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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Regelventileinrichtung mit einem Regelventil und mit einem Führungsregler,
mit dem eine Regelgröße, die
von einem von einer Zuleitung entlang eines Ventilkegels in eine
Ableitung strömendem
Medium abhängt,
konstant gehalten oder einer Führungsgröße nachgeführt wird
und der eine Stelleinrichtung für
die Einstellung und Messung eines Hubs des Ventilkegels aufweist,
sowie mit einem die Stelleinrichtung sowie eine Kontrolleinheit
umfassenden Stellungsregler.
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Eine derartige Regelventileinrichtung
ist in der
DE 196
22 548 A1 angegeben. Die Regelgröße wird dabei mittels eines
Führungsreglers überwacht und
einem Sollwert mittels einer auf das Regelventil wirkenden Stelleinrichtung
nachgeführt.
Dem Führungsregler
ist ein Verhaltensregler nachgeschaltet, der die Stell befehle des
Führungsreglers
zum Ansteuern eines Stellglieds in abgewandelte Stellbefehle umwandelt,
um eine Hubbewegung des Ventilkegels zu beeinflussen. Hierbei geht
es darum, aus einem Pendeln der Stellbefehle des Führungsreglers Instabilitäten zu erkennen
und mit Hilfe des Verhaltensreglers eine stabile Regelung zu erreichen.
Auch Ventilkennlinien können
mit dieser bekannten Regelventileinrichtung erzeugt werden. Eine
andere Schwierigkeit bei derartigen Regeleinrichtungen besteht darin,
dass Regelvorgänge
zum Einregeln eines Sollwertes insbesondere bei sich ändernden Druckdifferenzen
im Bereich des Ventilkegels zwischen Zulaufseite und Ablaufseite
häufig
aufwendig und zu langwierig sind.
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Regelventileinrichtungen für stetige
Regelungen haben allgemein die Aufgabe, zu- und abgeführte Energieströme oder
Mengen ins Gleichgewicht zu bringen, damit eine Regelgröße (z.B.
Menge, Temperatur) konstant bleibt oder sich entsprechend einer
Führungsgröße nach
vorgegebenem Programm ändert.
Die Position des Ventilkegels wird dabei von einer Stelleinrichtung
(Positioner) kontrolliert, die seinerseits die anzusteuernde Position
vom Führungsregler
als Sollhub übernimmt.
Bei Übereinstimmung
zwischen Soll- und Istwert hält
der Führungsregler
den Ausgang konstant, und der Ventilkegel verharrt in seiner Position.
Stellt sich durch Störeinflüsse ein
Ungleichgewicht der Energieströme
oder -mengen ein, so entsteht eine Differenz zwischen Soll- und
Istwert und der Regler ändert
seinen Ausgang, um der Stelleinrichtung eine neue Stellung des Ventilkegels
vorzugeben. Bei Strecken höherer
Ordnung, das heißt
sehr trägen
oder solchen mit Totzeit, entsteht eine Soll-/Istwertdifferenz verzögert und
Regelabweichungen sind die Folge.
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Beispielsweise steht ein pneumatisches
Regelventil im Kräftegleichgewicht
der Kegelkraft gegen die Feder- und Membrankraft des Pneumatikstellers. Ändern sich
die Differenzdrücke
am Ventilkegel, wird dieser ausgelenkt und von der Stelleinrichtung
wieder auf den von dem (Führungs-)
Regler geforderten Wert gebracht. Bei konstantem Ausgang des Führungsreglers ändert folglich
die Stelleinrichtung den Druck in der Membrankammer. Der Hub des
Ventilkegels bleibt somit konstant, obwohl sich der Differenzdruck
am Ventilkegel geändert
hat. Diese Differenzdruckänderung
hat eine Veränderung
des Mengenstroms des strömenden
Mediums zur Folge und bewirkt damit ein Ungleichgewicht der Regelung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Regelventileinrichtung der Eingangs genannten Art bereitzustellen,
mit der durch Störungen
bedingte Regelabweichungen bei geringem Aufwand möglichst
schnell ausgeregelt werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Hiernach ist vorgesehen, dass mit der Kontrolleinheit selbständig erkennbar
ist, wenn ein von dem Führungsregler
auf eine Regelabweichung zunächst
eingeregelter Istwert der Regelgröße – trotz Einstellung eines von
dem Führungsregler
entsprechend einem Sollwert vorgegebenen Sollhubs – von dem
Sollwert abweicht, und dass der Stellungsregler einen von dem vorgegebenen
Sollhub abweichenden, neuen Sollhub wählt, der die Regelgröße dem Sollwert
näher bringt
als der von dem Führungsregler
zunächst
vorgegebene Sollhub.
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Wurde eine Regelabweichung und eine
Reaktion hierauf durch den Führungsregler
von der Kontrolleinheit des Stellungsreglers z.B. aus der Information
der Hubmesseinrichtung selbst oder aus Daten eigens dafür vorgesehener
Sensoren erkannt, so stellt diese aufgrund in ihr gespeicherter
Erfahrungswerte fest, ob der von dem Führungsregler vorgegebene Sollhub
zur Ausregelung der Regelabweichung geeignet ist oder aber die Ausregelung
der Regelabweichung mit einem anderen Sollhub schneller erfolgen
kann. Ist ein neuer Sollhub besser geeignet, so wird dieser mit
der Kontrolleinheit gewählt.
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Mit den Maßnahmen, dass die Kontrolleinheit
eine Lerneinheit aufweist, mit der die Anpassung des neuen Sollhubs
zum Erreichen des Sollwerts aufgrund von Erfahrungswerten verfeinerbar
ist, wird eine zunehmende Optimierung der Regeleffizienz durch Lernen
auf der Grundlage der Erfahrungswerte erreicht. Entsprechende Programme
können
in einem Microcontroler der Kontrolleinheit hinterlegt werden.
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Die Reaktionen des Führungsreglers
für den Lernprozess
können
beispielsweise dadurch berücksichtigt
werden, dass die Erfahrungswerte eine Anzahl und/oder eine Größe von Korrektursignalen
des Führungsreglers
für die
Stelleinrichtung bei vorgegebenen Sollhüben beinhalten.
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Vorteilhafte Maßnahmen für die Regelung bestehen dabei
darin, dass die Kontrolleinheit aus den Erfahrungswerten auf eine
im Bereich des Ventilkegels zwischen Zuleitungsseite und Ableitungsseite
entstehende Änderung
einer Druckdifferenz des strömenden
Mediums schließt
und in Abhängigkeit von
dieser den neuen Sollhub wählt,
da die Druckdifferenz häufige
Ursache für
Regelabweichungen, beispielsweise bei einem Pneumatikventil ist.
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Eine Regelung des Ventilhubs mittels
der Kontrolleinheit kann darauf basieren, dass eine Druckdifferenz
des strömenden
Mediums im Bereich des Ventilkegels zwischen Zuleitungsseite und
Ableitungsseite mittels Sensoren erfasst und von der Kontrolleinheit
zum Wählen
des neuen Sollhubs einbezogen wird.
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Eine Zuordnung des neuen Sollhubs
kann alternativ oder zusätzlich
zur Lerneinheit von den Maßnahmen
Gebrauch machen, dass der neue Sollhub mittels der Kontrolleinheit
auf der Grundlage von in dieser gespeicherten, in Vorabtests ermittelten
Daten in Abhängigkeit
des von dem Führungsregler
vorgegebenen Sollhubs eingestellt wird.
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Ein günstiger Aufbau des Regelventils
im Zusammenhang mit der Erfindung besteht darin, dass das Regelventil
einen Pneumatiksteller mit Membran und Druckfeder aufweist, der über ein
Koppelelement auf den Ventilkegel wirkt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Regelventileinrichtung mit einer
Regeleinrichtung,
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2 eine
Blockdarstellung der Regelventileinrichtung nach 1 und
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren Regelventileinrichtung.
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Eine in 1 dargestellte Regelventileinrichtung 1 weist
als Regelventil ein Pneumatikventil mit einem eine Membran 5.1 und
eine auf diese wirkende Feder
5.2 enthaltenden Pneumatiksteller 5 auf,
der einen Ventilkegel 4 über eine Koppelstange 6 betätigt, um
eine zwischen einer Zuleitung 2 und einer Ableitung 3 angeordnete
Durchtrittsöffnung
mehr oder weniger weit zu öffnen
bzw. zu schließen.
Der Hub des Ventilkegels 4 wird mittels einer Stelleinrichtung 7 variiert,
die Teil einer Regeleinrichtung ist und von dieser in Abhängigkeit
von einer mittels eines Sensors 8 erfassten und mit einer
Regelgrößen-Messeinrichtung 9 gemessenen
Regelgröße zum Einregeln eines
Sollhubs entsprechend einem Sollwert der Regelgröße angesteuert wird. Die Stelleinrichtung 7 weist
zum Erfassen des Isthubs eine Hub-Messeinrichtung 7.1 und
zum Beaufschlagen der Membran 5.1 mit einem mehr oder weniger
hohen Druck eine Verbindungsleitung 7.2 zum vorzugsweise
impulsförmigen
Zuführen
bzw. Abführen
eines Druckmediums auf. Die Höhe
des Drucks auf die Membran kann dabei durch die Anzahl der auf ein
Magnetventil gegebenen Impulse variiert werden. Die Stelleinrichtung 7 weist
weiterhin eine Kontrolleinheit 7.3 auf, mit der der Ventilhub
geregelt werden kann. Die Stelleinrichtung 7 ist dabei
gleichzeitig Teil eines Stellungsreglers für den Ventilhub.
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Die Regeleinrichtung setzt sich zusammen aus
einem Führungsregler
FR mit dem Sensor 8 und der im Rückkopplungszweig liegenden
Regelgrößen-Messeinrichtung 9 und
bewirkt über
die Stelleinrichtung 7 eine Einstellung des dem Sollwert
der Regelgröße entsprechenden
Sollhubs, der von dem Führungsregler
FR vorgegeben wird, und aus dem dem Führungsregler FR nachgeschalteten
Stellungsregler SR, mit dem letztlich der Sollhub eingeregelt wird.
Dieser Aufbau der Regelventileinrichtung 1 ist aus der
in 2 gezeigten Blockdarstellung
näher ersichtlich.
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Wie 2 zeigt,
wird eine Regelgröße x, z.B. eine
Temperatur oder eine Menge des von der Zuleitung 2 in die
Ableitung 3 strömenden
Mediums, über die
Regelgrößen-Messeinrichtung
MEx für
einen Soll-Ist-Vergleich SI mit einer Führungsgröße w, die einen Sollwert der
Regelgröße wiedergibt,
zurückgekoppelt.
In einer Regelstrecke des Führungsreglers FR
folgt nach dem Soll-Ist-Vergleich SI eine Korrektureinrichtung für die Regelabweichung
in Form einer Regeleinheit RE sowie die Stelleinrichtung SE zur Einstellung
des Ventilhubs des Regelventils RV. Für die Einstellung des Ventilhubs
wird dieser beispielsweise an der Koppelstange 6 erfasst
und über
die Hub-Messeinrichtung MEH auf die Stelleinrichtung SE zurückgekoppelt,
die einen Teil des Stellungsreglers SR bildet.
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Eine Besonderheit der Regelventileinrichtung 1 besteht
darin, dass mittels der Kontrolleinheit 7.3 beziehungsweise
KE unter gewissen Bedingungen, deren Vorliegen von der Kontrolleinheit 7.3 bzw. KE
erkannt wird, ein von dem durch den Führungsregler FR vorgegebenen
Sollhub unterschiedlicher, neuer Sollhub gewählt und von der Stelleinrichtung 7 bzw.
SE eingestellt wird. Eine derartige Bedingung liegt z.B. vor, wenn
sich trotz des von dem Führungsregler
FR vorgegebenen Sollhubs der mittels des Sensors 8 erfasste
Sollwert der Regelgröße x nach einer
bestimmten Zeit nicht einstellt. Diese weiterhin sich ergebende
Regelabweichung der Regelgröße x trotz
Einstellung des vorgegebenen Ventilhubs kann z.B. dann auftreten,
wenn sich eine Druckdifferenz eines Druckes p1 auf der Zuleitungsseite
des Ventilkegels 4 gegenüber einem Druck p2 auf der
Ableitungsseite des Ventilkegels 4 ändert und dadurch die Position
des Ventilkegels 4 verlagert wird.
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Das Pneumatikventil steht im Kräftegleichgewicht
der Kraft am Ventilkegel 4 gegen die Feder- und Membrankraft
des Pneumatikstellers 5. Ändert sich der Dif ferenzdruck
am Ventilkegel 4, wird dieser ausgelenkt und würde von
der Stelleinrichtung SE entsprechend dem von dem Führungsregler
FR vorgegebenen Ventilhub wieder in die vorgegebene Position gebracht.
Bei konstantem Reglerausgang ändert die
Stelleinrichtung SE den Druck in der Membrankammer des Pneumatikstellers 5,
so dass der Hub bei geändertem
Differenzdruck am Ventilkegel 4 konstant bleibt. Die Änderung
des Differenzdrucks hat aber eine Veränderung des Mengenstroms des
strömenden
Mediums zur Folge und bewirkt damit eine Regelabweichung der Regelgröße x, die
von dem Führungsregler
FR wiederum festgestellt wird, so dass erst mit einer relativ großen Verzögerung eine Ausregelung
der Regelabweichung durch Verstellen des Ventilhubs erreicht würde.
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In dem Stellungsregler SR ist die
Kontrolleinheit 7.3, KE angeordnet und empfängt als
Eingangsdaten eine von der Korrektureinrichtung RE abgegebene Information
zur Beibehaltung oder Änderung des
Hubs und damit der Position des Ventilkegels 4. Diese Information
wird auch als Sollwert einer Sollwert/Istwert-Vergleichsstufe SIH des Stellungsreglers
SR für
den einzustellenden Hub zugeführt,
wobei als Istwert der über
die Stelleinrichtung SE in dem Regelventil eingestellte Hub über die
Hub-Messeinrichtung MEH zurückgeführt ist.
Dieser Istwert des Hubs ist ebenfalls der Kontrolleinrichtung zugeführt und
zusätzlich
noch ein Ausgangssignal einer in dem Stellungsregler SR im Anschluss
an die Sollwert/Istwert-Vergleichsstufe SIH angeordneten Regeleinheit REH
für den
Hub. Aufgrund der Eingangsdaten und interner Kriterien wirkt die
Kontrolleinheit KE auf die Regeleinheit RE für den Hub ein, die dann über die Stelleinrichtung
SE eine Beibehaltung oder Änderung
des Hubs veranlasst.
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Die Kontrolleinheit 7.3,
KE des Stellungsreglers SR erkennt eine Änderung des Differenzdrucks am
Ventilkegel 4z.B. dadurch, dass zur Nachregulierung des
Drucks in der Membrankammer zur Einregelung des vorgegebenen Sollhubs
Druckluft über die
Verbindungsleitung 7.2 durch eine entsprechende Anzahl
von Ansteuerimpulsen des zugehörigen Magnetventils
in die Membrankammer geführt
wird oder aus dieser abgelassen wird. Wird nach der so festgestellten
Druckdifferenzänderung
von dem Führungsregler
FR zum Ausregeln der Regelabweichung der Regelgröße x in der Folge ein anderer
Sollhub angefordert, so kann die Kontrolleinheit 7.3 daraus schließlich feststellen,
dass ein anderer, als der zunächst
von dem Führungsregler
FR geforderte Sollhub geeigneter ist, um die Regelabweichung auszuregeln.
Treten derartige Reaktionen des Führungsreglers FR in Verbindung
mit Druckdifferenzänderungen
am Ventilkegel 4 und gegebenenfalls bei unterschiedlichen
Sollwerten der Regelgröße x auf,
so kann die Kontrolleinheit 7.3 daraus im Laufe der Zeit erlernen,
dass ein anderer, neuer Sollhub als der von dem Führungregler
FR vorgegebene Sollhub zur Ausregelung der Regelabweichung geeigneter
ist und schneller zur Angleichung des Istwerts an den Sollwert der
Regelgröße x führt. In
einem Microcontroller der Kontrolleinheit 7.3 sind geeignete
Lernprogramme und Ansteuerprogramme sowie Erfahrungswerte abgelegt,
mit denen eine schnelle Kompensation der Regelabweichung erreichbar
ist.
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Die Stelleinrichtung 7 bzw.
SE ist mit einem Zähler
für die
Steuerimpulse des Drucks in der Membrankammer ausgestattet, der
bei jeder Änderung
eines Soll-Eingangs
der Stelleinrichtung auf Null gesetzt wird. Die Anzahl der Ansteuerimpulse
lassen dabei Rückschlüsse auf
eine Änderung
des Differenzdrucks am Ventilkegel 4 zu. Eine Zählgeschwindigkeit
(Integrationskonstante) kann die Stelleinrichtung 7 bzw.
SE zuvor aus dem zeitlichen Unterschied zwischen der Hubbewegung
und der daraus resultierenden Änderung
am Soll-Eingang ermitteln. Überschreitet
der Zähler
einen Grenzwert, ist ein Gleichgewichtszustand erreicht.
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Wurde folglich ein Gleichgewichtszustand erkannt
und hat die Stelleinrichtung 7 bzw. SE bei konstantem Soll-Eingang
den Druck in der Membrankammer geändert, so haben sich die Kräfte am Ventilkegel 4 geändert und
die Stelleinrichtung 7 bzw. SE kann eine neue Position
anfahren, die dem Gleichgewichtszustand des Systems eher gerecht
wird. Der Zeitpunkt und die Größe dieser
Korrektur können
gespeichert werden. Auf diese Weise ist eine Störgrößenerkennung durch Beobachtung
des Eingenverhaltens bei pneumatischen Regelventilen möglich.
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Störgrößen können auch durch externe Messungen
erkannt werden. Dabei gilt es, die Veränderung solcher Messwerte zu
erfassen, die in die Gleichgewichtsrechnung des Regelkreises eingehen.
Deshalb sind Differenz-Messungen oder Messungen mit der ersten Ableitung
(Differenzierung) geeignet. Überschreitet
die erste Ableitung einen Grenzwert, können der Zeitpunkt des Eintretens
und die Größe des Wertes
gespeichert werden.
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Auf Störgrößen folgen zeitverzögert Reglerreaktionen,
deren Richtung durch die Richtung der Störgröße bestimmt wird. Durch mehrfache
Beobachtung von Störung
und Reglerreaktion lässt
sich ein eindeutiger Zusammenhang ableiten. Aus der Gewichtung der
Störung
und der Reglerreaktion ergibt sich ein Maß für eine Positionskorrektur. Überkorrekturen
können
leicht erkannt und angepasst werden.
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Den für die Störgrößenerkennung gewählten Grenzwert
wird man zunächst
hoch ansetzen um nur auffällige
Störungen
zu erfassen. Nach und nach wird der Grenzwert zurückgenommen
und letztendlich eine von der Höhe
der Störgröße abhängige Vorpositionierung
erreicht.
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Wird folglich der Stellungsregler
wie vorstehend beschrieben ausgestattet, ändert er die Position des Ventilkegels 4 ohne
Eingreifen des Führungsreglers
so, dass Störungen
erheblich geringere Regelabweichungen verursachen und eine schnellere Rückführung des
Istwertes auf den Sollwert erreicht wird.
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Alternativ zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel muss es sich
bei der Regelgröße x, z.B.
der Temperatur, nicht um eine zu regelnde Eigenschaft des durch
das Regelventil strömenden Mediums
selbst handeln, sondern dieses kann beispielsweise über einen
Wärmetauscher
WT auch auf ein anderes Medium wirken, um dessen Eigenschaften,
beispielsweise eine zu regelnde Temperatur zu beeinflussen, wie
in 3 gezeigt. Die beschriebenen
Regelungsvorgänge
laufen dabei entsprechend ab.