DE1673560A1 - Prozess-Regelungs-System - Google Patents

Description

_fif Augsburg, den 22. Februar I968

Rudolf Busselmaar

P.t.nt.nw.lt 1673560 Prioritäten: Großbritannxen

Augsburg · RehllngHutnfi«β 1. 25. Februar I967 Nr. 9092

^ 2. 7. Ju^i I967 Nr. 26

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Patentanmeldung

The Cotton Silk and Man-Made Fibres Research Association, The Shirley Institute, Didsbury, Manchester 20, Großbritannxen ·

"Prozeß-Regelungs-System"

Die Erfindung betrifft ein Prozeß-Regelungs-System. Oer Zweck eines Reglers in einem Prozeß-Regelungs-System besteht darin, jede Abweichung der Regelgröße vom Sollwert zu verhindern, oder mindestens bo schnell und so vollständig wie möglich zu korrigieren. Der bekannte Rückkopplungsregler bewirkt dies durch Vornahme einer auf die Abweichung oder den "Fehler" bezogenen Korrektur; diese Beziehung schließt häufig die Ableitung und das Integral des Fehlers ein. Das Hauptproblem bei der Entwicklung solcher Reeler besteht darin, das schnellst mögliche Verhalten ohne Instabilität zu erreichen (welche im allgemeinen die Form einer gedämpften oder ungedämpften Schwingung,bekannt als "hunting" oder "selbsterregtes Schwingen" auftritt). Eine solche Instabilität ist durch Zeitverzögerungen zwischen Ursache und Wirkung verursacht, von welchen es zwei Haupttypen gibt. Der eine rührt von einer Speicherung der Energie hör, z.B. in Schwungrädern, durch die

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Wärmekapazität erhitzter Massen, oder durch die elektrische Kapazität und Induktivität. Die Fehlerabweichung läßt sich im Rückkopplungssystem wirksam zum Reduzieren und Ausregeln des Effekts dieses Types einer Verzögerung verwenden. Ein wesentlich mehr Schwierigkeiten bereitender Typ einer Verzögerung ist jener, welcher bedingt ist durch die Zeit, die benötigt wird, um Material von einem Ort, wo es der Behandlung durch den Prozeß unterworfen wird, zu einem anderen .Ort, wo eine Messung des Verfahrensergebnisses durchgeführt werden kann, zu bringen. Das spezielle Charakteristikum dieses Typs einer Verzögerung besteht darin, daß dieser langphasige Verschiebungen verursacht, welche dazu neigen, das System unstabil zu machen, ohne daß hierbei der modifizierende Effekt der "hohen Trägheit" der Systeme des Energiespeichertyps wirksam ist. Geschwindigkeitsabhängige Rückkopplung ist weniger wirksam und es kann mit dem bekannten pro-

wirkenden/

portional-integral-differenzial/kontinuierliehen Regler (PID-Regler) ein stabiles Verhalten (Stabilität) nur erreicht werden, wenn der Verstärkungsgrad (Gewinn) (d.i. der Betrag und das Verhältnis der Korrektur) niedrig gehalten wird. Das Ergebnis besteht darin, daß das Vorhalten eines solchen Regiere zur Trägheit oder zum Schwingen neigt. Um solche Regler zu verbessern wurde sogenannte Schrittregler vorgeschlagen. Nach diesen Vorschlägen können Korrekturen in bestimmten diskreten Zeitintervallen vorgenommen werden. Sa gibt jedoch einige

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Prozesse, bei denen die Anwendung dieser Vorschläge " zu nicht -zufriedenstellenden Ergebnissen führen würde. Diese Verfahren sind solche mit sich ändernder Totzeit, z.B. beim Trocknen von Textilmaterial in einem Spannrahmen, wo es zum Steuern des Trocknens üblich ist, die Geschwindigkeit des Materials beim Durchgang durch die Spannrahmen-Trockenmaschine zu variieren. ·

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Regelung solcher Prozesse zu verbessern. %

Gemäß der Erfindung ist ein intermittierend arbeitendes Regelverfahren für Materialbehandlungsprozesse, insbesondere für solche, bei welchen Totzeit-Variationen vorkommen gekennzeichnet durch eine automatische Änderung der Dauer des Intervalls zwischen sukzessiven korrigierenden Eingriffen der Regelung im Verhältnis zur Totzeit, wobei die Änderung der Stabilität der Regelung im Verhältnis zur Totzeit reduziert oder verhindert wird. Im |

Falle einer Änderung der Prozeßgeschwindigkeit für Zwecke der Regelung wird sich die Dauer des Intervalls im umgekehrten Verhältnis zur Geschwindigkeit ändern und im Falle einer Änderung der Prozeßzeit (aber nicht der Geschwindigkeit) für Zwecke der Regelung wird das Verhältnis gewöhnlich ein direktes sein. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung ist besonders dort von großem Wert, wo die Prozeßgeschwindigkeit eine Stellgröße ist, wie z.B. in bekannten Trocknungsprozessen für den Längsvorschub des Textilmaterials. In solchen Prozessen arbeiten

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die Heizmittel andauernd bei maximaler Leistung und die Größe des Materialvorschubs ändert sich mit dem Grad des Erreichens einer konstanten Trocknung in Längsrichtung. Die- Erfindung umfaßt auch Regelungssysteme (mit Rückkopplung), welche nach solchen Verfahren arbeiten und Maschinen, welche solche Systeme besitzen.

Im allgemeinen verwenden die einfachsten Ausführungsformen der Erfindung ein Intervall, welches lange genug ist, damit die volle Wirkung eines korrigierenden Eingriffs am Meßort sichtbar wird, bevor ein darauf folgender korrigierender Eingriff vorgenommen wird; aber es sind auch alternative Schemata möglich, bei welchen aus gegenwärtigen und/oder vergangenen Messungen von Prozeßvariablen errechnete Korrekturen in kürzeren Intervallen angewendet werden. In jedem Fall wird die Verwendung von in geeigneter Weise auf die Geschwindigkeit oder die Prozeßzeit bezogenen Intervallen die vor-

fc teilhafte Wirkung haben, daß die Stabilität der Re

gelung und die Geschwindigkeit des Ablaufs konstant gehalten wird (wie eher im Verhältnis zur Länge des dem Verfahren unterzogenen Materials als im Verhältnis zur Zeit allein zum Ausdruck kommt). Bestehende Regler verwenden im allgemeinen ein Intervall, welches festgelegt (unveränderlich) oder nur auf den Prozeßfehler bezogen ist und zeigen eine Stabilität und Geschwindigkeit des Regelverhaltens, welche beträchtlich mit der Totzeit variieren.

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Im Folgenden wird die oben beschriebene Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung dargestellt. Die einzelnen Figuren zei-. gen:

Fig« 1 eine schematische Darstellung einer

Auβführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer

anderen AusfüKrungsform der Erfindung, Fig. 3 eine'schematische Darstellung einer

weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Bei¹ einer elektronischen Ausführung der Erfindung wird eine, zur Geschwindigkeit proportionale Spannung von einem Tachogenerator abgezweigt (über einen Gleichrichter* wenn der Tachogenerator ein Wechselstromgenerator ist) und diese Spannung wird einem integrierenden Stromkreis zugeführt, dessen Ausgang einem Relaisstromkreis aufgeschaltet'ist zur Abgabe eines Impulses und zum Wiedereinstellen (Rückstellen, Rückführen) des Systems auf einen neuerlichen Beginn (auf den Ausgangswert), und zwar in Intervallen CC *J (Geschwindigkeit) dt, d.h. welche eine von der Geschwindigkeit unabhängige bestimmte Entfernung repräsentieren.

Fig. 1 zeigt eine solche Anordnung. Der Stoff bzw. die Stoffbahn 10 tritt durch einen Trockenraum 12 hindurch. Der Trocknungsprozeß wird durch ein Rückkopplungssteuersystem gesteuert. Ein Signal, welches den augenblicklichen Feuchtigkeitsgehalt dee Stoffs 10 angibt, wird in einen Regler (Prozeßregler) l8 eingespeist« ..Das Signal

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wird durch eine mit dem aus dem Trockenraum 12 austretenden Stoff in Berührung stehende Elektrode lh erzeugt, welche über einen Feuchtigkeitsmeßkreis mit dem Regler Id verbunden ist. Gleichzeitig wird ein die gewünschte Feuchtigkeit repräsentierendes Signal durch eine Einstellvorrichtung (Sollwertgeber) 20 hervorgerufen und ebenfalls dem Prozeßregler l8 zugeführt. Ein Motor 22, der den Mechanismus für den Vorschub des Stoffes 10 durch den Trockenraum 12 an- Wk treibt, betreibt auch einen Tachogenerator 24, dessen

Ausgang mit einem Integrator- und Impulsgeneratorkreis 26 verbunden ist, der in Intervallen,· welche eine bestimmte Länge des durch den Trockenraum 12 wandernden Stoffes 10 repräsentieren, unabhängig von der Geschwindigkeit des Stoffes einen Impuls abgibt. Jeder Impuls dient zum Anregen eines korrigierenden Ein-. griffs durch den Regler 18, sofern zur Vornahme, eines solchen aufgerufen ist, wobei der Eingriff durch einen Geschwindigkeitsregler 28 für den Motor 22 durchgeführt wird. Das Wesen und die Arbeitsweise des Prozeßreglers l8 wird weiter unten noch im Detail beschrieben werden. Bei einer anderen Ausführung ist ein Verstll-Meßwertumformer wie ein Potentiometer mechanisch mit einem Teil des Mechanismus für die Geschwindigkeitsänderung der Prozeßmaschine verbunden, so daß bei geeigneter Erregung des Meßwertumformers (z.B. über einen Gesamtwiderstand von einer Gleichstromquelle) ein Spannungs- oder Stromsignal aufgefangen werden kann, welches mit der Geschwindigkeit variiert; dieses Signal wird zur Steuerung des Im-

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pulsgenerators (z.B. eines Multivibrators) zum Erzeugen eines Impulswertes, welcher im wesentlichen zur Geschwindigkeit proportional ist, verwendet.

Fig. 2 zeit eine einfache mechanische Ausführungsform der Erfindung, wie sie bei einer Trocknungsmaschine für Textilien Verwendung findet. Wie oben gezeigt, durchläuft der Stoff 28 einen Trockenraum 305 ein drehbares Organ 32 wird mechanisch von einem Motor 34 angetrieben,der auch den (nicht gezeigten) Mechanismus für den Vorschub des Stoffes 28 durch den Trockenraum 30 betreibt; eine Nocke 36 oder eine ähnliche'Vorrichtung betätigt einen Schalter 38 in Intervallen, welche dem Durchgang einer bestimmten Materiallänge entsprechen. Bei

/sofern erforderlich/

jeder Betätigung des Schalters 38 wird/zum Zwecke

des Auslösens eines korrigierenden Eingriffs ein Abfrageimpuls einem Prozeßregler kO eines Regelungssystems (mit Rückkopplung) zugeführt. Das Regelungssystem ist dem in Fig. 1 beschriebenen ähnlich. Dasselbe Ergebnis kann auch elektrisch oder elektronisch in vielfacher Weise erzielt werden. Impulse können durch verschiedenartige Typen von Meßumformern (z.B. magnetische, photoelektrische, kapazitive) ausgelöst werden und diese Impulse werden nach irgendeiner zur Verfügung stehenden Technik gezählt; dabei ist vorgesehen, einen Zeit-Ausgangsimpuls zu erzeugen, wenn eine bestimmte Zahl von Impulsen, welche eine geeignete Materiallänge repräsentieren aufgetreten sind, und den Zähler zurückzustellen bzw. wieder einzustellen, um den Zählprozeß zu wiederholen. ..

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Pig. 3 zeigt eine solche Anordnung. Auch hier wird ein Stoff 42 durch einen Trockenraum 44 gelcitet, aber in diesem Falle ist ein gezahntes Rad 46 durch den Motor 48 angetrieben; durch die Rotation der Zähne, vorbei an einem magnetischen Meßumformer 50 werden Impulse verursacht, welche einem Impulszähler und -Teiler 50 zugeführt werden* welcher nacheinander einem Prozeßregler 54 eines Regelungssystems des oben beschriebenen Typs einen .Zeit-Aüsgangsimpuls zuführt.

Im allgemeinen ist die Methode des Verwendens eines Tachogeneratqrs und eines Integrators vorzuziehen, da man dabei weitgehend auf bekannte Geräte zurückgreifen kann (im allgemeinen wird an der Maschine bereits ein Tachogenerator für einen Geschwindigkeitsanzeiger vorhanden sein und es wird häufig möglich sein, diesen zu verwenden, so daß zusätzliche .Kosten vermieden werden können). Dasselbe Relais, welches den Ausgangsimpuls gibt, kann auch den Integra tor für den nächsten Zyklus zurückstellen (wieder einstellen) und für das Einstellen eines Neubeginns, nach jedem Maschinenstillstand können andere Kontakte verwendet werden.Dadurch kann die Notwendigkeit eines separaten speziellen Zeit-Kreises zum Abstellen der Regelung nach einem Stillstand bis eine Maschinenlange Material durchgelaufen ist, vermieden werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, in Regelungen (mit Rückkopplung) Korrekturen mit größerer Genauigkeit und schneller durchzuführen.

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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist ein Regelungsverfahren mit Rückkopplung gekennzeichnet durch die Schritte des Zuführens von den gewünschten Wert (Sollwert) der Regelgröße bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) der Regelgröße repräsentierenden Signalen zu einer Vorrichtung, welche so programmiert ist, daß sie aus den Eingabesignalen einsprechende Ausgabesignale bildet (ableitet), welche die Werte der Stellgröße repräsentieren, von welchen auf den Prozeß angewendet in Hinblick auf die Prozeßcharakteristika zumindest annähernd zu erwarten ist, daß sie die Regelgröße dazu veranlassen, den gewünschten bzw. den tatsächlichen Wert anzunehmen und daß sie den bestehenden Wert der Stellgröße, entsprechend dem Unterschied zwischen den Ausgangssignalen,korrigierend abändern. In einer modifizierten Ausführungsform wird die Stellgröße gemäß dem Ausgabe- oder Ausgangssignal, welches aus dem gewünschten Wert den Eingabe- oder Eingangssignal abgeleitet ist, korrigierend abgeändert, wobei das Ausgangssignal entsprechend dem Unterschied zwischen den zwei Ausgangssignalen intermittierend korrigiert wird- Die Erfindung umfaßt auch Prozeß-Regelungs-Einrichtungen, welche nach solchen Verfahren arbeiten und Maschinen, welche solche Einrichtungen besitzen.

Solche Prozeß-Regelungs-Einrichtungen können vor-' teilhaft Xn Regelungssysteme mit Rückkopplung eingebaut sein, wie oben beschrieben.

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Die Art und Weise, in welcher eine solche Prozeß-Regelungs-Einrichtung arbeitet und geeignete Konstruktionsweisen werden nun anhand der übrigen Fig. k bis 11 der Zeichnung beschrieben werden.

Die Regelgröße sei C. Die Stellgröße sei M..

• . Da C abhängig ist von M kann durch Vergrößern ' oder Verkleinern von M der Wert von C auf- eine ge- _ .wünschte Größe gebracht werden. Eine Kurvendarstel

lung von C über M ist in Fig. 4 gezeigt.

Das Verhältnis der Änderung von C zur Änderung

dC
von M, dh. ■ darf weder Null noch Unendlich sein.

απ

Wenn das Verhältnis Null wäre, würde bei sich änderndem M C nicht variieren, so daß es unmöglich wäre, den Wert C auf eine gewünschte Größe einzustellen. Wenn das Verhältnis unendlich wäre, dann wäre der Wert von C unbestimmt.

- Gerade im endlichen Bereich der Kurvenschleife

ist es möglich, C durch Einstellen von M zu regeln. Wenn C den Wert C₄ besitzt und der Wert C„ erwünscht ist, dann muß wie aus der Zeichnung hervorgeht, M vom Wert M. auf M„ verändert werden. Dies gilt auch, wenn C eine nicht lineare Funktion von M, wie in Fig. 5 gezeigt_fist. In diesem Fall ist die Änderung von H die* zunj' ^rzeugen einer gegebenen Änderung von C notwendig ist nicht mehr konstant, sondern variiert entsprechend der Lage der Punkte A und B auf der Kurve.

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In einem Regelungssystem, in welchem Schrittregler-Techniken verwendet werden.um eine gute Regelung eines weitgehend vpn Totzeiten bestimmten Prozesses zu erhalten (d.h. die Zeit, die notwendig ist, für'den Transport des zu.behandelnden Materials von dem Ort oder, den Orten, wo die Behandlung erfolgt zu dem Ort, wo das Ergebnis der Behandlung gemessen und für Kontrollzwecke Verwendet werden kann),läßt sich das beste Regelverhalten erzielen, wenn die durch den Regeleingriff hervorgerufene Änderung der Stellgröße M gerade richtig ist, um die Regelgröße C vom bestehenden Wert C. auf'den gewünschten Wert C_ zu bringen. Die hierfür notwendige Änderung von M kann von der nicht linearen Kurve der Fig. 5 abgelesen werden und entspricht der Änderung von M.

auf M„.

ο >

Wenn die Beziehung zwischen M und C linear ist, genügt es, die Differenz zwischen dem bestehenden Wert C. und d'em gewünschten Wert C„ zu messen und dann den Regler zu veranlssen, eine zu (C ' - C.) proportionale Änderung von M^erzeugen. Das ist die

übliche Verfahrensweise bei den bekannten Reglern. Dabei ergeben sich jedoch ungenaue Schätzungen der erforderlichen Änderung von M, wenn das Verhältnis zwischen M und C nicht linear ist.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist ein Regler vorgesehen, bei welchem eine nicht lineare Beziehung für die Ableitung von Korrekturen von M verwendet werden kann, welche eine genauere und schnellere Regelung von C ergeben als; dies bei

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einem linearen Regler der Fall wäre.

Wie oben erwähnt, ist es üblich, bei Reglern zunächst die Differenz C_ - C. zwischen dem erwünschten und dem tatsächlichen Wert, welche allgemein als "Fehler" bezeichnet wird; zu bilden, und dann aus diesem Fehlersignal ein Korrektursignal für M herzuleiten. Dies« Erfindung unter-

scheidet sich hiervon dadurch, daß der Regler nicht die Differenz C„ - C. bildet, sondern daß statt

dessen C_n Und C jeweils separat einer Vorrichtung B A

^w ■ zugeführt werden, welche die nicht lineare Bezie

hung zwischen C und M repräsentiert, so daß Werte M„ und M., welche zu den Werten C_R und C korrespondieren, hergeleitet werden. Die Differenz zwi-,sehen M„ und M. stellt dann die erforderliche Änderung von M dar und das Signal, welches diese repräsentiert, wird zum Erzeugen der erforderlichen Änderung von M verwendet.

Die Vorrichtung, welche die Beziehung zwischen

W C und M repräsentiert enthält bereits bekannte,

zumindest annähernd bekannte Informationen über dan Prozeß. Obwohl eine solche Kenntnis unvollständig bzw. unvollkommen sein mag, so liefert sie doch einen Ausgangspunkt, wodurch der Wert von M anfänglich festgesetzt werden kann, um einen korrespondierenden Wert von C zu erhalten, welcher ideal, betrachtet, der gewünschte Wert wäre, aber welcher in der Praxis eine erste Annäherung an diesen sein wird. Ein Vorteil dabei ist, daß der Wert von M, wenn der Prozeß nach einer Unterbrechung

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wieder einsetzt, automatisch auf annähernd den richtigen Wert eingestellt wird, wohingegen der Wert von M, wenn er nach einer Unterbrechung von Hand eingestellt wird, stark vota richtigen Wert abweichen kann; hinzukommt, daß bestehende Reglertypen im allgemeinen langsam ansprechen und eine lange Zeit für die Korrektur des Wertes von M benötigen, wenn sie nur mit Fehlerrückkopplungs-Signalen arbeiten".

Der Vorteil, der sich aus dem Einbau einer die

Beziehung zwischen C und M repräsentierenden Vorrichtung - \ in den Regler ergibt, kommt auch dann zur Wirkung,wenn eine solche Vorrichtung sehr einfach ist und nur eine lineare erste Annäherung an die wirkliche Beziehung zwischen C und M darstellt.

Wenn die Beziehung zwischen C und M sowohl a) genau bekannt als auch b) keiner Veränderung unterworfen wäre, dann wäre der Prozeß sehr einfach zu regeln, nämlich lediglich durch Einstellen von M auf den Wert, welcher dem gewünschten Wert von C entspricht. |

In wirklichen Prozessen hingegen wir.d die Beziehung, auch wenn sie von der Theorie oder vom Experiment her genau bekannt ist,Änderungen unterworfen «ein, welche von anderen Variablen herrühren (z.B. Temperatur,Druck, Zustand des zu behandelnden Materials etc·)· Ideal betrachtet können alle diese Variablen gemessen und ihre Wirkung auf das Prozeßergebnis C berechnet werden und ea können' auf dieser Grundlage Berichtigungen' vorgenommen werden} in der Praxis wird dies jedoch im allgemeinen nicht möglich sein und es wird deshalb notwendig «ein, auch einen Regelverlauf zu verwenden, der

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auf Messungen der Abweichung von C vom gewünschten Wert beruht, d.h. mit Rückkopplung ausgestattete oder "fehlergesteuerte" Regelung und somit eine

. Arbeitsweise zu erreichen, welche die besten Eigenschaften beider Regelungstypen vereinigt. Dor Vorteil eines solchen Vorgehens liegt darin, daß die Verwendung des "Modells" (die Vorrichtung, welche die Beziehung zwischen C und M repräsentiert) es ermöglicht, daß die Information von der "Sollwerte-Steuerung (bei welcher der gewünschte Wert von C

. eingestellt wird) sofort umgewandelt werden in einen angenäherten geeigneten Wert von M, ohne daß auf einen intermittierend zu messenden Fehler gewartet werden muß und wobei der Einfluß der Rückkopplung die Fehler progressiv reduziert,' welche sich aus ungenaues: Kenntnis oder einer Änderung der Beziehung zwischen C und M ergeben.

Wenn diese Beziehung schätzungsweise nicht linear ist, dann ist es vorteilhaft, das Modell nicht linear auszuführen um sie genau darzustellen, •o daß sowohl der Ausgangswert von M als auch die nachfolgenden Korrekturen durch den Regler genauer ermittelt oder errechnet werden können*

. S* «ei nun der Kurvenverlauf der Änderung von C über M betrachtet. Die ausgezogene Linie in Fig.6 •ei die angenommene, im Modell verkörperte Beziehung,, während die gestrichelte dazu parallele Lin.ie die tatsächliche Besiehung (au einer bestimmten Zeit) daratellt.

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. Februar ±

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M_R .erhält man aus C_n über P auf der durchgezogenen Linie, während C. jener Wert von C ist,der sich aus dem Ablauf des Prozesses mit M_ß ergibt und der von M_n über Q auf der gestrichelten Linie abgeleitet ist. Der erforderliche Punkt ist Punkt S auf der gestrichelten Linie und aus der Geometrie des Parallogramms PSQR geht hervor, daß PS a RQ, so daß die erforderliche Korrektur von M gleich RQ ist. RQ kann gebildet werden als Differenz zwischen dem Wert von M, welcher durch Eingeben von C in das Modell entsteht und dem Wert von M, welcher durch Eingeben von C in das Modell entsteht. Diese Überlegung ist auch auf Fig.7 anwendbar, in welcher die Beziehung C über M nicht linear ist, .bei welcher aber die gestrichelte Kurve aus der durchgezogenen Kurve einfach durch eine horizonta-Ie Verschiebung derselben erzeugt ist, d.h. durch zuaddieren eines festen Wertes von M zu jedem Punkt der ausgezogenen Kurve.

Das wesentliche Merkmal dieses Reglers besteht*

darin, daß die Differenz zwischen C_n und C. nicht

ο A i

direkt verwendet wird wie in normalen Regelungen mit Rückkopplung, sondern daß statt dessen sowohl Cg als auch C^ separat in das Modell eingegeben '< werden, und daß von diesem die korrespondierenden Werte von M gebildet werden, wobei das Modell jedoch auch nicht linear sein kann, und daß die Differenz zwischen diesen zwei Werten von M die gewünschte Korrektur darstellt.

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Die obigen Ausführungen gehen davon aus, daß Änderungen des Verlaufes von C über M lediglich in einem Hinzuaddieren desselben Betrags zu jedem Wert von M bestehen, d.h. die Kurve als Ganzes in einer Richtung parallel zur M-Achse zu verschieben, woraus sich eine Schar von Kurven ergibt, welche für jeden gegebenen Wert von C alle zueinander parallel sind. Bei einem Prozeß, in welchem ejLne Kurvenschar von C über M durch Multiplizieren jedes Wertes yon M auf ^ einer Kurve mit demselben Faktor erzielt wird, ent

stehen Kurvenformen gemäß Fig.^. Diese lassen sich auf die Kurvenformen von Fig.6 durch logaritmieren der Stellgröße M umformen. Anders ausgedrückt kann man sagen, daß ein bestimmter Betrag einer Änderung von log M immer die gleiche prozentuale Änderung von

M· unabhängig vom Wert von M erzeugen muß. I · '

Auf diese Weise kann die Erfindung vorteilhaft auf einen in Fig. 8 dargestellten Prozeß angewendet werden. Z.B., wenn M die Geschwindigkeit ist, mit

* welcher das Material den Prozeß durchläuft, kann ein

elektrisches Signal, welches log M repräsentiert, durch bekannte Methoden gebildet und zur Regelgröße in einem lokalen Regelkreis für den Geschwindigkeits-Änderüngs-Mechanismus der Prozeßmaschine gemacht werden. Die Eingangsgröße in einem solchen Regelkreis, d.h. sein Sollwert, ist dabei die. Ausgangsgröße des Reglers, der Gegenstand dieser Erfindung ist.

Die Nichtlinearität in der Beziehung zwischen dem tatsächlichen Wert (Istwert) von C, den wir zu regeln wünschen (z.B. den Feuchtigkeitsgehalt des

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Materials) und dem Meßwert-Signal, das diesen •darstellt (z.B. eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom) mag beträchtlich sein, aber vorausgesetzt, daß das was in den vorhergehenden Kurvendarstellungen als C bezeichnet ituäBBi, das tatsächliche Ausgangssignal des Meßsystems ist, wurde eine solche Nichtlinearität in Rechnung gestellt und in den Kurven unter Einbeziehung jeder im Prozeß vorhandenen Nichtlinearität gezeigt. Auf diese Weise repräsentiert das Modell eine Beziehung, welche Nichtlinearität sowohl im Prozeß als auch '

im Meßsystem einschließt, so daß die Errechnung des besten Ausgangswertes von M und der nachfolgenden Korrekturen durch den Regler infolge einer Nichtlinearität der Messung nicht ungültig bzw. unrichtig wird. Nichtsdestoweniger ist eine extreme ; Nichtlinearität der Messungen zu vermeiden, da eine solche ein genaues und arbeitsfähiges Modell · sehr kompliziert oder für eine Verwirklichung undurchführbar machen kann. Es ist. vorzuziehen, eine ä Messung anzustreben, die, soweit wirtschaftlich vertretbar, möglichst linear ist.

Die Vorrichtung7~Öfie als Modell für die Darstellung der Beziehung zwischen C und M verwendet wird, kann Jede geeignete Vorrichtung sein, in welcher geeignete Eingabe- und Ausgäbesignale vorhanden sein können, wie Schaltungen von Widerständen und/oder Dioden und/oder Verstärkern, welche allgemein in Analog-^echenanlagen Verwendung finden. Es ist wichtig_ffestzustellen, daß wenn M die Eingangsgröße in den Prozeß und C die Ausgangsgröße

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ist, das Modell so sein muß, daß es dieselbe Beziehung zwischen M und C wie der Prozeß besitzt, aber mit C als sein Eingangssignal und M als sein Ausgangssignal wie in einer sehr vereinfachten Form in Fig.9 gezeigt ist.

In der oben stehenden Beschreibung wurde stets ein Modell betrachtet, bei welchem eine stationäre Beziehung zwischen der Prozeßeingabe und —Ausgabe vorhanden war. . ·.

Da der Rückkopplungsteil des Regelverlaufes von der separaten Zuführung von C„ und C. in das Modell abhängt, ist es notwendig, entweder· das Modell zweifach vorzusehen oder es alternativ für C- und C. zu * BA

.verwenden. Eine doppelte Anfertigung des Modells erhöht die Kosten und auch die Gefahr, daß die Charakteristika nicht zufriedenstellend genau aufeinander abgestimmt sind oder verbleiben könnten. Es ist deshalb billiger und auch genauer, ein einziges Modell mit einer Umschaltung zu verwenden·und vorzusehen, daß zwischen den zwei Ausgangsdaten ein Vergleich durchgeführt werden kann, durch Speichern des einen, während die Schalter umgelegt sind für den anderen Eingabewert. Eine brauchbare Anordnung ist in Fig.10 gezeigt.

Der Speicher kann ein passender Umkehr- und Integrier-Verstärker sein, wie er allgemein in Analog-Rechnern verwendet wird. Seine Ausgangsgröße ist eine Umkehrung seiner Eingangsgröße und wird zurückgestellt (gelöscht), wenn die Schalter in Position B sind. In Position A ist eine Verbindung mit

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dem gemessenen Wert geschaffen und die Differenz M_n - M. erscheint im Punkt D im obigen Regelkreis.

O A

Wenn die Schalter in Position B sind, dann ist es vorteilhaft, den direkten Weg bzw. den geraden Durchgang eingeschaltet zu lassen, da dieser das Auffinden des Nullpunktes im Punkt D ermöglicht.

Wenn gemäß Fig.10 die synchronisierten Um-

schalter in die Lage A- bewegt werden, erscheint in Punkt D ein Signal, welches die erforderliche Korrektur von M repräsentiert, der Ausgangsgröße j

des differenzierenden Kreises, in welchem M„ und M. verglichen werden. Da der Speicher auch als ein Inverter (!Wechselrichter) arbeitet, kann ein einfaches Paar gleicher·Widerstände'als differanzbildender Kreis verwendet werden.

Es erhebt sich dann die Frage, wie dieses Signal, welches die erforderliche Korrektur für M

reprsentiert, zu verwenden ist. In einer einfachen Form des Reglers kann dieses Signal direkt an ein System weitergegeben werden, welches M zu einer Änderung um einen Betrag veranlaßt, welcher, proportional zu dem Signal ist. Z.B. kann das Signal verwendet werden, um einen Kondensator aufzuladen, der dann linear entladen wird, und dabei einen Impuls von einer zu diesem Signaifcproportionalen Dauer erzeugt, wobei dieser Impuls an den Mechanismus zum Ändern.von M gegeben wird, z.B. an einen Mechanismus für die Änderung der Geschwindigkeit, wobei M die Geschwindigkeit oder eine Funktion derselben ist. Einem Fachmann sind selbstverständlich.noch andere

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Ur/ΓιΙΠ

Wege zum Erzeugen einer zu dem Signal proportionalen Änderung von M bekannt. Wenn in solchen Vorrichtungen von dem weiter oben beschriebenen Modell zum Erreichen der besten Abschätzung der erforderlichen Korrektur von M Gebrauch gemacht wird, ist der Verlauf rein fehlergesteuert und macht keinen wirksamen Gebrauch von der Information, welche im Modell verkörpert ist, um M sofort und in geeigneter Weise auf den Ausgangs-Sollwert und·die späteren Änderungen des Sollwerts ansprechen zu lassen.

Eine zusätzliche Ausgestaltung des Systems, welche nun beschrieben werden wird, ermöglicht es, die Ausgangsgröße des Speichers in Fig.10 als Hauptsignal zu verwenden., damit M sofort und in geeigneter Weiare auf das Sollwertsignal anspricht, und ermöglicht es,ι das Signal von Punkt D in Fig.10 als Korrektur mit dem Hauptsignal verbunden und vereinet wird, was dieselbe Wirkung hat .als ob die durchgezogenen Linien in Fig. 3 und 4 parallel zur M-Achse in eine neue Position verschoben würden, wie durch die gestrichelte Kurve angezeigt. Fig.11 zeigt das vorgeschlagene System als eine Weiterentwicklung von Fig.10.

In Fig.11 wird das Signal von Punkt D dem Eingangssignal eines Analog-Rechenkreises, bekannt als "memory-pair" (Speicherpaar) aufgeschaltet. Wenn die sychronisierten Umschalter in Position A sind,

ist der Speicher X des Speicherpaares rückgeführt, so daß Signal D umgekehrt in E erscheint, während Speicher Y einfach seinen vorherigen Wert in F bei-

., 109831/0488 " _. ₂₁ _

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behält* Wenn die Schalter in die Position B umkippen, wird Speicher Y rückgeführt und kehrt dabei erneut das Signal um, so daß ein dem Originalsignal O gleiche« Signal in F erscheint. Dieses Signal in Punkt F wird zum Eingang des Speichers X rückgeführt, ao daß es aufrechterhalten und umbestimmt (oft) in den Kreis wieder eingespeist wird, auch wenn das

"V *

Signal in D auf Null geht, was der Fall sein sollte, wenn der Regelverlaüf genau arbeitet und' den Fehler auf Null reduziert. Die Ausgangsgröße des Speicher- M paares in F wird dem Hauptsignal in einem einfachen Widerstandskreis aufaddiert, um ein-kombiniertes, korrigiertes Signal in G zu bilden, welches durch eine Puffer-Verstärker-Schaltung geschickt werden kann, um ein Ausgangssignal H von geeigneter Stärke und.'Impedanz (Scheinwiderstand) zu erzeugen·zum Zuführung an den Mechanismus, welcher den Wert v.on M im Prozeß einstellt.

Es ist also die Aufgabe des Speicherpaares, das Korrektursignal von Punkt D permanent zu speichern, so daß es zum Hauptsignal hinzuaddiert werden kann und nicht wieder verschwindet, wenn das Signal D erlischt.

Auf diese Weise verbindet das letzte Ausgangssignal die vom Sollwert durch das Modell abgeleitete Information mit auch durch das Modell gewonnener Information aus der Messung von C, so daß ein Fehler im Modell effektiv korrigiert wird.

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Selbstverständlich könnte die in den Figuren 10 und 11 gezeigte Prozeß-Regelungs-Einrichtung in ein Regelsystem mit Rückkopplung gemäß den Fig. 1 bis 3 eingebaut sein. Z.B. könnte die Elektrode Xk (Fig, 1) ihr Signal dem Heßsystem von Fig. 10 zuführen, während dem Geschwindigkeitsregler 20 das Differenzsignal D (Fig. 10) oder das kombinierte _ Signal bei H (Fig. 11) zugeführt würde.

Alle in der Beschreibung, den Zeichnungen und insbesondere den'Ansprüchen enthaltenen Eigenschaften und Merkmale sind einzeln, in Teilkombination und in Gesamtkombination erfindungswichtig.

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- Patentansprüche

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BAD QfilQINAl.

Claims (1)

1. 5097/27 Gr/Em - 23 - 22. Februar I968 Patentansprüche

   1. Verfahren einer intermittierend arbeitenden Rückkopplungs-Regelung für Materialbehandlungsprozesse mit veränderlichen Totzeiten (Stillstandszeiten), dadurch gekennzeichnet , daß die ' Dauer des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden korrigierenden Eingriffen der Regelung im Verhältnis zur Totzeit automatisch variiert wird, wobei eine Voränderung der Stabilität der Regelung mit der Änderung der Totzeit reduziert oder .verhindert wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Prozeßgeschwindigkeit für Regelzwecke variiert wird, und daß die Dauer des Intervalls im ungekehrten Verhältnis zur Geschwindigkeit variiert wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichne/t , daß die Prozeßzeit (aber nicht die Geschwindigkeit) für Regelzwecke variiert wird, und zu einer ähnlichen Variation der Stillstandszeit ä führt, und daß die Dauer des Intervalls in direktem Verhältnis zur Prozeßzeit variiert wird..

   k. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η - ' '. zeichnet, daß daß es für die Regelung eines kontinuierlichen,Trocknungsprozesses für fortbewegtea textiles Material angewendet wird.

   ^ 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen-

   4^ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

   β* daß das Intervall stets ausreicht, bis sich die volle Wirkung des korrigierenden Eingriffs am Ort,

   BADOFUGiNAl. ' - 24 - _

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   an welchem die Steuerung den Wert der gesteuerten Eigenschaft des zu behandelnden Materials abfühlt, zeigt, bevor der nächste korrigierende Eingriff erzeugt wird.

   6. Intermittierend arbeitendes Rückkopplungs-Regelungs-System für Materialbehandlungsmaschienen mit sich ändernden Totzeiten, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Verursachen einer automatisehen Variation der Dauer des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden korrigierenden Eingriffen der Regelung im Verhältnis' zur Stillstandszeit vorgesehen sind, derart, daß.eine Veränderung der Stabilität "der Regelung mit der Variation der Totzeit reduziert oder verhindert wird,

   7. Rückkopplungs-Regelungs-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein drehbares Glied vorgesehen ist, welches mechanisch von jenen beweglichen Teilen der Maschine angetrieben ist, welche dazu dienen, das Material durch die Prozeß- oder Behandlungszone hindurchzubefordern, und daß ferner ein Schalter zum Auslösen eines korrigierenden Eingriffs in Form einer Veränderung

   . der Prozeßgeschwindigkeit und eine Nocke vorgesehen sind, wobei die Nocke mit dem sich drehenden Glied in der Weise verbunden ist, daß sie den Schalter in Intervallen, welchen dem Durchgang einer gegebenen Materiallänge entsprechen, betätigt.

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   BAD

   . . 16V ^

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   β. Rückkopplungs-Regelungs-System gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses von einer zur Geschwindigkeit des Materialdurchgangs durch die Prozeßzone der Maschine proportionalen Größe,und daß ferner Steuermittel vorgesehen sind, welche bei deren Betätigung geeignet sind, einen korrigierenden Eingriff in Form einer Änderung der Prozeßgeschwindigkeit auszulösen, und daß ein Zähler zum Zählen der Impulse vorgesehen ist, der geeignet ist, nach dem Zählen einer bestimmten, dem Durchgang einer bestimmten Materiallänge entsprechenden Anzahl von Impulsen ein Zeit-Ausgangssignal zum Betätigen der Steuermittel und zu seinem Rückführen zu er-

   9. Rückkopplungs-Regelungs-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Tachogenerator zum Erzeugen einer zur Geschwindigkeit ^: des Materialdurchgangs durch die Prozeßzone der Maschine proportionalen Spannung vorgesehen ist, und.daß ferner ein Integrierkreis vorgesehen ist, dem diese Spannung zugeführt wird und daß ein Relaiskreis vorgesehen ist, der bei seiner Betätigung einen Impuls zum Auslösen eines korrigierenden Eingriffs und zum Rückführen des Systems gibt, und zwar in Intervallen, welche dem Durchgang einer gegebenen Materiallänge entsprechen.

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   BADORiQlNAt'

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   10. Maschine zum kontinuierlichen Trocknen eines bewegten Textilmaterials in Kombination mit einem Rückkopplungs-Regelungs-System gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9·

   11, Verfahren einer Rückkopplungs-Regelung _, e k e η η-* zeichnet durch die Verfahrensschritte des Zuführens von den gewünschten Wert (Sollwert) der

   Regelgröße bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) der Regelgröße repräsentierenden Signalen zu einer •Vorrichtung, welche so programmiert ist_t daß sie aus den Eingangssignalen korrespondierende Ausgangssignale bildet, welche die Werte der Stellgröße repräsentieren, welche, in Anwendung auf den PrOZeB_x mindestens angenähert im Hinblick auf die Prozeßcharakter ist ika dazu dienen, dio Regelgröße zu vor-

   /
   anlassen, den gewünschten bzw. den tatsachlichen Wert anzunehmen und welche (Ausgangssignale) den tatsächlichen Wert der Stellgröße _f entsprechend dem Unterschied zwischen den Ausgangssignalen.in korrigierender Weise abändern.

   12· Verfahren der Rückkopplungs-Regelung gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Zuführens von Signalen, welche den gewünschten Wert der Regelgröße bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) der Regelgröße repräsentieren, zu einer Vorrichtung, welche so programmiert ist, daß sie aus den Eingangssignalen korrespondierende Ausgangssignale bildet, welche die Werte der Stellgröße repräsentieren, welche bei deren Anwendung auf den Prozeß mindestens angenähert im Hinblick auf die Prozeß-

   BADORIQiNAL

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   charakteristika dazu dienen, die Regelgröße zu veranlssen, den gewünschten bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) anzunehmen und welche (Ausgangssignale) in korrigierender Weise den Wert der Stellgröße abändern entsprechend dem Ausgangssignal, welches von dem gewünschten Wert (Sollwert) des iäin-

   ^gangssignals abgeleitet ist und welche das Ausgangssignal in Übereinstimmung m'it der Differnnz zwischen den zwei Ausgangssignalen intermittierend korrigieren.

   13. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche ^ 1 bis 5, dadurch . gekennz e'lehnet , daß es, gemäß den Ansprüchen 11 oder 12 durchgeführt wird.

   Ik* Prozeß-Regelungs-Einrichtung für ein Rückkopplungs-Regelungs-System, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzeugen von Signalen, welche den gewünschten Wert (Sollwert) der Regelgröße bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) der Regelgröße repräsentieren, vorgesehen sind, und daß eine Vor- ^

   richtung zum Empfangen der Signale vorgesehen ist, welche derart programmiert ist, daß diese aus den Signalen korrespondierende Ausgangssignale ableitet, welche die Werte der Stellgröße repräsentieren, * welche bei deren Anwendung auf den Prozeß mindestens angenähert im Hinblick auf die Prozeßcharakteristika dazu dienen, die Regelgröße zu veranlassen, den gewünschten bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) anzunehmen,und daß Mittel vorgesehen sind zum korrigierenden Abändern des bestehenden Wertes dor Stellgröße gemäß der Differenz zwischen den Ausgange

   Signalen. /10$ ftf/OH ft -28-

   BAD 0RfGiNAL '

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   din 15. Prozeß-Regelungs-Einrichtung für Rückkopplungs-Regelungs-System, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzeugen von Signalen, welche den gewünschten Wert der Regelgröße bzw. den tatsächlichen Wert (Istwert) der Regelgröße repräsentieren, vorgesehen· sind, und daß eine Vorrichtung zum Empfangen der Signale vorgesehen ist, welche derart programmiert ist, daj& diese aus den Signalen korrespondierende .Ausgangssignale ableitet, welche die Werte der Stellgröße repräsentieren, welche, bei deren Anwendung auf den Prozeß, mindestens angenähert im Hinblick auf die Prozeßcharakteristika dazu dienen, daß die Regelgröße zu veranlassen fzum Annehmen des gewünschten Werts bzw. des tatsächlic^ghn Werts)= und daß Mittel zum korrigierenden Abändern des bestehenden Wertes (Istwertes) der Stellgröße gemäß dem Ausgangssignal, welches aus dem Signal, welches den gewünschten Wert der Regelgröße repräsentiert, abgeleitet ist, vorgesehen sind, und . daß Mittel vorgesehen sind zum intermittierenden Korrigieren des Ausgangssignals in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen den zwei Ausgangssignalen.

   16. Prozeß-Regelungs-Einrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche Ik bis 15* dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zwei gleiche Modelle umfaßt, wobei jeden eines.der erzeugten Signale zugeführt wird und wobei jedes aus diesem Signal das korrespondierende Ausgangssignalbildet*

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   . Februar 1'

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   17· Prozeß-Regelungs-Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche Ik bis 151 dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung ein einziges Modell umfaßt, welches UmkehrschaIter besitzt und welches eingerichtet ist zum Durchführen eines Vergleiches zwischen den zwei Ausgangssignalen mittels eines Speichers, welcher eines (der Signale) speichert , während die Schalter zum Aufnehmen des ande-

   ren umgelegt sind.

   18. Prozeß-Regelungs-Einrichtung nach Anspruch I7, da- Λ durch geke.nnzeich.net , daß der Speicher ein Umkehr- und Integrierverstärker ist,dessen Ausgangsgröße eine Umkehrung seiner Eingangsgröße ist, welche zum Ausgangssignal zurückgeführt wird, welches den Wert der Stellgröße repräsentiert, welche in einer Lage der Umkehrschalter zum gewünschten Wert der Regelgröße korrespondiert und •welche in der anderen Lage der UmkehrschaIter ein Differenz-Regelsignal bewirkt, welches der Differenz der zwei Ausgangssignale gleich ist. ™

   19. Prozeß-Regelungs-Einrichtung nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung ein einzelnes Modell umfaßt, welches Umkehrschalter besitzt und welches zum Vergleichen der zwei Ausgangssignale geeignet ist, und zwar mittels eines Speichers in Form eines Umkehr- und Integrier-Verstärkers, dessen Ausgangsgröße eine Umkehrung seiner Eingangsgröße ist, und welches in der einen Lage der Umkehrschalter das Ausgangssignal, welches von dem den gewünschten Wert der Regelgröße

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   BADORIGtNAI.

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   repräsentierenden Signal abgeleitet ist, erhält, und welches in der anderen Lage der Umkehrschalter ein Differenz-Regelsignal bewirkt, welches der Differenz der zwei Ausgangssignale gleich ist, und in welchem Mittel vorgesehen sind zum Aufrechterhalten des Differenz-Regel-Signales für das Hinzuaddieren zu dem im Speicher festgehaltenen Signal zum ^ilden eines Kombini'erten Signals, entsprechend dem korrigierende Änderungen d'es tatsächliches Werts (Istwerts) der Stellgröße vorgenommen werden.

   20. PrOzeß-Regelungs-Einrichtung gemäß einem oder meh-

   bis

   reren d,er Ansprüche 14-19, dadurch gekennzeichnet , daft die Einrichtung für eine lineare Beziehung zwischen den Regel- und den Stellgrößen programmiert ist_# le · .

   21. Prozeß-Regelungs-Einrichtung gemäß einem oder mehreren der Anspräche 14 bis 19t dadurch gekennzeichnet-, daß die Einrichtung für eine nicht .lineare Beziehung zwischen den Regel- und den St eil-größen programmiert ist_#d

   22. Rückkopplungs-Steuer-System gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennz eich· net, daß es eine Prozeß-Regelungs-Einrichtung umfaßt, wie in einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 21 beansprucht.

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   BADORfGINAL

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   23. Maschine zum kontinuierlichen Trocknen eines in Bewegung befindlichen textlien Materials in Kombination mit einem Rückkopplungs-Regelungs-System gemäß Anspruch 22.

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   Lee rs e ι te