaining results 4 Funktionale Beschreibung der Inbetriebnahme von Regelungen Mit der folgenden Beschreibung der Inbetriebnah-me als Ablaufdiagramm soll Anwendern wie Her-stell

48、ern die Mglichkeit gegeben werden, Inbe-triebnahmesysteme einordnen und bewerten zu knnen. Einige allgemeine Gesichtspunkte, deren Umsetzung die Verwendungsfhigkeit und Flexibi-litt von Inbetriebnahmesystemen erhhen, sind in Abschnitt 6 dargestellt. Im Ablaufdiagramm (Bild 1) ist eine vollstndige In

49、betriebnahme von Regelungen dargestellt. Jeder Schritt basiert auf den Ergebnissen des vorherigen und wird mit einer Verifikation abgeschlossen. Auf methodische Vorgaben zu den einzelnen Schritten des Ablaufs wird aufgrund der Metho-denvielfalt bewusst verzichtet. 4 Functional description of the tuning of feedback controllers With the following description of tuning in the form of a flow chart, users and manufacturers can classify and evaluate tuning systems