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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Reglerparameter
eines stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Thermostaten, der
im Regelungsbetrieb eine Temperierflüssigkeit in einem
Bad bzw. in einem Vorlauf temperiert, wobei der Regler jeweils ein
Heizstellglied ansteuert, welches eine entsprechende Heizleistung
einstellt, und ein Kühlstellglied ansteuert, welches eine
entsprechende Kühlleistung einstellt.
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Derartige
bekannte Thermostaten sind Wärme- und Kältethermostate,
die auch als Temperiervorrichtungen bezeichnet werden und zum exakten Temperieren
einer Temperierflüssigkeit in einem internen Bad dienen,
an das ein externer Verbraucher über Schlauchleitungen
angeschlossen sein kann. Die mit einem internen Bad ausgestatteten
Thermostaten werden auch als Badthermostaten bezeichnet. Außerdem
sind Prozessthermostaten bekannt, die kein internes Bad aufweisen,
sondern nur Wärmetauscher, Pumpen und Rohrleitungen, die
mit den externen Verbrauchern so in Verbindung stehen, dass durch
diese und durch die Prozessthermostaten Temperierflüssigkeit
gepumpt wird.
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Wesentlicher
Bestandteil des Badthermostaten oder des Prozessthermostaten ist
ein stetiger oder quasi stetiger Regler mit Ausgängen,
an die Stellglieder zum Heizen und Kühlen angeschlossen sind,
um die Badflüssigkeit oder die Vorlauftemperatur eines
externen Verbrauchers bzw. Wärmetauschers zu regeln. In
dem Falle, in dem der Regler nicht als interner Regler Bestandteil
einer Kaskadenregelung ist, ist er insbesondere mit PID-Verhalten ausgelegt.
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Mit
dem oben erwähnten Stellglied zum Heizen kann die Heizung
quasi stufenlos von 0 bis 100% ihrer Leistung eingeschaltet werden.
Die Kühlung erfolgt über einen Kältekreislauf,
dessen Leistung durch mehrere elektronische Einspritzventile geregelt
werden kann, die somit einzelne Stellglieder darstellen, die in
der vorliegenden Patentanmeldung zusammenfassend als Kühlstellglied
bezeichnet sind. Da die eingestellte Kühlleistung von vielen
Faktoren abhängig ist, kann deren Größe
im Unterschied zu der Heizleistung nicht einfach genau bestimmt
werden.
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Die
oben beschriebene Regelung kann als interne Regelung mit einem inneren
Regler bezeichnet werden, wenn diese in einer bekannten Kaskadenregelungsanordnung
durch eine externe Regelung der Temperatur in dem externen Verbraucher
mit einem weiteren stetigen Regler, den äußeren
Regler, ergänzt ist. In dem Falle der Kaskadenregelung
ist insbesondere der innere Regler als P-Regler ausgebildet und
der äußere Regler als PID-Regler. Der äußere
PID-Regler stellt an seinem Ausgang einen Sollwert der Badtemperatur
bzw. Flüssigkeitstemperatur für den inneren Regler
bereit.
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Wärme-
und Kältethermostate können vielseitig in Forschung,
Anwendungstechnik und Produktion eingesetzt werden. Ähnliche
Anwendungsbereiche haben auch die Prozessthermostaten, die sich durch
hohe Kühl und Heizleistung auszeichnen.
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Je
nach dem Anwendungsfall insbesondere hinsichtlich eines an den Thermostaten
angeschlossenen Verbrauchers, kann die Regelstrecke, die bei Badthermostaten
das interne Bad und gegebenenfalls ein hieran angeschlossenes externes
Bad bzw. ein externer Verbraucher, unterschiedliches Verhalten aufweisen,
was eine Anpassung der Reglerparameter erfordert. Das bisher übliche
Verfahren zum Auffinden und Einstellen der Reglerparameter durch Einstellversuche
und Beobachtung der Regelgröße, also der Temperatur
der Temperierflüssigkeit in dem internen Bad bzw. in dem
externen Verbraucher, ist in der Regel zeitaufwendig schrittweise
durchzuführen und erfordert zur Verkürzung dieses
Zeitaufwands Fachkenntnisse des Bedienungspersonals oder fachliche
Hilfestellungen.
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Zu
einer zielführenderen Abschätzung der günstigsten
Einstellwerte der Reglerparameter nach Ziegler Nichols ist es allgemein
bekannt, einen Regelkreis an seiner Stabilitätsgrenze in
ungedämpfte Schwingungen zu versetzen, um aus der Frequenz und
Amplitude dieser Dauerschwingung die Reglerparameter eines PID-Reglers
abzuschätzen. Dieses Verfahren beruht auf einer Nyquist-Kurve
des Systems bzw. Regelkreises in der komplexen Ebene, in der die
Kurve durch den Punkt –1;0 geht (
EP 0 099 362 B1 , Seite 3, Zeilen 12–59).
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Aus
der
EP 0 099 362 B1 ist
es auch generell bekannt, in einem Regelkreis mit einem stetigen
Regler insbesondere mit PID-Verhalten zumindest die differenzierenden
und integrierenden Komponenten (I-, D-Anteile) des stetigen Reglers
durch ein Zweipunktglied mit Relaiseigenschaften zu ersetzen, wodurch der
damit geschlossene Kreis in Dauerschwingung versetzt wird (Relay-Feedback-Versuch
bzw. Schwingversuch), woraus der Schnittpunkt der Ortskurve dieses
Systems mit der negativen reellen Achse in der komplexen Ebene ermittelt
wird, um daraus die kritische Verstärkung des Sys tems abzuleiten. Hieraus
und aus der Schwingungsperiode der Dauerschwingung können
wiederum Reglerparameter gemäß der Methode von
Ziegler-Nichols abgeleitet werden.
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Grafisch
kann gemäß dem modifizierten Ziegler-Nichols-Verfahren
nach Aström der durch Schwingversuch ermittelte oben erwähnte
Schnittpunkt des Systems auf einen geeigneten Punkt der Ortskurve
des aufgeschnittenen Regelkreises verschoben werden, um die Eigenschaften
des geschlossenen Regelkreises und damit die Reglerparameter festzulegen
(Aström, Häggelund: PID Controllers: Theory,
Design, and Tuning; North Carolina, Instrument Society of America;
1995).
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Es
hat sich jedoch herausgestellt, dass diese generell bekannte Methode
nicht ohne Weiteres zur Einstellung der Reglerparameter von PID-Reglern oder
P-Reglern in Thermostaten, nämlich Wärme- und
Kältethermostaten oder Prozessthermostaten einsetzbar ist,
was besonders durch die mangelnde Identifizierbarkeit der realen
Kühlleistung begründet ist.
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Um
dem abzuhelfen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch 1 zum Einstellen der Reglerparameter
eines stetigen Reglers in einem Regelkreis eines Thermostaten, der
im Regelungsbetrieb eine Temperierflüssigkeit in einem
Bad bzw. in einem Vorlauf temperiert, wobei der Regler jeweils ein
Heizstellglied ansteuert, welches eine entsprechende Heizleistung
einstellt, und ein Kühlstellglied ansteuert, welches eine
entsprechende Kühlleistung einstellt, folgende selbsttätig
gesteuerte Schritte des Einstellens der Reglerparameter vor dem
Regelungsbetrieb vor:
- – Durchführung
wenigstens eines Schwingversuchs durch Ersatz des stetigen Reglers
in dem Regelkreis durch einen Zweipunktregler, der das Kühlstellglied
so ansteuert, dass eine vorgegebene konstante Versuchskühlleistung
eingestellt ist,
der jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand
das Heizstellglied auf die Heizleistung Null einstellt,
und
der in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand das
Heizstellglied auf eine Stellleistung einstellt, die das Zweifache
der Versuchskühlleistung beträgt, wodurch der
Regelkreis eine symmetrische Dauerschwingung einer Versuchsregelgröße
der Bad- bzw. Vorlauftemperatur um einen Sollwert erzeugt,
- – Erfassen der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße
sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten
Regelkreises,
Identifizieren der Regelstrecke unter Verwendung der
Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße
sowie von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten
Regelkreises und
- – davon ausgehend Bestimmen der Reglerparameter.
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Dadurch,
dass eine vorgegebene konstante Versuchskühlleistung eingestellt
ist und der Zweipunktregler jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand
das Heizstellglied auf die Heizleistung Null einstellt und in jeweils
einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand auf eine Heizleistung einstellt,
die das Zweifache der Versuchskühlleistung beträgt,
wird infolge der sich damit einstellenden symmetrischen und ausgeprägten
Dauerschwingung der Versuchsregelgröße um den
Sollwert eine wichtige Voraussetzung zur Erfassung einer signifikanten Amplitude
und Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie
von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises
für die Identifizierung der Regelstrecke aus den vorgenannten
Größen und Parametern und davon ausgehend Bestimmung
der Reglerparameter insbesondere gemäß dem modifizierten
Ziegler-Nichols-Verfahren nach Aström erfüllt.
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Zur
Ermittlung der oben erwähnten konstanten Versuchskühlleistung
wird nach Anspruch 4 – vorzugsweise nach Anspruch 10 ebenfalls
selbsttätig – vor Durchführung des Schwingversuchs
die Temperierflüssigkeit von einer stationären
Ausgangstemperatur der Bad- bzw. Vorlauftemperatur mit einer eingestellten
konstanten Kühlleistung abgekühlt und gleichzeitig
mit einer so großen Gegenheizleistung gegengeheizt, dass
eine stationäre Temperatur der Bad- bzw. Vorlauftemperatur
gleich der Ausgangstemperatur erreicht wird, wobei die Gegenheizleistung,
die somit gleich der konstanten Kühlleistung ist, erfasst
wird. Diese Kühlleistungsmessung beruht somit auf einer
Stationäritätsregelung der Temperatur der Temperierflüssigkeit,
die als Sollwert vorgegeben werden kann. Die Kühlleistung
wird auf einen möglichst großen Wert festgelegt,
um eine sichere Anregung des Schwingversuchs zu gewährleisten.
Die konstante Kühlleistung wird als Versuchskühlleistung während
des Schwingversuchs beibehalten.
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Gemäß Anspruch
2 wird der Schwingversuch zur Erfassung der Amplitude und Periodendauer
der Versuchsregelgröße sowie von Parametern des
Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises bevorzugt
zweistufig durch Ersatz des stetigen Reglers in dem Regelkreis in
einer ersten Versuchsstufe durch einen hysteresefreien Zweipunktregler
und in einer zweiten Versuchsstufe durch einen hysteresebehafteten
Zweipunktregler durchgeführt, wobei jeweils in der ersten
Versuchsstufe und in der zweiten Versuchsstufe die Amplitude und
Periodendauer der Versuchsregelgröße sowie die
Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises
erfasst werden, um möglichst viele Informationen über
die Regelstrecke zu erhalten und davon ausgehend die Reglerparameter
noch genauer bestimmen zu können. Durch die Hysterese wird die
Schwingung des Versuchsregelkreises mit dem hysteresebehafteten
Zweipunktregler stärker eingestellt. Der Vergleich der
Amplituden und Periodendauer, die sich während der ersten
Versuchsstufe des Schwingversuchs mit dem hysteresefrei en Zweipunktregler
und der zweiten Versuchsstufe mit dem hysteresebehafteten Zweipunktregler
einstellen, können zusätzliche Informationen über
die Zeitkonstanten der beiden Regelkreise erhalten werden. Der hysteresefreie
Zweipunktregler schaltet von Heizen auf Kühlen bei Erreichen
des Sollwerts um, wogegen die Umschaltung von Heizen auf Kühlen
mit dem hysteresebehafteten Zweipunktregler typisch bei Erreichen
des Sollwerts +/–0,1 K erfolgen kann.
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Die
Auswertung der bei dem Schwingversuch erfassten Größen
und Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises
ist gemäß Anspruch 3 vereinfacht, wenn der hysteresefreie
Zweipunktregler und der hysteresebehaftete Zweipunktregler, abgesehen
von der Hysterese, gleiche Kenngrößen aufweisen.
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Soweit
der Thermostat nur einen einzigen stetigen Regler umfasst, der die
Temperatur der Temperierflüssigkeit in einem Bad bzw. in
einem Vorlauf zu einem externen Verbraucher regelt, wird nach Anspruch
5 als stetiger Regler zweckmäßig ein PID-Regler
eingesetzt, mit dem die Temperatur der Temperierflüssigkeit
schnell und ohne große Überschwingungen genau
auf die Solltemperatur eingeregelt werden kann.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren können
gemäß Anspruch 6 die Reglerparameter des stetigen
Reglers in einem Regelkreis eines Badthermostaten oder eines Prozessthermostaten
eingestellt werden.
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Gemäß Anspruch
7 können die Reglerparameter eines stetigen internen Reglers
in einem inneren Regelkreis einer Kaskadenregelung eingestellt werden
und die Reglerparameter eines stetigen externen Reglers in einem äußeren
Regelkreis der Kaskadenregelung eingestellt werden, wobei die Ermittlung
der Reglerparameter wiederum vor dem bestimmungsgemäßen
Regelungs betrieb der beiden Regler erfolgt. Im bestimmungsgemäßen
Regelungsbetrieb regelt der stetige interne Regler die Bad-/Vorlauftemperatur
eines Bad- und Prozessthermostaten in einem inneren Regelkreis.
Ein stetiger externer Regler in einem äußeren
Regelkreis wird im Reglungsbetrieb mit einer externen Regelgröße
der Temperatur der Temperierflüssigkeit in einem externen Verbraucher
als Istwert beaufschlagt und bildet einen Sollwert der Bad-/Vorlauftemperatur
des inneren Regelkreises bzw. des internen Reglers.
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Vor
dem bestimmungsgemäßen Regelungsbetrieb wird gemäß Anspruch
7 zunächst zum Einstellen der Reglerparameter des internen
Reglers der externe Regler inaktiviert und der interne Regler nach Bestimmung
der Versuchskühlleistung durch den auf Einhaltung der Versuchskühlleistung
eingestellten Zweipunktregler ersetzt, mit dem der Schwingversuch
durchgeführt wird, wobei die Amplitude und die Periodendauer
einer Versuchsregelgröße des inneren Regelkreises
sowie Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten
inneren Regelkreises erfasst werden. Während des Schwingversuchs steuert
der Zweipunktregler das Kühlstellglied gemäß Anspruch
1 so an, dass die vorgegebene konstante Versuchskühlleistung
eingestellt ist, dass jeweils in einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand
das Heizstellglied auf die Heizleistung Null eingestellt ist und
in jeweils einem zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand das Heizstellglied
auf eine Heizleistung eingestellt ist, die das zweifache der Versuchskühlleistung
beträgt. Dabei werden wiederum wie nach Anspruch 1 die
Amplitude und Periodendauer einer Versuchsregelgröße
des inneren Regelkreises erfasst sowie Parameter des Zweipunktreglers
und des mit ihm gebildeten inneren Regelkreises erfasst, woraus
die innere Regelstrecke identifiziert wird. Davon ausgehend werden
die Reglerparameter des internen Reglers bestimmt. Die Identifizierung
der inneren Regelstrecke kann gemäß dem Ziegler-Nichols-Verfahren
nach Aström erfolgen. Die oben genannte Versuchsregelgröße
ist wiederum die Temperatur der Temperierflüssigkeit in
dem inneren Bad.
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Hieran
anschließend wird weiter gemäß Anspruch
7 zum Einstellen der Reglerparameter des stetigen externen Reglers
in dem äußeren Regelkreis der Kaskadenregelung
vor dem Regelungsbetrieb ebenfalls ein Schwingversuch durchgeführt,
wobei der externe stetige Regler in dem äußeren
Regelkreis durch einen externen Zweipunktregler ersetzt ist, der
im Unterschied zu einer sinngemäßen Anwendung
des herkömmlichen Ziegler-Nichols-Verfahrens nicht an einen
Eingang des inneren Reglers angeschlossen ist, sondern direkt das
Kühlstellglied und das Heizstellglied ansteuert, wodurch
der äußere Regelkreis eine Dauerschwingung erzeugt.
Andernfalls könnte, wenn der Sollwerteingang des inneren
Reglers von dem externen Zweipunktregler beaufschlagt würde,
eine Begrenzung der Heizleistung eintreten und damit eine Voraussetzung
für die Erfassung signifikanter Amplituden mittels des
Schwingversuchs nicht erfüllt werden, da das von dem externen
Zweipunktregler gesteuerte System nicht mehr linear wäre.
Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 7 wird deswegen
nicht nur die Kühlleistung, sondern auch die Heizleistung
direkt von dem externen Zweipunktregler bestimmt, der entsprechende
Stellglieder ansteuert.
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Während
des voranstehenden Schwingversuchs werden die Amplituden der Schwingungen
der inneren Bad-/Vorlauftemperatur und der externen Verbrauchertemperatur
als äußerer Versuchsregelgröße
sowie die – gleiche – Periodendauer dieser Schwingungen
erfasst, und anschließend werden die Reglerparameter des äußeren
Reglers unter Verwendung des Verhältnisses der Amplituden
der Schwingungen der internen Bad-/Vorlauftemperatur und der externen
Verbrauchertemperatur sowie der Periodendauer dieser Schwingungen
bestimmt (berechnet). Das Verhältnis der Amplituden der
Schwingungen ist ein Maß für die dynamische Kopplung
zwischen dem internen (Ersatz-)Regelkreis und dem externen (Ersatz-)Regelkreis,
voraus zusammen mit der Frequenz der resultierenden Schwingung als weitere
cha rakteristische Größe die Reglerparameter bestimmt
werden können. Diese Bestimmung erfolgt also nicht streng
gemäß dem Verfahren von Ziegler-Nichols nach Aström.
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Nach
Anspruch 8 kann während des Schwingversuchs zum Bestimmen
der Regelparameter des externen Reglers dieser als Zweipunktregler
eingestellt und verwendet werden.
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Nach
Anspruch 9 werden in den Regelkreisen der Kaskadenregelung als interner
Regler ein P-Regler und als externer Regler ein PID-Regler in an
sich bekannter Weise verwendet, deren Parameter erfindungsgemäß ermittelt
und eingestellt werden.
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Nach
Anspruch 10 werden in Verbindung mit Anspruch 1 und den Ansprüchen,
auf die Anspruch 10 unmittelbar oder mittelbar rückbezogen
ist, sämtliche Verfahrensschritte selbsttätig
gesteuert durchgeführt, und zwar einschließlich
der Einstellung der aufgefundenen Reglerparameter, so dass insgesamt eine
Reglerselbstadaption erreicht wird, die zielgerichtet in kurzer
Zeit automatisch abläuft und durch Bedienungspersonal auch
ohne Kenntnisse der Regelungstechnik im Bedarfsfall einfach eingeleitet
werden kann, insbesondere wenn die Regelstrecke neu strukturiert
wird.
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Einzelheiten
der Erfindung, insbesondere Strukturen von Thermostaten, in denen
sie ausgeübt wird, sowie des Verfahrens zur Bestimmung
der Kühlleistung, die als Versuchskühlleistung
vorgegeben wird, werden nachfolgend anhand einer Zeichnung mit fünf
Figuren beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Regelungsanordnung bzw. einen Regelkreis für eine interne
Badregelung bzw. Vorlaufregelung eines Bad- und Prozessautomaten
mit nur einem stetigen Regler,
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2 eine
Anordnung zur Durchführung eines Schwingversuchs in einem
modifizierten Regelkreis nach 1,
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3 Zeitdiagramme
der Kühlleistung PKühl, der
Heizleistung PHeiz und der Badtemperatur
TBad in dem internen Bad, und zwar während
des Ablaufs zur Bestimmung der tatsächlichen Kühlleistung
bzw. Kälteleistung sowie der Verläufe dieser Größen
während eines Schwingversuchs,
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4 eine
Kaskadenregelungsanordnung eines Bad- und Prozessthermostaten mit
einem stetigen inneren Regler in einem internen Regelkreis und einem
stetigen äußeren Regler in einem externen Regelkreis
und
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5 eine
Anordnung zur Durchführung eines Schwingversuchs in einem
modifizierten äußeren Regelkreis der Kaskadenregelungsanordnung nach 4.
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In
der Zeichnung sind gleiche Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen.
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Der
Regelkreis eines Bad- und Prozessthermostaten gemäß 1 gehört
zum Stand der Technik. In dem einfachen, unvermaschten Regelkreis
ist ein PID-Regler als stetiger Regler 1 zur Regelung der Temperatur
der Temperierflüssigkeit in einem internen Bad 2 vorgesehen,
die die Regelgröße xi darstellt.
Ausgänge yphi und ypk des Reglers 1 sind
Ausgänge in den Regler 1 integrierter Stellglieder
für Heizen bzw. für Kühlen, die eine
Heizung 3 bzw. eine Kühleinrichtung 4 einstellen.
Die Heizung kann quasi stufenlos von 0 bis 100% ihrer Leistung eingeschaltet werden.
Die Kühlung kann nur in Schritten durch elektronische Einspritzventile
eingestellt werden. Die Gesamtheit der elektronischen Einspitzventile
wird hier als Stellglied angesehen.
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Die
Regelstrecke, von deren Parametern die optimalen Reglerparameter
abhängen, ist in dem Regelkreis gemäß 1 bei
einem Badthermostaten 1 das interne Bad 2, welches
mit einer Temperierflüssigkeit gefüllt ist. Prozessthermostaten
weisen kein internes Bad auf, sondern Rohrleitungen, Wärmetauscher
und Pumpen, mit denen Temperierflüssigkeit durch den Prozessthermostaten
und einen äußeren Verbraucher, der ein Bad sein
kann, gepumpt wird.
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Der
Findung der Reglerparameter des Reglers 1 in 1 geht
eine Einstellung der Kälteleistung der Kühleinrichtung 4 und
deren genaue Bestimmung voraus. Hierzu wird gemäß 3 die
Kühlleistung auf einen großen Wert abhängig
von der maximalen Leistungsaufnahme des Thermostaten fest eingestellt,
und zwar zum Zeitpunkt t1. Zur sonst nicht genauen
Bestimmung der realen Kühlleistung, die als Versuchskühlleistung
bei anschließender Durchführung eines Schwingversuchs
zur Identifizierung der Regelstrecke konstant bleibt, dient eine
Regelung der von der Heizung 3 in 1 abgegebenen Heizleistung.
Die geregelte Heizleistung ist mit dem Kurvenzug PHeiz in
Bild 3 dargestellt. Die zu dem Zeitpunkt t1 eingestellte
Versuchskühlleistung wird nach Maßgabe einer entsprechend
hohen Heizleistung PHeiz bestimmt, die so
eingeregelt wird, dass sich im eingeschwungenen Zustand zum Zeitpunkt
t2 die gleiche Badtemperatur TBad einstellt
wie vor t1. Diese Gegenheizleistung kann
einfach exakt gemessen werden.
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Sodann
wird zur Durchführung des Schwingversuchs der interne Regler 1 in 1 durch
einen Zweipunktregler 5 gemäß 2 ersetzt,
der Stellglie der für die Heizung 3 bzw. die Kühleinrichtung 4 ansteuert
und zur Abgabe der vorangehend ermittelten Versuchskühlleistung
eingestellt ist.
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Zur
Erfassung der Amplitude und Periodendauer der Versuchsregelgröße,
in diesem Fall die Badtemperatur in dem internen Bad 2 in
dem Regelkreis gemäß 2, sowie
von Parametern des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises
wird der Schwingversuch ab dem Zeitpunkt t3 in 3 durchgeführt,
bei dem der Zweipunktregler 5 zum Kühlen die Heizung 3 über
das mit ihr verbundene Stellglied ausschaltet, jedoch zum Heizen
die Heizung 3 mit doppelter ermittelter Versuchskühlleistung einschaltet,
so dass sich ab dem Zeitpunkt t3 der in 3 gezeigte
getaktete Verlauf der Heizleistung PHeiz einstellt
und die Badtemperatur TBad als Versuchsregelgröße
eine Dauerschwingung um einen Sollwert ausführt.
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Während
des Schwingversuchs werden Werte der Amplitude und Periodendauer
der Versuchsregelgröße TBad sowie
Parameter des Zweipunktreglers und des mit ihm gebildeten Regelkreises,
insbesondere die Amplitude der Heizleistung PHeiz,
die durch den Zweipunktregler gesteuert wird, erfasst und hieraus
die Reglerparameter bestimmt, indem zunächst unter Verwendung
der erfassten Werte charakteristische Größen der
zu regelnden Strecke, nämlich des internen Bads 2 und
des mit ihm gegebenenfalls verbundenen Verbrauchers ermittelt werden,
insbesondere durch Identifikation des Schnittpunkts der Ortskurve
des mit dem Zweipunktregler gebildeten Regelkreises bzw. -systems
in einer komplexen Ebene mit der negativen reellen Achse.
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Daran
anschließend lassen sich optimale Reglerparameter, nämlich Übertragungskonstante (Verstärkung),
Integralzeit und Differenzialzeit des PID-Regler 1 durch
Verschiebung des bei der Identifikation ermittelten Punkts durch
Wahl der Reglerparameter des einzustellenden Reglers auf einen ge eigneten
Punkt der Ortskurve des aufgeschnittenen Regelkreises gemäß dem
Ziegler-Nichols-Verfahrens nach Aström ermitteln.
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In 4 ist
eine Kaskadenregelungsanordnung eines Bad- und Prozessthermostaten
mit einem stetigen internen P-Regler 6 und einem stetigen
externen PID-Regler 7 dargestellt, deren Reglerparameter
einzustellen sind. In der Regelstrecke ist das interne Bad 2 mit
einem externen Verbraucher 8 über eine Schlauchleitung
verbunden.
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In
der Kaskadenregelungsanordnung wird ein innerer Regelkreis durch
das interne Bad 2 und den internen P-Regler 6 gebildet,
der dem Regelkreis gemäß 1 entspricht.
Es ist lediglich statt des PID-Reglers 1 in 1 ein
einfacherer P-Regler 6 in der Kaskadenregelungsanordnung
nach 4 vorgesehen.
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Ein äußerer
Regelkreis wird unter Einschluss des externen Verbrauchers 8 und
eines externen PID-Reglers 7 gebildet, der mit seinem Ausgang
einen Sollwert an den internen P-Regler 6 abgibt.
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Zur
Ermittlung der optimalen Reglerparameter werden zunächst
die Parameter des internen P-Reglers 6 ermittelt.
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Hierzu
wird der externe PID-Regler 7 inaktiviert, so dass nach
Ersatz des internen P-Reglers 6 durch den Zweipunktregler 5 in 2 sich
die gleiche wirksame Regelanordnung wie in 2 ergibt.
Die Einstellung und Messung der tatsächlichen Kühlleistung
bzw. Versuchskühlleistung wird vor Durchführung
eines Schwingungsversuchs, wie oben im Blick auf 3 beschrieben,
durchgeführt. Während dem Schwingversuch mit dem
auf die Versuchskühlleistung eingestellten Zweipunktregler 5 werden
die Amplitude und Periodendauer der Dauerschwingung der internen
Versuchsregelgröße bzw. der Temperatur der Temperierflüssigkeit
in dem internen Bad oder Vorlauf zu dem externen Verbraucher 8 sowie
Parameter des Zweipunktreglers 5 und des mit ihm gebildeten
inneren Regelkreises, insbesondere die Amplitude der Heizleistung,
erfasst und hiermit die Regelstrecke identifiziert, wie oben angegeben.
Von dieser Identifikation ausgehend wird die Übertragungskonstante
bzw. Verstärkung des internen P-Reglers 6 gemäß dem
modifizierten Ziegler-Nichols-Verfahren nach Aström mit
der weiter oben zu dem Regelkreis in 1 angegebenen
Vorgehensweise optimiert.
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Hieran
anschließend erfolgt eine Optimierung der Reglerparameter
des externen PID-Reglers 7 in einer Anordnung eines Zweipunktreglers 9 gemäß 5.
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Hierzu
wird anders als gemäß der üblichen Vorgehensweise
nach Ziegler-Nichols und Aström für einen Schwingversuch
nicht nur der externe PID-Regler 7 durch einen Zweipunktregler 9 ersetzt, sondern
außerdem der interne P-Regler 6, wie in 5 dargestellt, überbrückt,
indem die Stellglieder des Zweipunktreglers 9 direkt mit
der Heizung 3 bzw. der Kühleinrichtung 4 verbunden
sind.
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Wie
bei der internen Identifikation der Regelstrecke wird auch bei der
externen Identifikation die Kühlleistung auf einen festen
Wert gesetzt und durch Gegenheizen gemäß 3 genau
ermittelt und als Versuchskühlleistung während
eines anschließenden Schwingversuchs konstant gehalten.
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Sodann
erfolgt der Schwingversuch, zu dessen Durchführung der
Zweipunktregler 9 auch hier das interne Bad 2 in
einem ersten Zweipunktreglerbetriebszustand nicht heizt und in einem
zweiten Zweipunktreglerbetriebszustand mit einer Heizleistung beaufschlagt,
die das Zweifache der Versuchskühlleistung beträgt,
wodurch nicht nur der innere Regelkreis eine symmetrische Dauerschwingung
der Temperatur der Temperierflüssigkeit in dem internen Bad 2 oder
Vorlauf zu dem externen Verbraucher 8 ausführt,
sondern auch der äußere Regelkreis eine Dauerschwingung
der externen Versuchsregelgröße, d. h. der Temperatur
in dem externen Verbraucher 8, ausführt.
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Während
dieses Schwingversuchs werden die Amplituden der Schwingungen der
internen Versuchsregelgröße und der externen Versuchsregelgröße
sowie deren Periodendauer erfasst, wobei die resultierende Periodendauer
beider Schwingungen gleich ist.
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Die
Bestimmung der Reglerparameter des externen Reglers geht aus von
einer Identifizierung der Kopplung zwischen dem inneren Regelkreis
bzw. -system mit dem Zweipunktregler und dem äußeren Regelkreis
bzw. -system mit dem Zweipunktregler, wobei zur Ermittlung der Kopplung
das Verhältnis der Amplituden der Schwingungen der internen Bad-/Vorlauftemperatur
bzw. internen Versuchsregelgröße und der externen
Verbrauchertemperatur bzw. externen Versuchsregelgröße
sowie die Periodendauer dieser Schwingungen dient, auf deren Grundlage
der externe PID-Regler ausgelegt werden kann.
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- 1
- stetiger
Regler
- 2
- internes
Bad
- 3
- Heizung
- 4
- Kühleinrichtung
- 5
- Zweipunktregler
- 6
- stetiger
interner Regler
- 7
- stetiger
externer Regler
- 8
- externer
Verbraucher
- 9
- externer
Zweipunktregler
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0099362 [0008, 0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Aström,
Häggelund: PID Controllers: Theory, Design, and Tuning;
North Carolina, Instrument Society of America; 1995 [0010]