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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Regelstrecke, insbesondere zur Leistungsregelung einer Prozessstromversorgung, mittels eines Regelkreises mit einem Regler und mehreren Regelkanälen, wobei jeder Regelkanal einen Istwert und einen Sollwert einer Regelgröße umfasst, mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Vorgabe der Sollwerte der Regelgrößen;
- – Ermittlung der Ist-Werte der Regelgrößen;
- – Ermittlung eines ausgewählten Regelkanals, wobei der ausgewählte Regelkanal mit Hilfe einer vom Istwert abhängige Auswahlgröße bestimmt wird;
- – Ermittlung einer ausgewählten Regeldifferenz aus dem Sollwert und dem Istwert des ausgewählten Regelkanals; und
- – Regelung der Regelstrecke mit der ausgewählten Regeldifferenz des ausgewählten Regelkanals.
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Hintergrund der Erfindung
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Beim Betrieb einer Prozessstromversorgung sind verschiedene Grenzwerte, bspw. (für Strom, Spannung, Leistung), einzuhalten, um einen sicheren und optimalen Betrieb zu gewährleisten. So werden bspw. bei einer Leistungsregelung einer Prozessstromversorgung Sollwerte für Vorwärtsleistung, Rückwärtsleistung und Leistung an der Last vorgegeben. Um sicherzustellen, dass die entsprechenden Sollwerte nicht überschritten werden, werden die entsprechenden Größen durch Variation eines Stellwerts mittels eines Regelkreises geregelt, derart, dass alle Sollwerte durch die Istwerte möglichst unterschritten werden. Hierzu wird für jeden Kanal die Regeldifferenz (Differenz zwischen Sollwert und Istwert) gebildet. Durch eine Kanalwahl wird derjenige Regelkanal ausgewählt, dessen Regeldifferenz in den nachgeschalteten Regler eingegeben werden soll, d. h. welcher Kanal der aktive Kanal sein soll. Der Stellwert wird dann vom Regler so variiert, dass die Regeldifferenz des aktiven Kanals minimiert wird. Die Auswahl des aktiven Regelkanals erfolgt anhand der zuvor ermittelten Regeldifferenz.
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Aus
US 7,206,210 B2 ist bekannt, denjenigen Regelkanal auszuwählen, der die kleinste bzw. die größte Regeldifferenz (error signal) aufweist. Die Auswahl des Regelkanals mit der größten Regeldifferenz ist jedoch höchst riskant, da die Sollwerte regelmäßig überschritten werden, was man in der Regel aber unbedingt vermeiden will und lediglich im Rahmen der Einregelzeit akzeptabel ist.
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Es ist daher üblich, zur Regelung einer Regelstrecke denjenigen Regelkanal zur Regelung auszuwählen, dessen Regeldifferenz die kleinste ist. Wenn es dennoch zu einer Sollwertüberschreitung eines Istwerts eines der Regelkanäle kommen sollte, erfolgt die Regelung auf demjenigen Regelkanal, dessen Istwert den Sollwert überschritten hat, da die zugehörige Regeldifferenz negativ und damit die kleinste Regeldifferenz ist. Die Sollwertüberschreitung wird somit im nächsten Regelungsschritt wieder korrigiert. Würde man dagegen den Regelkanal mit der größten Regeldifferenz als aktiven Kanal wählen, bliebe die Sollwertüberschreitung unberücksichtigt.
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Es gibt jedoch Systeme, bei denen zwei Sollwerte sehr weit auseinander liegen. Beispielsweise liegen die Sollwerte der Vorwärtsleistung und der Rückwärtsleistung bei einer Leistungsregelung einer Prozessstromversorgung oftmals weit auseinander. In solchen Fällen wird bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren oftmals über einen langen Zeitraum der Einregelzeit ausschließlich auf den kleinesten Sollwert geregelt, weil auch seine absolute Regeldifferenz über die gesamte Einregelzeit die kleinste ist. Dies hat jedoch eine hohe Einregelzeit (Zeit, die das System braucht, um die Ausgangsleistung von 10% des eingestellten Sollwertes auf 90% des eingestellten Sollwertes zu erhöhen) zur Folge, da die Einregelzeit umso länger ist je kleiner die Regeldifferenz für die Regelung selbst ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Regelverfahren vorzuschlagen, das einerseits eine Sollwertüberschreitung weitgehend vermeidet und andererseits eine verkürzte Einregelzeit ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auswahlgröße für mindestens einen der Regelkanäle auf den Sollwert des entsprechenden Regelkanals zu einer normierten Auswahlgröße, die angibt, in welchem Verhältnis die Auswahlgröße zu einer vom Sollwert des entsprechenden Regelkanal abhängigen Größe steht, normiert wird; und dass der ausgewählte Regelkanal anhand eines Vergleichs der normierten Auswahlgröße gegen zumindest eine weitere gleichartige Größe ermittelt wird.
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Für zumindest ein Sollwert-Istwert-Paar (= Regelkanal) wird die entsprechende normierte Auswahlgröße gebildet. Diese normierte Auswahlgröße wird mit einer weiteren Größe verglichen. Dabei kann es sich um eine beliebige gleichartige Größe, handeln, wobei unter einer „gleichartige Größe” eine Größe zu verstehen ist, die von ihrer Art her dazu geeignet ist mit der normierten Auswahlgröße verglichen zu werden, also insbesondere die gleiche Maßeinheit aufweist und die gleiche Art von Parameter beschreibt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine vorgegebene Größe, eine ermittelte Größe, insbesondere eine aus einem der anderen Regelkanäle ermittelte Größe handeln. Die Regelung der Regelstrecke erfolgt schließlich dadurch, dass die Regeldifferenz des aktiven Kanals (ausgewählter Regelkanal) auf den Eingang des nachgeschalteten Regelalgorithmus (z. B. eines PI-Reglers) gelegt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Problem der langsameren Einregelung bei Vorgabe eines kleinen Sollwertes umgangen, da für die Auswahl des aktiven Kanals nicht die absolute Regeldifferenz ausschlaggebend ist, sondern eine auf den Sollwert normierte Auswahlgröße, und somit nicht zwangsweise der Regelkanal mit der kleinsten Regeldifferenz (und damit der längsten Einregelzeit) als aktiver Kanal ausgewählt wird. Die normierte Auswahlgröße, die für die Auswahl des aktiven Kanals herangezogen wird, gibt an, in welchem Verhältnis die Auswahlgröße zu einer vom Sollwert abhängigen Größe, vorzugsweise zum Sollwert selbst, steht. Durch Normierung der Auswahlgröße auf den jeweiligen Sollwert kann somit die Einregelzeit verkürzt und gleichzeitig eine Sollwertüberschreitung vermieden werden.
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Bei der weiteren gleichartigen Größe handelt es sich vorzugsweise um die normierte Auswahlgröße eines der anderen Regelkanäle.
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Vorzugsweise erfolgt die Normierung durch Division der Auswahlgröße durch den Sollwert des entsprechenden Regelkanals. Die normierte Auswahlgröße gibt also den Anteil der Auswahlgröße vom Sollwert an.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die normierte Auswahlgröße für mindestens zwei Regelkanäle, vorzugsweise für alle Regelkanäle, bestimmt und als ausgewählter Kanal derjenige Regelkanal mit der maximalen oder minimalen normierten Auswahlgröße ermittelt. Bei der weiteren gleichartigen Größe handelt es sich in diesem Fall also um die normierte Auswahlgröße eines anderen Regelkanals, wobei die normierte Auswahlgröße des anderen Regelkanals auf den Sollwert des entsprechenden (anderen) Regelkanals normiert ist. Es findet also ein Vergleich zwischen den normierten Auswahlgrößen von mindestens zwei Regelkanälen statt. Die normierten Auswahlgrößen der verschiedenen Regelkanäle werden einem Minimum-(oder Maximum-)Finder zugeführt, der die kleinste (bzw. größte) normierte Auswahlgröße ermittelt und ein Signal zur Auswahl des entsprechenden Regelkanals generiert. Die Entscheidung ob das Maximum oder das Minimum der normierten Auswahlgröße ermittelt wird, hängt von der Art der Auswahlgröße ab. Dabei ist entscheidend, dass keine der Obergrenzen der Regelgrößen überschritten werden soll. Ist die Auswahlgröße bspw. negativ proportional zum Istwert (negativer Proportionalitätsfaktor) wird die minimale normierte Auswahlgröße ermittelt, bei einer positiven Proportionalität (positiver Proportionalitätsfaktor) wird die maximale normierte Auswahlgröße ermittelt. Es sind auch nichtlineare Zusammenhänge zwischen der Auswahlgröße und dem Istwert denkbar.
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Die Normierung kann auch durch Division der Auswahlgröße durch einen Sollwert eines anderen Regelkanals erfolgen. Zum Beispiel kann die Normierung durch Division aller Auswahlgrößen durch einen einzigen Sollwert erfolgen.
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Als Auswahlgröße kann beispielsweise die Regeldifferenz dienen. Die Ermittlung des ausgewählten Regelkanals erfolgt dann durch Ermittlung der kleinsten normierten Regeldifferenz. Eine gleichwertige Variante sieht vor, dass als Auswahlgröße der Istwert dient und die Ermittlung des ausgewählten Regelkanals durch Ermittlung des größten normierten Istwerts erfolgt. Beiden Fällen gemeinsam ist, dass das Maximum des normierten Istwerts gesucht wird, da gilt: (SW – IW)/SW = 1 – (IW/SW) und somit das Maximum des normierten Istwerts dem Minimum der normierten Regeldifferenz entspricht.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen als Regelgrößen die Vorwärtsleistung, die Rückwärtsleistung, und die Leistung an Last einer Prozessstromversorgung. Vorzugsweise werden zur Ermittlung der Ist-Werte der Regelgrößen Spannungen gemessen und daraus die Leistungswerte berechnet.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Regler ein Field Programmable Gate Array (FPGA) verwendet wird. Beim Einsatz eines FPGA können die Algorithmen aufgrund der durch den FPGA möglichen Parallelisierung beschleunigt werden. Diese Beschleunigung kann dazu genutzt werden, die Abtastrate des Reglers zu erhöhen oder komplexere Algorithmen zu verwenden, um den Regler zu verbessern.
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Alternativ hierzu kann auch ein digitaler Signalprozessor als Regler verwendet werden.
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Vorzugsweise werden alle Regelgrößen über eine einzigen Stellwert beeinflusst.
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Für verschiedene Regelkanäle können verschiedene angepasste Reglerverstärkungen vorgesehen sein, wobei die angepassten Reglerverstärkungen für die einzelnen Regelkanäle so gewählt werden, dass alle Kanäle die gleiche Einregelzeit aufweisen. Bei einer Prozessstromversorgung werden z. B. die Vorwärtsleistung, die Leistung an Last und die Rückwärtsleistung (reflektierte Leistung z. B. aufgrund einer Fehlanpassung) alle durch die Vorwärtsleistung beeinflusst. Dieses Verhalten legt die Regelstrecke, also zum Beispiel die Prozessstromversorgung und die angeschlossene Last fest. Die Vorwärtsleistung ist die Größe, auf die mit dem Stellwert direkt Einfluss genommen wird. Alle anderen Größen werden durch den Stellwert ebenfalls beeinflusst, aber eben auch durch andere Einflüsse, zum Beispiel das nicht vorhersagbare Verhalten der Last. Die Reglerverstärkung beschreibt den Proportionalitätsfaktor zwischen der Regeldifferenz, insbesondere der ausgewählten Regeldifferenz, und dem Stellwert. Der Proportionalitätsfaktor kann dabei auch zeitabhängige Faktoren aufweisen (z. B bei einem PI-, PD- oder PID-Regler). Die Änderung der Rückwärtsleistung oder der Leistung an Last erfolgt jedoch in der Regel um einen gegenüber der Änderung der Vorwärtsleistung verringerten Betrag, da lediglich ein Teil der Vorwärtsleistung als Rückwärtsleistung reflektiert wird. Für die Erhöhung der reflektierten Leistung um einen festgesetzten Betrag, benötigt man daher (ohne Anpassung der Reglerverstärkung) länger als für die Erhöhung der Vorwärtsleistung um denselben Betrag. Um ein gleiches oder zumindest annährungsweise gleiches Verhalten des Regelkreises für jeden Regelkanal zu erreichen, wird daher die Reglerverstärkung erfindungsgemäß individuell auf den entsprechenden aktiven Kanal angepasst.
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Eine Anpassung des Zeitverhaltens des ausgewählten Regelkanals an den Regelkanal der direkt beeinflussbaren Regelgröße wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Reglerverstärkung des ausgewählten Kanals mit einem Verstärkungsfaktor beeinflusst, insbesondere multipliziert wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die ausgewählte Regeldifferenz und/oder der Stellwert mit einem Verstärkungsfaktor beeinflusst, insbesondere multipliziert werden.
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Der Verstärkungsfaktor wird vorzugsweise durch Division des Istwerts einer ersten Regelgröße durch den Istwert einer weiteren Regelgröße, insbesondere der Regelgröße des ausgewählten Regelkanals bestimmt. Dabei kann die erste Regelgröße insbesondere die Regelgröße sein, deren Istwert durch den Stellwert direkt beeinflusst wird. Vorzugsweise ist diese Division für alle Regelkanäle durchführbar, und wird insbesondere dann durchgeführt, wenn der entsprechende Regelkanal der ausgewählte Regelkanal ist. Die Reglerverstärkung wird also entsprechend dem Verstärkungsfaktor für jeden Regelkanal adaptiv eingestellt. Auf diese Weise werden für verschiedene Regelkanäle verschiedene Verstärkungsfaktoren bestimmt und damit die Reglerverstärkung angepasst.
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Vorzugsweise erfolgen die Messung der Ist-Werte und Bestimmung mindestens eines der Verstärkungsfaktoren kontinuierlich. „Kontinuierliche Messung” bedeutet vorliegend, dass in regelmäßigen (kurzen) Abständen (Abtastzeit) Messungen erfolgen. Die Länge der Abtastzeit ist abhängig vom Regelkreis. Vorzugsweise ist sie deutlich kürzer, das bedeutet mehr als um Faktor zwei kürzer als alle anderen relevanten Zeiten im Regelkreis.
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Die Erfindung betrifft auch einen Regelkreis umfassend eine Regelstrecke, insbesondere zur Leistungsregelung einer Prozessstromversorgung, mit mehreren Regelkanälen, wobei jeder Regelkanal einen Istwert und einen Sollwert einer Regelgröße umfasst, und eine Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist.
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Jeder Regelkanal kann ein Additionsglied aufweisen, das dazu ausgelegt ist, aus Istwert und Sollwert des Regelkanals eine Regeldifferenz zu ermitteln. Jeder Regelkanal kann ein Divisionsglied aufweisen, das dazu ausgelegt ist, aus Istwert und Sollwert des Regelkanals eine normierte Regeldifferenz zu ermitteln. Der Regelkreis kann eine Vergleichseinrichtung aufweisen die dazu ausgelegt ist, durch Vergleich mehrerer normierten Regeldifferenzen einen Regelkanal zum ausgewählten Regelkanal zu bestimmen. Die Vergleichseinrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine Multiplexeinrichtung anzusteuern, die ihrerseits dazu ausgelegt ist, die Regeldifferenz des ausgewählten Regelkanals einem Regler zuzuführen. Der Regelkreis kann ferner ein Divisionsglied aufweisen, das dazu ausgelegt ist, aus zwei Istwerten einen Verstärkungsfaktor durch Division zu bestimmen. Der Regelkreis kann ferner ein Multiplikationsglied aufweisen, das dazu ausgelegt ist, den Verstärkungsfaktor mit einem vom Regler ermittelten Stellwert und/oder einer Regeldifferenz insbesondere der ausgewählten Regeldifferenz zu multiplizieren.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
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Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Regelkreises mit einem Kanalwahlbereich, in dem eine Auswahl des aktiven Regelkanals über eine normierte Auswahlgröße erfolgt;
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2 eine schematische Darstellung von Sollwerten, Istwerten, Regeldifferenzen und normierten Regeldifferenzen dreier Regelkanäle;
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3a einen Regelkreis mit zwei Regelkanälen ohne adaptive Verstärkung;
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3b einen Regelkreis mit zwei Regelkanälen mit adaptiver Verstärkung;
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4a, 4b jeweils einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Regelkreises mit Kanalwahlbereich zur Auswahl des aktiven Regelkanals über eine normierte Auswahlgröße und einem weiteren Bereich zur Adaption der Reglerverstärkung; und
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5 ein Diagramm mit einem simulierten Verlauf der Ausgangsleistung einer Prozessstromversorgung mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines DSP-Reglers und mit einer Regelung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung eines FPGA-Reglers.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Regelkreis RK mit drei Regelkanälen K1, K2, K3 mit jeweils einem Istwert IW1, IW2, IW3 und jeweils einem vorgegebenen Sollwert SW1, SW2, SW3 einer Regelgröße. Der Regelkreis RK umfasst einen Regler 6, eine Regelstrecke 7 und einen Kanalwahlbereich 1, in dem die Ermittlung eines ausgewählten Regelkanals erfolgt. Die verschiedenen Regelgrößen werden über einen Stellwert 21 geregelt. Dazu wird für jeden Regelkanal K1, K2, K3 eine Regeldifferenz RD1, RD2, RD3 (Differenz, zwischen Sollwert und Istwert: RD1 = SW1 – IW1, RD2 = SW2 – IW2, RD3 = SW3 – IW3) bestimmt. Die Regelung erfolgt jeweils so, dass der Istwert der Regelgröße am Ausgang im Wesentlichen auf den Sollwert limitiert werden soll. Da nur ein Istwert einer Regelgröße von der Regelstrecke 7 direkt erzeugt wird, während die anderen Regelgrößen aus dieser, z. B. beim Betrieb an einer Last, entstehen, soll derart regelt werden, dass alle vorgegebenen Sollwerte SW1, SW2, SW3 als Obergrenze gelten. Mithilfe einer Vergleichseinrichtung 2 wird einer der Regelkanäle K1, K2, K3 als aktiver Kanal (hier zweiter Regelkanal K2) ausgewählt, dessen Regeldifferenz (hier dann Regeldifferenz RD2) durch den Regeldifferenz-Multiplexer 3 als so genannte ausgewählte Regeldifferenz 23 auf den Eingang des nachgeschalteten Reglers 6 (z. B. eines PI-Reglers) gelegt wird. Der Regler 6 errechnet den Stellwert 21. Dieser beeinflusst die Regelstrecke 7. In der Regelstrecke 7 werden die drei Ist-Werte IW1, IW2 und IW3 ermittelt, die alle von dem Stellwert 21 beeinflusst werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Auswahl des aktiven Kanals über einen Vergleich einer normierten Auswahlgröße mit mindestens einer gleichartigen Größe. Im vorliegenden Beispiel dient als Auswahlgröße die Regeldifferenz RD1, RD2, RD3, die jeweils über ein Additionsglied 4a, 4b, 4c ermittelt wird. Diese Regeldifferenz RD1, RD2, RD3 wird mittels eines Divisionsglieds 5a, 5b, 5c auf den jeweiligen Sollwert SW1, SW2, SW3 normiert, indem die Regeldifferenz RD1, RD2, RD3 durch den zugehörigen Sollwert SW1, SW2, SW3 dividiert wird. Im vorliegenden Fall wird dies für jeden Regelkanal K1, K2, K3 durchgeführt, so dass sich für jeden Regelkanal K1, K2, K3 eine normierte Regeldifferenz NRD1, NRD2, NRD3 ergibt. Die normierten Auswahlgrößen sind in diesem Beispiel die normierten Regeldifferenzen NRD1, NRD2, NRD3.
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Als gleichwertige Größe, mit der die normierte Regeldifferenz NRD1 des ersten Regelkanals K1 verglichen wird, werden in der gezeigten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die normierten Regeldifferenzen NRD2, NRD3 der anderen Regelkanäle K2, K3, herangezogen. Dies gilt entsprechend für die jeden der Regelkanäle K1, K2, K3.
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Die Vergleichseinrichtung 2 ermittelt die minimale normierte Regeldifferenz NRD2 und veranlasst die Multiplexeinrichtung 3 dazu, den entsprechenden Regelkanal K2 zu aktivieren.
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Statt der normierten Regeldifferenz kann auch der normierte Istwert als Auswahlgröße dienen. Die Vergleichseinrichtung würde dann den Regelkanal mit dem maximalen normierten Istwert ermitteln, um diesen als aktiven Kanal auszuwählen.
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Durch den Vergleich der normierten Regeldifferenzen NRD1, NRD2, NRD3 kann die Einregelzeit verkürzt werden, da hier die relative und nicht die absolute Abweichung der Istwerte IW1, IW2, IW3 von den entsprechenden Sollwerten SW1, SW2, SW3 der Regelkanäle K1, K2, K3 entscheidend ist und somit als aktiver Kanal auch ein Regelkanal mit einer großen absoluten Regeldifferenz in Frage kommt.
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2 zeigt grafisch, wie sich Sollwerte SWl, SWi, SWr, Istwerte IWl, IWi, IWr, Regeldifferenzen RDl, RDi, RDr und normierte Regeldifferenzen NRDl, NRDi, NRDr von Vorwärtsleistung Pi, Leistung an Last PI und Rückwärtsleistung Pr einer Prozessstromversorgung zueinander verhalten. In Tabelle 1 sind die entsprechenden Werte für die Vorwärtsleistung Pi und die Rückwärtsleistung Pr aufgelistet. Man kann erkennen, dass der Regelkanal der Vorwärtsleistung Pi zwar die kleinste absolute Regeldifferenz, der Regelkanal der Rückwärtsleistung Pr jedoch die kleinste normierte Regeldifferenz aufweist. Während gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren (Kanalwahl aufgrund der minimalen absoluten Regeldifferenz) auf die Regelgröße Rückwärtsleistung Pr mit dem kleinsten Sollwert und der kleinsten Regeldifferenz geregelt wird, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, auf die Vorwärtsspannung Pi zu regeln (minimale normierte Regeldifferenz bzw. maximaler normierter Istwert), was aufgrund der höheren absoluten Regeldifferenz mit einer, beispielsweise um den Faktor 2,5 bis 10, kürzeren Einregelzeit verbunden ist, ohne jedoch das Risiko einzugehen, dass die Sollwerte überschritten werden.
| | Pr | Pi |
| Sollwert (SW) | 200 W | 1000 W |
| Istwert (IW) | 100 W | 700 W |
| Regeldifferenz (RD) | 100 W | 300 W |
| Normierte Regeldifferenz (NRD) | 50% | 30% |
| Normierter Istwert (NIW) | 50% | 70% |
| Auswahl des Regelkanals nach RD absolut (Stand der Technik) | X | |
| Auswahl des Regelkanals nach normierter Regeldifferenz | | X |
| Auswahl des Regelkanals nach normiertem Istwert | | X |
Tabelle 1
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Für den Fall, dass die normierten Regeldifferenzen gleich sind (z. B. beim Einschalten, wenn die normierte Regeldifferenz in allen Kanälen 100% beträgt), kann ein Standardregelkanal vorgegeben werden. Alternativ dazu kann in diesem Fall auch der Regelkanal mit der kleinsten absoluten Regeldifferenz ausgewählt werden.
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3a, 3b zeigen Regelkreise RKa, RKb mit jeweils zwei Regelkanälen K1, K2 wobei zwei Istwerte IW1, IW2 von zwei Regelgrößen über den einzigen Stellwert 21 beeinflusst werden. Der Übersichtlichkeit halber ist in den 3a, 3b lediglich die Vergleichseinrichtung 2 und der Regeldifferenz-Multiplexer 3 des Kanalauswahlbereichs 1 dargestellt. Die Regeldifferenz des ausgewählten Kanals wird von der Regeldifferenz-Multiplexeinrichtung 3 auf den nachgeschalteten Regler 6, der die Regelstrecke 7 regelt, geschaltet. Am Ausgang der Regelstrecke 7 werden mittels Messeinrichtungen 8a, 8b die Istwerte IW1, IW2 der Regelgrößen gemessen und erneut dem Regelkreis RKa, RKb zugeführt.
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Wird bei dem in 3a gezeigten Regelkreis RKa durch die Vergleichseinrichtung 2 der ausgewählte Kanal zum Beispiel von Regelkanal K2 zu Regelkanal K1 umgeschaltet, so bleibt die Reglerverstärkung zunächst konstant. Dies führt zu unterschiedlichen Einregelzeiten der einzelnen Regelkanäle K1, K2. Um dies zu verhindern, und insbesondere um die Einregelzeiten zu beschleunigen, kann die Verstärkung der Regeldifferenz RD1, RD2 je nach ausgewähltem Regelkanal K1, K2 adaptiv nachgeführt werden. 3b zeigt das Prinzip einer adaptiven Regelung, die mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren kombiniert werden kann. Im Folgenden wird angenommen, dass der Istwert IW1 der Regelgröße des ersten Regelkanals K1 in der Regelstrecke 7 vom Stellwert 21 direkt beeinflusst wird, wohingegen der Istwert IW2 der Regelgröße des zweiten Regelkanals K2 in der Regelstrecke 7 wohl auch vom Stellwert 21 beeinflusst wird, aber auch noch anderen Einflussgrößen ausgesetzt ist, z. B. den nicht vorhersagbaren Änderungen der Last. Außerdem wird angenommen, dass der zweite Regelkanal K2 als ausgewählter Regelkanal ermittelt wurde. Der Istwert der ersten Regelgröße (hier IW1) und der Istwert der zweiten Regelgröße (hier IW2) des ausgewählten Regelkanals (hier K2) werden einem weiteren Divisionsglied 9 zugeführt. Das Divisionsglied 9 ermittelt einen Verstärkungsfaktor IW(erste Regelgröße) / IW(zweite Regelgröße) durch Division des Istwerts des Kanals der ersten Regelgröße durch den Istwert des ausgewählten Regelkanals. Mit dem Verstärkungsfaktor kann nun wahlweise die ausgewählte Regeldifferenz 23 beeinflusst, insbesondere multipliziert werden oder die Regelverstärkung selbst beeinflusst, insbesondere multipliziert werden oder der Stellwert 21 beeinflusst, insbesondere multipliziert werden. Es ist auch eine Kombination der Beeinflussungen oder Multiplikationen möglich.
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In 4a ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Regelkreises mit dem in 1 gezeigten Kanalwahlbereich 1 und einem weiteren Bereich 10 zur Adaption der Reglerverstärkung gemäß 3b gezeigt, so dass die zuvor beschriebene Kanalwahl über normierte Auswahlgrößen und die adaptiver Reglerverstärkung kombiniert werden. Die Kanalwahl wird aufgrund der auf die zugehörigen Sollwerte SW1, SW2, SW3 normierten Regeldifferenzen NRD1, NRD2, NRD3 in der Vergleichseinrichtung 2 (Minimum-Finder) durchgeführt. Der ausgewählte Kanal (hier zweiter Regelkanal K2) dient als Ansteuerung für den Regeldifferenz-Multiplexer 3, über den ausgewählt wird, welche der Regeldifferenzen RD1, RD2, RD3 auf den Ausgang 11 gegeben wird, sowie welche Größe für die Berechnung der adaptiven Reglerverstärkung verwendet wird. Der Istwert der vom Stellwert direkt in der Regelstrecke beeinflussten Regelgröße (hier IW1) wird direkt an das weitere Divisionsglied 9 übermittelt. Der Istwert des ausgewählten Kanals (hier K2) wird dem weiteren Divisionsglied 9 über einen Istwert-Multiplexer 12 zugeführt. Das weitere Divisionsglied 9 ermittelt den Verstärkungsfaktor wie oben beschrieben. Mittels eines Multiplikationsglieds 13 wird die ausgewählte Regeldifferenz 23 des ausgewählten Regelkanals (hier K2) mit dem Verstärkungsfaktor zu einer angepassten Regeldifferenz 23a multipliziert, so dass sich für jeden Regelkanal K1, K2, K3 für dieselbe Regeldifferenz RD1, RD2, RD3 auch dieselbe Verstärkung und somit dieselbe Einregelzeit ergibt. Der Verstärkungsfaktor kann, bevor er dem Multiplikationsglieds 13 zugeführt wird, mit einem vorgegebenen oder variablen Wert multipliziert, dividiert, subtrahiert, addiert oder anderweitig verändert werden, um den Einfluss dieses Verstärkungsfaktors zu beeinflussen. Die angepassten Regeldifferenz 23a wird einem Regler zugeführt, der in 4a nicht gezeigt ist.
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Eine Adaption der Reglerverstärkung kann beispielsweise bei einer Prozessstromversorgung vorteilhaft zur Anwendung kommen. Dort werden Sollwerte für die Vorwärtsleistung, die Rückwärtsleistung und die Leistung an der Last vorgegeben (s. o.). Soll die Rückwärtsleistung geregelt werden, so wird dies über die Änderung der Vorwärtsleistung realisiert. Die Vorwärtsleistung ist in einem solchen System die Leistung, die durch den Stellwert direkt geregelt wird. Auch die Leistung an der Last wird über die Änderung der Vorwärtsleistung geregelt. Die Leistung an der Last wird aber auch durch die Last selbst beeinflusst. Das bedeutet, dass eine Erhöhung der Vorwärtsleitung in der Regel auch zu einer Erhöhung der Leistung an der Last führt, aber nicht unbedingt um den gleichen Wert, wie die Erhöhung der Vorwärtsleistung, da je nach Impedanz der Last ein Teil der Vorwärtsleistung von der Last eventuell nicht aufgenommen wird und als reflektierte Leistung an die Prozessstromversorgung reflektiert wird. Es soll im Folgenden die Regelung der Rückwärtsleistung betrachtet werden; die Regelung der Leistung an der Last erfolgt analog hierzu: Wird 1/5 der Vorwärtsleistung als Rückwärtsleistung reflektiert und soll die Rückwärtsleistung geregelt werden (Regelgröße = Rückwärtsleistung), dann verringert sich der Betrag, um den die Rückwärtsleistung verstärkt wird, auf 1/5 in Bezug auf den Betrag, um den die Vorwärtsleistung erhöht wird. Dieser Unterschied wird erfindungsgemäß kompensiert, indem die Reglerverstärkung verfünffacht wird. Dies führt dazu, dass der Regelkreis bei Regelung auf die Rückwärtsleistung das gleiche Zeitverhalten wie bei Regelung auf die Vorwärtsleistung aufweist.
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In dem in 4a gezeigten Beispiel wird zur Bestimmung der Reglerverstärkung lediglich ein einziges weiteres Divisionsglied 9 verwendet, indem das Eingangssignal (Istwert des ausgewählten Kanals) über den Istwert-Multiplexer 12 ausgewählt wird. Es ist jedoch auch denkbar, auf den Istwert-Multiplexer 12 zu verzichten und stattdessen mehrere weitere Divisionsglieder 9 parallel zu implementieren und den Verstärkungsfaktor über einen Verstärkungsfaktor-Multiplexer (nicht gezeigt) auszuwählen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Verzögerungszeit der Division so groß ist, dass diese im Zusammenhang mit dem Umschalten des Istwert-Multiplexers 12 ein Problem darstellen kann.
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Das in 4b gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Multiplikationsglied 13 nach dem Regler 6 angeordnet ist. So wird im Gegensatz zu dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel nicht die ausgewählte Regeldifferenz 23 mit dem Verstärkungsfaktor multipliziert, sondern der Stellwert 21. Somit wird ein angepasster Stellwert 21a erzeugt, der der Regelstrecke (in 4b nicht gezeigt) zugeführt wird.
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Als Regler 6 kann ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) verwendet werden. Bei der Ermittlung der Istwerte können beispielsweise durch die Wahl der Messeinrichtungen (Detektoren) und/oder durch die Umrechnung von Spannungswerten zu Leistungswerten Nichtlinearitäten auftreten. Diese Nichtlinearitäten können durch geeignete Mittel linearisiert werden. Beim Einsatz eines DSP als Regler, kann dies im DSP erfolgen. Die Normierung und Kanalauswahl kann ebenfalls im DSP erfolgen. Das weitere Divisionsglied 9 und das Multiplikationsglied 13 sowie der Istwert-Multiplexer 12 können ebenfalls im DSP realisiert sein.
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Wenn anstatt des DSP ein FPGA verwendet wird, kann die Einregelzeit weiter beschleunigt werden.
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5 zeigt einen Vergleich der Reaktion auf Sollwertsprünge (gestrichelte Linie 16) eines herkömmlichen Regelkreises (durchgezogene Linie 15) mit der eines erfindungsgemäßen Regelkreises mit der normierten Kanalwahl (gepunktete Linie 17). Es ist erkennbar, dass bei Verwendung der normierten Kanalwahl eine kürzere Einregelzeit des Reglers erreicht wird. Diese macht sich vor allem beim Sollwertsprung auf 12 kW bemerkbar mit einer Verringerung der Einregelzeit von ca. 50 bis 100 ms auf 10 bis 20 ms, also um einen Faktor 2,5 bis 10. Während der erfindungsgemäße Regelkreis den Sollwert erreicht und bis zum nächsten Sollwertsprung hält, wird der Sollwert im Regelkreis mit herkömmlichem Regler nicht erreicht bevor die nächste Umschaltung des Sollwertes erfolgt.
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Durch die vorliegende Erfindung wird das Verhalten eines Regelkreises verbessert: Insbesondere wird die Kanalwahl verbessert, indem die Entscheidung erfindungsgemäß nicht auf Basis einer absoluten sondern einer normierten Auswahlgröße getroffen wird. Durch Umsetzung dieser Maßnahme wird es weiterhin ermöglicht, die Reglerverstärkung in Abhängigkeit des aktiven Regelkanals adaptiv zu wählen, sodass die Einregelzeit in allen Regelkanälen gleich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Verhalten eines Regelkreises besser vorherzusagen und erleichtert somit eine Applikation des Regelkreises in ein übergeordnetes System, wie z. B. einen Plasma-Beschichtungs-Prozess (PECVD). Darüber hinaus wird der Regelkreis beschleunigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kanalwahlbereich des Regelkreises
- 2
- Vergleichseinrichtung
- 3
- Regeldifferenz-Multiplexer
- 4a, 4b, 4c
- Additionsglied
- 5a, 5b, 5c
- Divisionsglied
- 6
- Regler
- 7
- Regelstrecke
- 8a, 8b
- Messeinrichtungen
- 9
- weiteres Divisionsglied
- 10
- weiterer Bereich des Regelkreises zur Adaption der Reglerverstärkung
- 11
- Ausgang
- 12
- Istwert-Multiplexer
- 13
- Multiplikationsglied
- 16
- Sollwertsprünge
- 15
- Reaktion eines herkömmlichen Regelkreises auf Sollwertsprünge
- 17
- Reaktion eines erfindungsgemäßen Regelkreises mit normierter Kanalwahl auf Sollwertsprünge
- 21
- Stellwert
- 21a
- angepasster stellwert
- 23
- ausgewählte Regeldifferenz
- 23a
- angepasste Regeldifferenz
- IW1, IW2, IW3
- Istwerte
- K1, K2, K3
- Regelkanäle
- NRD1, NRD2, NRD3
- normierte Regeldifferenzen
- RD1, RD2, RD3
- Regeldifferenzen
- RK, RKa, RKb
- Regelkreise
- SW1, SW2, SW3
- Sollwerte
