DE19919595A1

DE19919595A1 - Control unit for control of segment with several coupled controlled variables

Info

Publication number: DE19919595A1
Application number: DE1999119595
Authority: DE
Inventors: Stefan Bergold; Madhukar Pandit; Bernd-Markus Pfeiffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2000-11-02

Abstract

The unit controls a segment with several coupled control variables, each with a unit (11,12) assigned to a control variable (x1,x2). The first unit (12) forms a first correction value (14). The second unit (11) has a PID control core arranged so an integrator windup is avoided if the corrected output value (y2), corrected with the first correction value (14) of the core of the second unit, reaches a control variable limit. A first decoupling unit (12) provides the correction value (14) according to a transfer function . The function is determined for the decoupling network in P-canonic form.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Strecke mit mehreren verkoppelten Regelgrößen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a control device for control a system with several linked controlled variables after the Preamble of claim 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 Ein fachheit halber die P-kanonische Struktur zur Beschreibung zu wählen. In einer P-kanonischen Struktur eines Übertragungs systems 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 y₁ 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 y₂ 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.From the essay "Basic investigations on the decoupling of multiple control loops" by W. Engel, published in "Regelstechnik", 1966, number 12, pages 562 to 568, a control device for a controlled system is already known, on which several variables are controlled, that influence each other. The P-canonical and the V-canonical structure are given as possibilities for describing a system with several coupled controlled variables, a so-called multi-variable system. If nothing is known about the interrelationships and about the signal curve within a multiple controlled system, it is proposed to choose the P-canonical structure for the sake of simplicity. In a P-canonical structure of a transmission system, each output variable depends on the input variables, but not on other output variables. Fig. 1 shows a block diagram of a 2 x 2 MIMO system in P-canonical structure. The input variables are referred to as y ₁ and y ₂ , the output variables as x ₁ and x ₂ . In the case of a controlled system, the input variables y ₁ and y ₂ are control variables given to actuators, and the output variables x ₁ and x _{2 represent} controlled variables of the controlled system which are measured using measuring aids. The structure shown can easily be expanded for a different number of inputs and outputs as indicated in the Engel article above for an nxn system. The transfer functions g ₁₁ and g ₂₂ between the input variable y ₂ and the output variable x ₁ or between the input variable y ₂ and the output variable x ₂ become main lines, the transfer functions g ₁₂ and g ₂₁ between y ₂ and x ₁ and between y ₁ and x ₂ are called coupling links.

Die P-kanonische Struktur hat den Vorteil, daß sie für den Anwender anschaulich ist und daß zur Identifikation der Über tragungsfunktionen in den Haupt- und Koppelstrecken auf üb liche 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.The P-canonical structure has the advantage that it is clear to the user and that usual methods can be used to identify the transfer functions in the main and coupling links. A suitable ge identification method is described for example in DE 41 20 796 A1. The identification of the transfer functions g ₁₁ and g ₂₁ can be carried out in accordance with the known method, in that the input variable y _{2 is} kept constant and with the input variable y ₁ an excitation function is applied to the transmission elements, ie to the line to be controlled. A suitable transfer function g ₁₁ or g ₂₁ can be calculated from the reactions of the output variables x ₁ and x ₂ . The transfer functions g ₁₂ and g ₂₂ can also be determined in an analogous manner with input variable y _{1 held} constant.

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.In the above-mentioned article by Engel it is further stated that such a multi-size system can be regulated with a device as shown in FIG. 2. The basic structure is again described using a 2 × 2 multivariable system which is provided with the reference symbols already introduced in FIG. 1. The multivariable system 1 is preceded by a decoupling network 2 in a P-canonical structure. By decoupling elements 3 and 4 transfer functions k ₂₁ and k _{12 are} realized, which can be determined, for example, by the method described in the article by Engel. The decoupling elements k ₂₁ and k ₁₂ have the task of reducing the coupling within the multivariable system 1 , which represents the path in the control loop shown, so that the precompensated path 5 , which is formed from the path 1 and the upstream decoupling network 2 , is almost decoupled. Approximately decoupled here means that the action paths from an output signal u _{1 of} a controller 6 with a transfer function r ₁₁ to the controlled variable x ₂ and from an output signal u _{2 of} a controller 7 with a transfer function r ₂₂ to the controlled variable x ₁ for the design the controller transfer functions r ₁₁ and r _{22 are} meaningless. Ideally, there is no longer an active connection between the output variable u ₁ and the controlled variable x ₂ or between the output variable u ₂ and the controlled variable x ₁ . The precompensated section 5 thus breaks down into two single-size sections with the input variable u ₁ and the output variable x ₁ or with the input variable u ₂ and the output variable x ₂ , for each of which a single-size controller 6 or 7 can be designed. A suitable design method for PI or PID controllers in one-size systems is, for example, the optimum amount, which is known from EP 0 707 718 B1.

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.The control device shown in FIG. 2 can be easily implemented on a process control system. Different controller types and summation points are usually available as function blocks; only the decoupling elements have to be newly implemented.

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.The control device described shows good control behavior in linear operation. However, no strategy is known with which non-linear cases occurring in practice, for example if the manipulated variable y _{1 runs} within its limits or if the controllers 6 or 7 are switched between manual and automatic operation, can be treated advantageously.

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.The invention has for its object a Regeleinrich device for controlling a route with several coupled To create controlled variables that are characterized by an improved Characterized control behavior.

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. To solve this problem, the new control device of type mentioned the features specified in claim 1 on. Advantageous further developments are in the subclaims described.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Regelgröße, selbst wenn die zugehörige Stellgröße sich zuvor in der Stell größenbegrenzung befunden hat, schnell auf eine Vorzeichen umkehr der jeweiligen Regeldifferenz am Eingang des Reglers reagiert. Ursache dafür ist, daß die Stellgrößenänderung sofort nach Vorzeichenumkehr der Regeldifferenz eine Um kehrung ihres Vorzeichens vollführt, da der sogenannte Inte grator-Windup, d. h. ein Hochlaufen des Integrators eines PI- oder PID-Reglers während sich die Stellgröße in ihrer Begren zung befindet, vermieden wird. Wenn in einer Mehrgrößen regelung nur ein Entkopplungsglied verwendet wird, genügt es bereits, eine Stellgrößenbegrenzung lediglich anhand der mit der Korrekturgröße des Entkopplungsglieds korrigierten Aus gangsgröße des jeweiligen Reglers zu erkennen und mit einer geeigneten Strategie einen Integrator-Windup zu vermeiden.The invention has the advantage that the controlled variable, itself if the associated manipulated variable has previously been size limit quickly found on a sign reversal of the respective control difference at the input of the controller responds. The reason for this is that the manipulated variable change immediately after reversing the sign of the control difference reversed their sign, since the so-called Inte grator windup, d. H. a start-up of the integrator of a PI or PID controller while the manipulated variable is in its limit tongue is avoided. If in a multisize regulation only one decoupling element is used, it is sufficient already, a manipulated variable limitation only on the basis of the correction variable of the decoupling element corrected off variable of the respective controller and with a strategy to avoid an integrator windup.

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.To avoid an integrator windup, various Strategies are used. One way is the condition, d. H. the value of the integral part, and the off of the controller when the manipulated variable limit is reached to keep constant. Another option is as long as the corrected output variable when creating the control difference reach the control core limit or via would go up to avoid the integrator windup size determined in this way instead of the control difference at the Controller core to switch that the corrected output of the Controller corresponds to the value of the manipulated variable limit. This Possibility is described in detail in EP 0 707 718 B1 to which reference is made for further details.

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.A standard controller can advantageously be used are already in a facility to avoid a Integrator windup for manipulated variable limitation and an on direction for feedforward control is integrated, on which the first correction variable can be performed. In this In this case, the decoupling element generates the first correction variable in a vivid manner according to a transfer function that determined for a decoupling network in P-canonical form is.

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.If in a route reciprocal couplings are the rule sizes can exist through a decoupling network with Ent coupling elements for both couplings and by correction the controller output variable by means of the feedforward control in advantageously a better control behavior of the more size control can be achieved. An advantageously simple one Possibility of avoiding the integrator windup at Er range of the manipulated variable limitation is keeping the State and the output variable of the respective controller. There is achieved by the fact that the Control difference at the input of the controller also the manipulated variables change immediately reverses their sign. So this measure is not going to be great by now The disturbance variable has an effect on the disturbance variable connection gets rid of the decoupling elements, their correction variables are led to the feedforward control in front be trained in such a way that they too Reaching the manipulated variable limit their states and their Keep correction values constant.

In einer weiter verbesserten Ausbildung des Entkopplungs glieds hält dieses bei Erreichen der Stellgrößenbegrenzung seine jeweilige Korrekturgröße konstant und paßt seinen Zu stand entsprechend der Eingangsgröße derart an, daß ein stoß freies Umschalten bei Verlassen der Stellgrößenbegrenzung er folgen kann.In a further improved training of the decoupling member keeps this when the manipulated variable limit is reached its respective correction quantity constant and fits its zu was in line with the input size so that a bump free switching when leaving the manipulated variable limit can follow.

Vorteilhaft kann ein Regler derart zwischen Hand- und Auto matikbetrieb umschaltbar ausgeführt werden, daß die Umschal tung stoßfrei erfolgt und keine Sprung- oder stoßförmige An regung der korrigierten Ausgangsgröße des Reglers, d. h. der Stellgröße der Strecke, entsteht. Damit werden Einschwing vorgänge und ein unnötiger Verschleiß des Stellglieds ver mieden. A controller can advantageously be between manual and auto matikbetrieb reversible that the Umschal bump-free and no jump or bump-shaped excitation of the corrected output variable of the controller, d. H. the Actuating variable of the route arises. This will settle in processes and unnecessary wear of the actuator ver avoided.

Erzeugt ein Regler ein weiteres Steuersignal, das im Hand betrieb gesetzt wird, und wird durch das jeweilige Ent kopplungsglied ein vorgegebener Wert der Korrekturgröße bei Handbetrieb auf den Regler gegeben, so wird in vorteilhafter Weise ein unkontrolliertes Anwachsen oder Weglaufen der Korrekturgröße ausgeschlossen, das sonst aufgrund der Ver schaltung des Entkopplungsglieds in der Regeleinrichtung entstehen könnte. Den Wert Null als Wert der Korrekturgröße für Handbetrieb vorzugeben, hat den Vorteil, daß keinerlei Änderungen der Stellgröße durch das zugeordnete Entkopplungs glied verursacht werden. Zudem kann ein stoßfreies Umschalten von Hand- auf Automatikbetrieb in vorteilhafter Weise er reicht werden, indem das jeweilige Entkopplungsglied im Hand betrieb seine Zustände auf Null setzt und ein Arbeitspunkt des Entkopplungsglieds durch Überlagerung einer Kompensa tionsgröße derart eingestellt wird, daß das Entkopplungsglied den vorgegebenen Wert Null erzeugt. Dieser Arbeitspunkt wird nach Rücksetzen des weiteren Steuersignals, d. h. nach Um schalten von Hand- auf Automatikbetrieb, beibehalten.A controller generates another control signal that is in hand is set, and is by the respective Ent Coupling element with a predetermined value of the correction variable Given manual operation on the controller, it becomes more advantageous Way, an uncontrolled growth or runaway Correction size excluded, which otherwise due to Ver circuit of the decoupling element in the control device could arise. The value zero as the value of the correction variable Specifying for manual operation has the advantage that none Changes in the manipulated variable through the assigned decoupling limb caused. In addition, a bumpless switchover from manual to automatic mode in an advantageous manner be enough by the respective decoupling member in hand operation sets its states to zero and an operating point the decoupling element by superimposing a compensa tion size is set such that the decoupling member generates the specified value zero. This working point will after resetting the further control signal, d. H. after order switch from manual to automatic mode, maintained.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Using the drawings, in which embodiments of the Invention are shown below, the invention as well as configurations and advantages explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung für ein 2×2-Mehrgrößensystem, Fig. 3 is a block diagram of a control device for a 2 x 2 MIMO system,

Fig. 4 ein Strukturbild eines Standard-PI-Reglers und Fig. 4 is a structural diagram of a standard PI controller and

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung für ein 3×3-Mehrgrößensystem. Fig. 5 is a block diagram of a control device for a 3 × 3 multi-size system.

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 im Automatikbetrieb Übertragungsfunktionen k₂₁ bzw. k₁₂, die den Übertragungsfunktionen der Entkopplungsglieder 3 bzw. 4 in Fig. 2 entsprechen. An den y-Ausgängen der Entkopplungs glieder 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 korri gierte Ausgangsgröße wird an u-Ausgängen der Regler 10 bzw. 11 ausgegeben und bildet die Stellgröße y₁ bzw. y₂ für das 2×2-Mehrgrößensystem. Auf die u-Eingänge der Entkopplungs glieder 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 Entkopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form. Die gezeigte Verschaltung hat jedoch den Vorteil, daß die in Standardreglern für Eingrößensysteme bewährten Strategien zur Vermeidung eines Integrator-Windup sowie zur stoßfreien Hand-/Automatikumschaltung nun auch für Mehrgrößensysteme anwendbar sind. Ein Verzögerungsglied 18 mit der Übertra gungsfunktion z^-1, durch welches Werte in einer Abtastrege lung um einen Abtastschritt verzögert werden, ist dem Sub trahierglied 17 im Pfad der ersten Korrekturgröße 14 vor geschaltet, um die durch die Verschaltung des Entkopplungs netzwerks entstandene algebraische Schleife aufzutrennen. Ohne dieses Verzögerungsglied 18 würde sich im Blockschalt bild nach Fig. 3 ein kreisförmiger Signalfluß ergeben und die Berechnungen in einer Abtastregelung könnten nicht in einem Zug durchgeführt werden. Es müßte in jedem Abtast schritt mit großem Rechenaufwand eine iterative Berechnung vorgenommen werden. Dieser Aufwand wird durch das zusätzliche Verzögerungsglied 18 in vorteilhafter Weise vermieden.In Fig. 3 is a control device for a 2 × 2 multi-variable system, that is, a track with two manipulated variables y ₁ and y _2, and two controlled variables x ₁ and x ₂ are represented. The route has been omitted for clarity. To generate the manipulated variables y ₁ and y ₂ , a PI controller 10 or 11 is provided, which internally forms a control difference from a reference variable w ₁ or w ₂ and the controlled variable x ₁ or x ₂ and the manipulated variable y ₁ or y ₂ calculated. Decoupling elements 12 and 13 are determined in a known manner for a decoupling of the 2 × 2 multivariate system by a decoupling network in P-canonical form and therefore implement transfer functions k ₂₁ and k ₁₂ in automatic mode, which are the transfer functions of the decoupling elements 3 and 4 in Fig. 2 correspond. At the y outputs of the decoupling elements 12 and 13 supplied correction quantities 14 and 15 are guided to d inputs of the controllers 11 and 10 , which are provided for a device for feedforward control. The controller output variables are corrected in each case by the device for feedforward control. The corrected output variable is output at the u outputs of the controllers 10 and 11 and forms the manipulated variable y ₁ and y ₂ for the 2 × 2 multivariable system. The corrected output variables y ₁ and y _{2 are switched} to the u inputs of the decoupling elements 12 and 13 after subtracting the second correction variable 15 and the first correction variable 14 by a subtractor 16 and 17 , respectively. The described connection of the controllers 10 and 11 and the decoupling elements 12 and 13 in turn results in a decoupling network in P-canonical form. However, the connection shown has the advantage that the strategies for avoiding an integrator windup and for bumpless manual / automatic switching, which have been tried and tested in standard controllers for one-size systems, can now also be used for multi-size systems. A delay element 18 with the transfer function z ^-1 , by means of which values in a sampling control are delayed by one sampling step, is connected in front of the subtractor element 17 in the path of the first correction variable 14 in order to separate the algebraic loop created by the interconnection of the decoupling network . Without this delay element 18 , a circular signal flow would result in the block diagram according to FIG. 3 and the calculations in a sampling control could not be carried out in one go. An iterative calculation would have to be carried out in each sampling step with great computational effort. This effort is advantageously avoided by the additional delay element 18 .

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 Stellgrößen begrenzung erreicht hat. Die Steuersignale 19 und 20 sind auf das zweite Entkopplungsglied 13 bzw. das erste Entkopplungs glied 12 geführt, die derart ausgebildet sind, daß sie bei gesetztem Steuersignal 19 oder 20 die zweite Korrekturgröße 15 bzw. die erste Korrekturgröße 14 konstanthalten. Diese Maßnahme ist besonders dann vorteilhaft, wenn auch der je weilige Regler 10 oder 11 bei Erreichen der Stellgrößen begrenzung seinen Zustand und Ausgang konstanthält, da in diesem Fall bei einer Vorzeichenumkehr der Regeldifferenz die Änderung der jeweiligen Stellgröße sofort ihr Vorzeichen um kehrt. Dadurch wird ein weiter verbessertes Regelverhalten der Regeleinrichtung nach Erreichen einer Stellgrößen begrenzung gewährleistet. Die Entkopplungsglieder 12 und 13 halten ihren Ausgang so lange konstant, bis die jeweilige Stellgröße die Begrenzung wieder verlassen hat und das ent sprechende Steuersignal 20 bzw. 19 wieder zurückgesetzt wurde. Danach gehen die Entkopplungsglieder 12 und 13 wieder in Automatikbetrieb über.The first controller 10 and the second controller 11 each deliver control signals 19 and 20 at their FB output, which indicate whether the respective corrected output variable has reached a manipulated variable limit. The control signals 19 and 20 are guided to the second decoupling member 13 and the first decoupling member 12 , which are designed such that they keep the second correction variable 15 or the first correction variable 14 constant when the control signal 19 or 20 is set. This measure is particularly advantageous if the respective controller 10 or 11 keeps its state and output constant when the manipulated variable limit is reached, since in this case the change in the respective manipulated variable immediately reverses its sign when the control difference is reversed. This ensures a further improved control behavior of the control device after reaching a manipulated variable limit. The decoupling elements 12 and 13 keep their output constant until the respective manipulated variable has left the limit and the corresponding control signal 20 or 19 has been reset. Then the decoupling elements 12 and 13 go back into automatic mode.

Um einen stoßfreien Übergang vom Begrenzungsbetrieb zurück in den Automatikbetrieb zu erreichen, passen die Entkopplungs glieder 12 und 13 ihren Zustand bei jeweils gesetzten Steuer signalen 20 bzw. 19 entsprechend den jeweils an ihren u-Ein gängen anliegenden Signalen an.In order to achieve a bumpless transition from limiting operation back to automatic operation, the decoupling elements 12 and 13 adjust their state with control signals 20 and 19 respectively set in accordance with the signals present at their u inputs.

Zudem liefern der erste Regler 10 und der zweite Regler 11 an ihrem FH-Ausgang jeweils weitere Steuersignale 21 bzw. 22, die gesetzt werden, wenn sich der jeweilige Regler im Hand betrieb befindet. Die Signale 21 und 22 sind auf das je weilige Entkopplungsglied 13 bzw. 12 geführt und zeigen diesen einen eventuell eingestellten Handbetrieb an. Durch Umschalten der Betriebsart der Entkopplungsglieder 12 und 13 wird erreicht, daß die Größe des am jeweiligen d-Eingang eines Reglers anliegenden Signals bei Handbetrieb nicht über alle Grenzen anwächst oder wegläuft. Wird beispielsweise für den Regler 10 ein konstanter Handwert vorgegeben, so könnte ohne diese Maßnahme das Signal 15 am d-Eingang des Reglers 10 über alle Grenzen anwachsen, obwohl die Übertragungsfunktion des Entkopplungsglieds 13 als solche stabil ist. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, alle auf den jeweiligen in Hand betrieb befindlichen Regler einwirkenden Korrekturgrößen für die Dauer des Handbetriebs auf einen definierten Wert zu setzen. Dabei hat der Wert Null den Vorteil, daß der vor gegebene Handwert unverändert als Stellgröße ausgegeben wird. Damit der Übergang von Handbetrieb in Automatikbetrieb stoß frei erfolgt, werden zudem die inneren Zustände und ein Ar beitspunkt der auf den betreffenden Regler einwirkenden Ent kopplungsglieder gezielt gesetzt. Vorteilhaft ist es, die inneren Zustände der Entkopplungsglieder bei angezeigtem Handbetrieb ebenfalls auf Null zu setzen und den Arbeitspunkt derart zu wählen, daß sich die Zustände und der Ausgang des Entkopplungsglieds bei dem jeweils an dem Entkopplungsglied anliegenden Eingangssignal ebenfalls zu Null berechnen und bei konstantem Eingangssignal dort verbleiben. Meldet ein Regler, beispielsweise der Regler 10 in Fig. 3, dem ihm zugeordneten Entkopplungsglied, in diesem Beispiel dem Ent kopplungsglied 13, über das weitere Steuersignal, hier das Steuersignal 21, daß er sich auf Handbetrieb befindet, so werden also Zustand und Ausgang des Entkopplungsglieds 13 auf Null gesetzt und der Arbeitspunkt derart gewählt, daß dieser Wert am y-Ausgang bei konstantem Signal am u-Eingang gehalten wird. Nach Rücksetzen des weiteren Steuersignals 21, d. h. nach Umschalten des Reglers 10 in Automatikbetrieb, nimmt das Entkopplungsglied 13 wieder seine eigentliche Übertragungs funktion an, jetzt allerdings um den zuletzt gültigen Ar beitspunkt. Diese Maßnahme ist insbesondere vorteilhaft beim Einsatz der Regeleinrichtung an Prozessen ohne Ausgleich, d. h. Prozessen, deren Sprungantwort nicht in einen neuen Beharrungszustand einläuft. Ein Beispiel hierfür sind Prozes se mit integrierendem Verhalten. Der Regelkreis wird im Hand betrieb angefahren. Durch die beschriebene Maßnahme wird das Entkopplungsnetzwerk dabei nicht selbständig einschwingen gelassen, sondern gezielt initialisiert, da die Korrektur größen ohne die beschriebene Betriebsartenumschaltung der Entkopplungsglieder aufgrund eines eventuell instabilen Ver haltens über alle Grenzen anwachsen könnten.In addition, the first controller 10 and the second controller 11 each deliver further control signals 21 and 22 at their FH output, which are set when the respective controller is in manual operation. The signals 21 and 22 are routed to the respective decoupling element 13 and 12 and indicate this to a possibly set manual mode. By switching the operating mode of the decoupling elements 12 and 13 it is achieved that the size of the signal present at the respective d input of a controller does not increase or run away over all limits in manual operation. If, for example, a constant manual value is specified for the controller 10 , the signal 15 at the d input of the controller 10 could increase beyond all limits without this measure, although the transfer function of the decoupling element 13 is stable as such. For this reason, it is advantageous to set all correction variables acting on the respective controller in manual operation to a defined value for the duration of manual operation. The value zero has the advantage that the given manual value is output unchanged as a manipulated variable. So that the transition from manual to automatic mode is smooth, the internal states and a working point of the decoupling elements acting on the relevant controller are also set in a targeted manner. It is advantageous to also set the internal states of the decoupling elements to zero when manual operation is indicated and to select the operating point in such a way that the states and the output of the decoupling element are also calculated to be zero for the input signal applied to the decoupling element and there with a constant input signal remain. Reports a controller, for example the controller 10 in Fig. 3, the decoupling element assigned to it, in this example the decoupling element 13 , via the further control signal, here the control signal 21 , that it is in manual mode, so the state and output of the Decoupling element 13 set to zero and the operating point selected such that this value is held at the y output with a constant signal at the u input. After resetting the further control signal 21 , ie after switching the controller 10 into automatic mode, the decoupling element 13 again assumes its actual transfer function, but now at the last valid working point. This measure is particularly advantageous when the control device is used on processes without compensation, ie processes whose step response does not lead to a new steady state. Processes with integrating behavior are an example of this. The control loop is started in manual mode. The measure described does not allow the decoupling network to settle in independently, but rather initializes it in a targeted manner, since the correction variables could increase beyond all limits without the described mode switching of the decoupling elements due to a possibly unstable behavior.

In Zustandsdarstellung lautet die Übertragungsfunktion eines linearen, dynamischen Entkopplungsglieds in der Betriebsart "Automatik", in welcher das jeweilige Steuersignal nicht gesetzt ist:
In the status display, the transfer function of a linear, dynamic decoupling element is in the "automatic" operating mode, in which the respective control signal is not set:

x(k+1) = A.x(k) + b.[u(k) + z(k)]
y(k) = c ^T.x(k) + d.[u(k) + z(k)]
z(k+1) = z(k)
x (k + 1) = A. x (k) + b . [u (k) + z (k)]
y (k) = c ^T. x (k) + d. [u (k) + z (k)]
z (k + 1) = z (k)

mit x - Zustandsvektor,
A - Systemmatrix,
b - Eingangsmatrix mit der Spaltenanzahl Eins,
z - Arbeitspunkt,
c ^T - transponierte Ausgangsmatrix mit der Zeilenanzahl Eins und
d - Durchgangsfaktor.with x - state vector,
A - system matrix,
b - input matrix with the number of columns one,
z - working point,
c ^T - transposed output matrix with the number of rows one and
d - continuity factor.

In der Betriebsart "Hand", in welcher das weitere Steuer signal am FH-Eingang gesetzt ist, kann die Übertragungs funktion der Entkopplungsglieder in Zustandsdarstellung durch die Gleichungen beschrieben werden:
In the "Manual" operating mode, in which the further control signal is set at the FH input, the transfer function of the decoupling elements can be described in the state representation by the equations:

x(k+1) = 0
y(k) = 0
z(k+1) = -u(k). x (k + 1) = 0
y (k) = 0
z (k + 1) = -u (k).

In der Betriebsart "Begrenzung", in welcher das Steuersignal am FB-Eingang gesetzt ist, kann die Übertragungsfunktion der Entkopplungsglieder in Zustandsdarstellung durch die Glei chungen beschrieben werden:
In the "Limitation" operating mode, in which the control signal is set at the FB input, the transfer function of the decoupling elements can be described by the equations:

Darin wird mit c ^T(1) die erste Komponente des transponierten Ausgangsvektors c ^T bezeichnet. Falls diese Komponente Null wird, so wird dieser Umstand durch Umordnen der Zustände um gangen.The first component of the transposed output vector c ^T is designated by c ^T (1). If this component becomes zero, this circumstance is avoided by rearranging the states.

Der Arbeitspunkt z wird durch eine Kompensationsgröße ein gestellt, welche der Eingangsgröße u des Entkopplungsglieds additiv überlagert wird. In der Betriebsart "Automatik" arbeitet das Entkopplungsglied entsprechend seiner linearen Dynamik, die für ein Entkopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form ermittelt wurde, um diesen Arbeitspunkt herum. In der Betriebsart "Hand" werden Zustand x(k) und Ausgang y(k) auf Null gesetzt und der Arbeitspunkt derart gewählt, daß sich Zustand x(k) und Ausgang y(k) bei konstantem Eingang u(k) nicht ändern. Sie ändern sich auch nicht unmittelbar, nachdem in die Betriebsart "Automatik" umgeschaltet wurde. Damit ist ein stoßfreies Umschalten gewährleistet. In der Betriebsart "Begrenzung" werden Ausgang y(k) und Arbeitspunkt z(k) ge halten und der Zustand laufend derart angepaßt, daß ein stoß freies Umschalten in die Betriebsart "Automatik" erreicht wird. Hierzu werden die erste Komponente des Zustandsvektors x(k+1) auf den angegebenen Wert, alle anderen Komponenten auf Null gesetzt.The operating point z is set by a compensation variable, which is superimposed on the input variable u of the decoupling element. In the "automatic" operating mode, the decoupling element operates around this operating point in accordance with its linear dynamics, which were determined for a decoupling network in P-canonical form. In the "manual" operating mode, state x (k) and output y (k) are set to zero and the operating point is selected such that state x (k) and output y (k) do not change if the input u (k) remains constant. They also do not change immediately after switching to "Automatic" mode. This ensures bumpless switching. In the "Limitation" operating mode, output y (k) and operating point z (k) are held and the state is continuously adapted in such a way that a bumpless switchover to the "Automatic" operating mode is achieved. For this purpose, the first component of the state vector x (k + 1) is set to the specified value, all other components to zero.

Die oben angegebenen Zustandsgleichungen gelten für alle Ent kopplungsglieder mit Dynamik. Handelt es sich um ein Entkopp lungsglied mit reinem Proportionalverhalten, so entfallen die Gleichungen für den Zustand, da dieser bei einem derartigen Entkopplungsglied nicht existiert. The equations of state given above apply to all Ent coupling elements with dynamics. Is it a decoupling tion element with pure proportional behavior, the Equations for the state, since this Decoupling element does not exist.

Aus praktischen Gesichtspunkten wird meist Entkopplungs gliedern niedriger Ordnung der Vorzug gegeben. Bewährt haben sich Übertragungsfunktionen bis zu 2. Ordnung, wobei in vielen Fällen bereits ein Entkopplungsglied mit einer Über tragungsfunktion 1. Ordnung ausreicht, bei welcher drei Para meter frei wählbar sind.From a practical point of view, it is mostly decoupling prefer low order. Have proven transfer functions up to 2nd order, whereby in in many cases a decoupling element with an over 1st order bearing function is sufficient, in which three para meters are freely selectable.

Eine Implementierung neuer Funktionsbausteine für Entkopp lungsglieder mit den oben angegebenen Betriebsarten und Zu standsgleichungen ist insbesondere dann vergleichsweise auf wendig, wenn sie im Rahmen eines Prozeßleitsystems in ein bestehendes Bedien-/Beobachtungssystem und in ein Melde-/ Alarmsystem eingebunden werden müssen. Da ein PID-Regler üblicherweise bereits in systemkonformer Implementierung vorgefertigt zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, Entkopplungsglieder bis zu 1. Ordnung durch eine spezielle Parametrierung des vorhandenen Standard-PID-Reglers zu reali sieren. Das setzt voraus, daß der PID-Regler einen realen, d. h. verzögerungsbehafteten, D-Anteil mit separat para metrierbarer Verzögerungszeit und einen bipolaren Werte bereich der Parameter aufweist, bei welchem auch negative Werte der Verstärkung und der Zeitkonstanten zulässig sind. Die Übertragungsfunktion eines realen PID-Reglers lautet:
An implementation of new function blocks for decoupling elements with the above-mentioned operating modes and equations of state is particularly comparatively agile if they have to be integrated into an existing operator control / monitoring system and into a message / alarm system as part of a process control system. Since a PID controller is usually already available pre-fabricated in a system-compliant implementation, it is advantageous to implement decoupling elements up to the 1st order by means of special parameterization of the existing standard PID controller. This requires that the PID controller has a real, ie delayed, D component with a separately parameterizable delay time and a bipolar value range of the parameters, in which negative values of the gain and the time constants are also permissible. The transfer function of a real PID controller is:

mit
k_p - Reglerverstärkung,
t_i - Nachstellzeit,
t_d - Vorhaltzeit,
t₁ - Verzögerungszeitkonstante des D-Anteils und
s - Laplace-Operator.With
k _p - controller gain,
t _i - reset time,
t _d - lead time,
t ₁ - delay time constant of the D component and
s - Laplace operator.

Zur Realisierung eines Entkopplungsglieds 1. Ordnung wird der I-Anteil des PID-Reglers abgeschaltet, d. h. der Quotient 1/t_is auf Null gesetzt, und die Gleichung des so gewonnenen PD-Reglers auf den Hauptnenner gebracht:
To implement a first-order decoupling element, the I component of the PID controller is switched off, that is, the quotient 1 / t _i s is set to zero, and the equation of the PD controller obtained in this way is brought to the main denominator:

Die Übertragungsfunktion eines Entkopplungsglieds 1. Ordnung, das für ein Entkopplungsnetzwerk in P-kanonischer Form ent worfen wurde, lautet im Laplace-Bereich:
The transfer function of a decoupling element of the first order, which was designed for a decoupling network in P-canonical form, is in the Laplace area:

Durch Koeffizientenvergleich der beiden letzten Gleichungen erhält man die Parameter, die am Standard-PID-Regler ein gestellt werden müssen, um das gewünschte Übertragungs verhalten des Entkopplungsglieds zu erzielen. Sie lauten:
By comparing the coefficients of the last two equations, one obtains the parameters that must be set on the standard PID controller in order to achieve the desired transmission behavior of the decoupling element. They read:

k_P = k,
t₁ = t₃,
t_d= t₂-t₁.k _P = k,
t ₁ = t ₃ ,
t _d = t ₂ -t ₁ .

Zur Realisierung der Betriebsart "Begrenzung" eines derart implementierten Entkopplungsglieds kann die Betriebsart "Hand" des Standard-PID-Reglers verwendet werden. In der Betriebsart "Automatik" wird der Handwert des PID-Reglers dazu auf den aktuellen Stellwert nachgeführt. Bei Umschalten auf "Hand" wird der aktuelle Stellwert eingefroren. Der Zu stand des PID-Reglers wird in Handbetrieb ohnehin so nach geführt, daß später ein stoßfreies Umschalten zurück von "Hand" auf "Automatik" erfolgen kann. Zur Initialisierung eines derart implementierten Entkopplungsglieds bei Hand betrieb des Hauptreglers kann die Betriebsart "Nachführen" auf Stellgröße "Null" des Standard-PID-Reglers eingestellt werden. To implement the operating mode "limitation" of such a implemented decoupling element can be the operating mode "Hand" of the standard PID controller can be used. In the "Automatic" operating mode becomes the manual value of the PID controller tracked to the current manipulated variable. When switching the current manipulated variable is frozen on "manual". The To status of the PID controller is in this way anyway in manual mode led that later a bumpless switch back from "Hand" on "automatic" can be done. For initialization of a decoupling element implemented in this way at hand operation of the main controller can be in the "tracking" mode set to manipulated variable "zero" of the standard PID controller become.

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.Advantageously, the bumpless hand / car Matic switch-over transient processes that otherwise occur after switching on control an operating point in manual mode and switch to automatic mode would run significantly reduced.

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 y_I 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. Von dem Steuersignal 43 kann unmittelbar das weitere Steuersignal FH abgeleitet werden. Im Handbetrieb gibt der Regler den Wert eines Signals y_N an seinem u-Ausgang aus, sofern das Signal y_N nicht die Stellgrößenbegrenzung erreicht. Um eine stoß freie Umschaltung von Hand- in Automatikbetrieb zu erreichen, wird der I-Anteil des Reglerkerns 40 unmittelbar nach Ein stellen des Automatikbetriebs durch Rücksetzen des Signals 43 folgendermaßen initialisiert:
In FIG. 4, a block diagram is shown of a standard controller with a PI or PID controller core 40 on which a w from a reference variable and the control difference of a controlled variable x formed is guided. The controller core 40 is expanded to avoid integrator windup and bumpless manual / automatic switching in addition to the actual control algorithm by some functions. In automatic mode and if the manipulated variable limit is not reached, the controller core 40 generates an output variable y ₀ in a known manner according to the PI or PID algorithm used in each case. For example, in the case of a PID controller, the output variable y ₀ is calculated by the additive superposition of a P component y _P , an I component y _I and a D component y _D. By means of a feedforward control 41 , which can be implemented, for example, by a simple summing element, the output variable y ₀ is superimposed on a disturbance variable d. The output variable y ₀ corrected in this way is connected to a device 42 for limiting the manipulated variable, which limits the corrected output variable to the actuating range of an actuator not shown in FIG. 4 and connected downstream of the controller. The control signal FB is formed by the device 42 , which indicates whether the corrected output variable y ₀ has reached the manipulated variable limit. The limitation of the controller thus acts on the sum of the output variable y ₀ and the disturbance variable present at the d input of the regulator, which in the connection of the standard regulators 10 and 11 shown in FIG. 3 is a correction variable generated by a decoupling element. A manual operation of the controller is set by a control signal 43 if it is set. The further control signal FH can be derived directly from the control signal 43 . In manual mode, the controller outputs the value of a signal y _N at its u output, provided that the signal y _N does not reach the manipulated variable limit. In order to achieve a bumpless changeover from manual to automatic mode, the I component of the controller core 40 is initialized as follows immediately after the automatic mode has been set by resetting the signal 43 :

y_I = y_N - y_P - y_D - d.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, ihre Korrekturgröße konstanthalten, solange das Steuersignal FB gesetzt ist.The control signal FB is routed to the controller core 40 and initiates a strategy for avoiding an integrator windup when the output variable y _{0 of} the controller core 40 corrected with the correction variable at the d input reaches a manipulated variable limit. One way of avoiding an integrator windup is to use such a size instead of the control difference in the PID algorithm of the controller core that the corrected output size of the controller corresponds to the value of the manipulated variable limit. With this strategy, the value at the d input of the controller is also taken into account. Another possibility for avoiding the integrator windup is to keep the state and the output variable y _{0 of} the controller core 40 constant as long as the manipulated variable limit is reached and the control signal FB is set. This strategy has the advantage that immediately after a sign reversal of the control difference, the change in the manipulated variable also reverses its sign. This advantage is particularly enhanced by the fact that decoupling elements, the correction quantities of which are fed to the d input of the controller, keep their correction quantity constant as long as the control signal FB is set.

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. The structure of a control device for a 3 × 3 multivariable system is described with reference to FIG. 5. The control device contains three controllers 50 , 51 and 52 , each of which can be designed in a simple manner as a standard PI controller for one-size systems. The controllers 50 , 51 and 52 each generate manipulated variables y ₁ , y ₂ and y ₃ , which are guided to a 3 × 3 multivariable system, not shown in FIG. 5, as a controlled system.

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 x₁ 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 ent sprechender Weise erweitert werden.Control variables x ₁ , x ₂ and x _{3 recorded} on the 3 × 3 multivariable system are compared in the controllers 50 , 51 and 52 with reference variables w ₁ , w ₂ and w ₃ and control differences are calculated therefrom. Decoupling elements 53 , 54 , 55 , 56 , 57 and 58 each serve to decouple the controlled variables x ₁ , x ₂ and x _{3 of} the 3 × 3 multi-size system. These were designed for a decoupling network with a P-canonical structure. The decoupling member 53 implements a transfer function k ₂₁ , the decoupling member 54 a transfer function k ₃₁ , the decoupling member 55 a transfer function k ₁₂ , the decoupling member 56 a transfer function k ₃₂ , the decoupling member 57 a transfer function k ₁₃ and the decoupling member 58 a transfer function k ₂₃ . The indices i and j in the designations of the transfer functions k _ij indicate that the controlled variable x ₁ with the same index i is decoupled from the controlled variable x _j with the same index j by the respective decoupling element. By a summing element 59 , the correction variable formed by the decoupling element 55 and the correction variable of the decoupling element 57 are summed up and the result is switched to the d input of the controller 50 and to a subtractor 60 , which in turn subtracts this sum from the manipulated variable y ₁ and thus forms input variables which are switched to the u inputs of the decoupling elements 53 and 54 . In a corresponding manner, the d inputs of the controllers 51 and 52 and the u inputs of the decoupling elements 55 , 56 , 57 and 58 are connected. Delay elements 61 and 62 serve analogously to the delay element 18 in FIG. 3 for the resolution of an algebraic loop in a time-discrete implementation of the controller structure shown. For multi-size systems with more than three inputs and outputs, the structure of the control device shown in FIG. 5 can be expanded accordingly.

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.In the case of in Figs. 3 and 5, control means decoupling members may be omitted, of course, if only weak or no coupling exists between the respective controlled variables. Applicable, for example, in Fig. 3, the decoupling member 13, as can also the sum minimizing circuit 17, the subtracter 16 and the wiring of the feedforward control of the controller 10 are omitted.

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 wer den sollten, wenn die Strecke die Voraussetzung der verall gemeinerten Diagonaldominanz erfüllt. Bezüglich der Defini tion der verallgemeinerten Diagonaldominanz eines nxn-Mehr größensystems wird auf "Regelungstechnik II: Mehrgrößen systeme, Digitale Regelung", J. Lunze, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1997, Seiten 307 bis 326, verwiesen.In control devices for multi-size systems, as shown in FIGS. 2, 3 and 5, it is generally important to note that individual controllers should only be put into manual operation if the route meets the requirement of generalized diagonal dominance. With regard to the definition of the generalized diagonal dominance of an nxn multi-size system, reference is made to "Control Technology II: Multi-Size Systems, Digital Control", J. Lunze, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1997, pages 307 to 326.

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.The control device described can be implemented as a discrete-time controller in an automation device or a computing unit of a process control system and as an analog controller with analog computing modules. In the latter case, the delay elements 18 , 61 and 62 can be omitted.

Claims

1. control device for controlling a system with several coupled control variables,
with controllers ( 10 , 11 ), each of which is assigned to a controlled variable (x ₁ , x ₂ ),
with an upstream decoupling network with at least a first decoupling element ( 12 ), on which the output variable (y ₁ ) of a first controller ( 10 ) is guided and a first correction variable ( 14 ) for the output variable (y ₂ ) of a second Regulator ( 11 ) to reduce the coupling between the controlled variables (x ₁ , x ₂ ), characterized in that
that the second controller (11) has a PI or PID controller core (40) and in that an integrator is avoided windup when the corrected with the first correcting quantity (14) output (y ₂₎ is designed in such a way of the controller core (40 ) of the second controller ( 11 ) has reached a manipulated variable limit.

2. Control device according to claim 1, characterized in that
that the first decoupling element ( 12 ) generates the first correction variable ( 14 ) according to a transfer function (k ₂₁ ), which is determined for a decoupling network in P-canonical form, and
that the second controller ( 11 ) has a device ( 41 ) for disturbance size control, to which the first correction size ( 14 ) is performed.

3. Control device according to claim 2, characterized in that
that the decoupling network has a second decoupling element ( 13 ), to which the corrected output variable (y ₂ ) of the second controller ( 11 ) is performed after deduction of the first correction variable ( 14 ) and a second correction variable ( 15 ) for the output variable (y ₁ ) of the first controller ( 10 ) according to a transfer function (k ₁₂ ), which is determined for a decoupling network in P-canonical form,
that the output variable (y ₁ ) of the first controller ( 10 ) after subtracting the second correction variable ( 15 ) is guided to the first decoupling member ( 12 ),
that the first controller ( 10 ) has a PI or PID controller core ( 40 ) and a device ( 41 ) for feedforward control to which the second correction variable ( 15 ) is guided, and
that the first controller ( 10 ) is designed such that an integrator windup is avoided when the output variable (y ₁ ) of the first controller ( 10 ) corrected with the second correction variable ( 15 ) reaches a manipulated variable limit.

4. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that as long as the corrected output variable (y ₂ ) would reach or exceed the manipulated variable limit when the control difference is applied to the controller core ( 40 ) of the second controller ( 11 ), to avoid an integrator Windup such a determined size is used instead of the control difference in the controller core that the corrected output variable (y ₂ ) of the second controller ( 11 ) speaks ent the value of the manipulated variable limit.

5. Control device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the state and the output variable of the second controller ( 11 ) are kept constant to avoid the integrator windup when the manipulated variable limit is reached.

6. Control device according to claim 5, characterized in that the second controller ( 11 ) generates a control signal (FB) which is set when the manipulated variable limit is reached, and that the first decoupling element ( 12 ) is designed such that it is set when the control signal (FB) keeps its state and the first correction variable ( 14 ) constant.

7. Control device according to claim 5, characterized in that the second controller ( 11 ) generates a control signal (FB) which is set when the manipulated variable limit is reached, and that the first decoupling element ( 12 ) is designed such that it is set when the control signal the first correction variable ( 14 ) keeps constant and sets its state in such a way that when leaving the manipulated variable limit, ie when the control signal (FB) is reset, a bumpless switch is achieved.

8. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that at least the second controller ( 11 ) is switchable between manual and auto matikbetrieb, such that the switching with respect to the corrected output variable (y ₂ ) of the second controller ( 11 ) is smooth .

9. Control device according to claim 8, characterized in that the second controller ( 11 ) generates a further control signal (FH), which is set in manual mode, and that the first decoupling element ( 12 ) is designed such that it is set with another control signal (FH) generates a given value of the first correction variable ( 14 ).

10. Control device according to claim 9, characterized indicates that the specified value is zero.

11. Control device according to claim 10, characterized in that
that the first decoupling element ( 12 ) is designed such that it sets its status to zero when a further control signal (FH) is set,
that by superimposing a compensation variable (z) an operating point of the first decoupling member ( 12 ) is set such that it generates the predetermined value zero, and that the operating point is retained after resetting the further control signal (FH).