DE19601232C2 - Steller für einen Regelkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Steller für einen Regelkreis, wobei der Steller in Abhängigkeit von einer Reglerausgangs­ größe y_R eine Stellgröße y erzeugt, wobei der Wertebereich der Reglerausgangsgröße y_R in mindestens zwei Wertebereiche W_i durch mindestens einen vorgebbaren Schwellwert unterteilt ist, und jedem Wertebereich W_i der Reglerausgangsgröße y_R ein Puls P_i bestimmter zeitlicher Dauer zugeordnet ist, und der Steller in bestimmbaren festen Zeitintervallen P_max einen Puls P_i=k generiert, wenn der Wert der Reglerausgangsgröße y_R in dem Wertebereich W_i=k liegt, wobei das Zeitintervall P_max größer oder gleich der zeitlichen Dauer des längsten Pulses P_i ist.

Eine solche Regelung ist aus der DE 42 42 218 A1 bekannt. Die einen Regelkreis mit einer pulsweiten Modulation (PWM) zeigt. Bei einer derartigen PWM generiert der Steller in Abhängigkeit der Reglerausgangsgröße einen Puls bestimmter zeitlicher Dauer. Überschreitet die Reglerausgangsgröße einen bestimmten Schwellenwert, der verschiedene Wertbereiche unterteilt, so wird bei dieser PWM-Regelung erst mit dem Beginn des nächsten Taktes ein im Wert der Reglerausgangsgröße zugeordneter Puls vom Steller erzeugt. Das bedeutet, daß die vom Steller generierten Pulse stets erst mit einem neuen Taktzyklus beginnen können, so daß die Reaktionszeit der Regelung entsprechend lang ist. Eine ähnliche Regelung offenbart die DE 37 43 892 C1, bei der Steuersignale in diskreten Schritten oder auch kontinuierlich veränderbar sind. Auch in diesem Fall kann das Stellgrößensignal nur vergleichsweise langsam an den eigentlichen Bedarf angepaßt werden.

Generell werden bei einer Regelung in einem abgegrenzten System eine oder mehrere Regelgrößen x fortlaufend von einer Meßeinrichtung erfaßt und durch Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten der zugehörigen vorgegebenen Führungsgrößen w die Regelgrößen x auf die jeweiligen Werte der Führungsgrößen w gebracht und dann auf ihnen gehalten. Der hierzu nötige Wirkungsablauf vollzieht sich im Gegensatz zur Steuerung in einem geschlossenen, als Regelkreis bezeichneten Wirkungs­ kreis. Ein derartiger Regelkreis ist in Fig. 1 dargestellt. Der durch die Regelung zu beeinflussende Teil eines technischen Systems wird als Regelstrecke oder Strecke bezeichnet. Seine Ausgangsgröße ist die Regelgröße x, die von der Meßeinrichtung erfaßt und in die Rückführgrößen umgeformt wird. Dabei werden die verschiedenen Prozeßgrößen, wie Temperaturen, Drücke, Durchflüsse oder Drehzahlen, in elektrische Größen umgeformt, damit sie leichter übertragen und vom elektronischen Regler oder Rechner verarbeitet werden können. Die Rückführungsgröße r wird mit der Führungsgröße w im Vergleichsglied verglichen, das die Regeldifferenz e liefert. Für prinzipielle Überlegungen wird für den Vergleich, ohne Berücksichtigung einer Meßeinrichtung, in der Regel e = w - x angesetzt. Vergleichsglied und Regelglied bilden zusammen den eigentlichen Regler.

Die Reglerausgangsgröße y_R ist zugleich die Eingangsgröße der Stelleinrichtung. Diese ist in den Steller und das Stellglied unterteilt. Das Stellglied ist die Funktionseinheit am Eingang der Strecke, die in einen Massenstrom oder Energiestrom eingreift. Der Steller stellt dabei die zur Ansteuerung des Stellgliedes erforderliche Leistung zur Verfügung. Dies kann z. B. mittels einer Pulsweitenmodulation erfolgen. Außerdem sorgt der Steller für die Anpassung der unterschiedlichen physikalischen Dimensionen von Reglerausgangsgröße (z. B. elektrische Spannung) und Stellgröße (z. B. mechanischer Ventilhub). Das Stellglied wird dabei zur Strecke gerechnet, wie es auch in Fig. 1 dargestellt ist. Die Eingangsgröße des Stellglieds ist die Stellgröße y, mit der die Regelgröße beeinflußt wird. Außerdem beeinflußt die Störgröße z in unvorhergesehener Weise die Regelgröße x. Mit der Rückführung der Regelgröße x über die Meßeinrichtung ist der Regelkreis geschlossen.

Zur Beurteilung der Güte einer Regelung kommen in der Regelungstechnik eindeutig definierte Testsignale, wie z. B. Einheitssprung oder Diracstoß zur Anwendung, die auf den Eingang der Regler oder die Regelstrecke gegeben werden. Der resultierende Verlauf der Regelgröße wird dabei als Antwortfunktion bezeichnet, aus der sich die streckenspezifischen Größen Anstiegszeit T_a und Übergangszeit T_u ermitteln lassen. Die Anstiegszeit T_a ergibt sich dabei wie in Fig. 2 dargestellt aus dem Schnittpunkt der Tangente im Wendepunkt W₁ mit der 0%- und 100%-Linie. Die Verzugszeit T_u ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Wendetangente mit der t-Achse.

Nachfolgend werden bekannte Regelungskonzepte am Beispiel einer Temperaturregelung näher beschrieben. Dabei soll mittels eines Heiz- und eine Kühlaggregats eine vorgebbare Temperatur, z. B. in einem Extruder eingestellt werden. Im einfachsten Fall verwendet man hierfür einen Zwei- oder Dreipunktregler, da sich die Ausgangsgröße dieser Regler gut digital verarbeiten läßt. Ein Regelkreis für eine Temperatur-Regelstrecke mit einem Dreipunktregler ist in Fig. 3 dargestellt. Befindet sich die Eingangsgröße innerhalb der vorgebbaren Schwellwerte, wird das Signal 0 (Null) ausgegeben, überschreitet die Eingangsgröße den oberen Schwellwert, wird das Signal 1 (eins) und unterschreitet die Eingangsgröße den unteren Schwellwert, wird das Signal -1 (minus eins) ausgegeben. Überall dort, wo die Anforderungen an die Regelung gering, d. h. T_u zu T_a sehr viel kleiner als eins ist (T_u/T_a << 1), können mittels eines derartigen Dreipunktreglers relativ gute Regelergebnisse erzielt werden. Bei einem ungünstigen Verhältnis der Regelstreckengrößen T_u/T_a treten jedoch in Abhängigkeit vom Verhältnis T_u/T_a starke Schwingungen der Regelgröße auf. Die Amplitude dieser Schwingungen kann dabei z. B. bei einem Extruder von bis zu ±10°C betragen, wodurch die zulässigen Toleranzwerte unter Umständen weit überschritten werden. Durch die Schwingungen kommt es zudem zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der Heiz- und Kühleinrichtungen mit jeweils zu langen Einschaltzeiten, was zu unnötig häufigem Gebrauch und somit zu einem schnellen Verschleißen der Einrichtungen führt und zudem einen hohen Energieverbrauch bedeutet.

Eine besseres Regelverhalten läßt sich z. B. erzielen, wenn als Regelglied ein PID-Regler verwendet wird (Fig. 4). Vorzugsweise wird die Ausgangsgröße y_R des PID-Reglers hierbei mittels eines Split-Range-Gliedes jeweils einem Pulsweitenmodulationsglied (PWM-Glied) zugeführt, wobei das eine PWM-Glied die Heizung und das zweite PWM-Glied die Kühlung ansteuert. Das Range-Spilt-Glied ist zusammen mit den beiden PWM-Gliedern der Steller der Regelkreises (s. Fig. 1). Zur Erzeugung der Pulsweiten für die Heiz- und die Kühleinrichtung wird dabei die Ausgangsgröße des PID-Reglers in einen prozentualen Wert umgerechnet, wobei sich die prozentualen Werte auf die maximale Stellgröße des Reglers beziehen. Die Pulsweiten P(t = n . P_max) mit n = 1, 2, 3, ... ergeben sich dann durch die Multiplikation einer festgelegten Bezugszeitspanne bzw. der maximalen Periodendauer P_max mit dem prozentualen Wert der Reglerausgangsgröße. Mittels der Pulsweitenmodulation tritt dabei anstelle der analogen Ausgangsgröße y_R des PID-Reglers eine Zeitspanne, für welche die Heiz- bzw. Kühleinrichtung einzuschalten ist. Die Zeitspannen, zu denen das Stellglied (Heiz- bzw. Kühleinrichtung) eingeschaltet ist, nennt man dabei Pulsweiten oder auch Pulse. Bei der Pulsweitenmodulation wird somit in gleichen Zeitabständen ein Puls unterschiedlicher Länge ausgegeben, wobei die Länge des Pulses von dem Wert der Reglerausgangsgröße abhängt.

Nachteilig bei dem Einsatz eines PID-Reglers ist jedoch, daß die Dynamik des PID-Reglers bei ungünstigen Verhältnissen von T_u/T_a sehr gering ist, will man ein (Über-)Schwingen der Regelgröße vermeiden. Dies bedeutet, daß der D-Teil und insbesondere der I-Teil des Reglers nicht zu groß eingestellt sein dürfen. Für die oben angeführte Temperaturregelung eines Extruders würde dies bedeuten, daß die instationäre Aufheizphase im Vergleich zum theoretisch Möglichen unnötig lang wird und schon bei kleinen Störungen es bei einem klein eingestellten I-Teil zu großen Regelabweichungen kommt. Ein weiterer Nachteil des PID-Reglers ist seine schwierige und aufwendige Parametrierung.

Bei der Pulsweitenmodulation wirkt sich die Wahl der Länge der maximalen Periodendauer P_max oft nachteilig für das Regelverhalten aus. Mit der Festlegung der Periodendauer P_max ist die Reaktionszeit des Reglers und Stellers festgelegt. Die Reaktionszeit des aus Regler und Steller bestehenden Regeleinrichtung ist dabei ein erstes Gütekriterium. Um eine kurze Reaktionszeit zu erhalten, muß P_max möglichst klein gewählt werden. Es gilt dabei: Je kleiner P_max desto besser die Reaktionszeit. Ein zweites Gütekriterium ist die optimale Abstimmbarkeit des vorgeschalteten Reglers. Bei dem Einsatz von z. B. Kühl- und/oder Heizeinrichtungen als Stellglied, wäre ein drittes Gütekriterium die Einschalthäufigkeit der jeweiligen Einrichtung. Hierbei gilt für das zweite und dritte Kriterium: Je größer P_max, desto besser gestalten sich die Gütekriterien zwei und drei, wobei das zweite Gütekriterium optimal erfüllt wird, wenn P_max ≈ 1,1 . T_u.

Da sich bei einer konventionellen Pulsweitenmodulation die Güte der Kriterien eins und zwei beim Verändern von P_max gegenläufig verändern, kann die Wahl von P_max immer nur ein Kompromiß sein.

Wird z. B. P_max klein gewählt, so führt dies dazu, daß die Heiz- und Kühleinrichtungen pro Periodendauer jeweils ein- und ausgeschaltet werden, was zu einem schnellen Verschleiß der Einrichtungen führt. Ist die Periodendauer kürzer als die Verzugszeit der Regelstrecke, so dürfen die Reaktionen des Reglers nur sehr vorsichtig sein, da sonst zu große Pulsweiten über einen längeren Zeitraum vorgegeben werden. Da sich die Wirkung der ersten Pulse jedoch erst nach Ablauf der Verzugszeit für den Regler bemerkbar macht, kommt es zu einem Schwingen der Regelgröße. Wird dagegen die maximale Periodendauer P_max groß gewählt, so führt dies zu einer relativ großen Totzeit im Stellverhalten der Regeleinrichtung. Dies bedeutet, daß die Reaktionszeit der Regeleinrichtung groß wird, wodurch Änderungen der Istgröße erst relativ spät erkannt und vom Regler auszuregeln versucht werden. Dies führt ebenfalls zu einem Schwingen der Regelgröße.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Pulsweitenmodulation dahingehend zu verbessern, daß die aufgeführten Nachteile der Pulsweitenmodulation vermieden werden und insbesondere die Schnelligkeit der aus Regler und Steller bestehenden Regeleinrichtung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Steller nach Anspruch 1 gelöst.

Kann bei dem bekannten Pulsweitenmodulationsverfahren lediglich nach festen Zeitintervallen ein neuer Puls mit einer neuen Pulsdauer generiert werden, so reagiert der erfindungsgemäße Steller sofort, indem er bei Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes a_i einen neuen Puls mit einer entsprechenden Pulsdauer generiert. Somit wird durch die Reglerausgangsgröße bestimmt, wann die Pulse vom Steller auszugeben sind. Hierdurch ist es möglich, das Zeitintervall P_max sehr groß zu wählen, wodurch im Vergleich zum bekannten Pulsweitenmodulationsverfahren weniger Pulse generiert werden. Dies bedeutet, daß das Stellglied, wie im oben beschriebenen Fall die Heiz- oder Kühleinrichtung, im Vergleich weniger ein- und ausgeschaltet wird. Die Einrichtungen unterliegen somit einem geringeren Verschleiß. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch die schnellere Reaktionszeit der Regeleinrichtung sich das Regelverhalten gegenüber einem herkömmlichen Regler mit nachgeschalteter Pulsweitenmodulation verbessert. Der erfindungsgemäße Steller erlaubt dabei die Festlegung einer beliebig großen Periodendauer P_max bei einer wesentlich schnelleren Reaktionszeit der Regeleinrichtung, wobei beim Einsatz einer SPS vorteilhaft die Reaktionszeit der Regeleinrichtung gleich der Zykluszeit der SPS ist.

Durch die Wahl der optimalen Pulslängen P₁, P₂, etc. kann erreicht werden, daß das Generieren eines zur am Steller anliegenden Reglerausgangsgröße entsprechenden Pulses ausreicht, um die Regelgröße mit nur einem generierten Puls wieder einzuregeln. Die Bestimmung der optimalen Pulslängen kann vorteilhaft mittels eines weiter unten beschriebenen Verfahrens erfolgen.

Der erfindungsgemäße Steller kann vorteilhaft analoge Stellgrößen von beliebigen Reglern, wie z. B. PI-, P, PID- oder Fuzzy-Reglern, verarbeiten.

Der Steller hat zur Bestimmung der Pulsdauer bzw. Pulsweite und des vorgebbaren Zeitintervalls P_max einen Zeitmesser, der jeweils zum Zeitpunkt der Generierung eines neuen Pulses P_i gestartet und/oder zurückgesetzt wird. Ist das Zeitintervall P_max abgelaufen und liegt die Reglerausgangsgröße y_R nicht in einem neuen Wertebereich, so wird erneut der letzte Puls P_i am Ausgang des Stellers generiert, wodurch das Stellglied für die Dauer des Pulses je nach Art des Stellgliedes ein- bzw. ausgeschaltet wird. Über- oder unterschreitet dagegen der Wert der Reglerausgangsgröße y_R einen Schwellwert a_i des aktuelle Wertebereichs während der Dauer P_max, so wird die Generierung des Pulses bzw. Zeitintervalls abgebrochen und ein neues Zeitintervall P_max gestartet und ein zu dem jeweiligen Wert der Reglerausgangsgröße y_R entsprechender Puls P_i generiert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Wertebereich W₀ die Pulsdauer Null zugeordnet ist. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Steller keine Pulse abgibt bzw. generiert, wenn der Wert der Reglerausgangsgröße y_R sehr klein, d. h. nahe des Nullpunktes ist. Das Stellglied wird somit nicht unnötig betätigt.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn mit größer werdendem Index i der Wertebereiche W_i die Pulsdauer der zugehörigen Pulse P_i insbesondere proportional zum Wertebereich bzw. der zugehörigen Schwellwerte a_i größer wird und die Pulsdauer des Pulses P_i=n gleich dem Zeitintervall P_max ist, wenn der Wertebereich in n Wertebereiche W_i=1..n unterteilt ist. Dies bedeutet, daß der Puls P_i=n mit der längsten Pulsdauer vom Steller generiert wird, sobald der größte Schwellwert a_i=n überschritten ist. Wird die Dauer des Pulses P_i=n z. B. gleich P_max gesetzt, wird das Stellglied permanent eingeschaltet, d. h. die maximale Leistung z. B. der Heizeinrichtung wird abgegeben. Ist der Wert Reglerausgangsgröße y_R in diesem Fall nach Ablauf des Zeitintervalls P_max noch größer als der größte Schwellwert a_i=n, so wird erneut der Puls P_i=n generiert. Das Stellglied bleibt somit permanent eingeschaltet.

In Versuchen hat sich gezeigt, daß ein optimales Reglerverhalten erzielbar ist, wenn das bestimmbare feste Zeitintervall P_max geringfügig größer oder gleich der Übergangszeit T_u ist.

Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Steller anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Einen Regelkreis gemäß des Standes der Technik;

Fig. 2: einen Regelgrößenverlauf als Antwort auf eine lange Einschaltdauer des Stellgliedes zur Bestimmung von T_u und T_a,

Fig. 3: einen Regelkreis gemäß dem Stand der Technik mit einem Dreipunkt-Regler;

Fig. 4: einen Regelkreis gemäß dem Stand der Technik mit einem PID-Regler und einer Pulsweitenmodulation;

Fig. 5: einen Regelkreis mit einem Fuzzy-Regler und einem Steller mit variabler Pulsweitenmodulation;

Fig. 6 und 7: einen zeitlichen Verlauf der Regleraus­ gangsgröße y_R und der vom Steller generierten Stellgröße;

Fig. 8: einen Regelkreis gem. Fig. 5 mit einer Schwellwertparametrierung;

Fig. 9: ein Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bestimmung der Pulsdauer des Pulses P_S, und

Fig. 10: ein Zeit-Diagramm, wobei die Temperatur mittels des periodisch generierten Pulses PS annähernd konstant gehalten wird.

Die Fig. 5 zeigt einen Regelkreis mit einem Fuzzy-Regler und einem erfindungsgemäßen Steller, der eine variable Pulsweitenmodulation ermöglicht. Der Steller hat einen Range-Spilt Einheit 6, die je nach Vorzeichen bzw. Wert der Reglerausgangsgröße y_R entscheidet, ob das Stellglied 2 für die Heizung oder das Stellglied 2 für die Kühlung angesteuert werden soll. Je nach Aufbau des Blocks 1, indem ebenfalls der Wert der Reglerausgangsgröße y_R verfolgt wird, kann die Range-Split-Einheit 6 entfallen. Mittels des Blocks 1 wird festgelegt, wann welcher Puls mittels der Stellglieder 2 für die Heiz- bzw. Kühleinrichtung generiert werden soll.

In Fig. 6 ist die Arbeitsweise des Blocks 1 im Zusammenspiel mit dem Stellglied bzw. Pulsgenerator 2 für die Heizungsansteuerung dargestellt. Im oberen Diagramm ist die Reglerausgangsgröße y_R über die Zeit aufgetragen.

Der Wertebereich der Reglerausgangsgröße y_R ist mittels des Schwellwertes a₁ in die Wertebereiche W₀ = {y_R | 0 ≦ y_R < a₁} und W₁ = {y_R | a₁ ≦ y_R < ∞} unterteilt. Zum Zeitpunkt, t = T₁ übersteigt y_R den Schwellwert a₁ und der Steller generiert den Puls P₁ bzw. das Zeitintervall P_max zu dessen Beginn der Puls P₁ generiert wird. Noch bevor das Zeitintervall P_max zu Ende ist, sinkt der Wert von y_R unter den Schwellwert a₁ bei t = T₂. Der Steller unterbricht in diesem Fall das erste Zeitintervall. Unterschreitet die Reglerausgangsgröße y_R während der Generierung eines Pulses P₁ den Schwellwert a₁. wie dies z. B. zum Zeitpunkt P₆ der Fall ist, so wird die Generierung des Pulses P₁ ebenfalls sofort abgebrochen und es wird der Nullpuls P₀ generiert, wobei gleichzeitig ein neues Zeitintervall P_max durch Rücksetzen und Starten des Zeitmessers gestartet wird. Bei erneutem Überschreiten des Schwellwertes a₁ kann somit sofort ein neuer Puls P₁ generiert werden, d. h., je nach Bedarf, wird unmittelbar der Puls P₁ generiert. Ein derartig beschaffener Steller ist in Fig. 7 dargestellt. Der Steller reagiert frühzeitig auf ein Absinken der Reglerausgangsgröße y_R und läßt die Heizung nicht länger eingeschaltet. Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Steller unterbrechen beim Über- und Unterschreiten eines Schwellwertes das vorangegangene Zeitintervall P_max, um einen entsprechenden Puls P_i zu generieren. Bei t = T₃ ist das zweite Zeitintervall P_max abgelaufen. Da die Reglerausgangsgröße y_R wertemäßig im Wertebereich W₀ liegt, wird der Null-Puls P₀ generiert. Gleichzeitig wird mittels des nicht dargestellten Zählers die ab dem Zeitpunkt T₃ verstrichene Zeit ermittelt, damit nach der Zeit P_max bei t = T₃ ein neuer Puls vorgegeben und generiert wird. Zum Zeitpunkt T₄ überschreitet y_R jedoch die Schwelle a₁. Sofort wird das bei T₃ gestartete Zeitintervall unterbrochen und der Puls P₁ generiert. Zu dem Zeitpunkt T₁₀ wird ebenfalls ein Null-Puls P₀ Zeitintervall unterbrochen. Aus dem untersten Zeitdiagramm der Fig. 6 geht hervor, wann die Heizung mittels des Stellers eingeschaltet ist. Es ist deutlich zu erkennen, daß sich die Einschaltcharakteristik von der einer Pulsweitenmodulation stark unterscheidet.

Mit dem Standartpuls P₁ kann eine optimierte Regelung eines stationär ablaufenden Prozesses realisiert werden. Durch zusätzliche Schwellwerte können vorteilhaft größere temporäre Störungen und instationäre Vorgänge berücksichtigt werden. Dabei unterteilen im Block 1 mehrere Schwellwerte a_i den Wertebereich von der Reglerausgangsgröße y_R in mehrere Wertebereiche W₁. In Abhänigkeit von dem Wert der Reglerausgangsgröße y_R, wird durch die Schwellwerte a₁ und a_i+1 ein Wertebereich W_i dem Wert der Reglerausgangsgröße y_R zugeordnet und der zu dem Wertebereich W_i gehörige Puls P_i generiert. Dabei definieren die Schwellwerte 0 und a₁ den Wertebereich W₀, die Schwellwerte a₁ und a₂ den Wertebereich W₁, etc.

Sobald der Wert von y_R einen Schwellwert a_i über- oder unterschreitet, wird das vorhergehende Zeitintervall unterbrochen und es wird ein neuer, entsprechend dem Wertebereich W_i gehöriger Puls P_i generiert und ein neues Zeitintervall P_max gestartet. Wird der als a₄ bezeichnete größte Schwellwert überschritten, was bei T₅ der Fig. 7 der Fall ist, wird ein Puls P₄ mit der maximalen Pulsdauer t = P_max generiert. Da der Wert von y_R nach Ablauf des mit dem Puls P₄ gestarteten Zeitintervalls P_max noch nicht unter den Schwellwert a₁ gefallen ist, wird erneut ein Puls generiert, der sich nahtlos an den vorhergehenden Puls P₄ anschließt. Die Heizung wird in diesem Fall zwischen den Pulsen nicht ausgeschaltet.

Zu den Zeitpunkten T₃, T₄, T₅, T₇ und T₉ wird jeweils das vorangehende Zeitintervall vom Steller frühzeitig abgebrochen und mit einem neuen Puls P_i erneut gestartet.

Die Fig. 8 zeigt einen ähnlichen Steller wie in Fig. 5 dargestellt, mit dem Unterschied, daß zusätzlich eine Schwellwertparametrierung vorgenommen wird. Durch eine derartige Umparametrierung läßt sich statt eines Mehrpunktreglers ein herkömmlicher Dreipunktregler einsetzen. Bei der Verwendung eines Dreipunktreglers wird beim Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes a_i der Reglerausgangsgröße y_R dem Dreipunkt-Regler der neue unter und obere Schwellwert zugeordnet, wobei gleichzeitig die neue zu den entsprechenden Schwellwerten gehörige Pulsdauer P_i, sowie die neuen Abbruchkriterien beim nächsten Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes a_i gesetzt werden. Ein derartiges Umparametrierungsverfahren läßt sich zudem programmiertechnisch leichter realisieren als ein Mehrpunktregler, wodurch durch die geringere Codelänge des Programms der Speicherbedarf kleiner ist.

Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen, wie eine streckenspezifische Pulsweite P_S bestimmbar ist. Die Größe der zu bestimmenden streckenspezifischen Pulsweite P_S hängt dabei von der vorher bestimmten Solltemperatur ab, wobei zu beachten ist, daß bei Temperaturregelungen nur eine geringe Arbeitspunktabhängigkeit gegeben ist, so daß bei geringen Änderungen des Sollwertes die Pulsweite P_S nur geringfügig variiert. Die streckenspezifische Pulsweite P_S ist so zu bestimmen, daß, wie in Fig. 10 dargestellt, durch periodisches Einschalten der Heizung bei einer festen Periodendauer von P_max mittels des Pulses P_S die Temperatur im Mittel konstant ist (ungefähr gleich dem vorher bestimmten Sollwert), d. h., die Temperatur ist zum Ende und zu Beginn der Periodendauer P_max gleich.

Entsprechend der Beschreibung der Fig. 2, wird zur Bestimmung der streckenspezifischen Pulsweite P_S zuerst die Verzugszeit T_u bestimmt, wobei für die weiteren Verfahrensschritte die maximale Periodendauer P_max gleich T_u gesetzt wird. Als nächstes wird eine typische Solltemperatur der Strecke festgelegt.

Mittels des Stellgliedes, in diesem Fall der Heizung, wird anschließend durch langes Einschalten der Heizung die Isttemperatur (Istgröße) zur Überschreitung der vorher festgelegten Solltemperatur (Sollgröße) gebracht. Ein Einregeln der Istgröße auf die Sollgröße ist dabei nicht möglich, da der Steller noch nicht abgestimmt ist.

Anschließend werden periodisch Pulse generiert, wobei die Pulsweite bzw. -dauer der generierten Pulse entsprechend der zeitlichen Änderung der Isttemperatur vergrößert bzw. verkleinert wird (iterative Annäherung), bis sich ein Istgrößen- bzw. Isttemperaturverlauf wie in Fig. 10 einstellt. Hierbei findet kein Vergleich von Soll- und Istwert statt. Die dabei zufällig entstehende Abweichung vom Sollwert kann toleriert werden, da sich die resultierende Pulsweite P_S* von der zum exakten Sollwert gehörigen Pulsweite P_S nur sehr geringfügig unterscheidet und in der Praxis keine Rolle spielt. Eine Abweichung von +/-10% kann durchaus toleriert werden.

Die so erhaltene streckenspezifische Pulsweite P_S ist ein genormter Wert, welcher bei beliebigen Regelstrecken als Grundlage zur Berechnung der Pulsweiten P_i benutzt werden kann. Die Gleichung für die Berechnung der einzelnen Pulsdauern P_i lautet: P_i = P_S . k.

Bei einer Ein-/Ausregelung, für die ein Steller benötigt wird, stellt sich immer eine Schwingung der Regelgröße ein. Diese Schwingung ist minimal für k = 1. Bei k < 1 kann der Sollwert nicht gehalten werden. Bei größer werdendem k werden die Schwingungen der Istgröße um die Sollgröße größer.

Bei dem erfindungsgemäßen Steller soll nur dann ein Puls ausgegeben werden, wenn der Schwellwert a₁ überschritten wird. Dies ist abhängig von den Eingangsgrößen und geschieht z. B., wenn die Isttemperatur 5°C unterhalb der Solltemperatur liegt. Ist k = 1, so reicht die durch die Heizung während der Einschaltdauer P₁ erzeugte Heizleistung lediglich aus, die Isttemperatur konstant zu halten, sofern keine nennenswerte Arbeitspunktabhängig­ keit vorliegt. Um die Isttemperatur anzuheben, muß demnach der Faktor k größer als 1 sein.

Es hat sich gezeigt, daß die Robustheit der Regeleinrichtung mit größer werdendem k zunimmt. Gleichsam wird jedoch auch die Amplitude der resultierenden Schwingung der Istgröße größer. Der Faktor k ist daher in Abhängigkeit von den Störungen, welche auf die Strecke wirken auszuwählen. Dabei gilt für k: So klein wie möglich, so groß wie nötig. Bei Temperaturregelungen für Extruder hat sich gezeigt, daß der Faktor k = 2 ein guter Kompromißwert ist.

Ist die Pulsdauer des Pulses P₁ ermittelt, so berechnen sich die Pulsdauern P_i z. B. gemäß der Formel P_i = P₁ . a_i/a₁. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Periodendauer exponentiell oder logarithmisch mit den Schwellwerten a_i zunimmt.

Claims (10)

1. Steller für einen Regelkreis, wobei der Steller in Abhängigkeit von einer Reglerausgangsgröße y_R eine Stellgröße y erzeugt, wobei der Wertebereich der Reglerausgangsgröße y_R in mindestens zwei Wertebereiche W_i durch mindestens einen vorgebbaren Schwellwert unterteilt ist, und jedem Wertebereich W_i der Reglerausgangsgröße y_R ein Puls P_i bestimmter zeitlicher Dauer zugeordnet ist, und der Steller in bestimmbaren festen Zeitintervallen P_max einen Puls P_i = k generiert, wenn der Wert der Reglerausgangsgröße y_R in dem Wertebereich W_i=k liegt, wobei das Zeitintervall P_max größer oder gleich der zeitlichen Dauer des längsten Pulses P₁ ist dadurch gekennzeichnet, daß der Steller auch während der Dauer des Zeitintervalls P_max einen zu dem jeweiligen neuen aktuellen Wertebereich W_i gehörigen Puls P_i generiert, sobald die Reglerausgangsgröße y_R einen Schwellwert a_i über- oder unterschreitet, wobei zugleich ein neues Zeitintervall P_max gestartet wird.

2. Steller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller einen Zeitmesser hat, der zum Zeitpunkt der Generierung eines neuen Pulses P_i gestartet und/oder zurückgesetzt wird.

3. Steller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf des bestimmbaren festen Zeitintervalls P_max der Steller den Zeitmesser zurücksetzt und erneut startet und gleichzeitig den zu dem momentanen Wert der Reglerausgangsgröße y_R gehörigen Puls P_i generiert.

4. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem Wertebereich W_i die Pulsdauer Null zugeordnet ist.

5. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wertebereich W₀ die Pulsdauer Null zugeordnet ist.

6. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Unterschreiten des Schwellwertes a₁ das letzte Zeitintervall bzw. der letzte generierte Puls P₁ unterbrochen wird und der Puls P₀ mit der Pulsdauer Null generiert wird.

7. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit größer werdendem Index i der Wertebereiche W₁ die Pulsdauer der zugehörigen Pulse P_i proportional zu den zugehörigen Schwellwerten a_i größer wird.

8. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sobald der größte Schwellwert a_i=n überschritten ist, der Puls P_i=n mit der längsten Pulsdauer vom Steller generiert wird.

9. Steller nach vorherigen Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Pulses P_i=n gleich dem Zeitintervall P_max ist.

10. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmbare feste Zeitintervall P_max größer oder gleich der Übergangszeit T_u ist.