DE102008043869A1

DE102008043869A1 - Regelungssystem für eine Regelstrecke

Info

Publication number: DE102008043869A1
Application number: DE102008043869A
Authority: DE
Inventors: Daniel Zirkel; Gunter Wiedemann; David Schlipf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-20
Also published as: US20100233555A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem (10) für eine Regelstrecke (20) zur Vorgabe mindestens einer Stellgröße (u) an die Regelstrecke (20), mit einem Hauptregler (30) zur Erzeugung der Stellgröße (u) innerhalb eines Intervalls (70) zwischen einer maximalen Stellgrößenschranke (u_max) und einer minimalen Stellgrößenschranke (u_min), mindestens einem Messmittel (40) zum Bestimmen einer Regelgröße (y) der Regelstrecke (20), wenigstens einem Mess-System (50) zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße (x) der Regelstrecke (20) und wenigstens einem Nebenregler (60) zur Beeinflussung der maximalen Stellgrößenschranke (u_max) und der minimalen Stellgrößenschranke (u_min) in Abhängigkeit (H(x)) von der Zustandsgröße (x).

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem für eine Regelstrecke mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Regelungsverfahren für eine Regelstrecke mit den Merkmalen des Anspruches 8.
Stand der Technik
Regelungssysteme werden im Stand der Technik häufig zur Regelung von technischen Prozessen genutzt. Dabei dient ein Regler des Regelungssystems dazu, eine oder mehrere physikalische Größen auf ein vorgegebenes Niveau zu beeinflussen. In industriellen Anwendungen wird häufig der lineare PI-Regler eingesetzt. Die weite Verbreitung des PI-Reglers erklärt sich dadurch, dass es keiner komplexen mathematischen Modelle benötigt, um diesen einzustellen. Allerdings weist der PI-Regler den Nachteil auf, dass nur eine Regelgröße mit einer Stellgröße geregelt wird. Andere Größen der zu regelnden Regelstrecke können dabei zulässige Werte über- oder unterschreiten. Bisherige PI-Regler vermochten Beschränkungen der Stellgrößen nur durch massive Verluste in der Regelgüte umzusetzen. So ist z. B. bekannt, eine Gradientenbeschränkung in der Regelgröße im Sinne einer Vorsteuerung eine Verletzung einer Stellgrößenbeschränkung unwahrscheinlich machen. Durch das Fehlen einer Rückkopplung der Zustandsgröße bietet diese Ausgestaltung allerdings keine sichere Umsetzung und kann das Führungsverhalten dadurch signifikant verschlechtern, da die Beschränkung der Regelgröße für den jeweils schlechtesten Fall ausgelegt werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelungssystem für eine Regelstrecke zu offenbaren, welches die vorbenannten Nachteile überwindet, insbe sondere ein Regelungssystem ohne Regelungsgüteverluste im nicht beschränkten Bereich zu beschreiben.
Diese Aufgabe wird durch ein Regelungssystem für eine Regelstrecke mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Regelungsverfahren für eine Regelstrecke mit den Merkmalen des Anspruches 8 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelungssystem beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Regelungsverfahren und jeweils umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Erfindungsgemäß wird ein Regelungssystem für eine Regelstrecke zur Vorgabe mindestens einer Stellgröße an die Regelstrecke offenbart, mit einem Hauptregler, zur Erzeugung der Stellgröße innerhalb eines Intervalls zwischen einer maximalen Stellgrößenschranke und einer minimalen Stellgrößenschranke, mindestens einem Messmittel zum Bestimmen einer Regelgröße der Regelstrecke wenigstens einem Mess-System zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße der Regelstrecke und wenigstens einem Nebenregler, zur Beeinflussung der maximalen Stellgrößenschranke und der minimalen Stellgrößenschranke in Abhängigkeit von der Zustandsgröße.
Der Kern des erfindungsgemäßen Regelungssystems sowie des Regelungsverfahrens besteht darin, dass die beiden Stellgrößenschranken in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße der zu regelnden Regelstrecke variiert werden. Gebräuchliche Regler können zwischen einer maximalen Stellgrößenschranke und einer minimalen Stellgrößenschranke beliebige Stellwerte ausgeben. Wie dargelegt, kann nur durch Regelungsgüte verschlechternde Elemente im Stand der Technik verhindert werden, dass der Stellwert die Stellgrößenschranke verletzt. Erfindungsgemäß wird nun eine Zustandsgröße der Regelstrecke gemessen und ausgewertet. In Abhängigkeit von dieser bestimmten Zustandsgröße findet eine Beeinflussung der Stellgrößenschranken statt. Somit werden die Stellgrößenschranken dynamisch an den Zustand der zu regelnden Regelstrecke angepasst.
Durch die Erfindung ist es möglich, eine Regelgröße mit einem Standardregler zu regeln und gleichzeitig Verletzungen von Zustandsbeschränkungen auszuregeln, in dem die Stellgrößenschranken des Reglers angepasst werden. Da die Regelung oft entlang Zustandsbeschränkungen optimal ist, kann so ohne Regelgüteverluste und Umschalten von Regelkreisen die Regelgröße verfahren werden, wobei das Ausregeln der Verletzung von Zustandsbeschränkungen gegenüber den Regeln der Regelgröße Vorrang erhält. Somit weist das erfindungsgemäße Regelungs-system eine konstruktive Einfachheit auf, die es gegenüber bekannten Verfahren und Regelungssystemen absetzt.
Als Regelstrecke wird im Rahmen der Erfindung der Teil eines Regelkreises bezeichnet, dessen Regelgröße mit einer Stellgröße geregelt werden soll. Die Regelstrecke enthält nicht den Regler selbst. Als Regelkreis wird im Rahmen der Erfindung ein geschlossenes rückgekoppeltes System bezeichnet, das mindestens aus einer Regelstrecke, einem Regler und der Rückführung besteht. Kennzeichnend für einen Regelkreis ist der geschlossene Wirkungskreis mit einer negativen Rückkopplung. In der Erfindung wird der Regelkreise auch als Regelsysteme bezeichnet. Die Regelgröße eines Regelkreises ist die zu regelnde Größe, dies ist zumeist ein gemessener Wert, kann aber auch eine andere Größe sein, die beeinflusst werden kann. Weicht die Größe vom Sollwert (auch Führungsgröße genannt) ab, so wird versucht, diese Regeldifferenz mittels eines Reglers zu eliminieren.
Der Regler beeinflusst selbsttätig in einem meist technischen Prozess eine oder mehrere physikalische Größen auf ein vorgegebenes Niveau unter Reduzierung von Störeinflüssen. Dazu vergleicht der Regler laufend das Signal des Sollwertes mit dem gemessenen und zurückgeführten Istwert der Regelgröße und ermitteln aus dem Unterschied der beiden Größen eine Stellgröße, welche die Regelstrecke so beeinflusst, dass die Regelabweichung im eingeschwungenem Zustand minimiert wird.
Als Stellwert oder auch Stellgröße wird im Rahmen der Erfindung die von dem Regler aus der Regeldifferenz zwischen Sollwert und Istwert berechnete Größe bezeichnet. Diese liegt am Ausgang des Reglers an. Mit dieser Größe werden die Faktoren in der Regelstrecke angesteuert, um die vorhandene Regeldifferenz auszugleichen.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Regelungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Hauptregler und/oder wenigstens einer der Nebenregler einen I-, einen PI- oder einen PID-Reglerkern aufweist. Ein I-Regler ist ein Regler mit mindestens einem Integrierglied. Ein PI-Regler weist mindestens ein Integrier- und mindestens ein Proportionalglied auf. Ein PID-Regler weist im Vergleich zu einem PI-Regler zusätzlich mindestens ein Differenzierglied auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Hauptregler die Stellgröße innerhalb eines Reglerintervalles zwischen einer maximalen Stellgrößengrenze und einer minimalen Stellgrößengrenze erzeugt, wobei das Intervall der Stellgrößenschranken innerhalb des Reglerintervalles liegt. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass trotz Anpassung der Stellgrößenschranken diese nicht die vom Hauptregler vorgegebenen Stellgrößengrenzen überschreiten. Der Hauptregler weist mechanische und/oder elektronisch vorgegebene Stellgrößengrenzen auf. Diese beschreiben die maximale oder minimale Größe des vom Hauptregler zu erzeugenden Signales der Stellgröße. Innerhalb dieses durch die Stellgrößengrenzen vorgegebenen Reglerintervalles können die Stellgrößenschranken in Abhängigkeit von der Zustandsgröße frei variiert werden. Für ein leichteres Verständnis soll die folgende Nomenklatur Verwendung finden:
maximalen Stellgrößenschranke u_max oder u_max
minimalen Stellgrößenschranke u_min oder u_min
maximale Stellgrößengrenze u_max_real oder u_{max_real}
minimale Stellgrößengrenze u_min_real oder u_{min_real}
Somit ergibt sich für die Stellgrößengrenzen und Stellgrößenschranken folgender Zusammenhang: u_min_real ≤ u_min ≤ u_max ≤ u_max_real
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Hauptregler und/oder wenigstens einer der Nebenregler derart ausgebildet ist, dass ein Integrator-Windup vermeidbar ist, wenn die Stellgröße die maximale Stellgrößen schranke (u_max) oder die minimale Stellgrößenschranke (u_min) oder die maximale Stellgrößengrenze (u_max_real) oder die minimale Stellgrößengrenze (u_min_real) erreicht. Bei Reglern kann beim Überschreiten der Stellgrößenbegrenzung (der Stellgrößen-Ausgang des Reglers überschreitet die physikalischen Grenzen des Stellglieds) ein wind-up-Effekt auftreten. Der Regler nimmt einen Wert oberhalb der Möglichkeiten des Stellgliedes ein und verursacht beim Rücklauf ungewollte Verzögerungen. Dem tritt man mit der Begrenzung auf die Stellgrößengrenzen entgegen (Anti-Windup). Dieses hat den Vorteil, dass die Regelgrösse, selbst wenn die zugehörige Stellgrösse sich zuvor in der Stellgrössenbegrenzung befunden hat, schnell auf eine Vorzeichenumkehr der jeweiligen Regeldifferenz am Eingang des Reglers reagiert. Ursache dafür ist, dass die Stellgrössenänderung sofort nach Vorzeichenumkehr der Regeldifferenz eine Umkehrung ihres Vorzeichens vollführt, da der sogenannte Integrator-Windup, d. h. ein Hochlaufen des Integrators eines PI- oder PID-Reglers während sich die Stellgrösse in ihrer Begrenzung befindet, vermieden wird.
Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Regelungssystem ein Modellmodul aufweist, wobei das Modellmodul ein Modell der Regelstrecke aufweist. Das Modellmodul dient dazu Informationen über die Regelstrecke zu erzeugen. In dem Modellmodul kann z. B. ein mathematisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sein. Das Modell ist somit eine mathematische, insbesondere funktionale oder statistische Abbildung der Regelstrecke. Dieses hat den Vorteil, dass gemessene Zustandsgrößen, welche mittels des Mess-Systems ermittelt wurden, mit im Modell berechneten Zustandsgrößen verglichen werden können. Dieser Vergleich der gemessenen und gerechneten Zustandsgrößen erlaubt eine präzise Beeinflussung der maximalen und minimalen Stellgrößenschranken. Insbesondere ein nicht lineares Verhalten der Regelstrecke in Abhängigkeit von der Zustandsgröße und/oder der Stellgröße können in dem Modell hinterlegt sein. Entsprechend ist eine Anpassung der Stellgrößenschranken nach Vergleich mit dem Modell möglich. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die mit dem Modell gewonnenen Informationen mit der gemessenen Zustandsgröße kombiniert werden, um eine Beeinflussung der Stellgrößenschranken zu erzielen. Die gemessene Stellgröße ist folglich nur ein Teil jener Informationen, die bei der Beeinflussung der Stellgrößenschranken berücksichtigt werden. Auf Basis der zumindest einen ermittelten Zustandsgröße finden Vergleiche mit dem Modell statt und/oder Berechnung von weiteren, nicht gemessenen Zustandsgrößen der Regelstrecke. Durch eine Kombination der so ermittelten Zustandsgrößen kann dann eine präzise Beeinflussung der Stellgrößenschranken vorgenommen werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Regelungssystem zum Regeln einer Brennstoffzelle genutzt wird. Folglich wird im Rahmen der Erfindung auch ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle beansprucht, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens ein Regelungssystem nach einem der vorher beschriebenen Ausführungsvarianten aufweist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Regelungsverfahren für eine Regelungsstrecke gelöst, wobei eine Stellgröße erzeugt wird, die Stellgröße innerhalb eines Intervalls zwischen einer maximalen Stellgrößenschranke und einer minimalen Stellgrößenschranke generiert wird, auf Basis der Stellgröße mindestens eine Zustandsgröße der Regelstecke ermittelt wird, wenigstens eine der maximalen Stellgrößenschranke oder der minimalen Stellgrößenschranke in Abhängigkeit von der Zustandsgröße verändert wird und die Stellgröße von der Regelstecke in eine Regelgröße umgesetzt wird.
Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelungssystem offenbart wurden, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren und umgekehrt. Auch hier besteht die Besonderheit wieder darin, dass eine Zustandsgröße der Regelungsstrecke ermittelt wird und diese die Stellgrößenschranken beeinflusst. Somit ist eine dynamische Anpassung jenes Intervalls möglich, in dem die Stellgröße erzeugt werden kann.
Ein weiterer vorteilhafter Verfahrensschritt sieht vor, dass die Stellgröße innerhalb eines Reglerintervalls zwischen einer maximalen Stellgrößengrenze und einer minimalen Stellgrößenschranke erzeugt wird, wobei das Intervall der Stellgrößenschranken innerhalb des Reglerintervalls liegt. Durch diesen Verfahrensschritt wird sichergestellt, dass die Stellgrößenschranken nur innerhalb des vorgegebenen Reglerintervalls verändert werden. Das Reglerintervall selbst ist durch die intrinsischen Eigenschaften des Hauptreglers vorgegeben. Das Reglerintervall ist eine durch die mechanischen und/oder elektronischen Eigenschaften des Hauptreglers und/oder der Regelstrecke vorgegebene Begrenzung. Der Ver fahrensschritt stellt somit sicher, dass trotz der Abhängigkeit der minimalen und maximalen Stellgrößenschranken von der mindestens einen Zustandsgröße diese immer noch innerhalb des Reglerintervalls liegen. Das heißt, auch eine theoretisch mögliche Veränderung der Stellgrößenschranken über die durch das Reglerintervall vorgegebenen Begrenzungen werden nicht durchgeführt. Somit ist sichergestellt, dass keine Stellgrößenschranken erzeugt werden, die außerhalb des von dem Hauptregler vorgegebenen Reglerintervalls liegen.
Eine vorteilhafte Variante des Regelungsverfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die maximale Stellgrößenschranke wie folgt berechnet wird:
Als vorteilhaft hat es sich auch herausgestellt, wenn die minimale Stellgrößenschranke wie folgt berechnet wird:
Dabei weisen die Abkürzungen die folgenden Bedeutung auf:

– Min (a, b) = das Minimum von a und b
– Max (a, b) = das Maximum von a und b
– Σ_in = die Summe mit dem Laufindex i über die negativen Beschränkungen,
– Σ_ip = die Summe mit dem Laufindex i über die positiven Beschränkungen,
– Δu_min,in ein Ausgangssignal eines Nebenreglers für eine negative Verstärkung der Regelstrecke,
– Δu_max,ip ein Ausgangssignal eines Nebenreglers für eine positive Verstärkung der Regelstrecke.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Regelstrecke und/oder die Zustandsgröße modelliert wird. Durch eine mathematische und/oder statistische Darstellung der Regelstrecke und/oder der Zustandsgröße in einem Modell können Rückschlüsse auf die Beeinflussung der Stellgrößenschranken gezogen werden. Es ist somit im Vorhinein möglich, insbesondere nichtlineare Verhaltensweisen der Regelstrecke zu planen und entsprechende Anpassungen der Stellgrößenschranken zu ermöglichen.
Als vorteilhaft hat sich auch herausgestellt, wenn zur Durchführung des beschriebenen Regelungsverfahren das oben ebenfalls beschriebene Regelungssystem Verwendung findet.
Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Regelungssystem,
2 ein Brennstoffzellensystem,
3 einen Anodenpfad des Brennstoffzellensystems,
4 der Anodenpfad mit integriertem erfindungsgemäßen Regelungssystem und
5 eine schematische Darstellung der Berechnung einer Stellgrößenbeschränkung.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Regelungssystem 10 dargestellt. Das Regelungssystem 10 dient zur Regelung einer Regelungsstrecke 20. Das Regelungssystem 10 weist einen Hauptregler 30 auf. Dieser Hauptregler 30 dient zur Erzeugung einer Stellgröße u, die auf die Regelstrecke 20 einwirkt. In Abhängigkeit von der Stellgröße u erzeugt die Regelstrecke 20 eine Regelgröße y. In der dargestellten 1 dient die Regelstrecke 20 dazu, ein beliebiges zu regelndes System zu repräsentieren. Bei der Regelstrecke 20 kann es sich folglich um ein beliebiges mechanisches und/oder elektronisches Element handeln, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Regelungssystems 10 gesteuert wird. Im Folgenden soll als Regelstrecke 20 eine Brennstoffzelle, insbesondere ein Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems, beschrieben werden. An die Regelstrecke 20 angeschlossen ist ein Messmittel 40. Dieses Messmittel 40 dient zur Bestimmung der Regelgröße y der Regelstrecke 20. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messmittel 40 an eine negative Rückkopplung 41 angeschlossen. Diese negative Rückkopplung 41 dient dazu, zumindest einen Teil der Regelgröße y, auf den Sollwert zurückzuführen und dort eine Regeldifferenz e zu bestimmen. Durch das Zurückführen der Regelgröße y wirkt diese dem Sollwert w entgegen.
In die Regelstrecke 20 integriert oder an dieser angeordnet, ist ein Mess-System 50. Das Mess-System 50 dient zum Ermitteln zumindest einer Zustandsgröße x der Regelstrecke 20. Aufgabe des Mess-Systems 50 ist es somit, die Zustandsgröße x zu bestimmen, welche die Regelstrecke 20 charakterisiert. Die Zustandsgröße x ist mittelbar oder unmittelbar korreliert mit der Regelgröße y. Der Hauptregler 30 weist eine maximale Stellgrößengrenze u_max_real und eine minimale Stellgrößengrenze u_min_real auf. In Abhängigkeit von dem vorgegebenen Sollwert w kann die Stellgröße u zwischen der maximalen Stellgrößengrenze und der minimalen Stellgrößengrenze variiert werden. Beide Stellgrößengrenzen sind durch intrinsische Eigenschaften des Hauptreglers 30 bestimmt. Es kann sich dabei um elektronische und/oder mechanische Eigenschaften des Hauptreglers 30 handeln, die diese Stellgrößengrenzen festlegen. Die Stellgröße darf nur zwischen den vorgegebenen Stellgrößengrenzen schwanken: u_min_real ≤ u ≤ u_max_real
Um die o. g. erfindungsgemäße Aufgabe zu erfüllen, ist nun vorgesehen, dass das Regelungssystem 10 einen Nebenregler 60 aufweist. Der Nebenregler 60 ist einerseits verbunden mit dem Mess-System 50 und andererseits mit dem Hauptregler 30. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, dass der Nebenregler in Abhängigkeit H(x) von der Zustandsgröße x eine Beeinflussung einer maximalen Stellgrößenschranke u_max und einer minimalen Stellgrößenschranke u_min vornimmt. Die maximale und minimale Stellgrößenschranke des Intervalls 70 sind beeinflussbare Grenzen für die Stellgröße u innerhalb der durch die Stellgrößengrenzen vorgegebenen Reglerintervalls. Folglich gilt, dass die Stellgrößenschranken innerhalb des durch die Stellgrößengrenzen aufgespannten Reglerintervalls liegen müssen: u_min_real ≤ u_min ≤ u ≤ u_max ≤ u_max_real
Somit ist eine dynamische Anpassung der Stellgrößenschranken an die Zustandsgröße möglich.
Das Mess-System 50 bestimmt eine Zustandsgröße x aus der Regelstrecke 20. Um ein optimales Regeln der Regelstrecke 20 zu erreichen, können vorgegebenen Beschränkungen vorhanden sein. Im Rahmen des hier aufgeführten Beispiels wird angenommen, dass die einzuhaltende Beschränkung folgende sei: Hi(X) ≤ 0
Folglich soll angenommen werden, dass die Abhängigkeit H(x) von der Zustandsgröße immer kleiner oder gleich Null sein soll. Für jede Beschränkung H_i(X) muss geklärt werden, ob eine Verletzung der o. g. Beschränkung durch eine Erhöhung oder Erniedrigung der Stellgröße u ausgeregelt werden kann. Für eine i-te Beschränkung H_{i_p}(x) mit positiver Verstärkung über den Stellbereich von u generiert jeder Nebenregler 60 eine Differenz Δu_max,ip, die von der maximalen Stellgrößengrenze abgezogen wird. Daraus ergibt sich dann die neue maximale Stellgrößenschranke. Für eine i-te Beschränkung H_{i_n}(x) mit negativer Verstärkung über den Stellbereich von u generiert der Nebenregler 60 ein Signal Δu_min,in. Dieses wird zu der minimalen Stellgrößengrenze hinzu addiert, um die neue minimale Stellgrößenschranke zu berechnen. Folglich ergeben sich die Stellgrößenschranken für den Hauptregler 30 bei einer Mehrzahl von Zustandsbeschränkungen x, die jeweils mit einem Mess-System 50 bestimmt werden, gemäß folgender mathematischer Zusammenhänge:
Durch diese Kombination von zwei Reglern können sowohl Führungsverhalten sowie die Ausregelung von Zustandsbeschränkungen auf einfache Weise reali siert werden, indem das Band des Hauptreglers 30 innerhalb dessen die Stellgröße u beeinflusst werden kann, eingeschränkt wird. Durch die Verwendung von Anti-Windups werden die Integratoren der Regler nachgeführt und garantieren einen ruhigen Verlauf der Stellgröße.
Zur Verdeutlichung der Nutzung des Regelungssystems 10 soll als Regelungsstrecke 20 ein Brennstoffzellensystem 100 oder eine Brennstoffzelle 110 dienen. In 2 ist ein solches Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches hier zwei Brennstoffzellen 110 aufweist. Diese Brennstoffzellen 110 sind angrenzend zueinander in einem Gehäuse 113 angeordnet. Jede der Brennstoffzellen 110 weist ein erstes Elektrodenelemente 120 und ein zweites Elektrodenelement 121 auf. Zwischen den zwei Elektrodenelementen 120, 121 ist eine ionendurchlässige Membran 130 angeordnet. Jedes der beiden Elektrodenelemente 121, 122 weist einen eigenen Elektrodenraum 111, 112 auf. Durch eine Beaufschlagung der Elektrodenelemente 120, 121 mit zwei unterschiedlichen Reaktanden wird durch eine elektrochemische Reaktion ein elektrischer Strom erzeugt. Die beiden Reaktanden werden häufig in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H₂ => 2H⁺ + 2e^– (Anodenreaktion) 2H⁺ + 2e^– + ½O₂ => H₂O (Kathodenreaktion).
Der gewonnene elektrische Strom kann in einem Lastelement verbraucht werden. Der Reaktand Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden auf den Elektrodenelementen 130 zu erreichen, weist jeder der Elektrodenräume der Brennstoffzelle 110 eine Strömungsfeldplatte 140 auf.
In 3 ist ein Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems 100 dargestellt. Schematisch abgebildet ist der erste Elektrodenraum 111 – auch Anodenraum –, in dem über eine Zuleitung 123 der Reaktand – z. B. Wasserstoff – eingeführt wird. Innerhalb des ersten Elektrodenraumes 111 findet anschließend die elektrochemische Reaktion statt. Über ein Einlassventil 155 wird die Menge des Reaktanden geregelt, der dem ersten Elektrodenraum 111 zugeführt wird. Im Allgemeinen ist die Menge des zugefügten Reaktanden größer als die elektrochemisch umgesetzte. Der nicht verbrauchte Reaktand wird allerdings nicht über ein Auslassventil 152 in eine Umgebung der Brennstoffzelle abgelassen. Vielmehr wird aus Effizienzgründen der nicht verbrauchte Reaktand mittels einer Rückleitung 151 und einem Rezirkulationselement 150 zurück zur Zuleitung 123 gefördert. Das Rezirkulationselement 150 weist im Allgemeinen ein Gebläse auf, was dafür sorgt, dass der Reaktand komprimiert der Zuleitung 123 zugefügt wird, um erneut in dem ersten Elektrodenraum 111 einzufließen.
Die Integration des erfindungsgemäßen Regelsystems 10 in den Anodenpfad ist in der 4 dargestellt. Zu erkennen ist der erste Elektrodenraum 111 sowie das Rezirkulationselement 150. Erfindungsgemäß bildet die Brennstoffzelle 110, insbesondere der erste Elektrodenraum 111, bevorzugt der der erste Elektrodenraum 111 mit einem Rezirkulationselmenent, die Regelstrecke 20, welche mittels des erfindungsgemäßen Regelsystems 10 eingeregelt werden soll. Ein erster Druckmesser 170 bestimmt den Druck p₁, unter dem der Reaktand in den ersten Elektrodenraum 111 eingeführt wird. Ein zweiter Druckmesser 171 bestimmt den sogenannten. Nachdruck p₂, mit dem der Reaktand aus dem ersten Elektrodenraum 111 austritt. Über das Einlassventil 155 erfolgt die Regelung auf einen lastabhängigen Vordruck, der mittels des ersten Druckmessers 170 bestimmt wird. In dem ersten Elektrodenraum 111 reichert sich bei geschlossenem Auslassventil 152 Stickstoff und ggf. Wasser an, so dass eine Gasumwälzung durch das Rezirkulationselement 150 notwendig ist. Als Maß für die notwendige Umwälzung kann die für einen stabilen Betrieb notwendige Stöchiometrie λ zwischen der Menge des zugeführten Reaktanden und des in dem ersten Elektrodenraum 111 verbrauchten Reaktanden genutzt werden. Erfindungsgemäß kann diese Stöchiometrie über das Regelungssystem 10 eingeregelt werden. Dabei ist dafür vorgesehen, dass der erste Druckmesser 170 einen ersten Druck p₁ und der zweite Druckmesser einen zweiten Druck p₂ bestimmt. In einem Rechenelement 180 wird daraus die Stöchiometrie λ berechnet. Das Rechenelement 180 kann ein integrierter Schaltkreis sein, der dafür ausgelegt ist, aus den Druckinformationen p₁, p₂ sowie dem Massenstrom durch die Brennstoffzelle, die Stöchiometrie zu bestimmen. Die so generierte Information wird als λ_ ist an den Eingang des Hauptregler 30 zurückgeführt. Dort findet ein Vergleich mit dem eingestellten λ-Soll statt, woraufhin eine Regelung des Rezirkulationsgebläses über die Stellgröße u erfolgt. Folglich ist das Rezirkulationsgebläse jenes Element des Brennstoffzellensystems 100, welches von dem Hauptregler 30 mittels der Stellgröße u gesteuert wird. Der erfindungsgemäße Nebenregler 60 erhält ebenfalls diese beiden Informationen über den Druck p₁, p₂. Mittels mathematischer Funktionen und/oder mathematischer Modelle des ersten Elektrodenraumes 111 und/oder der Brennstoffzelle 110 werden Stellgrößenschranken für den Hauptregler 30 berechnet. Diese Stellgrößenschranken (u_min, u_max) werden an den Hauptregler 30 übermittelt und beschränken die Ausgabe der Stellgröße u.
Um das Regelungsverfahren und das erfindungsgemäße Regelungssystem 10 besser darstellen zu können, soll im Folgenden eine Berechnung der Stellgrößenschranken am Beispiel einer λ-Regelung für einen Anodenpfad beschrieben werden. Dieses Beispiel soll allerdings nicht als Einschränkung verstanden werden, sondern dient ausschließlich der Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Regelungssystems. Dazu ist in 5 eine schematische Darstellung der Elemente des Nebenreglers 60 dargestellt. Dieser Nebenregler 60 weist drei integrierte PI-Regler 61, 62 und 63 mit Anti-Windup-Funktion auf. Um einen gleichmäßigen und sicheren Betrieb der Brennstoffzelle 110 sicherzustellen, müssen drei Beschränkungen eingehalten werden:

1. Der Nachdruck p₂ darf nicht unter einen bestimmten Minimaldruck p_2min sinken.
2. Die Druckdifferenz Δp = p₁ – p₂ darf einen bestimmten Maximalwert Δp_max nicht überschreiten.
3. Die Druckdifferenz Δp = p₁ – p₂ darf einen bestimmten Minimalwert Δp_min nicht unterschreiten.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass einer Verletzung einer der genannten Beschränkungen durch eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Drehzahl des Rezirkulationselementes 150 entgegen gewirkt wird. Dadurch kann der Druck, mit dem der Reaktand in der Rückleitung 151 zur Zuleitung 123 gefördert wird, verändert werden. Da die Menge des vom Rezirkulationselement 150 geförderten ersten Reaktanden abhängig ist von der Drehzahl, mit der ein Elektromotor innerhalb des Rezirkulationselementes 150 betrieben wird, können Verletzungen einer der genannten Beschränkungen entgegen gewirkt werden:

1. Durch Drehzahlverringerung, um den Nachdruck p₂ wieder zu erhöhen, wenn der Druck p₁ konstant gehalten wird.
2. Durch Drehzahlverringerung, um die Druckdifferenz Δp = p₁ – p₂ zu senken.
3. Durch Drehzahlerhöhung, um die Druckdifferenz Δp = p₁ – p₂ zu erhöhen.

Die Drehzahl des Rezirkulationselementes 150 wird dabei gesteuert durch die Stellgröße u, welche von dem Hauptregler 30 erzeugt wird. Für diese Stellgröße u soll dabei gelten, dass sie innerhalb von Stellgrößengrenzen liegen muss: u_min_real ≤ u ≤ u_max_real
Für die drei genannten Beschränkungen können nun Funktionen H gebildet werden, die abhängig sind von den beiden Drücken p₁ und p₂ und für welche gilt H(p₁, p₂) ≤ 0. Damit ergeben sich die folgenden drei Funktionen:

1. H_1p = p_2,min – p₂
2. H_2p = Δp – Δp_max
3. H_1n = Δp_min – Δp

Diese drei Funktionen können auf drei PI-Regler 61, 62 und 63 mit Anti-Windup gegeben werden. Aus den Ausgängen ergeben sich die jeweils der maximalen Stellgrößengrenze hinzu addierte oder subtrahierte Größe, welche die maximale oder minimale Stellgrößenschranke ergeben. Dabei lassen sich die maximale Stellgrößenschranke und minimale Stellgrößenschranke wie folgt berechnen:
Die Größen ΔU_max, und ΔU_max2 werden in einem Summierer 190 addiert. Im Anschluss daran wird mittels eines Vergleichselementes 200 sichergestellt, dass die ermittelten Stellgrößenschranken nicht die Stellgrößengrenzen über- bzw. unterschreiten. Durch diese Einstellung ermöglicht das erfindungsgemäße Regelsystem 10 eine dynamische Anpassung der Stellgrößenschranken an die in der Regelstrecke 20 tatsächlich vorhandenen Bedingungen.

Claims

Regelungssystem (10) für eine Regelstrecke (20) zur Vorgabe mindestens einer Stellgröße (u) an die Regelstrecke (20), mit einem Hauptregler (30), zur Erzeugung der Stellgröße (u) innerhalb eines Intervalls (70) zwischen einer maximalen Stellgrößenschranke (u_max) und einer minimalen Stellgrößenschranke (u_min), mindestens einem Messmittel (40) zum Bestimmen einer Regelgröße (y) der Regelstrecke (20), wenigstens einem Mess-System (50) zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße (x) der Regelstrecke (20), und wenigstens einem Nebenregler (60), zur Beeinflussung der maximalen Stellgrößenschranke (u_max) und der minimalen Stellgrößenschranke (u_min) in Abhängigkeit (H(x)) von der Zustandsgröße (x).
Regelungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptregler (30) und/oder wenigstens einer der Nebenregler (60) einen I- oder einen PI- oder einen PID-Reglerkern aufweist.
Regelungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptregler (30) die Stellgröße (u) innerhalb eines Reglerintervalles zwischen einer maximalen Stellgrößengrenze (u_max_real) und einer minimalen Stellgrößengrenze (u_min_real) erzeugt, wobei das Intervall (70) der Stellgrößenschranken innerhalb des Reglerintervalles liegt.
Regelungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptregler (30) und/oder wenigstens einer der Nebenregler (60) derart ausgebildet ist, dass ein Integrator-Windup vermeidbar ist, wenn die Stellgröße die maximale Stellgrößenschranke (u_max) oder die minimale Stellgrößenschranke (u_min) oder die maximale Stellgrößengrenze (u_max_real) oder die minimale Stellgrößengrenze (u_min_real) erreicht.
Regelungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem (10) ein Modellmodul aufweist, wobei das Modellmodul ein Modell der Regelstrecke (20) aufweist.
Regelungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstrecke (20) mindestens eine Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellesystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und mindestens einem Regelungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Regelungsverfahren für eine Regelstrecke (20), wobei eine Stellgröße (u) erzeugt wird, die Stellgröße innerhalb eines Intervalls (70) zwischen einer maximalen Stellgrößenschranke (u_max) und einer minimalen Stellgrößenschranke (u_min) generiert wird, auf Basis der Stellgröße (u) mindestens eine Zustandsgröße (x) der Regelstecke ermittelt wird, wenigstens eine der maximalen Stellgrößenschranke (u_max) oder der minimalen Stellgrößenschranke (u_min) in Abhängigkeit (H(x)) von der Zustandsgröße (x) verändert wird und die Stellgröße (u) von der Regelstecke (20) in eine Regelgröße (y) umgesetzt wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (u) innerhalb eines Reglerintervalles zwischen einer maximalen Stellgrößengrenze (u_max real) und einer minimalen Stellgrößengrenze (u_min_real) erzeugt wird, wobei das Intervall (70) der Stellgrößenschranken innerhalb des Reglerintervalles liegt.
Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Stellgrößenschranke (u_max) wie folgt berechnet wird:
Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass minimalen Stellgrößenschranke (u_min) wie folgt berechnet wird:
Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das die Regelstrecke (20) und/oder die Zustandsgröße (x) modelliert wird.
Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Regelungsverfahren ein Regelungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird.