DE19846447A1 - Regeleinrichtung zur Regelung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen mit jeweils einer Regelgröße (x¶1¶, x¶2¶) zugeordneten Reglern (10, 11). Der Strecke ist ein Entkopplungsnetzwerk mit zumindest einem ersten Entkopplungsglied (12) vorgeschaltet, das eine erste Korrekturgröße (14) bildet. Ein Regler (11) ist derart ausgebildet, daß ein Integrator-Windup vermieden wird, wenn die mit der Korrekturgröße (14) korrigiertge Ausgangsgröße (y¶2¶) eine Stellgrößenbegrenzung erreicht. Auch eine stroßfreie Hand-/Automatikumschaltung des Reglers wird ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung wird angewandt bei der Regelung von Mehrgrößensystemen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Aufsatz "Grundlegende Untersuchungen über die Ent­ kopplung von Mehrfachregelkreisen" von W. Engel, veröffent­ licht in "Regelungstechnik", 1966, Heft 12, Seiten 562 bis 568, ist bereits eine Regeleinrichtung für eine Regelstrecke, an der mehrere Größen geregelt werden, die sich gegenseitig beeinflussen, bekannt. Als Möglichkeiten zur Beschreibung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen, eines sogenannten Mehrgrößensystems, werden die P-kanonische und die V-kanonische Struktur angegeben. Wenn über die Zusammen­ hänge und über den Signalverlauf innerhalb einer Mehrfach­ regelstrecke nichts bekannt ist, wird vorgeschlagen, der Einfachheit halber die P-kanonische Struktur zur Beschreibung zu wählen. In einer P-kanonischen Struktur eines Übertra­ gungssystems hängt jede Ausgangsgröße von den Eingangsgrößen, nicht aber von anderen Ausgangsgrößen ab. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines 2 × 2-Mehrgrößensystems in P-kanonischer Struktur. Die Eingangsgrößen werden als y₁ und y₂, die Aus­ gangsgrößen als x₁ und x₂ bezeichnet. Bei einer Regelstrecke stellen die Eingangsgrößen y₂ und y₂ an Stellglieder gegebene Stellgrößen, die Ausgangsgrößen x₁ und x₂ mit meßtechnischen Hilfsmitteln erfaßte Regelgrößen der Strecke dar. Die gezeig­ te Struktur kann ohne weiteres für eine andere Zahl von Ein- und Ausgängen erweitert werden, wie es in dem obengenannten Aufsatz von Engel für ein nxn-System angegeben ist. Die bei­ den Übertragungsfunktionen g₁₁ und g₂₂ zwischen der Eingangs­ größe y₁ und der Ausgangsgröße x₁ bzw. zwischen der Eingangs­ größe y₂ und der Ausgangsgröße x₂ werden Hauptstrecken, die Übertragungsfunktionen g₁₂ und g₂₁ zwischen y₂ und x₁ bzw. zwischen y₁ und x₂ werden Koppelstrecken genannt.

Die P-kanonische Struktur hat den Vorteil, daß sie für den Anwender anschaulich ist und daß zur Identifikation der Übertragungsfunktionen in den Haupt- und Koppelstrecken auf übliche Verfahren zurückgegriffen werden kann. Ein dazu ge­ eignetes Identifikationsverfahren ist beispielsweise in der DE 41 20 796 A1 beschrieben. Die Identifikation der Über­ tragungsfunktionen g₁₁ und g₂₁ kann nach dem bekannten Ver­ fahren durchgeführt werden, indem die Eingangsgröße y₂ kon­ stantgehalten und mit der Eingangsgröße y₁ eine Anregungs­ funktion an die Übertragungsglieder, d. h. an die zu regelnde Strecke, gelegt wird. Aus den Reaktionen der Ausgangsgrößen x₁ und x₂ kann eine geeignete Übertragungsfunktion g₁₁ bzw. g₂₁ berechnet werden. In analoger Weise sind auch die Übertra­ gungsfunktionen g₁₂ und g₂₂ bei konstantgehaltener Eingangs­ größe y₁ zu ermitteln.

In dem eingangs genannten Aufsatz von Engel ist weiterhin angegeben, daß ein derartiges Mehrgrößensystem mit einer Ein­ richtung geregelt werden kann, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Der prinzipielle Aufbau wird wiederum anhand eines 2 × 2- Mehrgrößensystems beschrieben, das mit den bereits in Fig. 1 eingeführten Bezugszeichen versehen ist. Dem Mehrgrößensystem 1 ist ein Entkopplungsnetzwerk 2 in P-kanonischer Struktur vorgeschaltet. Durch Entkopplungsglieder 3 und 4 werden Über­ tragungsfunktionen k₂₁ bzw. k₁₂ realisiert, die beispielsweise nach den im Aufsatz von Engel beschriebenen Verfahren ermit­ telt werden können. Die Entkopplungsglieder k₂₁ und k₁₂ haben die Aufgabe, die Verkopplung innerhalb des Mehrgrößensystems 1, welches im gezeigten Regelkreis die Strecke darstellt, zu reduzieren, so daß die vorkompensierte Strecke 5, die aus der Strecke 1 und dem vorgeschalteten Entkopplungsnetzwerk 2 ge­ bildet wird, annähernd entkoppelt ist. Annähernd entkoppelt bedeutet hierbei, daß die Wirkungspfade von einem Ausgangs­ signal u₁ eines Reglers 6 mit einer Übertragungsfunktion r₁₁ auf die Regelgröße x₂ und von einem Ausgangssignal u₂ eines Reglers 7 mit einer Übertragungsfunktion r₂₂ auf die Regel­ größe x₁ für den Entwurf der Reglerübertragungsfunktionen r₁₁ und r₂₂ bedeutungslos sind. Im Idealfall existiert keine Wirkverbindung mehr zwischen der Ausgangsgröße u₁ und der Regelgröße x₂ bzw. zwischen der Ausgangsgröße u₂ und der Regelgröße x₁. Die vorkompensierte Strecke 5 zerfällt damit in zwei Eingrößenstrecken mit der Eingangsgröße u₁ und der Ausgangsgröße x₁ bzw. mit der Eingangsgröße u₂ und der Aus­ gangsgröße x₂, für die jeweils ein Eingrößenregler 6 bzw. 7 entworfen werden kann. Ein geeignetes Entwurfsverfahren für PI- oder PID-Regler in Eingrößensystemen ist beispielsweise das Betragsoptimum, das aus der EP 0 707 718 B1 bekannt ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Regeleinrichtung kann ohne weiteres auf einem Prozeßleitsystem implementiert werden. Verschiedene Reglertypen und Summationspunkte sind als Funktionsbausteine üblicherweise vorhanden; lediglich die Entkopplungsglieder müssen neu implementiert werden.

Die beschriebene Regeleinrichtung zeigt im linearen Betrieb gutes Regelverhalten. Es ist jedoch keine Strategie bekannt, mit welcher in der Praxis auftretende nichtlineare Fälle, beispielsweise wenn die Stellgröße y₁ in ihre Begrenzung läuft oder wenn die Regler 6 oder 7 zwischen Hand- und Auto­ matikbetrieb umgeschaltet werden, vorteilhaft behandelt wer­ den können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrich­ tung zur Regelung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen zu schaffen, die sich durch ein verbessertes Regelverhalten auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Regeleinrichtung der eingangs genannten Art die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Regelgröße, selbst wenn die zugehörige Stellgröße sich zuvor in der Stellgrößen­ begrenzung befunden hat, schnell auf eine Vorzeichenumkehr der jeweiligen Regeldifferenz am Eingang des Reglers rea­ giert. Ursache dafür ist, daß die Stellgrößenänderung sofort nach Vorzeichenumkehr der Regeldifferenz eine Umkehrung ihres Vorzeichens vollführt, da der sogenannte Integrator-Windup, d. h. ein Hochlaufen des Integrators eines PI- oder PID-Reg­ lers während sich die Stellgröße in ihrer Begrenzung be­ findet, vermieden wird. Wenn in einer Mehrgrößenregelung nur ein Entkopplungsglied verwendet wird, genügt es bereits, eine Stellgrößenbegrenzung lediglich anhand der mit der Korrektur­ größe des Entkopplungsglieds korrigierten Ausgangsgröße des jeweiligen Reglers zu erkennen und mit einer geeigneten Stra­ tegie einen Integrator-Windup zu vermeiden.

Zur Vermeidung eines Integrator-Windup können verschiedene Strategien eingesetzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Zustand, d. h. den Wert des Integralanteils, und den Aus­ gang des Reglers bei Erreichen der Stellgrößenbegrenzung konstantzuhalten. Eine weitere Möglichkeit ist, solange die korrigierte Ausgangsgröße bei Anlegen der Regeldifferenz an den Reglerkern die Stellgrößenbegrenzung erreichen oder über­ steigen würde, zur Vermeidung des Integrator-Windup eine derart ermittelte Größe anstelle der Regeldifferenz an den Reglerkern zu schalten, daß die korrigierte Ausgangsgröße des Reglers dem Wert der Stellgrößenbegrenzung entspricht. Diese Möglichkeit ist in der EP 0 707 718 B1 ausführlich beschrie­ ben, auf welche bezüglich weiterer Details verwiesen wird.

In vorteilhafter Weise kann ein Standardregler verwendet werden, in den bereits eine Einrichtung zur Vermeidung eines Integrator-Windup bei Stellgrößenbegrenzung sowie eine Ein­ richtung zur Störgrößenaufschaltung integriert ist, auf wel­ che die erste Korrekturgröße geführt werden kann. In diesem Fall erzeugt das Entkopplungsglied die erste Korrekturgröße in anschaulicher Weise nach einer Übertragungsfunktion, die für ein Entkopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form ermittelt ist.

Wenn in einer Strecke wechselseitige Verkopplungen der Regel­ größen bestehen, kann durch ein Entkopplungsnetzwerk mit Ent­ kopplungsgliedern für beide Verkopplungen und durch Korrektur der Reglerausgangsgröße mittels der Störgrößenaufschaltung in vorteilhafter Weise ein besseres Regelverhalten der Mehr­ größenregelung erreicht werden. Eine vorteilhaft einfache Möglichkeit zur Vermeidung des Integrator-Windup bei Er­ reichen der Stellgrößenbegrenzung ist das Konstanthalten des Zustands und der Ausgangsgröße des jeweiligen Reglers. Da­ durch wird erreicht, daß bei einer Vorzeichenumkehr der Regeldifferenz am Eingang des Reglers auch die Stellgrößen­ änderung sofort eine Umkehrung ihres Vorzeichens vollführt. Damit diese Maßnahme nicht durch eine inzwischen groß­ gewordene Störgröße auf der Störgrößenaufschaltung wirkungs­ los wird, können die Entkopplungsglieder, deren Korrektur­ größen auf die Störgrößenaufschaltung geführt sind, in vor­ teilhafter Weise derart ausgebildet werden, daß auch sie bei Erreichen der Stellgrößenbegrenzung ihre Zustände und ihre Korrekturgrößen konstanthalten.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung für ein 2 × 2-Mehrgrößensystem,

Fig. 4 ein Strukturbild eines Standard-PI-Reglers und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung für ein 3 × 3-Mehrgrößensystem.

In Fig. 3 ist eine Regeleinrichtung für ein 2 × 2-Mehrgrößen­ system, d. h. eine Strecke mit zwei Stellgrößen y₁ und y₂ sowie zwei Regelgrößen x₁ und x₂, dargestellt. Die Strecke wurde der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Zur Erzeugung der Stellgrößen y₁ und y₂ ist jeweils ein PI-Regler 10 bzw. 11 vorgesehen, der intern aus einer Führungsgröße w₁ bzw. w₂ und der Regelgröße x₁ bzw. x₂ jeweils eine Regeldifferenz bildet und die Stellgröße y₁ bzw. y₂ berechnet. Entkopplungs­ glieder 12 und 13 sind in bekannter Weise für eine Entkopp­ lung des 2 × 2-Mehrgrößensystems durch ein Entkopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form ermittelt und realisieren daher Über­ tragungsfunktionen k₂₁ bzw. k₁₂, die den Übertragungsfunk­ tionen der Entkopplungsglieder 3 bzw. 4 in Fig. 2 ent­ sprechen. An den y-Ausgängen der Entkopplungsglieder 12 und 13 gelieferte Korrekturgrößen 14 bzw. 15 sind auf d-Eingänge der Regler 11 bzw. 10 geführt, die für eine Einrichtung zur Störgrößenaufschaltung vorgesehen sind. Durch die Einrichtung zur Störgrößenaufschaltung wird jeweils eine Korrektur der Reglerausgangsgrößen vorgenommen. Die korrigierte Ausgangs­ größe wird an u-Ausgängen der Regler 10 bzw. 11 ausgegeben und bildet die Stellgröße y₁ bzw. y₂ für das 2 × 2-Mehrgrößen­ system. Auf die u-Eingänge der Entkopplungsglieder 12 und 13 sind die korrigierten Ausgangsgrößen y₁ bzw. y₂ nach Abzug der zweiten Korrekturgröße 15 bzw. der ersten Korrekturgröße 14 durch ein Subtrahierglied 16 bzw. 17 geschaltet. Aus der beschriebenen Verschaltung der Regler 10 und 11 sowie der Entkopplungsglieder 12 und 13 resultiert wiederum ein Ent­ kopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form. Die gezeigte Ver­ schaltung hat jedoch den Vorteil, daß die in Standardreglern für Eingrößensysteme bewährten Strategien zur Vermeidung eines Integrator-Windup sowie zur stoßfreien Hand-/Automatik­ umschaltung nun auch für Mehrgrößensysteme anwendbar sind. Ein Verzögerungsglied 18 mit der Übertragungsfunktion z^-1, durch welches Werte in einer Abtastregelung um einen Abtast­ schritt verzögert werden, ist dem Subtrahierglied 17 im Pfad der ersten Korrekturgröße 14 vorgeschaltet, um die durch die Verschaltung des Entkopplungsnetzwerks entstandene algebra­ ische Schleife aufzutrennen. Ohne dieses Verzögerungsglied 18 würde sich im Blockschaltbild nach Fig. 3 ein kreisförmiger Signalfluß ergeben und die Berechnungen in einer Abtast­ regelung könnten nicht in einem Zug durchgeführt werden. Es müßte in jedem Abtastschritt mit großem Rechenaufwand eine iterative Berechnung vorgenommen werden. Dieser Aufwand wird durch das zusätzliche Verzögerungsglied 18 in vorteilhafter Weise vermieden. Der erste Regler 10 und der zweite Regler 11 liefern an ihrem FB-Ausgang jeweils Steuersignale 19 bzw. 20, die anzeigen, ob die jeweilige korrigierte Ausgangsgröße eine Stellgrößenbegrenzung erreicht hat. Die Steuersignale 19 und 20 sind auf das zweite Entkopplungsglied 13 bzw. das erste Entkopplungsglied 12 geführt, die derart ausgebildet sind, daß sie bei gesetztem Steuersignal 19 oder 20 ihren Zustand und die zweite Korrekturgröße 15 bzw. die erste Korrektur­ größe 14 konstanthalten. Diese Maßnahme ist besonders dann vorteilhaft, wenn auch der jeweilige Regler 10 oder 11 bei Erreichen der Stellgrößenbegrenzung seinen Zustand und Aus­ gang konstanthält, da in diesem Fall bei einer Vorzeichen­ umkehr der Regeldifferenz die Änderung der jeweiligen Stell­ größe sofort ihr Vorzeichen umkehrt. Dadurch wird ein weiter verbessertes Regelverhalten der Regeleinrichtung nach Er­ reichen einer Stellgrößenbegrenzung gewährleistet. Die Ent­ kopplungsglieder 12 und 13 halten ihren Ausgang und ihren Zustand so lange konstant, bis die jeweilige Stellgröße die Begrenzung wieder verlassen hat und das entsprechende Steuer­ signal 20 bzw. 19 wieder zurückgesetzt wurde. Danach gehen die Entkopplungsglieder 12 und 13 wieder in Automatikbetrieb über. In Zustandsdarstellung lautet die Übertragungsfunktion eines linearen, dynamischen Entkopplungsglieds in der Be­ triebsart "Automatik", in welcher das jeweilige Steuersignal nicht gesetzt ist:

x(k + 1) = A.x(k) + b.u(k)

y(k) = c ^T.x(k) + d.u(k)

mit x - Zustandsvektor,
A - Systemmatrix,
b - Eingangsvektor,
c ^T - transponierter Ausgangsvektor und
d - Durchgangsfaktor.

In der Betriebsart "Halten" kann die Übertragungsfunktion der Entkopplungsglieder in Zustandsdarstellung durch die beiden Gleichungen beschrieben werden:

x(k + 1) = x(k)
y(k) = y(k-1)

In vorteilhafter Weise werden durch die stoßfreie Hand-/Auto­ matikumschaltung Einschwingvorgänge, die sonst nach dem Ein­ regeln eines Arbeitspunktes im Handbetrieb und Umschalten auf den Automatikbetrieb ablaufen würden, wesentlich verringert.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Standardreglers mit einem PI- oder PID-Reglerkern 40 gezeigt, auf welchen eine aus einer Führungsgröße w und einer Regelgröße x gebildete Regeldifferenz geführt ist. Der Reglerkern 40 ist zur Ver­ meidung von Integrator-Windup und zur stoßfreien Hand-/Auto­ matikumschaltung zusätzlich zum eigentlichen Regelalgorithmus um einige Funktionen erweitert. Im Automatikbetrieb und wenn die Stellgrößenbegrenzung nicht erreicht wird, erzeugt der Reglerkern 40 eine Ausgangsgröße y₀ in bekannter Weise nach dem jeweils verwendeten PI- oder PID-Algorithmus. Beispiels­ weise bei einem PID-Regler wird die Ausgangsgröße y₀ durch additive Überlagerung eines P-Anteils y_P, eines I-Anteils y₁ und eines D-Anteils y_D berechnet. Durch eine Einrichtung zur Störgrößenaufschaltung 41, die beispielsweise durch ein ein­ faches Summierglied realisiert werden kann, wird der Aus­ gangsgröße y₀ eine Störgröße d überlagert. Die auf diese Weise korrigierte Ausgangsgröße y₀ ist auf eine Einrichtung 42 zur Stellgrößenbegrenzung geschaltet, welche die korri­ gierte Ausgangsgröße auf den Stellbereich eines in Fig. 4 nicht dargestellten, dem Regler nachgeschalteten Stellglieds beschränkt. Durch die Einrichtung 42 wird das Steuersignal FB gebildet, welches anzeigt, ob die korrigierte Ausgangsgröße y₀ die Stellgrößenbegrenzung erreicht hat. Die Begrenzung des Reglers wirkt somit auf die Summe der Ausgangsgröße y₀ und der am d-Eingang des Reglers anliegenden Störgröße, welche in der in Fig. 3 gezeigten Verschaltung der Standardregler 10 und 11 eine durch ein Entkopplungsglied erzeugte Korrektur­ größe ist. Durch ein Steuersignal 43 wird ein Handbetrieb des Reglers eingestellt, falls dieses gesetzt ist. Im Handbetrieb gibt der Regler den Wert eines Signals y_N an seinem u-Ausgang aus, sofern das Signal y_N nicht die Stellgrößenbegrenzung er­ reicht. Um eine stoßfreie Umschaltung von Hand- in Automatik­ betrieb zu erreichen, wird der I-Anteil des Reglerkerns 40 unmittelbar nach Einstellen des Automatikbetriebs durch Rück­ setzen des Signals 43 folgendermaßen initialisiert:

Y_I = y_N-y_P-y_D-d.

Das Steuersignal FB ist auf den Reglerkern 40 geführt und leitet bei diesem eine Strategie zur Vermeidung eines Integrator-Windup ein, wenn die mit der Korrekturgröße am d-Eingang korrigierte Ausgangsgröße y₀ des Reglerkerns 40 eine Stellgrößenbegrenzung erreicht. Eine Möglichkeit zur Vermeidung eines Integrator-Windup ist, eine derart ermit­ telte Größe anstelle der Regeldifferenz im PID-Algorithmus des Reglerkerns einzusetzen, daß die korrigierte Ausgangs­ größe des Reglers gerade dem Wert der Stellgrößenbegrenzung entspricht. Bei dieser Strategie wird also auch der Wert am d-Eingang des Reglers berücksichtigt. Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung des Integrator-Windup ist es, den Zustand und die Ausgangsgröße y₀ des Reglerkerns 40 konstantzuhalten, solange die Stellgrößenbegrenzung erreicht wird und das Steuersignal FB gesetzt ist. Diese Strategie hat den Vorteil, daß unmittelbar nach einer Vorzeichenumkehr der Regeldiffe­ renz auch die Änderung der Stellgröße ihr Vorzeichen umkehrt. Dieser Vorteil wird insbesondere dadurch verstärkt, daß auch Entkopplungsglieder, deren Korrekturgrößen auf den d-Eingang des Reglers geführt sind, ihren Zustand und ihre Korrektur­ größe konstanthalten, solange das Steuersignal FB gesetzt ist.

Anhand Fig. 5 wird der Aufbau einer Regeleinrichtung für ein 3 × 3-Mehrgrößensystem beschrieben. Die Regeleinrichtung ent­ hält drei Regler 50, 51 und 52, die jeweils in einfacher Weise als Standard-PI-Regler für Eingrößensysteme ausgebildet sein können. Die Regler 50, 51 und 52 erzeugen jeweils Stell­ größen y₁, y₂ bzw. y₃, die auf ein in Fig. 5 nicht darge­ stelltes 3 × 3-Mehrgrößensystem als Regelstrecke geführt sind. An dem 3 × 3-Mehrgrößensystem erfaßte Regelgrößen x₁, x₂ und x₃ werden in den Reglern 50, 51 bzw. 52 mit Führungsgrößen w₁, w₂ bzw. w₃ verglichen und daraus Regeldifferenzen berechnet. Entkopplungsglieder 53, 54, 55, 56, 57 und 58 dienen jeweils zur Entkopplung der Regelgrößen x₁, x₂ und x₃ des 3 × 3-Mehr­ größensystems. Diese wurden für ein Entkopplungsnetzwerk mit P-kanonischer Struktur entworfen. Das Entkopplungsglied 53 realisiert eine Übertragungsfunktion k₂₁, das Entkopplungs­ glied 54 eine Übertragungsfunktion k₃₁, das Entkopplungsglied 55 eine Übertragungsfunktion k₁₂, das Entkopplungsglied 56 eine Übertragungsfunktion k₃₂, das Entkopplungsglied 57 eine Übertragungsfunktion k₁₃ und das Entkopplungsglied 58 eine Übertragungsfunktion k₂₃. Die Indizes i und j in den Bezeich­ nungen der Übertragungsfunktionen k_ij geben an, daß die Regelgröße x_i mit gleichem Index i durch das jeweilige Ent­ kopplungsglied von der Regelgröße x_j mit gleichem Index j entkoppelt wird. Durch ein Summierglied 59 werden die von dem Entkopplungsglied 55 gebildete Korrekturgröße und die Korrek­ turgröße des Entkopplungsglieds 57 aufsummiert und das Ergeb­ nis auf den d-Eingang des Reglers 50 sowie auf ein Subtra­ hierglied 60 geschaltet, das diese Summe wiederum von der Stellgröße y₁ subtrahiert und so Eingangsgrößen bildet, die auf die u-Eingänge der Entkopplungsglieder 53 und 54 geschal­ tet sind. In entsprechender Weise sind auch die d-Eingänge der Regler 51 und 52 sowie die u-Eingänge der Entkopplungs­ glieder 55, 56, 57 und 58 beschaltet. Verzögerungsglieder 61 und 62 dienen analog zum Verzögerungsglied 18 in Fig. 3 zur Auflösung einer algebraischen Schleife bei einer zeitdiskre­ ten Realisierung der dargestellten Reglerstruktur. Für Mehr­ größensysteme mit mehr als drei Ein- und Ausgängen kann die in Fig. 5 dargestellte Struktur der Regeleinrichtung in entsprechender Weise erweitert werden.

Bei den in den Fig. 3 und 5 gezeigten Regeleinrichtungen können selbstverständlich Entkopplungsglieder weggelassen werden, wenn zwischen den jeweiligen Regelgrößen nur schwache oder keine Kopplungen bestehen. Entfällt beispielsweise in Fig. 3 das Entkopplungsglied 13, so kann auch auf das Sum­ mierglied 17, das Subtrahierglied 16 und die Beschaltung der Störgrößenaufschaltung des Reglers 10 verzichtet werden.

Bei Regeleinrichtungen für Mehrgrößensysteme, wie sie in den Fig. 2, 3 und 5 dargestellt sind, ist generell zu be­ achten, daß einzelne Regler nur in Handbetrieb genommen werden sollten, wenn die Strecke die Voraussetzung der verallgemeinerten Diagonaldominanz erfüllt. Bezüglich der Definition der verallgemeinerten Diagonaldominanz eines nxn-Mehrgrößensystems wird auf "Regelungstechnik II: Mehr­ größensysteme, Digitale Regelung", J. Lunze, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1997, Seiten 307 bis 326, ver­ wiesen.

Die beschriebene Regeleinrichtung ist als zeitdiskreter Reg­ ler in einem Automatisierungsgerät oder einer Recheneinheit eines Prozeßleitsystems sowie als analoger Regler mit Analog­ rechenbausteinen realisierbar. Im letzteren Fall können die Verzögerungsglieder 18, 61 und 62 entfallen.

Claims (7)

1. Regeleinrichtung zur Regelung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen,
mit Reglern (10, 11), die jeweils einer Regelgröße (x₁, x₂) zugeordnet sind,
mit einem der Strecke vorgeschalteten Entkopplungsnetzwerk mit zumindest einem ersten Entkopplungsglied (12), auf wel­ ches die Ausgangsgröße (y₁) eines ersten Reglers (10) geführt ist und das eine erste Korrekturgröße (14) für die Ausgangs­ größe (y₂) eines zweiten Reglers (11) zur Verringerung der Kopplung zwischen den Regelgrößen (x₁, x₂) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Regler (11) einen PI- oder PID-Reglerkern (40) aufweist und derart ausgebildet ist, daß ein Integrator- Windup vermieden wird, wenn die mit der ersten Korrekturgröße (14) korrigierte Ausgangsgröße (y₂) des Reglerkerns (40) des zweiten Reglers (11) eine Stellgrößenbegrenzung erreicht.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß das erste Entkopplungsglied (12) die erste Korrekturgröße (14) nach einer Übertragungsfunktion (k₂₁) erzeugt, die für ein Entkopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form ermittelt ist, und
daß der zweite Regler (11) eine Einrichtung (41) zur Stör­ größenaufschaltung aufweist, auf welche die erste Korrektur­ größe (14) geführt ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß das Entkopplungsnetzwerk ein zweites Entkopplungsglied (13) aufweist, auf welches die korrigierte Ausgangsgröße (y₂) des zweiten Reglers (11) nach Abzug der ersten Korrekturgröße (14) geführt ist und das eine zweite Korrekturgröße (15) für die Ausgangsgröße (y₁) des ersten Reglers (10) nach einer Übertragungsfunktion (k₁₂) erzeugt, die für ein Entkopplungs­ netzwerk in P-kanonischer Form ermittelt ist,
daß die Ausgangsgröße (y₁) des ersten Reglers (10) nach Abzug der zweiten Korrekturgröße (15) auf das erste Entkopplungs­ glied (12) geführt ist,
daß der erste Regler (10) einen PI- oder PID-Reglerkern (40) und eine Einrichtung (41) zur Störgrößenaufschaltung auf­ weist, auf welche die zweite Korrekturgröße (15) geführt ist, und
daß der erste Regler (10) derart ausgebildet ist, daß ein Integrator-Windup vermieden wird, wenn die mit der zweiten Korrekturgröße (15) korrigierte Ausgangsgröße (y₁) des ersten Reglers (10) eine Stellgrößenbegrenzung erreicht.

4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, solange die korrigierte Ausgangsgröße (y₂) bei Anlegen der Regeldifferenz an den Reglerkern (40) des zweiten Reglers (11) die Stellgrößenbegrenzung erreichen oder übersteigen würde, zur Vermeidung eines Integrator-Windup eine derart ermittelte Größe anstelle der Regeldifferenz im Reglerkern eingesetzt wird, daß die korrigierte Ausgangsgröße (y₂) des zweiten Reglers (11) dem Wert der Stellgrößenbegrenzung ent­ spricht.

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des Integrator-Windup bei Erreichen der Stellgrößenbegrenzung der Zustand und die Ausgangsgröße des zweiten Reglers (11) konstantgehalten werden.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß der zweite Regler (11) ein Steuersignal (FB) erzeugt, das bei Erreichen der Stellgrößenbegrenzung gesetzt wird, und
daß das erste Entkopplungsglied (12) derart ausgebildet ist,
daß es bei gesetztem Steuersignal (FB) seinen Zustand und die erste Korrekturgröße (14) konstant hält.

7. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zweite Regler (11) zwischen Hand- und Automatikbetrieb umschaltbar ist, derart, daß die Umschaltung bezüglich der korrigierten Ausgangsgröße (y₂) des zweiten Reglers (11) stoßfrei erfolgt.