DE1673585A1 - Regelkreis mit veraenderbarer Regelcharakteristik - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matchinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 4. Januar I968 bg-sch

Anmelderin:

Amtl. Aktenzeichen:

Akt en z. der Anmelder in:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Neuanmeldung

Docket SA 966 006

Regelkreis mit veränderbarer Regelcharakteristik

Das Ansprechen eines Regelkreises wird durch viele Faktoren z. B. die Regelverstärkung und äußere und innere Störungen beeinflußt. Herkömmliche Regelkreise kann man durch Einstellung der Ve rstärkungs werte und durch Auswahl von Regelcharakteristiken beeinflussen. Wenn die Regelcharakteristiken jedoch auf ein optimales Ansprechen für typische Bedingungen ausgelegt sind, wird die Güte der Regelung bei nicht typischen Bedingungen ungünstiger. Bei einer Prozeßregelung z. B. liegen nichttypische Bedingungen beim Anlaufen, Anhalten und bei Überlastung vor. Infolgedessen muß ein Kompromiß zwischen der Leistung, der Einfachheit des Reglers und dem für die Analyse der Parameter aufzubringenden Aufwand, geschlossen werden, wenn nur Dauerbetriebsbedingungen betrachtet werden.

Um zufriedenstellende Leistungen unter mehreren Bedingungen durch ein Regel -

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system zu ermöglichen, wurden Adaptiv-Regelsysteme benutzt. Allgemein gesprochen beobachtet ein adaptives Regelsystem in gewisser Weise die Leistung des zu steuernden Systems und verändert die steuernden Kriterien einfach oder in komplexer Weise soweit nötig und möglich, um eine bessere Systemleistung zu erreichen. In fortschrittlicheren modernen Systemen wird eine Anzahl von Prozeßveränderlichen gemessen und zueinander nach einem vorgeschriebenen Regelgesetz in Beziehung gebracht und dann ein Steuersignal erzeugt. Die maßgebende Regelcharakteristik wird in irgendeiner Art verändert, um eine neue Stellgröße zu erzeugen, wenn durch periodische Bestimmung festgestellt wird, daß bestimmte Bedingungen vorliegen, unter welchen eine Verbesserung durchführbar ist.

Einfache Beispiele für Adaptiv-Regelung findet man in Analog systemen mit zwei Betriebsarten. In einigen derartigen Systemen kann je nach vorliegenden Kriterien das System automatisch die Steuerung von der Proportional-Regelung auf eine Kombination von Proportional- und Rück Stellregelung verschieben, wenn eine Veränderliche wesentlich abweicht oder ein Fehlersignal gegeben wird. In anderen Systemen können Schaltungen eingebaut sein, die automatisch auf andere Weise arbeiten, wenn sich die Bedingungen ändern. So ist in Servo-Schaltungen die Verwendung nichtlinearer Impedanzen zur Einstellung von Zeitkonstanten gemäß der Größe eines Fehler signale s bekannt. In diesen Systemen ist jedoch eine genaue Kenntnis der durchgeführten Regelfunktion erforderlich, um die Leistungskriterien richtig einzustellen und eine entsprechende Auswahl zwischen den Alternativ-Betriebsarten treffen zu können.

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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Adaptiv-Regelung, die einfacher ist als die bekannten Adaptiv-Regelungen. Die Anwendung der Erfindung erfordert keine Analyse des zu regelnden Prozesses und eine Einstellung des Reglers auf den speziellen Fall erübrigt sich, weil sich der erfindungsgemäße Regelkreis die optimale Regelcharakteristik selbst auswählt.

Der erfindungsgemäße Regelkreis mit veränderbarer Regelcharakteristik ist dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Regelung laufend bestimmt wird, und mk daß abhängig von der Ände rungs richtung der Güte die in der einen oder anderen Richtung nächstfolgende einer Reihe gespeicherter fester Regelcharakteristiken zur Regelung benutzt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben erwähnten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden genaueren Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor. Es zeigen: %

Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungs gemäßen Regelkreises und

Fig. 2 die erfindungsgemäßen Schritte.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt die Hauptteile eines geschlossenen Regelkreises für einen Prozeß

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mit einem Regler 12. Bei einer herkömmlichen Prozeßregelung gibt es mehrere geschlossene Regelkreise, die getrennte Regler enthalten oder Multiplex arbeiten. Der Einfachheit halber wird hier nur ein Regelkreis beschrieben und angenommen, daß dieser einen gesonderten Regler 12 enthält, welcher eine Regelgröße empfängt und eine bestimmte Veränderliche, wie z. B. Zufluß oder Temperatur in einer Anordnung 14 regelt. Der Regler 12 enthält, der Einfachheit halber getrennt dargestellt, eine Vergleicherschaltung 16 und einen Lagebestimmer 20, der auf die geregelte Anlage 14 anspricht. Natürlich können derartige Kreise auch Teile enthalten, die mit anderen Regelkreisen verknüpft sind. Außerdem können Einheiten für die manuelle Einstellung von Stellwerten, zur Bestimmung von Alarm- und Grenzbedingungen und verschiedene HilfsSteuerungen vorgesehen sein.

Der Regler 12 spricht auf Einstellwerte an, die von einem unabhängigen Regelsystem abgeleitet sind, das hier als Gleichungslöser 22 bezeichnet wird. Der Gleichungslöser 22 ist z. B. ein Analog- oder Digital-Prozeßregler, der eine Anzahl von Eingangsveränderlichen verarbeitet, die vom Prozeß 10 kommen und je nach Wunsch Kommandos, Ausgangsaufzeichnungen etc. liefern. Der Sollwert für den Regler 12 kann auch manuell eingegeben werden.

Die in dem Regler 12 dargestellte Regelschaltung 18 ist mit einer Vorrichtung zum Einsetzen verschiedener Regelcharakteristiken verbunden. In diesem Fall besteht diese Vorrichtung aus einer Verstärkungsgrad-Einstellschaltung 24, die durch Verstärkungsauswahl-Signale betätigt wird und so die Verstärkung des

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des Reglers 12 verändern kann. Die Verstärkungsgrad-Einstellschaltung 24 kann auch durch eine einfache Schaltung zur Zuführung von Eingangs spannungen verschiedener Pegel an die Regel schaltungen 18 realisiert werden.

Die Verstärkungsgrad-Einstellschaltung 24 spricht auf Ver Stärkung sauswahlsignale aus einer Auswahlschaltung 26 an, die Regelabweichungssignale vom Regler 12 empfängt. Die hier verwendete Auswahlschaltung 26 ist eine Digital-Schaltung. Anstelle der Digital-Schaltung kann z. B. auch eine Analog-Schal tung verwendet werden.

Die Auswahlschaltung 26 enthält einen Konverter 28, der Signalproben erzeugt, welche den Verlauf der Regelabweichung darstellen. Der Konverter 28 erzeugt

eine vorgegebene Größe, in diesem Falle J~ E , wobei E die Regelabweichung

k=l k

ist, und diese Größe im folgenden als die Summ« der quadrierten Regelabweichung bezeichnet wird. Andere Größen wie die Summe der absoluten Regelabweichung, der Mittelwert oder das Integral der Regelabweichung können verwen-

in

det werden. Die Summe der quadrierten Regelabweichung kann'einem Analog-Digital-Wandler in einen Digitalwert umgewandelt werden, der dann mit sich selbst multipliziert wird, wobei das Produkt laufend über einen ausgewählten Zeitraum summiert wird. Eine Zeitschaltung 30, die immer wieder neu anläuft, schaltet den Konverter 28 nach einer bestimmten Zeit wieder auf Null. Diese Zeit kann empirisch abhängig von der Bandbreite der Regelabweichung und den Rückstellzeiten für den Wert im Regler 12 festgelegt werden. Der Konverter 28 und die Zeitschaltung 30 können als Kriteriumsgenerator bezeichnet werden,

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weil die aufeinanderfolgenden Ausgangs signale die Güte des Reglers 12 zeigen, die durch die Änderungen in der Summe der quadrierten Regelabweichung dargestellt werden. Die Umwandlung der Regelabweichung in die Summe des Quadrats der Regelabweichung könnte mit Analogs chaltungen einfacher gelöst -werden. Diese Schaltungen unterliegen aber Driftproblemen und sind für Multiplexbetrieb nicht geeignet.

Die Probe A des Leistungskriteriums wird in einen Speicher 32 und in einen Vergleicher 34 eingegeben, der außerdem die vorhergehende Probe B des Leistungskriteriums vom Speicher 32 empfängt. Je nach dem Verhältnis Größe des Leistungskriteriums mit der davorliegenden Größe des Leistungskriteriums gibt der Vergleicher 34 eine entsprechende relative Größenanzeige auf die Schiebe-Schaltung 36, die die Verstärkungsgrad-Einstellschaltungen 24 im Regelgerät 12 steuert. Für jedes Größenverhältnis (A>~B, A-<-B) wird die Schiebe-Schaltung 34 eine Position vorwärts oder rückwärts verschoben, je nach der benötigten Leistungsverbesserung. In diesem Ausführungsbeispiel zeigt ein höherer Wert des Leistungskriteriums eine niedrigere Güte an und bewirkt eine Rückwärtsverschiebung. Die Schiebe-Schaltung 36 kann daher durch die Signale von der Schaltung 30 weitergeschaltet werden. Wenn ein Grenzwert des Verstärkungsgrades erreicht wird, wird die Schiebe-Schaltung 36 automatisch in der entgegengesetzten Richtung verschoben. Somit wird das System nicht an einem Grenzwert blockiert, sondern versucht immer einen besseren Leistungswert zu finden. Die Schiebe-Schaltungen 32 können auch eine Ringschaltung enthalten, die unter der Steuerung von Vorwärts- oder Rückwärts Signalen

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- 7 in beiden Richtungen verschiebt.

Der Betrieb des Reglers 12, des Prozesses 10 und des Gleichungslösers 22 brauchen nur kurz beschrieben zu ■werden. Aus dem Prozeß 10 durch den Gleichungslöser 22 abgefragte Regelgrößen werden zur Erzeugung einer entsprechenden Stellgröße durch den jeweiligen Regler 12 benutzt. Die Vergleicherschaltungen 16 erzeugen ein Regelabweichungssignal aus der Differenz des Sollwertes und des Istwertes der geregelten Anlage 14 und die Regelschaltung 18 gibt eine entsprechende Verstärkung zusammen mit einem Kompensationswert und anderen Einstellungen, für die richtige Servo-Bandbreite und Stabilität ab.

Der erfindungsgemäße Regelkreis versucht durch Benutzung eines bestimmten Satzes von Regelcharakteristiken oder Regelalgorithmen nicht den Dauerbetrieb mit einem idealen Regelgesetz zu erreichen. Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, daß die ideale Regelung weder erreichbar noch erforderlich ist. Für den jeweiligen Fall werden mehrere Verstärkungsgrade und die Unterschiede zwischen den einzelnen Verstärkungsgraden in einem bestimmten Verhältnis zu dem zu regelnden Bereich ausgewählt; somit können nacheinander mehrere Regelgesetze angewendet werden. Die Auswahl der Grenzwerte und die Anzahl der verschiedenen Verstärkungsgrade erfordern jedoch keine genaue Analyse des Regelkreises. Stattdessen kann die Erfindung verwendet werden, ohne daß untersucht werden muß, warum die Arbeitsweise sich verändert hat. Leistungskriterien brauchen nicht mit einem Standard verglichen werden.

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Die Erfindung arbeitet nach den in Fig. 2 allgemein dargestellten Schritten. Ein Satz von Regelgleichungen und wenigstens ein Leistungskriterium werden ausgewählt. Änderungen in der Güte der Regelung werden bei gleichzeitiger Änderung der Regelgleichungen zur Regelung benutzt, so daß der Regelkreis in einer Art arbeitet, die man als subjektiv bezeichnen kann. Bei Erreichen einer Bereichsgrenze kann es vorkommen, daß von einer günstigeren Betriebsart zu einer schlechteren übergegangen wird. In diesem Fall muß etwas Leistung geopfert werden, weil eine günstigere Gesamtleistung mit einfachen Mitteln ohne genaue Analyse des Regelkreises angestrebt wird.

Obwohl die Verstärkungseinstellung des Regelgerätes im vorliegenden Beispiel benutzt wird, kann der festgelegte Satz von Regelgleichungen auch nach der Art gänzlich verschieden sein und braucht sich nicht auf die Verstärkung des Reglers beziehen. Es kann jeder bestimmte Satz von Regelgleichungen, wie z. B. die bei der Erzeugung eines Sollwertes benutzten, zusammen mit einem Leistungskriterium verwendet werden. Es können Abweichungen der Regelabweichung oder andere veränderliche Leistungsmerkmale verglichen werden.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Regelkreis mit veränderbarer Regelcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Regelung laufend bestimmt wird, und daß abhängig von der Änderungsrichtung der Güte die in der einen oder anderen Richtung nächstfolgende einer Reihe gespeicherter fester Regelcharakteristiken zur Regelung benutzt wird.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Güte der Regelung die Regelabweichung, insbesondere das Quadrat der Regelabweichung summiert über eine Zeiteinheit benutzt wird.

3. Regelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Regelcharakteristiken durch verschiedene Verstärkungsfaktorea des Reglers bestimmt werden.

4. Regelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dall das Signal für die Güte einmal direkt und einmal um eine Zeiteinheit verzögert einem Vergleicher zugeführt wird, der feststellt, ob das direkt oder verzögert zugeführte Signal größer ist und der abhängig davon eine Schiebe-Schaltung vorwärts- oder rückwärts schaltet, deren Schaltzustand die jeweils die Regelung bestimmende Regelcharakteristik auswählt.

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5. Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebe-Schaltung eine Ringschaltung ist.

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