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EP0241286B1

An auto-tuning controller

Abstract

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EP0241286B1, drawing sheet 1
Sheet 1 of 38

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Expired 9 April 2007, 19.5 years ago.

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10 claims: 10 independent, 0 dependent

  1. 1
    An auto-tuning control apparatus (figs. 1,5,9; fig.13; fig.16) for controlling a system, the apparatus comprising a controller (4) for controlling the system (3)a reasoning rule memory (9) anda fuzzy reasoner (10; 311; 412) for adjusting at least one control parameter (Kc , T1 , TD) of the controller (4) in accordance with the application of reasoning rules thereby to information relating to the operation of the system,said apparatus being characterised by:a characteristics variables extractor (8) that is operable to sample an error waveform signal ((e): figs. 7(b), 11 (b)), indicative of the operation of the controlled system, to produce a multiplicity of samples (e(K) K=1 to N;E(K) K=1 to N;"peak;"pi, i=1, 2, 3) of the error waveform signal (e) and to produce from said waveform samples a plurality of extracted characteristics variables (Sj, i=1,2,...) to be used by said fuzzy reasoner (10) as said information relating to the operation of the system, and in that the fuzzy reasoner (10) applies the reasoning rules to the or each extracted characteristic variable (Si) to adjust the, or each, control parameter (Kc, T1, TD) of the controller. 1. Selbsteinstellende Regeleinrichtung (Fig. 1, 5, 9;Fig. 13;Fig. 16) zur Regelung eines Systems, mit einem Regler (4) zur Regelung des Systems (3),einem Speicher (9) zur Speicherung von Schlußfolgerungsregeln undeiner Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung (10;311;412) zur Einstellung wenigstens eines Regelparameters (Kc, T1, TD) des Reglers (4) in Übereinstimmung mit angewandten Schlußfolgerungsregeln und Information bezüglich des Betriebs des Systems, gekennzeichnet durcheine Extrahiereinrichtung (8) für charakteristische Variable, die eine Fehlersignalwellenform ((e): Fig. 7 (b), 11 (b)) abtastet, welche den Betrieb des geregelten Systems beschreibt, um eine Vielfachheit von Proben (e(K) K = 1 bis N;E(K) K = 1 bis N;epeak;epi, i = 1, 2, 3) der Fehlersignalwellenform (e) sowie anhand der Wellenformproben eine Mehrzahl von extrahierten charakteristischen Variablen (Si, i = 1, 2, ...) zu erzeugen, die in der Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung (10) als die auf den Betrieb des Systems bezogenen Information verwendet werden, wobei fernerdie Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung ( 10) die Schlußfolgerungsregeln auf die oder auf jede extrahierte charakteristische Variable (Si) anwendet, um die oder jeden Regelparameter (Kc, T1, TD) des Reglers einzustellen. 1. Un appareil de commande auto-adaptatif (figures 1, 5, 9;figure 13;figure 16) pour commander un système, cet appareil comprenant : un dispositif de commande (4) destiné à commander le système (3),une mémoire de règles de raisonnement (9), etun dispositif de raisonnement lâche (10;311;412) qui est destiné à régler au moins un paramètre de commande (Kc, Tj, TD) du dispositif de commande (4), conformément à l'application de règles de raisonnement à une information concernant le fonctionnement du système,cet appareil étant caractérisé par :un extracteur de variables de caractéristiques (8) qui est capable d'échantillonner un signal de forme d'onde d'erreur ((e) : figures 7(b), 11(b)), représentatif du fonctionnement du système commandé, pour produire un ensemble d'échantillons (e(K) K=1 à N;E(K) K=1 à N;ecrête;epi, i=1, 2, 3) du signal de forme d'onde d'erreur (e), et pour produire à partir de ces échantillons de forme d'onde un ensemble de variables de caractéristiques extraites (S1, i=1, 2, ...) à utiliser par le dispositif de raisonnement lâche (10) à titre d'information concernant le fonctionnement du système, et en ce que le dispositif de raisonnement lâche (10) applique les règles de raisonnement à la variable de caractéristiques extraite ou à chacune d'elles (S,), pour régler le paramètre de commande ou chaque paramètre de commande (Kc, T1, TD) du dispositif de commande.
  2. 2
    An apparatus (fig. 1, 5, 9) as claimed in claim 1 wherein said fuzzy reasoner (10) is a position type fuzzy reasoner. 2. Regeleinrichtung (Fig. 1, 5, 9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung (10) eine solche vom positiven Typ ist. 2. Un appareil (figures 1, 5, 9) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de raisonnement lâche (10) est un dispositif de raisonnement lâche de type "position".
  3. 3
    An apparatus (fig. 13;fig.16) as claimed in claim 1 wherein said fuzzy reasoner (311;412) is a velocity type fuzzy reasoner, said apparatus including integrating means (312;413) for integrating the output of the fuzzy reasoner (311;412) to adjust the or each control parameter (Kc,T1, TD). 3. Regeleinrichtung (Fig. 13;Fig. 16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung (311;412) eine solche vom Geschwindigkeitstyp ist, wobei die Regeleinrichtung ferner Integrationsmittel (312;413) zum Integrieren des Ausgangs der Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung (311;412) aufweist, um die oder jeden Regelparameter (Kc, T1, TD) einzustellen. 3. Un appareil (figure 13;figure 16) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de raisonnement lâche (311;412) est un dispositif de raisonnement lâche de type "vitesse", cet appareil comprenant des moyens d'intégration (312;413) pour intégrer le signal de sortie du dispositif de raisonnement lâche (311;412) dans le but de régler le paramètre de commande ou chacun d'eux (Kc, T1, TD).
  4. 4
    An apparatus (fig. 1, 13, 16) as claimed in claim 1 wherein said characteristics variables extractor (8) is operable to produce a multiplicity of waveform samples (e(K)) taken at regular intervals and to produce from these samples (e(K)) both a mean error (Eq.(14)) as one characteristics variable (S1) and a mean error change rate (Eq.(15)) as another characteristics variable (S2). 4. Regeleinrichtung (Fig. 1, 13, 16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Extrahiereinrichtung (8) eine Mehrfachheit von Wellenformproben (e(K)) in regularen Intervallen sowie anhand dieser Proben ein mittlerer Fehler (Eq. (14)) als eine charakteristische Variable (Si) sowie eine mittlere Fehleränderungsrate (Eq. (15)) als eine andere charakteristische Variable (S2) erzeugbar sind. 4. Un appareil (figures 1, 13, 16) selon la revendication 1, dans lequel l'extracteur de variables de caractéristiques (8) est capable de produire un ensemble d'échantillons de forme d'onde (e(K)) prélevés à des intervalles réguliers, et de produire à partir de ces échantillons (e(K)) à la fois une erreur moyenne (équation (14)) constituant une variable de caractéristiques (Si), et un taux de variation moyen de l'erreur (équation (15)) constituant une autre variable de caractéristiques (S2).
  5. 5
    An apparatus (fig.5; fig.9) as claimed in claim 1 wherein said characteristics variables extractor (8) is operable to produce both a multiplicity of waveform samples (e(K)) taken at regular intervals and also waveform samples (°peak; "pi, i=1,2,3) taken at peak value to produce from these samples, respectively, both a mean error (Eq(14)) as one characteristics variable (S1; S2) and a variable dependant on either a peak value (fig. 5:Eq (18)) or an averaged ratio of successive peak values (fig.9: Eq(20)) as another characteristics variable (S2;Si). 5. Regeleinrichtung (Fig. 5;Fig. 9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Extrahierschaltung (8) sowohl eine Mehrfachheit von Wellenformproben (e(K)) in regulären Intervallen als auch Wellenformproben (°peak;epi, i = 1, 2, 3) an Spitzenwerten erzeugbar sind, um jeweils von diesen Proben sowohl einen mittleren Fehler (Eq. (14)) als eine charakteristische Variable (S1;S2) als auch eine Variable als andere charakteristische Variable (S2;Si) zu erzeugen, die entweder von einem Spitzenwert (Fig. 5: Eq. (18)) oder von einem mittleren Verhältnis aufeinanderfolgender Spitzenwerte (Fig. 9 : Eq. (20)) abhängt. 5. Un appareil (figure 5;figure 9) selon la revendication 1, dans lequel l'extracteur de variables de caractéristiques (8) est capable de produire à la fois un ensemble d'échantillons de forme d'onde (e(K)) prélevés à des intervalles réguliers, et des échantillons de forme d'onde (ecrête;epi, i=1,2,3) prélevés à une valeur de crête, pour produire respectivement à partir de ces échantillons, à la fois une erreur moyenne (équation (14)) constituant une variable de caractéristiques (Si;SZ), et une variable qui dépend soit d'une valeur de crête (figure 5 : équation (18)),soit d'un rapport moyen de valeurs de crête successives (figure 9 : équation (20)), constituant une autre variable de caractéristiques (S2;S1).
  6. 6
    An apparatus (fig. 1, 9, 13, 16) as claimed in claim 1 wherein the characteristics variables extractor (8) is operable to sample an error waveform signal (e) extracted from a point in the apparatus that is external thereto. 6. Regeleinrichtung (Fig. 1, 9, 13, 16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Extrahiereinrichtung (8) eine Fehlersignalwellenform (e) abtastbar ist, die von einem Punkt im Regler abgenommen wird, welcher außerhalb der Extrahiereinrichtung liegt. 6. Un appareil (figures 1,9,13,16) selon la revendication 1, dans lequel l'extracteur de variables de caractéristiques (8) est capable d'échantillonner un signal de forme d'onde d'erreur (e) qui est extrait d'un point dans l'appareil qui est extérieur à l'extracteur.
  7. 7
    An apparatus (figs. 1, 13) as claimed in claim 6 wherein the error waveform signal (e) extracted for use by the characteristics variables extractor (8) is formed from the difference of a controlled variable signal (y) and a reference value signal (r), said apparatus including a reference value signal generator (1) for generating said reference value signal (r) and a subtraction means (-) preceding the controller (4) for receiving the controlled variable signal (y) and the reference value signal (r). 7. Regeleinrichtung (Fig. 1, 13) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Extrahiereinrichtung (8) abzutastende Fehlersignalwellenform (e) anhand der Differenz zwischen einem geregelten variablen Signal (y) und einem Referenzwertsignal (r) gebildet wird, und daß ferner ein Referenzwertsignalgenerator (I) zur Erzeugung des Referenzwertsignals (r) sowie vor dem Regler (4) liegende Subtraktionsmittel (-) vorhanden sind, die das geregelte variable Signal (y) und das Referenzwertsignal (r) empfangen. 7. Un appareil (figures 1, 13) selon la revendication 6, dans lequel le signal de forme d'onde d'erreur (e) qui est extrait pour l'utilisation par l'extracteur de variables de caractéristiques (8), est formé à partir de la différence entre un signal de variable commandée (y) et un signal de valeur de référence (r), cet appareil comprenant un générateur de signal de valeur de référence (1) qui est destiné à générer le signal de valeurde référence (r), et des moyens de soustraction (-) qui précèdent le dispositif de commande (4), et qui sont destinés à recevoir le signal de variable commandée (y) et le signal de valeur de référence (r).
  8. 8
    An apparatus (fig. 9;fig. 16) as claimed in claim 6 wherein the error waveform signal (e) extracted for use by the characteristics variable extractor (8) is formed from the difference of a controlled variable signal (y) and a test signal (T), said apparatus including a reference value signal generator (1) for generating a reference value signal (r), a test signal generator (209;409) for generating the test signal (T), a switch (208;408) connected to the reference value signal generator (1) and to the test signal generator (209;409) for selecting either the reference value signal (r) or the test signal (T) and a subtraction means (-) connected between the switch (208;408) and the controller (4) which switch (208;408) also is to receive the controlled variable signal (y) from an output of the controlled system (3) to produce the error waveform signal (e) for the characteristics variable extractor (8) and another error waveform signal formed from the difference of the controlled variable signal (y) and the reference value signal (r) for control of the system (3). 8. Regeleinrichtung (Fig. 9;Fig. 16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Extrahiereinrichtung (8) abzutastende Fehlersignalwellenform (e) anhand der Differenz zwischen einen geregelten variablen Signal (y) und einem Testsignal (T) gebildet wird, wobei der Regler einen Referenzwertsignalgenerator (1) zur Erzeugung eines Referenzwertsignals (r),einen Testsignalgenerator (209;409) zur Erzeugung des Testsignals (T),einen mit dem Referenzwertsignalgenerator (1) und dem Testsignalgenerator (209;409) verbundenen Schalter (208;408) zur Auswahl entweder des Referenzsignals (r) oder des Testsignals (T) sowieSubtraktionsmittel (-) zwischen dem Schalter (208;408) und dem Regler (4) aufweist, und wobei der Schalter (208;408) einerseits das geregelte variable Signal (y) von einem Ausgang des geregelten Systems (3) empfangt, um die Fehlersignalwellenform (e) für die Extrahiereinrichtung (8) zu erzeugen, und andererseits die Erzeugung einer anderen Fehlersignalwellenform aus der Differenz zwischen dem geregelten variablen Signal (y) und dem Referenzwertsignal (r) ermöglicht, um das System (3) zu regeln. 8. Un appareil (figure 9;figure 16) selon la revendication 6, dans lequel le signal de forme d'onde d'erreur (e) qui est extrait pour l'utilisation par l'extracteur de variables de caractéristiques (8), est formé à partir de la différence entre un signal de variable commandée (y) et un signal de test (T), cet appareil comprenant un générateur de signal de valeur de référence (1) qui est destiné à générer un signal de valeur de référence (r), un générateur de signal de test (209;409) qui est destiné à générer un signal de test (T), un commutateur (208;408) qui est connecté au générateur de signal de valeur de référence (1) et au générateur de signal de test (209;409) pour sélectionner soit le signal de valeur de référence (r), soit le signal de test (T), et des moyens de soustraction (-) qui sont connectés entre le commutateur (208;408) et le dispositif de commande (4), ce commutateur (208;408) recevant également le signal de variable commandée (y), à partir d'une sortie du système commandé (3), pour produire le signal de forme d'onde d'erreur (e) pour l'extracteur de variables de caractéristiques (8), et un autre signal de forme d'onde d'erreur qui est formé à partir de la différence entre le signal de variable commandé (y) et le signal de valeur de référence (r) pour la commande du système (3).
  9. 9
    An apparatus (fig. 5) as claimed in claim 1 wherein the characteristics variables extractor (8) is operable to sample an error waveform signal (e) produced therein from signals (y, T) extracted from points in the apparatus that are external thereto. 9. Regeleinrichtung (Fig. 5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Extrahiereinrichtung (8) eine Fehlersignalwellenform (e) abtastbar ist, die durch Signale (y, T) gebildet wird, welche an Punkten außerhalb der Extrahiereinrichtung abgenommen werden. 9. Un appareil (figure 5) selon la revendication 1, dans lequel l'extracteur de variables de caractéristiques (8) est capable d'échantillonner un signal de forme d'onde d'erreur (e) qui est produit à l'intérieur, à partir de signaux (y, T) qui sont extraits de points dans l'appareil qui sont extérieurs à l'extracteur.
  10. 10
    An apparatus (fig. 5) as claimed in claim 9 wherein the error waveform signal (e) is produced from the difference of a controlled variable signal (y) and a test signal (T), said apparatus including a test signal generator (109) for generating the test signal (T) and a switch (108) connected to an output of the controller (4) and to the test signal generator (109) to select either the test signal (T) or a manipulated variable signal (u) for application to the controlled system (3). 10. Regeleinrichtung (Fig. 5) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignalwellenform (e) anhand der Differenz zwischen einem geregelten variablen Signal (y) und einem Testsignal (T) gebildetwird, wobei sie einen Testsignalgenerator (109) zur Erzeugung des Testsignals (t) und einen Schalter ( 108) enthalt, der mit einem Ausgang des Reglers (4) und dem Testsignalgenerator ( 109) verbunden ist, um entweder das Testsignal (T) oder ein manipuliertes variables Signal (u) zum geregelten System (3) übertragen zu können. 10. Un appareil (figure 5) selon la revendication 9, dans lequel le signal de forme d'onde d'erreur (e) est produit à partir de la différence entre un signal de variable commandée (y) et un signal de test (T), cet appareil comprenant un générateur de signal de test (109) qui est destiné à générer le signal de test (T) et un commutateur (108) qui est connecté à une sortie du dispositif de commande (4) et au générateur de signal de test (109), pour sélectionner soit le signal de test (T), soit un signal de variable manipulée (u), pour l'application au système commandé (3).