AT528375A1 - Regelungsverfahren für eine Regelung einer Ventilposition des Regelungsventils für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für eine Regelung einer Ventilposition (VP) eines Regelungsventils (100) für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, wobei die folgen- den Schritte vorgesehen sind: - Vorgeben einer Soll-Position (SP) für die Ventilposition (VP) des Rege- lungsventils (100), - Erfassen der Ist-Position (IP) für die Ventilposition (VP) des Regelungs- ventils (100), - Bestimmen einer Positionsdifferenz (PD) zwischen der Soll-Position (SP) und der Ist-Position (IP), - Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit (PV) für die Positionierbe- wegung (PB) des Regelungsventils (100) von der Ist-Position (IP) in Richtung der Soll-Position (SP) auf Basis der bestimmten Positionsdif- ferenz (PD), - Bewegen des Regelungsventils (100) in Richtung der Soll-Position (SP) mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit (PV).

Description

A ‚hes AT 528 375 A1 2025-12-15

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Beschreibung

REGELUNGSVERFAHREN FÜR EINE REGELUNG EINER VENTILPOSITION DES REGELUNGSVENTILS FÜR EINE REGELUNG EINES GASSTROMS, INSBESONDERE IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für eine Regelung einer Ventilposition eines Regelungsventils für eine Regelunge eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Regelungsverfahrens sowie eine Regelungsvorrichtung zur Durchführung eines solchen Regelungsverfahrens.

[0002] Es ist bekannt, dass Regelungsventile für eine Regelung von Gasströmen eingesetzt werden. Insbesondere gilt dies für Gasströme von Brennstoffzellensystemen. Solche Regelungsventile sind üblicherweise quantitativ kontrollierbare und/oder regelbare Regelungsventile, welche zwischen einer Schließposition und einer Öffnungsposition quantitativ unterschiedliche Mengen an Volumenströmen des Gases hindurchlassen können. Für einen sicheren und effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist eine möglichst genaue sowie schnelle Regelung des Regelungsventils von Vorteil. Bekannte Regelungsventile werden üblicherweise mit sogenannten PID-Reglern betrieben. Die Regelung erfolgt also in bekannter Weise nach den Überlegungen der Regelungstechnik, sodass entsprechend eine Soll-Position vorgegeben und mit einem PID Stellglied diese Soll-Position kontrolliert und/oder geregelt erreicht werden soll.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es jedoch, dass beim Verwenden von PIDReglern immer noch ein Überschwingen oder Unterschwingen der Ist-Position stattfindet. Das bedeutet, dass zumindest für den Zeitraum des Überschwingens eine Überregelung des Gasstroms stattfindet, also das Regelungsventil zu weit geschlossen oder zu weit geöffnet ist. Dies kann, je nach Betriebssituation des Brennstoffzellensystems zu ineffizienter oder sogar schädigender Betriebsweise führen. Wird in einem Sonderfall als Soll-Position eine Endanschlagsposition des Regelungsventils vorgegeben, so kann dieses Überschwingen der PID-Regelung dazu führen, dass eine sehr hohe mechanische Gegenkraft in dieser Anschlagsposition auf den Ventilkörper einwirkt. Geschieht dies bei großen Überschwingungswegen und entsprechend entstehenden großen Anschlagskräften, und geschieht dies zu häufig, kann es zu mechanischer Beschädigung des Ventilkörpers kommen.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Regelung eines Regelungsventils bei der Regelung von Gasströmen zu verbessern.

[0005] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Regelungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie eine Regelungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sowie der erfindungsgemäßen Regelungsvor-richtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0006] Erfindungsgemäß dient das Regelungsverfahren einer Regelung einer Ventilposition eines Regelungsventils für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem. Ein solches Regelungsverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Vorgeben einer Soll-Position für die Ventilposition des Regelungsventils,

- Erfassen der Ist-Position für die Ventilposition des Regelungsventils,

- Bestimmen einer Positionsdifferenz zwischen der Soll-Position und der Ist- Position,

- Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit für die Positionierbewegung des Regelungs-

ventils von der Ist-Position in Richtung der Soll-Position auf Basis der bestimmten Positi-

onsdifferenz, - Bewegen des Regelungsventils in Richtung der Soll-Position mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit.

[0007] Ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren setzt auf der bekannten Problematik auf, den Gasstrom durch ein Regelungsventil in kontrollierter Weise einzustellen.

[0008] Dabei kann es sich um ein Steuern und/oder insbesondere um ein Regeln als Kontrollform handeln, wobei eine Ist-Position miteinbezogen wird. Auch wird in bekannter Weise eine SollPosition für die Ventilposition vorgegeben. Diese Soll-Position kann zum Beispiel aus einer Regelungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems kommen und mit einer geforderten oder benötigten Volumenstrommenge des Gasstroms korrelieren. Auch ist es in einem nächsten Schritt bekannt, die aktuelle Ist-Position der Ventilposition des Regelungsventils und damit sozusagen den Ausgangspunkt für den nun anschließenden Regelungsvorgang, zu erfassen. Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass nicht die bekannten PID-Regelungssysteme eingesetzt werden, sondern auf Basis der Soll-Position und der Ist-Position eine Positionsdifferenz, also der zu überbrückende Abstand zwischen der Ist-Position und der Soll-Position, bestimmt wird. Die Positionsdifferenz kann als die notwendige Bewegungsstrecke verstanden werden, welche während der Positionierbewegung vom Ventilkörper des Regelungsventils zurückgelegt werden muss. Handelt es sich bei dem Ventilkörper um einen translatorisch bewegten Ventilkörper, so handelt es sich bei der Positionsdifferenz beispielsweise um eine Strecke. Handelt es sich bei dem Ventilkörper um einen rotatorisch bewegten Körper, so kann die bestimmte Positionsdifferenz als eine Winkelangabe ausgebildet sein.

[0009] Das Regelungsventil ist gemäß der Erfindung insbesondere als Drosselventil oder Drosselklappe ausgebildet. Gemäß der Erfindung ist unter dem Regelungsventil insbesondere auch eine Regelungsklappe zu verstehen.

[0010] Erfindungsgemäß wird nun die Positioniergeschwindigkeit für die Positionierbewegung, also die Geschwindigkeit, mit welcher der Ventilkörper aus der Ist-Position in Richtung der SollPosition bewegt wird, anhand der Positionsdifferenz vorgegeben. Wie der tatsächliche Zusammenhang dieser Vorgabe ausgebildet sein kann, wird später noch erläutert. Dabei kann die Positioniergeschwindigkeit eine feste und/oder konstante Ausgestaltung aufweisen. Jedoch sind auch komplexere Abhängigkeiten zwischen Positionsdifferenz und Positioniergeschwindigkeit, insbesondere unter Berücksichtigung weiterer Parameter im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Abschließend erfolgt eine Bewegung des Regelungsventils in Richtung der Soll-Position mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit.

[0011] Dabei ist es erfindungsgemäß hervorzuheben, dass die Vorteile bereits dann erzielt werden, wenn einmalig der Durchlauf der einzelnen Verfahrensschritte erfolgt und anschließend die vorgegebene Positioniergeschwindigkeit für den Regelungsventilkörper für die komplette Positionierbewegung beibehalten wird. Besondere Vorteile hinsichtlich Sicherheit und/oder Regelungsgeschwindigkeit werden jedoch dann erzielt, wenn die Positioniergeschwindigkeit mehrfach im Verlauf der Positionierbewegung neu bestimmt wird, sodass entsprechend die Erfassung der IstPosition, die Bestimmung der Positionsdifferenz und die Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit regelmäßig wiederholt durchgeführt wird.

[0012] Erfindungsgemäß von Vorteil ist es, dass durch die Bestimmung der Positionsdifferenz der Abstand zwischen der Ist-Position und der Soll-Position bestimmt wird. Auf Basis dieses Abstandes kann nun die Positioniergeschwindigkeit so angepasst werden, dass bei entsprechend großer Positionsdifferenz eine schnellere Positionierbewegung stattfinden kann als dies bei kleinen Positionsdifferenzen der Fall ist. Insbesondere bei einem wiederholenden Nachjustieren der Positioniergeschwindigkeit kann die Positionierbewegung mit hoher Positioniergeschwindigkeit starten und beim nachfolgenden Annähern an die Soll-Position Stück für Stück reduziert werden. Dies erlaubt es in erfindungsgemäßer Weise eine schnelle Positionierdauer mit einer sicheren Positionierbewegung in Richtung der Soll-Position zu kombinieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn die später noch erläuterte Korrelation mit der Endanschlagsposition in das Regelungsverfahren integriert wird.

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[0013] Durch die Verwendung der Positioniergeschwindigkeit auf Basis der bestimmten Positionsdifferenz werden mehrere Vorteile erzielt. Zum einen wird sichergestellt, dass mit hoher Genauigkeit auch exakt die gewünschte Soll-Position erreicht wird. Diese ist dann vorhanden, wenn die Positionsdifferenz bei 0 oder im Wesentlichen 0 bestimmt wird. Auch wird ein Überschwingen oder Unterschwingen durch diesen Regelungsvorgang im Wesentlichen ausgeschlossen. Insbesondere das unerwünschte Überschwingen beim Anschlag an einer Endanschlagsposition, kann mit hoher Sicherheit bei einer erfindungsgemäßen Regelung ausgeschlossen werden. Nicht zuletzt ist im Vergleich zu den klassischen PID-Regelungssystemen ein Kalibrieraufwand bei einem solchen Regelungsverfahren mit deutlich geringerem Aufwand versehen oder kann vollständig vermieden werden.

[0014] Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Positionierbewegung des Regelungsventils überwacht wird und bei Erreichen einer Positionier-Schrittweite die Schritte der Bestimmung der Positionsdifferenz und der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit erneut durchgeführt werden. Während auch eine freie Mederholung der genannten Schritte möglich wird, kann durch eine definierte Integration von vorgegebenen Positionier-Schrittweiten die Iterationsgeschwindigkeit und die Iterationsschrittweite des Regelungsverfahrens in definierter Weise vorgegeben werden. So wird solange eine Iteration der genannten Schritte im Regelungsverfahren durchgeführt, bis die Positionsdifferenz geringer als die vorgegebene Positionier-Schrittweite ist. Insbesondere führt dies dazu, dass durch die iterative Vorgabe der neu bestimmten Positioniergeschwindigkeiten auf Basis der neu bestimmten Positionsdifferenzen eine Veränderung der Positioniergeschwindigkeit über den Verlauf der Positionierbewegung möglich wird. Damit wird das Regelungsverfahren weiter verbessert, um die Geschwindigkeit bei der Positionierbewegung zu optimieren, damit die Dauer der Positionierbewegung zu reduzieren und gleichzeitig die genannten sicherheitsrelevanten Vorteile beim Positionieren des Ventilkörpers zu verbessern und beizubehalten.

[0015] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Positionier-Schrittweite für wenigstens einen Teil der Positionierbewegung konstant oder im Wesentlichen konstant vorgegeben ist. Dies gilt insbesondere für unterschiedliche Abschnitte der Positionierbewegung, wie sie später noch näher erläutert werden. Die Positionier-Schrittweite kann damit eine definierte und konstante oder im Wesentlichen konstante Iterationsschrittweite definieren, welche die genannten Vorteile für die unterschiedlichen Abschnitte der Positionierbewegung mit sich bringt.

[0016] Weitere Vorteile sind ebenfalls erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Positionier-Schrittweite quantitativ in Abhängigkeit der bestimmten Positionsdifferenz vorgegeben wird. Darunter ist zu verstehen, dass bei großer Positionsdifferenz eine entsprechend große Positionier-Schrittweite ausreicht. Je näher sich die Ist-Position der Soll-Position nähert, umso kleiner ist vorzugsweise die Positionier-Schrittweite ausgebildet, sodass bei sich minimierender Positionsdifferenz auch die Positionier-Schrittweite abnimmt. Die Durchführung des Regelungsverfahrens bei großen Positionsdifferenzen kann entsprechend rechenarm ausgebildet werden, während bei der Annäherung an die Soll-Position die Positionsdifferenz sich reduziert, damit die Positionier-Schrittweite ebenfalls sinkt und die Iterationszahl ansteigt. Insbesondere funktioniert dies in allen Richtungen, also sowohl in Schließrichtung als auch in Öffnungsrichtung für das Regelungsventil.

[0017] Ebenfalls kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Positioniergeschwindigkeit über wenigstens einen Abschnitt der Positionierbewegung eine konstante Veränderung, insbesondere eine lineare Veränderung, aufweist. Während grundsätzlich eine veränderungsfreie konstante Ausgestaltung der Positioniergeschwindigkeit bereits von Vorteil ist, kann eine konstante Veränderung, also ein positiver oder negativer konstanter Steigungswert für die Veränderung der Positioniergeschwindigkeit, weitere Vorteile mit sich bringen. Auf diese Weise kann zum Beispiel bei großem Positionierabstand bei großer Positionsdifferenz entsprechend eine hohe Positioniergeschwindigkeit zu Beginn der Positionierbewegung angesetzt werden. Bei Annäherung an die Soll-Position reduziert sich, bei dieser Ausgestaltung nun durch konstante Veränderung, die Positioniergeschwindigkeit, sodass schritt-

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weise oder durch lineare Veränderung, insbesondere in Korrelation mit den genannten Positionierschritten, eine Reduktion der Positioniergeschwindigkeit die sichere und möglichst exakte Annäherung an die Soll-Position ermöglicht wird.

[0018] Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Positioniergeschwindigkeit für einen ersten Positionierabschnitt der Positionierbewegung eine erste konstante Veränderung und für einen zweiten Positionierabschnitt der Positionierbewegung eine zweite konstante Veränderung aufweist, welche sich von der ersten konstanten Veränderung unterscheidet. Darunter ist zu verstehen, dass beispielsweise mit hohen Positioniergeschwindigkeiten in einem Positionierabschnitt zu Beginn der Positionierbewegung eine relativ langsame konstante Veränderung beibehalten werden kann. Bei einer fortlaufenden Annäherung an die Soll-Position und der entsprechend benötigten erhöhten Sicherheit im Heranbewegen des Ventilkörpers an diese Soll-Position kann nun eine deutlich größere konstante Veränderung eingesetzt werden, welche für jeden Positionierschritt eine verstärkte Herabsetzung der Positioniergeschwindigkeit mit sich bringt. Auch dies erlaubt es noch weiter verstärkt die erfindungsgemäßen Vorteile der Sicherheit mit einer optimierten und damit reduzierten Positionierdauer zu kombinieren.

[0019] Ein weiterer Vorteil ist ebenfalls erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren eine Anschlagsdifferenz zwischen der Soll-Position und einer, ausgehend von der Ist-Position hinter der Soll-Position liegenden Endanschlagsposition des Regelungsventils bestimmt wird, wobei die Anschlagsdifferenz bei der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit, insbesondere auch bei Vorgabe einer Positionier-Schrittweite und/oder einer konstanten Veränderung der Positioniergeschwindigkeit, berücksichtigt wird. Darunter ist zu verstehen, dass eine Position, welche nicht Teil der Positionierbewegung ist, ebenfalls in das Regelungsverfahren integriert wird. Damit können Situationen unterschieden werden, bei denen insbesondere die SollPosition exakt eine dieser Endanschlagspositionen darstellt und damit die Anschlagsdifferenz gleich 0 oder im Wesentlichen gleich 0 ist. Auch können Positionsänderungen erkannt und vor allem unterschieden werden, bei welchem die Soll-Positionen nahe an der Anschlagsdifferenz liegt oder weit von dieser beabstandet ist. Hinsichtlich des Risikos einer mechanischen Beschädigung bei einem Überschwingen in der Soll-Position nahe an der Endanschlagsposition können nun unterschiedlich riskante Positionierbewegungen mit Bezug auf diese Endanschlagsposition unterschieden werden. Bei relativ beabstandet von den Endanschlagspositionen gelegenen SollPositionen kann ein Überschwingen in Kauf genommen werden, sofern dies aus Sicht der Regelung des Brennstoffzellensystems bei der Gasführung akzeptabel ist. Je näher die Soll-Position an der Endanschlagsposition ist, umso wichtiger ist es ein Überschwingen mit gesteigerter Sicherheit zu vermeiden, um die genannte mechanische Beschädigung und damit dieses Risiko eines harten Anschlags an der Endanschlagsposition im Wesentlichen vollständig ausschließen zu können.

[0020] Ein weiterer Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Verfahrensschritte, insbesondere die Schritte der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit, für eine Positionierbewegung in Schließrichtung des Regelungsventils und für eine Positionierbewegung in Öffnungsrichtung des Regelungsventils durchgeführt werden. Vorzugsweise sind die in dieser Anmeldung erläuterten Varianten des Regelungsverfahrens symmetrisch für beide Bewegungsrichtungen des Ventilkörpers des Regelungsventils vorgesehen.

[0021] Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren zusätzlich eine Soll-Dauer für die Positionierbewegung bis zum Erreichen der Soll-Position vorgegeben wird, wobei die Positioniergeschwindigkeit zusätzlich auch in Abhängigkeit der Soll-Dauer vorgegeben wird. Die Soll-Dauer ist insbesondere unabhängig von der Positionsdifferenz. So ist sichergestellt, dass eine Mindestgeschwindigkeit beibehalten wird. Ist beispielsweise eine Notsituation im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorhanden, so kann zum Vermeiden von einem Risikobetrieb, eine sehr schnelle Betriebsgeschwindigkeit für die Regelung des Regelungsventils erforderlich sein. In einer solchen Notsituation kann eine reduzierte Soll-Dauer zu erhöhter Beschleunigung und erhöhter Positioniergeschwindigkeit führen, sodass eine Notregelegung die erfindungsgemäße Regelung sozusagen überstimmt.

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[0022] Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren bei einer geänderten Vorgabe der Soll-Position während der Positionierbewegung die Schritte der Erfassung der Ist-Position, der Bestimmung der Positionsdifferenz und der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit erneut durchgeführt werden. Bei schnellen Regelungsänderungen, zum Beispiel in einem Brennstoffzellensystem, kann es vorkommen, dass sich die Soll-Position ändert noch während die Positionierbewegung zur vorherigen Soll-Position durchgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform kann durch die Iteration während der Positionierbewegung die veränderte Vorgabe der Soll-Position berücksichtigt werden und entsprechend in das Regelungsverfahren eingebunden sein.

[0023] Darüber hinaus ist es weiter von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren am Ende der Positionierbewegung, insbesondere auch während der Positionierbewegung, die Bestimmung der Ist-Position wiederholt wird. Dies kann insbesondere als FeedbackSchleife oder Regelungsschleife verstanden werden, sodass spätestens beim Erreichen der SollPosition dies als Abbruchkriterium eingesetzt werden kann.

[0024] Darüber hinaus ist es weiter von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren wenigstens einmalig ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, bei welchem das Regelungsventil in wenigstens eine, insbesondere in beide Endanschlagspositionen bewegt wird. Diese einmalige Kalibrierung kann selbstverständlich auch in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen wiederholt werden. Dies führt dazu, dass beispielsweise ein Positionssensor und/oder ein Stellmotor des Regelungsventils entsprechend kalibriert wird.

[0025] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens durchzuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren erläutert worden sind.

[0026] Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Regelungsvorrichtung für eine Regelung einer Ventilposition eines Regelungsventils für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem. Eine solche Regelungsvorrichtung zeichnet sich aus durch ein Vorgabemodul für ein Vorgeben einer Soll-Position für eine Ventilposition des Regelungsventils. Weiter ist ein Erfassungsmodul vorgesehen für ein Erfassen der IstPosition für die Ventilposition des Regelungsventils. Mit Hilfe eines Bestimmungsmoduls erfolgt ein Bestimmen einer Positionsdifferenz zwischen der Soll-Position und der Ist-Position. Weiter ist ein Positioniermodul vorgesehen für ein Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit für die Positionierbewegung des Regelungsventils von der Ist-Position in Richtung der Soll-Position auf Basis der bestimmten Positionsdifferenz. Darüber hinaus wird mit Hilfe eines Bewegungsmoduls ein Bewegen des Regelungsventils in Richtung der Soll-Position mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit durchgeführt. Das Vorgabemodul, das Erfassungsmodul, das Bestimmungsmodul, das Positioniermodul und/oder das Bewegungsmodul sind für eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren erläutert worden sind.

[0027] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0028] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung, [0029] Fig. 2 die Ausführungsform der Figur 1 nach Erreichen der Soll-Position, [0030] Fig. 3 ein Verlauf bei der Vorgabe einer Soll-Position, [0031] Fig. 4 ein weiterer Verlauf eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens, [0032] Fig. 5 ein weiterer Verlauf eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens, [0033] Fig. 6 der Verlauf anschließend an die Figur 5,

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[0034] Fig. 7 der Verlauf anschließend an die Figur 6, [0035] Fig. 8 ein weiterer Verlauf eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens und [0036] Fig. 9 ein weiterer Verlauf eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.

[0037] In der Figur 1 ist schematisch eine Regelungsvorrichtung 10 dargestellt. Diese kann beispielsweise mit Hilfe eines Vorgabemoduls 20 eine Soll-Position SP für die hier schematisch dargestellte Ventilvorrichtung 100 vorgeben. Hierfür ist das Vorgabemodul 20 zum Beispiel mit einem Regelungssystem eines Brennstoffzellensystems verbunden und kann von dort benötigte Gasvolumenströme erhalten und in eine Soll-Position SP zur Vorgabe umsetzen. Über ein Erfassungsmodul 30 steht die Regelungsvorrichtung 10 in Kommunikationsaustausch mit dem Regelungsventil 100. Der Ventilkörper 110 ist hier in teilgeöffneter Ventilposition VP dargestellt, welche als Ist- Position IP erfasst werden kann. Diese Ist-Position IP wird vom Erfassungsmodul 30 an das Bestimmungsmodul 40 übertragen. Dort kann der Vergleich zwischen der Soll-Position SP und der Ist-Position IP durchgeführt werden und es ergibt sich die Positionsdifferenz PD. Die Positionsdifferenz PD wird nun nachfolgend vom Positioniermodul 50 verwendet, um auf dieser Basis die Positioniergeschwindigkeit PV vorzugeben. Mit dieser vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit PV wird nun abschließend das Bewegungsmodul 60, beispielsweise über einen Stellmotor des Regelungsventils 100, die Positionierbewegung PB aus der Ist-Position IP in Richtung der Soll-Position SP für den Ventilkörper 110 in kontrollierter Weise durchführen.

[0038] Den Abschluss dieser Bewegung, wie sie die Figur 1 startet, zeigt die Figur 2. Dort sieht man rechts unten, dass am Ende der Positionierbewegung nun die Ist-Position IP der Ventilposition VP identisch mit der gewünschten und vorgegebenen Soll-Position SP ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das Regelungsverfahren beendet und startet erst dann wieder, wenn die Ist-Position IP von einer Soll-Position SP abweicht.

[0039] In der Figur 3 ist schematisch der Verlauf hinsichtlich der Positioniergeschwindigkeit PV und dem entsprechenden Positionsverlauf der Ventilposition VP dargestellt. Von links nach rechts ist dabei die Dauer der Positionierbewegung PB aufgeführt. Ausgehend von einem vollständig geöffneten Ventil und damit einer Ventilposition VP von 100% soll hier eine Bewegung in Richtung einer Schließposition als Soll-Position SP, bei einer Ventilposition VP von beispielsweise circa 10% erfolgen. Die Positionsdifferenz PD zwischen der Ist-Position IP und der Soll-Position SP ist hier also entsprechend relativ groß. Zum Start der erfassten und vorgegebenen Soll-Position SP wird entsprechend eine hohe Positioniergeschwindigkeit PV zu einer starken Änderung und damit einem starken Anstieg der Ventilposition VP und einer entsprechend schnellen Annäherung der Ist-Position IP an die Soll-Position SP stattfinden. Je näher die Ist-Position IP der Soll-Position SP kommt, umso wichtiger ist es, dass ein Überschwingen verhindert wird. Deswegen ist hier schematisch mit zwei Stufen gut zu erkennen, dass ein erstes und ein zweites Abbremsen dieser Positionierbewegung PB stattfindet, um final ein zielgenaues und exaktes Erreichen der Soll-Position SP mit der Ist-Position IP zur Verfügung zu stellen. In gleicher Weise erfolgt das nachfolgende Schließen von circa 90% auf 0% für die Ventilposition VP. Auch hier wird über drei Stufen, schnell, mittel und langsam ein Überführen der Ist-Position IP in die neue Soll-Position SP durchgeführt.

[0040] Die Figur 4 zeigt, dass dies nicht nur zwischen zwei großen Änderungen zur Verfügung gestellt wird, sondern auch beim schrittweisen Öffnen weiter rechts zweistufig mehrfach wiederholt werden kann. So wird hier in einer ersten Öffnungsbewegung für das Regelungsventil 110 eine relativ geringe Positionsdifferenz PD und anschließend nochmals eine etwas größere Positionsdifferenz PD überbrückt. Für beide separaten Positionierbewegungen PB wird hier auf Basis der jeweils unterschiedlichen und für diese Positionierbewegung PB spezifischen Positionsdifferenz PD der entsprechende Vorgang hinsichtlich der veränderten Geschwindigkeiten und Ventilpositionen VP durchgeführt.

[0041] Die Figur 5 zeigt in anderer Darstellung den Verlauf der Positionierbewegung PB hinsichtlich der Positioniergeschwindigkeit PV. Hier wird nun auf der X-Achse die Ventilposition VP und dazugehörig die Positioniergeschwindigkeit PV auf der Y- Achse aufgetragen. Zum Startpunkt

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wird eine Ausgangs-Positionsdifferenz PD mit entsprechend großem Wert erkannt, sodass die Positionierbewegung PB mit einer relativ hohen Positioniergeschwindigkeit startet. In der Figur 6 ist dargestellt, dass durch Iteration nun zu dem dargestellten Zeitpunkt ein Fortschritt der Positionierbewegung zu einer Annäherung der Ist-Position IP an die Soll-Position SP geführt hat. Dies führt entsprechend zu einer reduzierten Positionsdifferenz PD im Vergleich zur Situation gemäß der Figur 5. Bei der Annäherung ist es nun wichtig, ein Überschwingen zu vermeiden und auf ein exaktes Erreichen der Soll-Position SP hinzuwirken. Deswegen wird zu diesem Zeitpunkt nun die neue Positioniergeschwindigkeit PV reduziert und die Positionierbewegung PB mit dieser reduzierten Positioniergeschwindigkeit PV fortgesetzt. In der Figur 7 wird nun der abschließende Schritt bis zum Erreichen der Soll-Position SP dargestellt. Hier wurde nun aus den genannten Gründen durch die weiter reduzierte Positionsdifferenz PD ein nochmaliges Reduzieren der Positioniergeschwindigkeit PV durchgeführt, sodass die finale Positionsdifferenz PD in der Positionierbewegung PB nun nochmals langsamer und damit genauer und sicherer stattfinden kann.

[0042] In der Figur 8 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figuren 5 bis 7 dargestellt. Hier ist die Positioniergeschwindigkeit PV über den jeweiligen Verlauf nicht konstant, sondern wird von Positionierschritt PS zu Positionierschritt PS angepasst. Die Positionierschritte PS sind hier mit definierter Schrittweite vorgegeben und dienen dazu, regelmäßig die einzelnen Regelungsschritte zu iterieren. In einem ersten Positionierabschnitt PA1, indem die Positionsdifferenzen PD noch relativ groß ist, wird die Positionierbewegung PB mit langsamer kontinuierlich abnehmender Veränderung PM1 die Positioniergeschwindigkeit PV reduzieren. Beim weiteren Annähern an die Soll-Position SP und entsprechend reduzierter Positionsdifferenz PD erfolgt in diesem zweiten Positionierabschnitt PA2 eine deutlich steilere Reduktion der Positioniergeschwindigkeit PV und diese folgt der zweiten konstanten Veränderung PM2.

[0043] In der Figur 9 ist abschließend noch eine Variante dargestellt, bei welchem in dem ersten Öffnungsschritt zusätzlich zur Soll-Position SP noch die Anschlagsdifferenz AD zur Endanschlagsposition EP erfasst wird. So ist hier zu erkennen, dass eine relative Nähe zwischen SollPosition SP und Endanschlagsposition EP dazu führt, dass ein höheres Risiko eines mechanischen Überschwingens über die Endanschlagsposition EP hinaus besteht. Für diese Sondersituation können entsprechend angepasste Positioniergeschwindigkeiten, insbesondere bei den sich einstellenden geringen Positionsdifferenzen PD, beim Annähern der Ist-Position IP an die SollPosition SP eingesetzt werden. Auch ist hier zu erkennen, dass zusätzlich eine Soll-Dauer SD Berücksichtigung findet. Diese Soll-Dauer SD kann beispielsweise eine Mindestgeschwindigkeit aus einem Regelungssystem eines Brennstoffzellensystems sein. In einer Notsituation muss gewährleistet werden, dass die Soll-Position SP mit sehr hoher Sicherheit in der gewünschten SollDauer SD auch erreicht wird. Im vorliegenden Fall wird das erfindungsgemäße Regelungsverfahren diese Soll-Position SP vor der Soll-Dauer SD erreichen. Insofern ist kein Überstimmen der Soll-Dauer SD über das erfindungsgemäße Regelungsverfahren notwendig. Wäre dies nicht der Fall, müsste ein beschleunigtes und das Regelungsverfahren überstimmendes Kontrollieren oder Regeln des Regelungsventils dazu führen, dass auf jeden Fall die Soll-Dauer SD eingehalten wird.

[0044] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Regelungsvorrichtung 20 Vorgabemodul

30 Erfassungsmodul

40 Bestimmungsmodul 50 Positioniermodul

60 Bewegungsmodul

100 Regelungsventil 110 Ventilkörper

AD Anschlagsdifferenz PD Positionsdifferenz

PV Positioniergeschwindigkeit PB Positionierbewegung

PA1 erste Positionierabschnitt PA2 zweiter Positionierabschnitt PS Positionier-Schrittweite PM1 Veränderung

PM2 Veränderung

VP Ventilposition SP Soll-Position

IP Ist-Position

EP Endanschlagsposition SD Soll-Dauer

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Patentansprüche

1. Regelungsverfahren für eine Regelung einer Ventilposition (VP) eines Regelungsventils (100) für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Vorgeben einer Soll-Position (SP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100),

- Erfassen der Ist-Position (IP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100),

- Bestimmen einer Positionsdifferenz (PD) zwischen der Soll-Position (SP) und der IstPosition (IP),

- Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit (PV) für die Positionierbewegung (PB) des Regelungsventils (100) von der Ist-Position (IP) in Richtung der Soll-Position (SP) auf Basis der bestimmten Positionsdifferenz (PD),

- Bewegen des Regelungsventils (100) in Richtung der Soll-Position (SP) mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit (PV).

2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierbewegung (PB) des Regelungsventils (100) überwacht wird und bei Erreichen einer PositionierSchrittweite (PS), die Schritte der Bestimmung der Positionsdifferenz (PD) und der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV) erneut durchgeführt werden.

3. Regelungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PositionierSchrittweite (PS) für wenigstens einen Teil der Positionierbewegung (PB) konstant oder im Wesentlichen konstant vorgegeben ist.

4. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionier-Schrittweite (PS) quantitativ in Abhängigkeit der bestimmten Positionsdifferenz (PD) vorgegeben wird.

5. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniergeschwindigkeit (PV) über wenigstens einen Abschnitt der Positionierbewegung (PB) eine konstante Veränderung (PM1, PM2), insbesondere eine lineare Veränderung aufweist.

6. Regelungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniergeschwindigkeit (PV) für einen ersten Positionierabschnitt (PA1) der Positionierbewegung (PB) eine erste konstante Veränderung (PM1) und für einen zweiten Positionierabschnitt (PA2) der Positionierbewegung (PB) eine zweite konstante Veränderung (PM2) aufweist, welche sich von der ersten konstanten Veränderung (PM1) unterscheidet.

7. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlagsdifferenz (AD) zwischen der Soll-Position (SP) und einer, ausgehend von der Ist-Position (IP) hinter der Soll-Position (SP) liegenden Endanschlagsposition (EP) des Regelungsventils bestimmt wird, wobei die Anschlagsdifferenz (AD) bei der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV), insbesondere auch bei Vorgabe einer PositionierSchrittweite (PS) und/oder einer konstanten Veränderung (PM1, PM2) der Positioniergeschwindigkeit (PV), berücksichtigt wird.

8. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte, insbesondere die Schritte der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV), für eine Positionierbewegung (PB) in Schließrichtung des Regelungsventils (100) und für eine Positionierbewegung (PB) in Öffnungsrichtung des Regelungsventils (100) durchgeführt werden.

9. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Soll-Dauer (SD) für die Positionierbewegung (PB) bis zum Erreichen der Soll-Position (SP) vorgegeben wird, wobei die Positioniergeschwindigkeit (PV) zusätzlich auch in Abhängigkeit der Soll-Dauer (SD) vorgegeben wird.

10. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich-

net, dass bei einer geänderten Vorgabe der Soll-Position (SP) während der Positionierbewegung (PB) die Schritte der Erfassung der Ist- Position (IP), der Bestimmung der Positionsdifferenz (PD) und der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV) erneut durchgeführt werden.

11. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Positionierbewegung (PB), insbesondere auch während der Positionierbewegung (PB) die Bestimmung der Ist-Position (IP) wiederholt wird.

12. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einmalig ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, bei welchem das Regelungsventil (100) in wenigstens ein, insbesondere in beide Endanschlagspositionen (EP) bewegt wird.

13. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Regelungsverfahrens mit den Merkmalen eines der 1 bis 12 durchzuführen.

14. Regelungsvorrichtung (10) für eine Regelung einer Ventilposition (VP) eines Regelungsventils (100) für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch ein Vorgabemodul (20) für ein Vorgeben einer Soll-Position (SP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100), ein Erfassungsmodul (30) für ein Erfassen der Ist-Position (IP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100), ein Bestimmungsmodul (40) für ein Bestimmen einer Positionsdifferenz (PD) zwischen der SollPosition (SP) und der Ist-Position (IP), ein Positioniermodul (50) für ein Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit (PV) für die Positionierbewegung (PB) des Regelungsventils (100) von der Ist-Position (IP) in Richtung der Soll-Position (SP) auf Basis der bestimmten Positionsdifferenz (PD) und ein Bewegungsmodul (60) für ein Bewegen des Regelungsventils (100) in Richtung der Soll-Position (SP) mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit (PV), wobei das Vorgabemodul (20), das Erfassungsmodul (30), das Bestimmungsmodul (40), das Positioniermodul (50) und/oder das Bewegungsmodul (60) für eine Ausführung eines Regelungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet sind.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

A ‚hes AT 528 375 A1 2025-12-15 Ss N Neue Patentansprüche

1. Regelungsverfahren für eine Regelung einer Ventilposition (VP) eines Regelungsventils (100) für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

- Vorgeben einer Soll-Position (SP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100),

- Erfassen der Ist-Position (IP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100),

- Bestimmen einer Positionsdifferenz (PD) zwischen der Soll-Position (SP) und der IstPosition (IP),

- Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit (PV) für die Positionierbewegung (PB) des Regelungsventils (100) von der Ist-Position (IP) in Richtung der Soll-Position (SP) auf Basis der bestimmten Positionsdifferenz (PD),

- Bewegen des Regelungsventils (100) in Richtung der Soll-Position (SP) mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit (PV),

- dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierbewegung (PB) des Regelungsventils (100) überwacht wird und bei Erreichen einer Positionier-Schrittweite (PS), die Schritte der Bestimmung der Positionsdifferenz (PD) und der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV) durch eine definierte Integration von vorgegebenen PositionierSchrittweiten erneut durchgeführt werden.

2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PositionierSchrittweite (PS) für wenigstens einen Teil der Positionierbewegung (PB) konstant oder im Wesentlichen konstant vorgegeben ist.

3. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionier-Schrittweite (PS) quantitativ in Abhängigkeit der bestimmten Positionsdifferenz (PD) vorgegeben wird.

4. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniergeschwindigkeit (PV) über wenigstens einen Abschnitt der Positionierbewegung (PB) eine konstante Veränderung (PM1, PM2), insbesondere eine lineare Veränderung aufweist.

5. Regelungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniergeschwindigkeit (PV) für einen ersten Positionierabschnitt (PA1) der Positionierbewegung (PB) eine erste konstante Veränderung (PM1) und für einen zweiten Positionierabschnitt (PA2) der Positionierbewegung (PB) eine zweite konstante Veränderung (PM2) aufweist, welche sich von der ersten konstanten Veränderung (PM1) unterscheidet.

6. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlagsdifferenz (AD) zwischen der Soll-Position (SP) und einer, ausgehend von der Ist-Position (IP) hinter der Soll-Position (SP) liegenden Endanschlagsposition (EP) des Regelungsventils bestimmt wird, wobei die Anschlagsdifferenz (AD) bei der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV), insbesondere auch bei Vorgabe einer PositionierSchrittweite (PS) und/oder einer konstanten Veränderung (PM1, PM2) der Positioniergeschwindigkeit (PV), berücksichtigt wird.

7. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte, insbesondere die Schritte der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV), für eine Positionierbewegung (PB) in Schließrichtung des Regelungsventils (100) und für eine Positionierbewegung (PB) in Öffnungsrichtung des Regelungsventils (100) durchgeführt werden.

8. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Soll-Dauer (SD) für die Positionierbewegung (PB) bis zum Erreichen der Soll-Position (SP) vorgegeben wird, wobei die Positioniergeschwindigkeit (PV) zusätzlich auch in Abhängigkeit der Soll-Dauer (SD) vorgegeben wird.

9. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich

ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

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AT 528 375 A1 2025-12-15

net, dass bei einer geänderten Vorgabe der Soll-Position (SP) während der Positionierbewegung (PB) die Schritte der Erfassung der Ist-Position (IP), der Bestimmung der Positionsdifferenz (PD) und der Vorgabe der Positioniergeschwindigkeit (PV) erneut durchgeführt werden.

Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Positionierbewegung (PB), insbesondere auch während der Positionierbewegung (PB) die Bestimmung der Ist-Position (IP) wiederholt wird.

Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einmalig ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, bei welchem das Regelungsventil (100) in wenigstens ein, insbesondere in beide Endanschlagspositionen (EP) bewegt wird.

Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Regelungsverfahrens mit den Merkmalen eines der 1 bis 11 durchzuführen.

Regelungsvorrichtung (10) für eine Regelung einer Ventilposition (VP) eines Regelungsventils (100) für eine Regelung eines Gasstroms, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch ein Vorgabemodul (20) für ein Vorgeben einer Soll-Position (SP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100), ein Erfassungsmodul (30) für ein Erfassen der Ist- Position (IP) für die Ventilposition (VP) des Regelungsventils (100), ein Bestimmungsmodul (40) für ein Bestimmen einer Positionsdifferenz (PD) zwischen der SollPosition (SP) und der Ist-Position (IP), ein Positioniermodul (50) für ein Vorgeben einer Positioniergeschwindigkeit (PV) für die Positionierbewegung (PB) des Regelungsventils (100) von der Ist-Position (IP) in Richtung der Soll-Position (SP) auf Basis der bestimmten Positionsdifferenz (PD) und ein Bewegungsmodul (60) für ein Bewegen des Regelungsventils (100) in Richtung der Soll-Position (SP) mit der vorgegebenen Positioniergeschwindigkeit (PV), wobei das Vorgabemodul (20), das Erfassungsmodul (30), das Bestimmungsmodul (40), das Positioniermodul (50) und/oder das Bewegungsmodul (60) für eine Ausführung eines Regelungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sind.

ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE