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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Druckregelung eines Volumens, die beispielsweise in der Pneumatik eingesetzt werden können.
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Mittels eines Druckreglers kann ein in einem Volumen herrschender Druck an einen Solldruck angepasst werden. Vorbekannte Lösungen müssen dabei an eine Regelstrecke manuell angepasst werden. Bei unbekannter Regelstrecke sind dabei nur universelle Einstellungen möglich. Durch universelle Einstellungen werden Dynamikverluste erzeugt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Druckregelung eines Volumens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Druckregelung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Druckregelung gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Kern der vorliegenden Erfindung ist ein Referenzmodellregler für unbekannte Volumina und offene Strecken. Der erfindungsgemäße Ansatz kann beispielsweise im Zusammenhang mit elektropneumatischen Druckreglern und Durchflussreglern eingesetzt werden und zu einer Verbesserung von Dynamik und Störverhalten bezüglich pneumatischer Druckregelkreise an unbekannten Volumen bzw. offenen Strecken führen.
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Vorteilhafterweise ermöglicht der erfindungsgemäße Ansatz an Strecken verschiedener Volumen und offener Strecken die gleiche Dynamik bei Sollwertsprüngen, in Bezug auf einen Drucksollwert. Ebenso ist ein schnellstmögliches Ausregeln von auf das System wirkenden Störungen, möglichst ohne I-Anteil (Integrations-Anteil) möglich. Dies führt auch ohne I-Anteil im Regler zu höchster Genauigkeit beim Ausregeln des Sollwerts. Dadurch ergibt sich gegenüber linearen Standardreglern ein erheblicher Zeitvorteil beim Erreichen des Sollwerts und es verringert sich die Schwinganfälligkeit des Systems, da ein Doppelintegrator bei geschlossener Strecke verhindert wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Druckregelung eines Volumens, das eine beliebige Volumengröße aufweist oder offen ist, mittels eines Stellglieds, das ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Stellgröße einen Massenstrom in das Volumen einzustellen, um einen in dem Volumen herrschenden Ist-Druck auf einen vorbestimmten Soll-Druck einzustellen, mit folgenden Merkmalen: einem Druckregler, der ausgebildet ist, um gemäß einer Regelvorschrift und abhängig von dem Ist-Druck eine dem Ist-Druck und insbesondere einer Regelabweichung entsprechende Regelgröße bereitzustellen; einer Referenzeinrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf einem Referenzmodell und der Stellgröße einen Referenzwert bereitzustellen, der eine durch den Massenstrom hervorgerufene modellierte Veränderung des Ist-Drucks repräsentiert; einer Messeinrichtung, die ausgebildet ist, um einen Messwert bereitzustellen, der eine durch den Massenstrom hervorgerufene tatsächliche Veränderung des Ist-Drucks repräsentiert; einer Störgrößenaufschaltung, die ausgebildet ist, um basierend auf einem Störmodell und einer Kombination des Referenzwertes und des Messwerts eine weitere Stellgröße bereitzustellen; und eine Kombinationseinrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf dem vorbestimmten Soll-Druck, der Regelgröße und der weiteren Stellgröße eine aktuelle Stellgröße zu bestimmen und an das Stellglied bereitzustellen, um den in dem Volumen herrschenden Ist Druck auf den vorbestimmten Soll-Druck einzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung das Stellglied aufweisen, das ausgebildet ist, um ansprechend auf die Stellgröße den Massenstrom in das Volumen einzustellen, um den in dem Volumen herrschenden Ist-Druck auf den vorbestimmten Soll-Druck einzustellen.
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Mittels der Vorrichtung kann ein in dem Volumen herrschender Druck reduziert oder erhöht werden, um ihn an einen vorgegebenen Druckwert anzupassen. Die Druckanpassung soll dabei möglichst schnell und genau erfolgen. Die Druckanpassung kann über ein Einströmen des Massenstroms in das Volumen oder durch ein Ausströmen des Massenstroms aus dem Volumen erfolgen. Somit kann es sich bei der Veränderung des Ist-Drucks um einen Druckanstieg handeln. Die Druckanpassung kann über die Stellgröße gesteuert werden.
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Über die Stellgröße kann definiert werden, ob ein Massenstrom durch das Stellglied erfolgt oder nicht erfolgt. Ferner kann eine Größe des Massenstroms gesteuert werden. Somit kann das Stellglied einen Durchflussbegrenzer in Bezug auf den Massenstrom darstellen. Bei dem Massenstrom kann es sich um einen Fluidstrom und insbesondere um einen Gasstrom, beispielsweise Druckluft handeln. Das Stellglied kann zusammen mit dem Druckregler einen herkömmlichen Regelkreis bilden, der zur Regelung des Drucks in einem Referenzvolumen optimiert ist. Die Regelabweichung kann einen Unterschied oder eine Differenz zwischen dem Soll-Druck und dem Ist-Druck repräsentieren. Das Referenzmodell kann ein Modell des Stellgliedes repräsentieren. Insbesondere kann das Referenzmodell einen Durchfluss des Massestroms durch das Stellglied modellhaft darstellen, für den Fall, dass das Stellglied mit dem Referenzvolumen gekoppelt ist, d. h. der Massestrom durch das Stellglied in das Referenzvolumen strömt. Bei dem Referenzvolumen kann es sich um ein physikalisches Volumen von einer Ventilöffnung bis hin zu einem Außenanschluss des Stellglieds handeln. Für den Fall, dass es sich bei dem Volumen nicht um das Referenzvolumen handelt, wird der reale Massenstrom durch das Stellglied nicht mit dem durch das Referenzmodell bestimmten Massenstrom übereinstimmen. Dies kann dazu führen, dass das eine Druckregelung der Vorrichtung nicht optimal ist. Um dies auszugleichen kann die weitere Stellgröße bereitgestellt werden. Über die weitere Stellgröße kann die Stellgröße so beeinflusst werden, dass sich ein auf das jeweilige Volumen angepasster Massenstrom durch das Stellglied ergibt. Auf diese Weise kann die Druckregelung der Vorrichtung auch für den Fall optimiert werden, dass es sich bei dem Volumen nicht um das Referenzvolumen handelt.
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Das Stellglied kann ein elektromechanisches Ventil sein, das ausgebildet ist, um die Stellgröße zu empfangen und abhängig von der Stellgröße einen Durchfluss des Massenstroms zu ermöglichen oder zu verhindern. Somit kann ein herkömmliches Stellglied eingesetzt werden, wie es beispielsweise in der Pneumatik eingesetzt wird.
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Die Regelvorschrift kann eine Zuordnung zwischen möglichen Werten des Ist-Drucks und entsprechenden Regelgrößen aufweisen, wobei die Zuordnung so bestimmt sein kann, das der Ist-Druck dem Soll-Druck durch einen den Druckregler und das Stellglied umfassenden Regelkreis nachgeführt werden kann, wenn das Volumen einen Referenzvolumenwert aufweist. Somit kann die Regelvorschrift vorbestimmt sein und beispielsweise mittels Testläufen bei dem Referenzvolumen ermittelt werden. Bei den Testläufen können das Referenzmodell und die Störgrößenaufschaltung nicht vorhanden oder deaktiviert sein. Ist der Ist-Druck kleiner als der Soll-Druck, so kann mittels der Regelvorschrift beispielsweise eine geeignete Stellgröße bestimmt werden, die eine möglichst schnelle und genaue Erhöhung des Ist-Drucks auf den Soll-Druck ermöglicht. Die Regelvorschrift kann mittels bekannter Verfahren der Vorgehensweisen der Regelungstechnik ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Druckregler als ein linearer Zustandsregler ausgebildet sein. Somit kann ein I-Anteil im Regler vermieden werden.
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Das Referenzmodell kann auf einer Zuordnung zwischen möglichen Werten der Stellgröße und entsprechenden Masseströmen durch das Stellglied basieren, wenn das Volumen den Referenzvolumenwert aufweist. Die Zuordnung kann wiederum vorbestimmt sein und mittels Testläufen oder theoretisch bestimmt werden. Dabei kann jedem möglichen Wert der Stellgröße ein Wert eines Massenstroms zugeordnet sein, der sich ergibt, wenn das Stellglied mit der Stellgröße angesteuert wird und das Stellglied mit dem Referenzvolumen gekoppelt ist. Die möglichen Werte der Stellgröße können einen maximalen oder anwendungsspezifisch sinnvollen Ansteuerbereich des Stellglieds abbilden.
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Die modellierte Veränderung des Ist-Drucks kann mittels einer thermodynamischen Gleichung aus dem der Stellgröße entsprechenden Massenstrom bestimmt werden. Somit kann auf einfacher Weise ein Druckanstieg ermittelt werden, der aus dem Massenstrom resultiert.
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Das Störmodell kann eine vorbestimmte Zuordnung zwischen möglichen Kombinationen des Referenzwertes und des Messwerts und entsprechend bereitzustellenden weiteren Stellgrößen aufweisen. Beispielsweise kann die Kombination des Referenzwertes und des Messwerts eine Differenz aus dem Referenzwert und dem Messwert die weitere Stellgröße sein. Mit Hilfe der Störgrößenaufschaltung kann die aus dem Störmodell resultierende Störung durch eine dem Unterschied zugeordnete Stellgröße kompensieren. Die Störgrößenaufschaltung kann auf einem inversen Streckenmodell basieren. Die weitere Stellgröße kann proportional zu einer abgeschätzten Störung sein, die sich als Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Messwert ergibt.
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Die Kombinationseinrichtung kann ausgebildet sein, um aus der Regelgröße und der weiteren Stellgröße eine kombinierte Regelgröße und aus der kombinierten Regelgröße und dem Sollwert die aktuelle Stellgröße zu bestimmen. Beispielsweise kann die Kombinationseinrichtung eine oder mehrere Additionseinrichtungen aufweisen und die kombinierte Regelgröße kann durch Addition der Regelgröße und der weiteren Stellgröße und die aktuelle Stellgröße kann durch Addition der kombinierten Regelgröße und des Sollwert bestimmt werden. Andere Kombinationen und auch andere Reihenfolgen in denen die Größen kombiniert werden, sind ebenfalls möglich.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Druckregelung eines Volumens, das eine beliebige Volumengröße aufweist oder offen ist, und das die folgenden Schritte umfasst: Einstellen eines Massenstroms in das Volumen, ansprechend auf eine Stellgröße, um einen in dem Volumen herrschenden Ist-Druck auf einen vorbestimmten Soll-Druck einzustellen; Bereitstellen einer dem Ist-Druck entsprechenden Regelgröße, gemäß einer Regelvorschrift und abhängig von dem Ist-Druck; Bereitstellen eines Referenzwertes, der eine durch den Massenstrom hervorgerufene modellierte Veränderung des Ist-Drucks repräsentiert, basierend auf einem Referenzmodell und der Stellgröße; Bereitstellen eines Messwerts, der eine durch den Massenstrom hervorgerufene tatsächliche Veränderung des Ist-Drucks repräsentiert; Bereitstellen einer weiteren Stellgröße, basierend auf einem Störmodell und einer Kombination des Referenzwertes und des Messwerts; und Bestimmen einer aktuellen Stellgröße basierend auf dem vorbestimmten Soll-Druck, der Regelgröße und der weiteren Stellgröße und bereitstellen der Stellgröße an das Stellglied, um den in dem Volumen herrschenden Ist-Druck auf den vorbestimmten Soll-Druck einzustellen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät zur Druckregelung eines Volumens, das eine beliebige Volumengröße aufweist oder offen ist, mittels eines Stellglieds, das ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Stellgröße einen Massenstrom in das Volumen einzustellen, um einen in dem Volumen herrschenden Ist-Druck auf einen vorbestimmten Soll-Druck einzustellen, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren von einem Steuergerät, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, umgesetzt werden. Das Steuergerät kann geeignete Schnittstellen aufweisen, um das Steuergerät beispielsweise mit einem Ventil, einem Sensor oder einem Messgerät zu koppeln.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1a ein Blockschaltbild einer Druckregelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b ein Blockschaltbild einer Druckregelung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1c ein Blockschaltbild einer Druckregelung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Druckregelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine graphische Darstellung eines Störverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
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4a eine graphische Darstellung eines Führungsverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
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4b eine graphische Darstellung eines weiteren Führungsverhaltens;
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4c eine graphische Darstellung eines weiteren Führungsverhaltens; und
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5 eine weitere graphische Darstellung eines Führungsverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
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1a zeigt eine Vorrichtung zur Druckregelung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um einen Soll-Druckwert 101 zu empfangen, und ansprechend auf den Soll-Druckwert 101 einen Ist-Druckwert 103 in einem Volumen einzustellen. Die Vorrichtung weist ein Stellglied 111, einen Druckregler 113, eine Referenzeinrichtung 115, eine Störgrößenaufschaltung 117, einen Integrator 119 und eine Mehrzahl von Kombinationseinrichtungen 121 auf.
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Das Stellglied 111 kann ein elektromechanisches Ventilsystem darstellen und eine Schnittstelle zum Empfangen einer Stellgröße 131 aufweisen. Die Stellgröße 131 kann ein elektrisches Signal sein. Abhängig von der Stellgröße 131 kann das Stellglied 111 einen Massenstrom 133 an die Einrichtung 119 bereitstellen. Der Massenstrom 133 kann einen tatsächlichen Druckanstieg 135 des Ist-Drucks 103 in dem Volumen bewirken. Mittels des Integrators 119 kann aus dem Massenstrom 133 der Ist-Druck 103 bestimmt werden.
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Die Referenzeinrichtung 115 kann ein Referenzmodell umfassen und eine Schnittstelle zum Empfangen der Stellgröße 131 aufweisen. Basierend auf der Stellgröße kann die Referenzeinrichtung 115 einen Wert eines modellierten Druckanstiegs 137 bereitstellen.
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Der tatsächliche Druckanstieg 135 und der modellierte Druckanstieg 137 können in einer ersten Kombinationseinrichtung 121 miteinander kombiniert werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der tatsächliche Druckanstieg 135 von dem modellierten Druckanstieg 137 subtrahiert und es wird ein Differenzsignal 139 bereitgestellt.
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Die Störgrößenaufschaltung (SGA) 117 weist eine Schnittstelle zum Empfangen des Differenzsignals 139 auf. Basierend auf dem Differenzsignal 139 kann die Störgrößenaufschaltung 117 eine weitere Stellgröße 141 bereitstellen.
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Der Druckregler 113 kann eine Schnittstelle zum Empfangen des Ist-Druckwerts 103 aufweisen und basieren auf dem Ist-Druckwert 103 eine Regelgröße 143 bereitstellen.
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Die weitere Stellgröße 141 und die Regelgröße 143 können in einer zweiten Kombinationseinrichtung 121 miteinander kombiniert werden und es kann eine kombinierte Regelgröße 145 bereitgestellt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die weitere Stellgröße 141 und die Regelgröße 143 addiert werden, um die kombinierte Regelgröße 145 zu bestimmen.
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Eine dritte Kombinationseinrichtung 121 kann Schnittstellen zum Empfangen des Soll-Druckwerts 101 und der kombinierten Regelgröße 145 aufweisen und ausgebildet sein, um aus dem Soll-Druckwert 101 und der kombinierten Regelgröße 145 eine aktuelle Stellgröße 131 zu bestimmen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können der Soll-Druckwert 101 und die kombinierte Regelgröße 145 addiert werden, um die aktuelle Stellgröße 131 zu bestimmen. Die aktuelle Stellgröße 131 kann wiederum von dem Stellglied 111 und der Referenzeinrichtung 115 empfangen werden. Somit wird der Massenstrom 133 durch das Stellglied basierend auf dem Soll-Druckwert 101 und von dem Druckregler 113 und der Störgrößenaufschaltung 117 bereitgestellten Werten geregelt. Über den Druckregler 113 und die Störgrößenaufschaltung 117 wird somit eine Rückkopplung realisiert, um den Ist-Druck 103 an den Soll-Druck 101 anzupassen.
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Bei den Werten oder Signalen 101, 103, 131, 133, 135, 137, 139, 141, 143, die von den Einrichtungen 111, 113, 115, 117, 119, 121 empfangenen bzw. ausgegeben werden, kann es sich um elektrische Signale handeln. Alternativ können andere geeignete Signalformen eingesetzt werden.
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Die Einrichtung 111 kann als elektromechanisches Ventilsystem ausgebildet sein, das in einem pneumatischen System angeordnet ist. Funktionalitäten der Einrichtungen 113, 115, 117, 119, 121 können von einem oder mehreren Steuergeräten ausgeführt werden. Ferner können Messeinrichtungen und Sensoren eingesetzt werden, um erforderliche Werte eines des pneumatischen Systems zu erfassen und zur erfindungsgemäßen Nutzung bereitzustellen.
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1b zeigt eine Vorrichtung zur Druckregelung, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Darstellung für einen Regler im Frequenzbereich, also PID o. ä. Die gezeigten Blöcke und Signale entsprechen den anhand von 1a beschriebenen, wobei ein das Signal 135 bereitstellender Block die Ableitung von p wieder auf den Druckanstieg und die Umrechnung auf den Massenstrom umfasst.
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1c zeigt eine Vorrichtung zur Druckregelung, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist ein Stellglied 111, beispielsweise in Form eines elektromechanischen Ventilsystems auf. Das Stellglied 111, weist einen Innenanschluss 161, eine Ventilöffnung 163, ein Referenzvolumen 165, einen Außenanschluss 167, einen Umwandler 171 und einen Sensor 173 auf. Der Innenanschluss 161 ist ausgebildet, um einen Massenstrom aufzunehmen, der durch das Stellglied 111 fließen kann, wenn die Ventilöffnung 163 geöffnet ist. Beispielsweise kann der Innenanschluss 161 mit einem Druckluftreservoir verbunden sein. Ist die Ventilöffnung 163 geöffnet, so kann der Massenstrom über das Referenzvolumen 165 zu dem Außenanschluss 167 strömen und von diesem, beispielsweise an ein Leitungssystem abgegeben werden. Erfindungsgemäß kann der Druck in dem Referenzvolumen 165 und somit auch in dem Leitungssystem geregelt werden. Dies kann mittels eines Steuergeräts 177 erfolgen, das als Mikrocontrollersystem ausgeführt sein kann.
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Der Sensor 173 ist ausgebildet, um einen Druck in dem Referenzvolumen 165 zu erfassen und einen Druckwert, der dem im Referenzvolumen 165 erfassten Druck entspricht, an das Steuergeräts 177 bereitstellen. Der Druckwert kann von einer Signalverarbeitungseinrichtung vorverarbeitet werden, bevor er an das Steuergerät 177 bereitgestellt wird. Das Steuergerät 177 kann abhängig von dem Druckwert eine Stellgröße an den Umwandler 171 bereitstellen. Der Umwandler 171 ist ausgebildet, um einen Öffnungszustand der Ventilöffnung 163 abhängig von der Stellgröße einzustellen.
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Das Steuergerät 177 ist ausgebildet, um die Funktionallitäten des Druckreglers, der Referenzeinrichtung, der Störgrößenaufschaltung, des Integrators und der Mehrzahl von Kombinationseinrichtungen umzusetzen, die anhand der 1a beschriebenen sind.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann es sich um eine in der Pneumatik verwendete, integrierte Lösung handeln. Dabei findet eine Messwerterfassung, also eine Erfassung des IST-Drucks direkt im Ventil 111 statt. Das physikalische Volumen von der Ventilöffnung 163 bis hin zum Außenanschluss 167, kann dabei als physikalisch wirkendes Referenzvolumen 165 aufgefasst werden. Ein kleineres Volumen als das Referenzvolumen 165 ist schließlich nicht möglich. Der Druck im Ventil 111 wird über den Sensor 173 erfasst, dessen (bisher) analoges Signal digitalisiert und durch eine geeignete digitale Signalverarbeitung (DSV) verarbeitet werden kann. Beispielsweise können dabei weiterer Zustandsgrößen wie die erste und die zweite Ableitung gebildet werden. Der Regler, die Störgrößenaufschaltung als auch das Referenzmodell zur Störgrößenabschätzung können als digitaler Algorithmus im Mikrocontrollersystem 177 hinterlegt sein. Die Ansteuerung des Ventils 111, mittels der eine physikalische Öffnungsweite gesteuerter wird, um den Massenstrom zu erzeugen, kann mittels einer elektrischen Spannung auf dem Umwandler 171 stattfinden, der elektrische in mechanische Energie formen kann. Bei dem Umwandler 171 kann es sich um einen einfach zu realisierenden Elektromagneten, oder um eine ähnliche, geeignete Einrichtung handeln.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Druckregelung eines Volumens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann von den in den 1a bis 1c gezeigten Vorrichtungen ausgeführt werden.
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In einem Schritt 211 wird eine Regelgröße bereitgestellt, die dem in dem Volumen herrschenden Ist-Druck entspricht. Dazu kann der Ist-Druck zunächst mittels eines Sensors oder einer Messeinrichtung erfasst werden. Die Regelgröße kann gemäß einer Regelvorschrift bestimmt werden. Die Regelvorschrift kann beispielsweise in Form einer Nachschlagetabelle oder digitalen Funktion in dem Druckregler gespeichert sein.
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Durch das Einstellen des Massenstroms bzw. der Ventilöffnung kann die eigentliche Regelung auf den Sollwert durchgeführt werden.
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Somit erfolgt in einem Schritt 213 ein Einstellen eines Massenstroms in das Volumen. Dabei kann beispielsweise eine Durchflussmenge oder Durchflussgeschwindigkeit des Massenstroms eingestellt werden. Dies kann durch eine Einstellung einer Ventilöffnung erfolgen, die den Massenstrom verursacht. Das Einstellen kann beispielsweise mittels des Stellglieds durchgeführt werden und, ansprechend auf eine an das Stellglied bereitgestellte Stellgröße erfolgen. Über den Massenstrom kann der Druck in dem Volumen verändert werden und somit an einen vorgegebenen Soll-Druck angepasst werden.
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In einem Schritt 215 erfolgt ein Bereitstellen eines Referenzwertes. Der Referenzwert ist der Stellgröße zugeordnet und repräsentiert einen modellierten Wert des Massenstroms, der im Schritt 213 eingestellt wird. Der Referenzwert kann gemäß einem Referenzmodell bestimmt werden. Das Referenzmodell kann eine Berechnungsvorschrift, digitale Funktion oder eine Nachschlagetabelle umfassen, die in der Referenzeinrichtung gespeichert sein können. Aus dem modellierten Massenstrom kann ein modellierter Druckanstieg berechnet werden. Anstelle des modellierten Massenstroms kann der modellierte Druckanstieg als Referenzwert bereitgestellt werden.
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In einem Schritt 216 wird ein tatsächlicher Druckanstieg in dem Volumen erfasst, der durch den Massenstrom, der in das Volumen fließt, erzeugt wird. Der Druckanstieg kann beispielsweise über eine vorbestimmte Zeitdauer ermittelt werden. Der gemessene Druckanstieg kann als Messwert bereitgestellt werden. Alternativ kann der im Schritt 213 eingestellte Massenstrom gemessen werden und als Messwert bereitgestellt werden.
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Der Referenzwert und der Messwert können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann aus den beiden Werten ein Differenzwert ermittelt werden. Basierend auf dem Referenzwert und dem Messwert, oder basierend auf dem Differenzwert kann eine weitere Stellgröße ermittelt werden. Die weitere Stellgröße kann mittels eines Störmodells ermittelt werden. Das Störmodell kann als digitale Funktion oder Nachschlagetabelle ausgeführt sein, die in der Störgrößeneinrichtung gespeichert sein kann.
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In einem Schritt 221 wird eine aktuelle Stellgröße bestimmt. Dies kann durch eine Verknüpfung des Soll-Drucks, der Regelgröße und der weiteren Stellgröße erfolgen. Die aktuelle Stellgröße wird an das Stellglied als neue Stellgröße bereitgestellt. Basierend auf der aktuellen Stellgröße können die Verfahrensschritte 211, 213, 215, 217, 221 wiederholt ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte 211, 213, 215, 217, 221 können auch in einer anderen als der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Prinzip der Druckregelung, wie es in 1 gezeigt ist, kann von einem pneumatischen Druckregler mit Referenzmodell umgesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, das dynamische Verhalten des pneumatischen Druckreglers oder eines pneumatischen Druckregelventils mit einer internen Sensorik an beliebige Volumina, sei das Volumen offen oder aber geschlossen, so zu adaptieren, dass der Solldruck möglichst konstant innerhalb des Regelkreises oder Regelventils ausgeregelt wird.
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Der Entwurf eines linearen Zustandsreglers mit Kompensation der nichtlinearen Ausflussfunktion (E/A-Linearisierungsprinzip) wird an einem geschlossenen Volumen bekannter Größe, z. B. Nullvolumen V = 0,01 L, entworfen und auf Führungsverhalten, also der Antwort des Regelkreises auf verschiedene Solldruckverläufe, u. a. der Solldrucksprung, optimal eingestellt. Der Regelkreis kann in diesem Fall aus dem in 1 gezeigten Stellglied 111 und dem Druckregler 113 bestehen.
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Ein Parallelmodell, dessen Eingangsgröße die Stellgröße des linearen Reglers ist, liefert dabei den zu erwartenden Massenstrom, welcher durch die thermodynamische Gleichung (1-1) am bekannten Referenzvolumen in den zu erwartenden Druckanstieg an diesem bekannten Volumen umgerechnet werden kann. Das Parallelmodell kann in der in
1 gezeigten Referenzeinrichtung
115 realisiert sein. Der Fehler zwischen gemessenen und modellierten Druckanstieg ist damit als Kenngröße des fehlerhaften Massenstroms in das Referenzvolumen zu verstehen.
mit
- ṗ:
- Druckanstieg
- κ:
- Adiabaten- bzw. Isentropenexponent
- Vref:
- Referenzvolumen
- Rm:
- spezifische Gaskonstante, massenbezogen
- T:
- Gastemperatur
- ṁ:
- Massenstrom
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Durch eine geeignete Aufschaltung, äquivalent einer Störgrößenaufschaltung, kann damit der als fehlerhaft abgeschätzte Massenstrom kompensiert und die Druckregelung an verschiedenen Volumina mit ähnlicher oder äquivalenter Dynamik betrieben werden.
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Durch die Störgrößenaufschaltung kann das Führungsverhalten an offenen und geschlossenen Volumen optimiert werden. Durch die Abschätzung und inverse Aufschaltung des fehlerhaften Massenstroms kann auch bei sprunghafter Änderung des Drucksollwertes an verschiedenen Volumina mit gleichbleibenden Reglerkoeffizienten ähnlich gute Dynamik erschaffen werden. Eine Adaption der eigentlichen Reglerkoeffizienten oder die Anwendung nichtlinearer Algorithmen erübrigt sich damit.
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Dadurch kann das Störverhalten verbessert werden. Bei einer sprunghaften Störung, die beispielsweise mit einem abrupten Ausströmen von Luft aus dem geschlossenen Regelkreis gleichzusetzen ist, liefert auch hier die Aufschaltung des abgeschätzten Massenstroms sehr gute Ergebnisse. Der abrupte Druckabfall im Ventil kann sehr schnell kompensiert werden Im Gegensatz zum reinen Zustandsregler existiert mit Hilfe dieses Algorithmus nahezu keine bleibende Regelabweichung an offener bzw. gestörter Strecke.
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3 zeigt eine Darstellung eines Störverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, mit und ohne ausgeschalteten modellierten Störausfluss. Dabei wird ein Regler ohne 1-Anteil angenommen. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Druck p in mbar aufgetragen. Gezeigt ist eine erste Kennlinie 351, die ein Regelverhalten bei einer Störung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von einem Liter bei einer Regelung mit Zustandsregler und Referenzmodell zeigt. Das bedeutet, dass sowohl der in 1 gezeigte Druckregler 113 als auch die Referenzeinrichtung 115 und die Störgrößenaufschaltung 117 aktiv sind. Eine zweite Kennlinie 353 zeigt ein Regelverhalten bei der Störung an dem Volumen mit dem Volumeninhalt von einem Liter bei einer Regelung mit Zustandsregler. In diesem Fall wird das Referenzmodell nicht eingesetzt. Die Störung tritt jeweils zur gleichen Zeit auf und führt bei der ersten Kennlinie 351 zu einem Ausschlag, der lediglich halb so groß ausfällt, wie ein entsprechender Ausschlag der zweiten Kennlinie 353. Zudem erreicht die erste Kennlinie 351 nach dem Ausschlag doppelt so schnell einen Endwert wie die zweite Kennlinie 353. Dabei entspricht der Endwert der ersten Kennlinie 351 dem ursprünglichen Wert vor der Störung. Der Endwert der zweiten Kennlinie 353 liegt dagegen deutlich unter dem ursprünglichen Wert vor der Störung.
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4a zeigt eine Darstellung eines Führungsverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, bei sprunghaftem Sollwertwechsel. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate der Druck p aufgetragen. Gezeigt ist eine erste Kennlinie 451, die eine Regelung an großem Volumen mit modellierter Störung und Störaufschaltung darstellt. Großes Volumen kann dabei bedeuten, dass das Volumen wesentlich größer als das ursprüngliche Referenzvolumen ist. In diesem Fall kann sowohl der in 1 gezeigte Druckregler 113 als auch die Referenzeinrichtung 115 und die Störgrößenaufschaltung 117 aktiv sein. Eine zweite Kennlinie 453 zeigt eine Regelung an großem Volumen ohne modellierte Störung und ohne Störaufschaltung. Der sprunghafte Sollwertwechsel führt zu einer Druckerhöhung. Die erste Kennlinie 451 weist im Vergleich zur zweiten Kennlinie 453 einen steileren Anstieg auf. Dies führt dazu, dass die erste Kennlinie den neuen Solldruck sehr viel schneller erreicht, als die zweite Kennlinie 453.
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4b zeigt eine Darstellung eines Führungsverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, an einer geschlossenen Strecke mit Referenzmodell. Das bedeutet, dass beispielsweise der in 1 gezeigte Druckregler 113 als auch die Referenzeinrichtung 115 und die Störgrößenaufschaltung 117 aktiv sind. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Druck p in mbar aufgetragen. Gezeigt ist ein Sollwert 471, eine erste Kennlinie 472, die eine Regelung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von 0,1 Liter bei einer Regelung mit dem Referenzmodell zeigt, eine zweite Kennlinie 473, die eine Regelung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von 0,4 Liter bei einer Regelung mit dem Referenzmodell und eine dritte Kennlinie 474 zeigt, die eine Regelung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von 1 Liter bei einer Regelung mit dem Referenzmodell zeigt.
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4c zeigt eine Darstellung eines Führungsverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, an einer geschlossenen Strecke ohne Referenzmodell. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Druck p in mbar aufgetragen. Gezeigt ist der Sollwert 471, eine erste Kennlinie 482, die eine Regelung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von 0,1 Liter bei einer Regelung ohne Referenzmodell zeigt, eine zweite Kennlinie 483, die eine Regelung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von 0,4 Liter bei einer Regelung ohne Referenzmodell und eine Kennlinie 484 zeigt, die eine Regelung an einem Volumen mit einem Volumeninhalt von 1 Liter bei einer Regelung ohne Referenzmodell zeigt.
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5 zeigt eine Darstellung eines Führungsverhaltens eines erfindungsgemäßen Regelkreises, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, am offenen Volumen mit und ohne Referenzmodell. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate der Druck p in mbar aufgetragen. Gezeigt ist eine erste Kennlinie 551, die eine Sprungantwort am offenen Volumen mit einem Volumeninhalt von einem Liter bei einer Regelung mit dem Referenzmodell zeigt. Das bedeutet, dass sowohl der in 1 gezeigte Druckregler 113 als auch die Referenzeinrichtung 115 und die Störgrößenaufschaltung 117 aktiv sind. Eine zweite Kennlinie 553 zeigt Sprungantwort am offenen Volumen mit einem Volumeninhalt von einem Liter ohne Einsatz des Referenzmodells. Der Sollwertwechsel tritt jeweils zur gleichen Zeit auf und führt bei der ersten Kennlinie 551 zu einem steileren Anstieg als bei der zweiten Kennlinie 553. Somit erreicht die erste Kennlinie 551 den durch den neuen Sollwert vorgegebenen Druck deutlich schneller als die zweite Kennlinie 553.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Soll-Druckwert
- 103
- Ist-Druckwert
- 111
- Stellglied
- 113
- Druckregler
- 115
- Referenzeinrichtung
- 117
- Störgrößenaufschaltung
- 119
- Integrator
- 121
- Kombinationseinrichtungen
- 131
- Stellgröße
- 133
- Massenstrom
- 135
- tatsächlicher Druckanstieg
- 137
- modellierter Druckanstieg
- 139
- Druckdifferenzsignal
- 141
- weitere Stellgröße
- 143
- Regelgröße
- 145
- kombinierte Regelgröße
- 161
- Innenanschluss
- 163
- Ventilöffnung
- 165
- Referenzvolumen
- 167
- Außenanschluss
- 171
- Umwandler
- 173
- Sensor
- 177
- Steuergerät
- 211, 213, 215, 216, 217, 221
- Verfahrensschritte
- 351, 353
- Kennlinien
- 451, 453
- Kennlinien
- 471
- Sollwert
- 472, 473, 474
- Kennlinien
- 482, 483, 484
- Kennlinien
- 551, 553
- Kennlinien
