DE2354638A1

DE2354638A1 - Verfahrensregelanlage

Info

Publication number: DE2354638A1
Application number: DE19732354638
Authority: DE
Inventors: Francis G Shinskey
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1972-10-31
Filing date: 1973-10-31
Publication date: 1974-05-09
Also published as: DE2354638C2; GB1433246A; US3794817A; JPS4977075A; IT996348B; JPS5830601B2; CA1001266A

Description

Die Erfindung betrifft eine Sollwert-Regel anlage des sogenannten "nichtlinearen" oder "Totzonenregel"-Typs.-Bei solchen Systemen ist der Verstärkungsbereich oder Proportional bereich des Reglers eine Funktion der Größe der Abweichung-zwischen der gemessenen Veränderlichen bzw. Meßgröße und dem ScH-wert.

Ein nichtlinearer Regler der genannten Art wird meist bei Regelanlagen für nichtlineare Verfahren angewandt, bei denen der Verfahrens-Verstärkungsgrad in Abhängigkeit von der Größe der Regelabweichung variiert. Ein Beispiel für eine Anlage, weiche diese Charakteristik zeigt, ist ein pH-Wert-Regelverfahren. Bei der Regel ung des pH-Werts des Abfl usses beispielsweise einer chemischen Anlage zur Einhaltung der Vorschriften der Umweltschutzgesetze macht die Nichtlinearität des Verhältnisses zwischen der Regelabweichung und dem Verfahrens-Verstärkungsgrad die Verwendung von herkömmlichen Reglerarten nicht wünschenswert.

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Abflußströme von Chemie-, Erdöl-, Metall- und Nahrungsmittel-Verarbeitungsanlagen enthalten typischerweise Gemische aus schwachen und starken Säuren, Basen und Salzen, so daß das Verhältnis zwischen dem den Strom neutralisierenden Reagens und dem pH-Wert ziemlich variabel ist. Dieses Verhältnis wird normalerweise in graphischer Form als sogenannte Titrationskurve wiedergegeben .

Die Prozeßverstärkung im eingeschwungenen Zustand ist das Gefälle der Titrationskurve am Sollwert. Eine zunehmende Abweichung des pH-Werts vom Sollwert in jeder Richtung führt im allgemeinen wegen der S-Form der Kurve zu einem niedrigeren Verstärkungsgrad. Wenn daher der Verstarkungsgrad einer linearen pH-Regelschleife am Sollwert den Wert "T¹ überschreitet, erweitert sich die Schwingung bis zu dem Punkt, an welchem der abfallende Verfahrens-Verstärkungsgrad den Schleifenverstärkungsgrad auf ¹M" reduziert. Die pH-Regelschleife ist dann typischerweise bestrebt, die Periode mit einer Amplitude zu begrenzen, welche dem Gefälle der Titrationskurve proportional ist. Ein Pendeln oder Schwingen, selbst innerhalb der in einem speziellen Fall erforderlichen Grenzen, ist zu vermeiden, weil dabei teueres Reagens vergeudet wird.

Wegen der Nichtlinearität der Titrationskurve ist ein nichtlinearer Regler zur Gewährleistung einer zweckmäßigeren Anpassung entwickelt worden. Neben den. drei normalen Regel betriebsarten entwickelt ein zusätzlicher Regelkreis ein nichtlineares Verhältnis zwischen dem Regelabweichsignal, das durch Subtrahieren des Meßwerts oder Istwerts vom Sollwert erhalten wird, und dem tlurch die Regelbetriebsarten beeinflußten Fehlersignal. Diese nichtlineare Funktion gev/ährleistet einen vergleichsweise niedrigen Verstarkungsgrad für Werte der Regelabweichung, die innerhalb eines bestimmten Bereichs, um den Sollwert herum liegen'. Dieser niedrige Verstärkungsgradbereich wird als "Totzone" bezeichnet. Außerhalb der Totzone ist ein größerer Verstärkungsgrad verfügbar. Der niedrige Verstarkungsgrad Innerhalb der Totzone soll die Tendenz zu einem Pendeln verringern, während die

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höheren Verstärkungsgradbereiche ein Wiedereinschwingen nach Störungen des Verfahrens gewährleisten. Die Totzonenbreite wird daher durch'die Bedienungsperson so eingestellt, daß ein Grenzfrequenzschwingen verhindert oder reduziert wird, v/ährend gleichzeitig die Verfahrensabweichung weitgehend ausgeschaltet wird.

-Obgleich mit der Einführung nichilinearer Regler große Verbesserungen bezüglich der Regelung von nichtlinearen Verfahren erzielt wurden, bestehen immer noch zahlreiche Probleme. Selbst im Fall eines nichtlinearen Regiere kann unter bestimmten Schwankungen der Verfahrens-Titrationskurve ein Grenzfrequenzschwingen auftreten, welches die Totzone überschreitet. Wenn die Totzone zu breit eingestellt ist, neigt der pH-Wert dazu, während einer zu langen Zeitspanne außerhalb des zulässigen Bereichs hängenzubleiben, speziell dann, wenn derVerfahrens-Verstärkungsgrad niedrig ist.

Obgleich es möglich ist, ähnliche Aufgaben unter Verwendung großer Digitalrechnersysteme durchzuführen, handelt es sich beim typischen industriallen Anwendungsfall häufig um ein kleines, entfernt gelegenes System, etwa eine ferngelegene Abwasserbehandlungsanlage. Eine solche Anlage rechtfertigt nicht den großen Aufwand, der mit der Installation einer Digitalregeianlage verbunden ist. Die Erfindung bezieht sich daher in erster Linie, jedoch nicht ausschließlich, auf Analogregelanlagen, wie dies noch näher erläutert werden wird.

Die adaptive Regelung ist zur Berücksichtigung grundsätzlich verwandter Probleme bei linearen Regelanlagen entwickelt worden. Die bekannten adaptiven Regelsysteme fallen allgemein in die folgenden fünf Kategorien: Modelltyp, Störgrößentyp, Grenzfrequenzpendeltyp, Frequenz-Servotyp und Frequenzvergleichstyp.

. Das erstgenannte System verwendet ein simuliertes Modell des Verfahrens zur Entwicklung eines Signals, welches den erforderlichen Verstärkungsgrad des

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Reglers unter ähnlichen Bedingungen angibt. Wenn das Signal vom Modell vom Wert des Regler-Verstärkungsgrads abweicht, wird eine entsprechende Justierung vorgenommen. -

Das Störgrößensystem führt eine Störgröße ein und beobachtet das Ansprechen des Systems auf diese Störung. Sodann wird der System-Verstärkungsgrad eingestellt; um die gewünschte Ansprechchärakteristik zu erzielen. Das Grenzfrequenzpendelsystem erzeugt hochfrequente Schwingungen (ein Grenzfrequenzschwingen) in der geschlossenen Regelschleife. Sodann wird der Verstärkungsgrad eingestellt, um das richtige Grenzfrequenz-Ansprechen zu erzielen. Das Frequenz-Servosystem stellt die niederfrequenten Schwingungen des Systemausgangssignals um den Sollwert herum fest. Der Verstärkungsgrad des Systems wird dann eingestellt/ um die gewünschte Schwingungsfrequenz zu gewährleisten.

. Das Frequenzvergleichsystem vergleicht das Ansprechen des Systems innerhalb bestimmter Frequenzbereiche und ändert den Verstärkungsgrad des Systems in der Weise, daß das gewünschte Ansprechverhalten erzielt wird.

Ein gutes Beispiel für einen adaptiven Regler der zuletzt genannten Art findet sich in der US-PS 2 517 081. Die darin beschriebene Vorrichtung ist ein pneumatischer anpassender Regler mit drei Betriebsarten, dessen linearer, proportionaler Verstärkungsgrad linear erhöht, wenn das Verfahren zu driften beginnt, und verringert wird, wenn das Verfahren zu schwingen beginnt. Darüber hinaus bewirkt der Regler eine automatische Anpassung bzw. Einstellung der beiden anderen Betriebsarten. Die Betriebszeit im eingeschwungenen Zustand (rate time) und die RUckführzeit werden automatisch proportional zur Schwingungsperiode des Ausgangssignals eingestellt. Diese Betriebsarten werden nur dann neu eingestellt, wenn Schwingung auftritt. Dieser lineare Regler könnte nicht bei einem nichtlinearen Verfahren angewandt werden, da die Nichtlinearität des Verfahrens-Verstärkungsgrads den Reglersich ständig von einem hohen auf einen niedrigen Proportional band-

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Verstärkungsgrad anpassen lassen würde, während das Verfahren zwischen ständiger Schwingung und Abweichung pendelt.

Adaptive elektronische Regler sind ebenfalls bekannt. Ein Beispiel hierfür ist in der US-PS 3 535 406 beschrieben, die einen linearen Regler zeigt, dessen Verstärkungsgrad entsprechend einer Frequenzanalyse des Ansprechens der Regelschi elfe auf die Regel wirkung angepaßt wird. Dieser Regler vermag jedoch bei einem nichtlinearen Verfahren nicht wirkungsvoll zu arbeiten, weil der Verstärkungsgrad bei Änderungen der Prozeßverstärkung ständig angepaßt werden würde, was zu Grenzfrequenzschwingung führen würde.

Diese bekannten Regelsysteme befassen sieh nicht mit nichtlinearen Reglern. Insbesondere passen diese bekannten Regelanlagen die Totzone eines nichtlinearen Reglers nicht in Abhängigkeit von Änderungen der Verfahrensparameter an.

Einen wesentlichen Beitrag auf dem Gebiet der nichtlinearen Verfahrensregelung stellt die Erkenntnis dar, daß die vorstehend beschriebenen, sich aus der Anwendung eines nichtlinearen Reglers auf ein nichtlineares Verfahren ergebenden* Schwierigkeiten vom variablen Verhältnis zwischen der Nichtlinearität des Verfahrens und der Nichtlinearität des Reglers abhängen. Im Idealfall wäre dieses Verhältnis konstant, und der resultierende Regelschleifen-Verstärkungsgrad wäre unabhängig von Regelabweichungen.

Es hat sich jedoch herausgestellt,, daß die Verstärkungsgrade gewisser nichtlinearer Verfahren, wie eines pH-Wert-Abflußregelverfahrens, nicht nur als Funktion der Regelabweichung, sondern auch als Funktion anderer Verfahrensveränderlicher, insbesondere der Zusammensetzung des Abflusses, variieren. Der hohe Verstärkungsbereich des Verfahrens variiert daher effektiv in seine!" Breite als Funktion von nicht vorherbestimmbaren Veränderlichen. Die Totzone'eines herkömmlichen nichtlinearen Reglers ist jedoch festgelegt und vermag nicht an-

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dauernd die geänderte Nicht!inearität des Verfahrens zu unterdrücken.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Regelanlage für zeitvariable nichtlineare Verfahren zu schaffen, die eine elektronische, nichtlineare oder Totzonen-Regelung mit Erzeugung eines Regelsignals in Abhängigkeit von Meßwert- und Sollwert-Eingangssignalen ermöglicht. Insbesondere soll ein adaptiver Regler zur Gewährleistung einer Breiteneinstellung des nichtlinearen Reglers zum Ausgleich für Schwankungen in der Prozeßverstärkungsfunktion entwickelt werden, bei dem die Breiter.einstellung aufgrund einer Frequenzanalyse der gleichen Sollwert- und Meßwert- oder Istwert-Eingangssignale erfolgt, die vom nichtlinearen Regler beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Lehre gelöst, der/Vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Der adaptive Regler ist so ausgelegt, daß er die Totzonenbreite in der Weise einstellt bzw. regelt, daß der resultierende Regel schleifen-Verstärkungsgrad praktisch unabhängig von Regelabweichungen ist, wodurch die Tendenz zu Grenzschwingungen auf ein Mindestmaß vermindert wird.

Das Kernstück des adaptiven Reglers ist eine Diskriminatorschaltung, welche die Regelabweichung nach Maßgabe einer Übergangsfrequenzeinstellung in hohe und niedrige Frequenzkomponenten unterteilt. Die Ubergangsfrequenz ist so gewählt, daß der Hochfrequenzbereich die Eigenperiode der Schwingung der Regelschleife beinhaltet. Die beiden Komponenten werden dann entgegengesetzt polarisiert und wieder miteinander kombiniert, bevor sie den Proportional- und Rückführabschnitten des adaptiven Reglers eingegeben werden.

Wenn eine Schwingung im Hochfrequenzbereich vorhanden ist, erzeugt die Diskriminatorschaltung ein positives Signal, welches die Totzone des nichtlinearen

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Reglers erweitert, so daß die Schwingungen unterdrückt werden. Wenn (niederfrequente) Verschiebung^ oder Abweichkomponenten vorhanden sind, ist das Ausgangssignal der Diskriminatorschaltung negativ, so daß die Totzone des nichtlinearen Reglers schrumpft bzw. eingeengt wird. Der adaptive Regler toleriert nur entweder eine Nullabweichung oder eine Schwingung genau auf der Übergangsfrequenz, die gleichmäßig auf beide Seiten des Sollwerts verteilt ist. -

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigern

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer adaptiven,

nichtlinearen Regelanlage zur Regelung des pH-Werts eines Abflusses,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Totzone eines nichtlinearen Reglers

und einer nichtlinearen Verfahrens-Titrationskurve,

Fig. 3 . ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausfuhrungsform des nichtlinearen Funktionsgenerators gemäß Fig. 1

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Diskriminatorschaltung gemäß Fig. 1 und

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Fig. 5 α Meßstreifen-Aufzeichnungen von Verfahrens-Meßsignalen zur Erläute- und 5 b rung der Impulsschwingung.

Fig. 1 veranschaulicht eine vollständige adaptive, nichtlineare Regelanlage für die Regelung des pH-Werts eines Ablaufwassers bzw. Abflusses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der zu messende und zu regelnde Abfluß tritt über einen Einlaß 12 in einen tank bzw. Behälter 10 ein und wird über einen Auslaß 14 entweder kontinuierlich oder chargenweise abgeführt. Im Behälter

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10 Ist ein Mischer 16 vorgesehen, welcher die Umsetzung zwischen dem Abfluß und dem Reaktionsmittel begünstigt. Das Reaktionsmittel wird von einem Reaktionsmittelvorrat 20 aus Über einen Reaktionsmfttel-Einlaß 18 in den Behälter 10 eingegeben. Der Reaktionsmittelstrom wird durch ein Ventil 22 gesteuert, welches das Regelelement des nachstehend zu erläuternden Regelsystems darstellt.

. In der Nähe der Auslaßseite des Behälters 10 ist ein Meßelement 24 vorgesehen, bei dem es sich im Fall eines pH-Wert-Regelsystems um eine auf den. pH-Wert ansprechende Elektrode handelt. Das durch das Meßelement 24 erzeugte Signal wird durch einen Verstärker 25 verstärkt, und kann angezeigt oder durch ein Registriergerät 26 aufgezeichnet werden. Dieses Signal dient als das variable Meßwert-Eingangssignal M des Regel systems. Ein Generator 28 liefert das Sollwert-Signal S zur Regelanlage.

Eine Subtrahiereinrichtung 30 bestimmt das Regelabweichsignal E, welches den Unterschied zwischen dem Meßwert bzw. Istwert und dem Sollwert darstellt. Dieses Regelabweichsignal ward sowohl der primären Regelschleife, d.h. dem noch näher zu erläuternden nichtlinearen Regler, als auch der adaptiven Regelschleife eingespeist. Im folgenden isi zuerst die primäre Regelschleife und dann die adaptive Regelschleife beschrieben.

Zum Zweck der Erläuterung soll eine willkürliche Unterscheidung zwischen den Ausdrücken "Regelabweichsigna! E", das, wie erwähnt, den Unterschied zwischen dem Istwert und dem Soli wert darstellt, und "Fehlersignal E'" getroffen werden, welches das durch die nichtiineare Funktion modifizierte Regelabweichsignal darstellt.

In der primären Regelschleife wird dos Regelabweichsignal E durch einen nichtlinearen Funktionsgenerator 32 verarbeitet, um die kurzfristige Nichtlinearität.des Verfahrens auszugleichen« Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung sowie die

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Notwendigkeit für ihr Vorhandensein lassen sich am besten anhand der graphischen Darstellungen von Fig. 2 erläutern.

Fig. 2a ist eine graphische Darstellung des Fehlersignais E', das durch den nichtlinearen Funktionsgenerator 32 in Abhängigkeit von der Regelabweichung E für zwei Werte der Totzonenbreite erzeugt wird. Die Linie A stellt das Signal E' für-eine Null betragende Totzonenbreite dar. Dieser Zustand entspricht einer linearen Regelung. Die Linie B gibt dos Fehlersigna! E' für einen positiven Wert der Totzonenbreite DBW wieder. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, besteht die Totzone für Werte der Regelabweichung zwischen+X und -X. Zwischen diesen Werten besitzt der nichflineare Funktionsgenerator sinen wesentlich niedrigeren Verstärkungsgrad (denTofzonenverstärkungsgrad) aSs bei außerhalb dieses Bereichs liegenden Werten der Regelabweichung.

Die Zweckmäßigkeit dieser nicht!inearen Funktion wird aus Fig. 2b ersichtlich. Diese graphische Darstellung Ist eine Tifrafionskürve eines pH-Verfahrens, welche die pH-Werf-Abweichung als Funktion des ReagensmittetfIusses angibt. Die Prozeßverstärkung für jeden Punki ist die Ableitung von dieser Kurve.

Wie aus der graphischen Darstellung hervorgeht, besitzt das Verfahren eine Zone hohen Versfärkungsgrads HGE für Werte der Regelabweichung zwischen -X und X. Die Prozeßversfärkung außerhalb dieses Bereichs Ist niedriger. Aus einem Vergleich zwischen Fig. 2a und 2b ist ersichtlich, daß dann, wenn die Totzonenbreite DBW des Reglers ungefähr dem hohen Verstärkursgsbereicfo HGB des Verfahrens gleich ist, die resultierende Regelschlelfersverstärkung nahezu konstant ist. Diese Bedingung resultiert In-einer beträchtlich verbesserten Regelung, solange die Prozeßversfärkungsfunkfion, d„h_o die hohe Verstärkungszonenbreite, konstant bleibt. Eine elektronische Schaltung, welche diese nichflineare Funktion zu gewährleisten vermag, ist in Fig. 3 in Einzelheiten veranschaulicht.

Im Betrieb dieses nichtlinearen Funktionsgenerators wird das Regeiabweichsignal zwischen Eingangsklemmen 36a und 36b an einen einstellbaren Spannungsteiler

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38 angelegt. Der Abgriff bzw. Schleifer 39 dieses Spannungsteilers ist durch einen Kondensator 48 gefiltert und dient als Eingang zu einem hl - Ausgangsverstärker 50, Der Spannungsteiler 38 ist teilweise durch komplementäre Transistoren 40 und 42 Überbrückt. Die Basis-Elektroden dieser Transistoren sind über Widerstände 44 und 46 an den Abgriff 39 sowie an ein Vorspann-Netz 66 angeschlossen. Wenn die Basisspannung dieser Transistoren der Emstterspannung gleichest, wirken die Transistoren als Dioden in der Schaltung und stdlon einen hohen Widerstand gegenüber Eingangssignalen von weniger als etwa 0,6 V dar. Hierdurch wird eine Totzone von - 0,6 V festgelegt.

Wenn jedoch die Basis des NPN-Transistors 40 um 0,6 V über seinen Emitter vorgespannt und die Basis des PNP-Transistors 42 um 0,6 V unter seinen Emitter vorgespannt ist, schalten die Transistoren Signale aller Spannungen durch und heben.dabei die Totzone auf. Sind die Transistoren dagegen in die entgegen» gesetzte Richtung vorgespannt, so nimmt die Totzonenbreite zu.

Die Vorspannungen werden von einem Vorspann-Netz 66 geliefert, bei dem sowohl eine Hand- als auch eine Ferneinstellung der Totzonenbreite vorgesehen ist. Die Handeinstellung erfolgt mitteis eines Potentiometers 54, das über eine nicht dargestellte Stromquelle geschaltet ist. Der Abgriff bzw. Schläfer 55 des Potentiometers 54 Ist an die Basis des Transistors 40 angeschlossen.

Zwei Zenerdioden 56 und 58 sind in Reihe an die Stromquelle angeschlossen; Der Verbindungspunkt zwischen diesen Dioden ist an den Totbandzonenbreiten-Einsteileingang 64 gekoppelt, über den Widerstände 60 und 62 geschaltet sind. Die Verbindungsstelle zwischen diesen Widerständen dient als Vorspannpunkt für den Transistor 42. Die Einstellung der Werte dieser Widerstände ermöglicht eine Bereichseinstellung.

In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die Handeinstellung der Totzonenbreite, mit Ausnahme der nachstehend in Verbindung mit der Impulsschwingung erwähnten Fälle, auf Null eingestellt v/erden sollte, wenn eine adaptive

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SegelschieSfe vorhanden Ist, um ein Totzonenbreiten-Femeinstellsignal 2u liefern. Dieses Signal 1st stets positiv^, so daß sich das Hand- und das Fernsignai addieren. Sei Vorhandensein einer adaptlven Regelschleife wird daher Jedes Totzonenbreiten-ESns?eläs!gnis5 infolge des Potentiometers 54 zu einer minimalen Toteonenbrelte.

"Lmt Vervollständigung der Erläuterung der primären Regelsehleife gemöß Fig. 1 sei darauf hingewiesen, daß das durch den nichtlinearen funktionsgenerator erzeugte Fehlersignal E' einem herkömmlich aufgebauten Funktionsgenerator 34 zu dessen Steuerung eingespeist wird» Gemäß Fig. 1 besteht der nicht-Ssneare Regler aus einem Sollwertgenerator 28, einer Subtrahiereinrichtung 30, einem nichtlinearen Funktionsgenerator 32 und einem Steuerfunktionsgenerator 34. Mit Ausnahme des nichtlinearen Funkfionsgenerators sind diese Bauteile sämtlich auch bei einem herkömmlichen linearen Regler vorhanden. Der nichtlineare Regler kann daher Zweckmäßig aus einem linearen Regler mit drei Betriebsarten gebildet werden, in den ein nichtlinearer Funktionsgenerator eingefügt wird» Es liegt ohne weiteres im Rahmen des Könnens eines Durchsehnittfachmanns, den richtigen Punkt In einem linearen Regler zu bestimmen-/ an weichem der nichtlineare Funktionsgenerator eingefügt wird, und diese Einfügung vorzunehmen. Aus diesem Grund erübrigt sich eine genauere Erläuterung des Regel funktionsgenerator 34.

Zur Vervollständigung der Regelschleife wird das Regelausgpngssignal dem Ventil 22 eingegeben, um den Reaktionsmittel strom aus dem Vorratsbehälter 20 zu steuern» Das System kann ein einziges Reaktionsmittel und ein einziges Ventil oder aber zwei Reqktionsmlttel und zwei Ventile aufweisen, welche durch das gleiche Signa! gesteuert werden.

Die vorstehend beschriebene primäre Regelschleife ist von herkömmlicher nicht! inearer Bauart, jedoch mit Ausnahme des Generators 32, der bei der dargestellten Ausführungsform aus für die Erfindung erforderlichen Gründen eine femeinstellbare Totzonenbreite besitzt. Bei einem herkömmlichen System würde die Totzonenbreite von Hand auf einen zweckmäßigen Wert eingestellt und dann ,auf diesem Wert belassen werden.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß einer nichtlinearen Regelschleife der vorstehend beschriebenen Art die adaptive bzw. Rückkopplungs-Regelschleife gemäß Fig. 1 hinzugefügt wird, welche einen adaptiven Regel-Funktionsgenerator 68 sowie einen Eingangsdiskriminator 70 aufweist. Der Regel-Funktionsgenerator 68 ist von herkömmlicher Bauart und kann in einem bestimmten System ohne weiteres mit dem Regel-Funktionsgenerator 34 identisch sein.

Bei der adaptiven Regelschleife ist jedoch'ein zwei Betriebsarten besitzender Regler mit Proportional- und Rückführbetriebsart erforderlich. Der Einfachheit halber kann der nachstehend näher zu erläuternde Diskriminator 70 tatsächlich aus den unbenutzten Bauteilen der Steuer- oder Ableitbetriebsart des herkömmlichen Reglers gebildet sein, dessen Regel-Funktionsgenerator als adaptiver Regel-Funktionsgenerator 68 benutzt wurde.

Ein typischer Diskriminator ist in Fig. 4 in Blockschaltbildform dargestellt. Die Aufgabe dieser Vorrichtung besteht darin, die in dem Istwertsignal, welches die Schwingung und die Abweichung darstellt, vorhandenen Frequenzbereiche zu trennen und abzustimmen. Zu diesem Zweck wird das Abweichsignäl E durch ein Hochpaßfilter 72 und ein Tiefpaßfilter 74 verarbeitet, die beide von herkömmlicher Bauart sind. Die Abschalt- bzw. Übergangsfrequenz ist so gewählt, daß das Hochpaßfilter ein Signal durchläßt, welches auf der Eigenansprechfrequenz des Verfahrens schwingt. Dieses Signal wird durch einen Gleichrichter 76 auf einen positiven Wert gleichgerichtet. Jedes Signal, das durch das Filter 74 durchgelassen wird, nachdem eine Verstärkungsgradeinstellung durch eine Verstärkungsgradstufe 80 beeinflußt worden ist, wird durch den Gleichrichter auf einen negativen Wert gleichgerichtet. Diese Signale werden dann durch eine Summiereinrichtung 78 kombiniert, wobei das Ausgangssignal dieser Einrichtung das Bandbreiten-Fehlersigna! E" darstellt.

Gemäß Fig. 1 dient das Bandbreiten-Fehlersignal E" als Eingangssignal für den adaptiven Funktionsgenerator 68. Das Regelausgangssignal dieser Einheit wird an den Totzonenbreiten-Einstei leingang 64 des nichflinearen Funktions-

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generators 32 angelegt-, wodurch die adaptive Regelschleife vervollständigt ist.

Gemäß Fjig. 1 besteht der adaptiv® Regler aus dem Sollwertgenerator 28 und der Subtrahiereinrichtung 30, die beide auch dem nichtlinearen Regler zugeordnet sind, einem Diskriminator 70 und dem Funktionsgenerator 68. In abgewandelter Ausführungsfomn kann der adaptive Regler durch Hinzufügung eines Diskriminator^ auf die gleiche Weise aus einem linearen Regier aufgebaut werden, ' wie der nichtlineare Regler durch Hinzufügung eines nichtSfnearen Funktionsgenerators aus einem linearen Regler gebildet werden kann. Anstatt das Regelabweichsignal E unmittelbar dem Diskriminator einzugeben, ist es dabei dann erfoixäerlieh, das Istwertsignal M der Subfrahiereinrichtung des adaptiven Reglers einzuspeisen und den Sollwertgeneratorauf den gleichen Wert wie den Soüwertgenerator 28 einzustellen. Zur Erleichterung der Erläuterung ist jedoch den beiden Reglern gemäß Fig. 1 eine SubtrahiereSnrichtung und ein SoHwerfgenerator gemeinsam zugeordnet.

Im Betrieb der Regel anlage werden die Verfahrens rege! -Funktsonsparameter P, D und R des nichtlinearen Regiere auf übliche Weise eingestellt. Die adaptiven Regel funktionsparameter P und R werden so eingestellt, UaB die Integral-bzw. Rückfuhrbetriebsart vorherrscht,, Die letzte, noch vorzunehmende Einstellung betrifft den Niederfrequenz-Verstärkungsgrad des DIskriminators, der zur Verhinderung von impulsschwingung benutzt wird» Der Ausdruck " Smpulsschwingung" bezieht sich auf wiederholte "Impulse" bzw. "Stöße¹¹ der Verfahrens-Schwingung, die von der periodischen Ubereinengung der Totzone bei einem adaptiven System dieser Art herrühren können.

Bei einem pH-Wert-Regelvesfahren der beschriebenen Art ist es unwahrscheinlich, daß der Meßwert bzw. Istwert über eine längere Zeitspanne hinweg genau dem Sollwert entspricht, was auf die hohe Prozeßverstärkung in der Nähe des Sollwerts zurückzuführen ist. Im Normalfall weicht der Verfahrens-Istwert geringfügig vom Sollwert ab, auch nachdem alle Haupistörungen unterdrückt worden sind. Der nichtlineafe Regler ist unter Ausnutzung des niedrigen Verstör-

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kungsgrads der Totzone bestrebt, diese Abweichung oder Verschiebung auszuschalten. Während dieses Vorgangs bewirkt jedoch die adaptive Regelschleife eine Verengung der Totzone. Ohne die Niederfrequenz-Verstörkungseinhsit wird die Totzone zu stark eingeengt, bevor der niehtSineare Regler die Abweichung zu korrigieren vermag. Selbst eine kleine Störung ist dann in der Lage, den Istwert aus der Totzone herauszusteuern. Dabei tritt eine Grenzfrequenz-Schwingung auf, bis die adaptive RegeUchleife die Totzone ausreichend erweitert, um die Schwingung zu unterdrücken. Wenn die Schwingung ausklingt, verengt die adaptive Regelschieife die Totzone, so daß die Grenzfrequenz-Schwingung wieder auftritt. Eine ImpuJsschwingung dieser Art ist zu vermeiden, da hierbei teures Reoktionsmittel vergeudet und die Regelung beeinträchtigt wird. Zur Verhinderung einer Impulsschwingung ist es nur erforderlich, die Totzone an einer übermäßigen Verengung zu hindern. Dies kann entweder durch Festlegung einer Mindesttotzonenbrelte oder durch Herabsetzung der Frequenz erfolgen, mit welcher die Totzone durch die adaptive Regelschleife verengt wird.

Eine Mindesttotzonenbreite kann durch Einstellung des Potentiometers 54 festgelegt werden. Das von der adaptiven Regelschleife gelieferte Toizonenbreiten-Ferneinstel!signal wird dann der durch diese Einsteilung bestimmten Mindesttofzonenbreite hinzuaddiert. Der Nachteil dieses Verfahrens zur Reduzierung der Impulsschwingung besteht darin, daß die MIndesttotzonenbrefte den Bereich der Regelaniage und somit den Bereich der Verfahrensvörstärkungsvariation einschränkt, die effektiv berücksichtigt werden kann.

Das bevorzugte Verfahren zur Reduzierung der Impulsschwingung besteht darin, eine Niederfrequenz-Verstärkungsstufe 80 zu verwenden. Durch Einstellung der Verstärkungsstufe 80 kann der Niederfrequenz-Verstärkungsgrad von "1", d.h. entsprechend dem Hochfrequenz-Verstärkungsgrad, auf Null variiert v/erden. Durch Reduzierung des Niederfrequenz-Verstärkungsgrads des Diskriminators wird die Frequenz, mit welcher die adaptive Regelschleife die Totzone verengt, im Vergleich zu der Frequenz verringert, bei welcher die Totzone verbreitert wird. Eine Verschie-

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bung innerhalb der Totzone kann dann durch den nichtlinearen Regler herabgesetzt werden, bevor die Totzone übermäßig eingeengt wird.

Fig. 5b ist eine Darstellung eines Meßstreifens, der durch das Registriergerät 26 bei einer Anlage entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ohne die Niederfrequenz-Verstärkungsstufe 80 erzeugt wurde. Gemäß Flg. 5 b entspricht der Sollwert einem pH-Wert von 7,2 Einheiten, und der zulässige Bereich liegt zwischen 6 und 9 pH-Einheiten. Bei jedem der vier Haupfimpuise lief das Istwert-signal Über den zulässigen Bereich hinaus. Diese periodischen Impulse würden dabei so lange andauern, bis der Zustand korrigiert ist. Um den Austrag eines nicht mehr den gesetzlichen Vorschriften entsprechenden Abflusses zu verhindern, ist ein Unterstützungssystem vorgesehen, welches den Auslaß 14 augenblicklich blockiert, bis der Istwert wieder in den zulässigen Bereich zurückkehrt.

Fig. 5a zeigt einen anderen Meßstreifen, der auf die gleiche We.ise bei einer Anlage erhalten wurde, welche die Niederfrequenz-Verstärkungseinheit 80 enthält,, die auf einen Verstärkungsgrad entsprechend dem 0,5-fachen des Verstärkungsgrads der HochpaSseste des Diskriminators eingestellt ist. Dieser Meßstreifen zeigt eine größere Abweichung innerhalb des zulässigen Bereichs und eine weniger hochfrequente Schwingung. Letztere ist zu vermeiden, weil dabei teueres Reaktionsmittel vergeudet wird. Die hochfrequente Schwingung, die etwa um 15.30 Uhr begann, wurde durch eine Änderung der Zusammensetzung des in den Behälter 10 eintretenden Abflusses hervorgerufen, und sie führte zu einer Veränderung des Prozeßverstärkungsgrads. Die anderen Schwingungen gemäß Fig. 5a sind auf Belastungsänderungen zurückzuführen.

Bei einer typischen Anlage des nichtlinearen, adaptiven Regelsystems der vorstehend beschriebenen Art können für die zweckmäßige Regelung eines pH-Wertverfahrens mit einer Eigenperiode von 2 min die folgenden angenäherten Parametereinstel I ungen angewandt werden:

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Primäre Regelschleife:

Proportionalbereich: Rückfuhrzeit:
Ableitzeit

Mindest- Torzonenverstärkung:
Totzonenbrei te:

50% 1 min 0,2 min

0,02 (des Proportionalverstärkungsbereichs) + 1,5 pH-Werteinheiten (einstellbar von 0 bis +3 pH-Einheiten mittels der adaptiven Regelschi elf e)

Adaptive Regelschleife:

Proportionalbereich: 300%

RUckfUhrzeit: 3 min

Übergangsperiode: 12 min Niederfrequenz-Ver- 0,7 Stärkungsgrad: "^

Die vorstehend angegebenen Werte sind rein beispielhaft und sollen • keinesfalls als notwendig oder als die Erfindung einschränkend angesehen werden.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine adaptive Regelanlage zur Verwendung bei nichtlinearen Verfahren geschaffen, die einen nichtlinearen Regler mit ferneinstelibarer Totzonenbreite sowie einen adaptiven Regler zur Durchfuhrung dieser Einstellung aufweist. Der adaptive Regler arbeitet aufgrund des gleichen Fehlersignals wie der nichtlineare Regier, weist jedoch in seinem Eingang eine Diskriminatorschaltung auf, die auf Hoch- und Niederfrequenzkomponenten " im Fehlersignal in entgegengesetzte Richtungen reagiert. Schwingungen-des Verfahrens auf der Eigenperiode der Regelschleife werden erzeugt, um die nichtlineare Totzonenbreite zu vergrößern^ während Abweichungen oder Verschiebungen die Totzonenbreite enger werden lassen. Mit dieser Anlage kann eine 50:l-Äiderung

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im Prozeßverstärkungsgrad verarbeitet werden. Die Regelanlage eignet sich speziell für nichtlineare Verfahren, z.B. für die pH-Wertregelung eines chemischen Ablaufwassers mit wahllos variierender Zusammensetzung. Durch Vermeidung eines kontinuierlichen Schwingens kann mit dieser Anlage der Reäktionsmittelverbrauch um 50% verringert werden, während die gesetzlichen Vorschriften für Abfluß oder Ablaufwasser dennoch eingehalten werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahrensregelanlage für ein Verfahren mit einer nichtlinearen Verstärkungsfunktion im Verfahren, mit einer Quelle für ein auf den Wert einer Verfahrensveränderlichen bezogenes Meß- oder Istwertsignal, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals, das nichtlinear auf die Abweichung des isrwertsignals von einem vorbestimmten Sollwert bezogen ist, und einer auf das Fehlersignal ansprechenden Regeleinrichtung zur Beeinflussung des Verfahrens zwecks Verringerung der Größe des FehSersignals, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Feststellung von Änderungen der Verfahrensverstärkungsfunktion und eine Einrichtung zur Anpassung der Nichtlinearität der Fehlersignal einrichtung in Abhängigkeit von Änderungen der Verfahrensverstärkungsfunktion.
2. Regelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtung einen auf die Abweichung des Istwertsignals von einem vorbestimmten Bezugswert ansprechenden Diskriminator (70) zur Erzeugung eines adaptiven Fehlersignals (E"), das auf Änderungen der Verfahrensverstärkungsfunktion bezogen ist, aufweist.
3. Regelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bezugswert dem Sollwert entspricht.
4. Regelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator auf die Frequenzkennwerte des Istwertsignals anspricht.

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5._o ftegeitanuage nach Anspruch, 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (70) eine Anzahl von Filtern (72, 74) zur Bestimmung des Vorhandenseins bestimmter Frequenzen im Sollwertsignäl aufweist.
6. Regelanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator weiterhin mehrere auf die Filter ansprechende Gleichrichter {76, -82) zur Erzeugung von Signalen^ die für die in den Istwertsignalen enthaltenen Frequenzen repräsentativ sind, und eine Einrichtung (78) zum Kombinleren der Gleichrichtersignale auf vorbestimmte Weise zur Erzeugung des adaptiven Fehlersignals (E'') aufweist.
7. Regelanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator weiterhin ein auf das Vorhandensein von Frequenzen unterhalb einer vorbestimmten Ubergangsfrequenz ansprechendes Tiefpaßfilter (80), einen Niederfrequenz-Gleichrichtsr (82) zum Gleichrichten des Ausgängssignals des Tiefpaßfilters, ein auf das Vorhandensein von oberhalb der Übergangsfrequenz liegenden Frequenzen ansprechendes Hochpaßfilter (72), einen Hochfrequenz-Gleichrichter {76) zum Gleichrichten des Ausgangssignals des Hochpaßfilters in gegenüber dem Niederfrequenz-Gleichrichter entgegengesetzter Polarität und eine Summiereinrichtung (78) zur Kombination der Ausgangssignale der Gleichrichter (76, 82) zwecks Erzeugung des adaptiven Fehlersignals (E") aufweist.
8. Regelanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (70) zusätzlich eine Verstärkungsstufe (80) zur Änderung des Verstärkungsgrads der einen Filter-Gleichrichter-Kombination gegenüber der anderen zur Verhinderung einer Impulsschwingung aufweist.
9. Regelanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive

• Einrichtung die Nichtlinearität in Abhängigkeit von einem adaptiven Fehlersignal erhöht, das durch ein Vorherrschen von Hechfrequenzsignalen gekenn-

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zeichnet ist, und sie in Abhängigkeit von einem adaptiven Fehlersigna! verringert, das durch vorherrschend niederfrequente Signale gekennzeichnet ist.
10. Regelanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Gewöhrleistung einer Mindest-Nichtlinearität zur Verhinderung -eines Impulsschwingens vorgesehen ist.
11. Regelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fehlersignal durch einen niedrigen Verstörkungsgrad im Totzonenbereich für Werte der Istwertsignale, die innerhalb eines bestimmten Bereichs des Sollwerts liegen, und einen praktisch linearen, höheren Verstärkungsgradbereich für außerhalb des Totzonenbereichs liegende Werte der Istwertsignale auszeichnet.
12. Regelanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anpassung der Nichtlinearität Mittel zur Änderung der Breite des Totzonenbereichs aufweist.
13. Regelanlage nach Anspruch 1.2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtung einen auf die Abweichung des Istwertsignals von einem vorbestimmten Bezugswert ansprechenden Diskriminator zur Erzeugung eines adaptiven Fehlersignals aufweist, das auf Änderungen in der Verfahrensverstärkungsfunktion bezogen ist.
14. Regelanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtung einen auf bestimmte Bereiche der im Istwertsignal enthaltenen Frequenzen ansprechenden Diskriminator zur Erzeugung eines auf den vorherrschenden Frequenzbereich bezogenen adaptiven Fehlersignals aufweist.
15. Regelanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich-

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tung zur Änderung der Breite des Totzonenberelchs eine Einrichtung zur

* Vergrößerung der Totzonenbreita in Abhängigkeit von einem adaptiven Fehlersignal, das sich durch einen vorherrschenden Frequenzbereich oberhalb einer vorbestimmten Übergangsfrequenz auszeichnet, und eine Einrichtung zur Verkleinerung der Totzonenbreite in Abhängigkeit von einem adaptiven Fehlersignal aufweist, das sich durch einen vorherrschenden Frequenzbereich unterhalb der Ubergangsfrequenz auszeichriet.
16. Regelanlage nach Anspruch15, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Übergangsfrequenz unterhalb der Eigenfrequenz des Verfahrens liegt.
17. Regelanlage für nichtlineare Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch eine nichtlineare primäre Regelschleife zur Beeinflussung des Verfahrens zwecks Unterdrückung jeglicher Abweichung zwischen einer gemessenen Verfahrensveränderlichen und einem vorbestimmten Sollwert und eine sekundäre Regelschleife zur Anpassung der Nicht!inearität der primären Regelschleife In Abhängigkeit von einem sich verändernden Verfahrensverstärkungsgrad.
18. Regelanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nichtlinearität in Form einer Totzone vorliegt.
19. Regelanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Regelschleife eine auf die Abweichung ansprechende Einrichtung zur Verengung der Totzone bei Verfahrensabweichungen und eine auf die Abweichung ansprechende Einrichtung zur Erweiterung der Totzone bei Verfahrensschwingungen aufweist. . ·
20. Regelanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrich-

• tung zur Gewährleistung einer Mindesttotzone zur Verhinderung einer Impulsschwingung vorgesehen ist.

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21. Regelanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Verringerung der Frequenz oder Geschwindigkeit, mit welcher die Totzone verengt wird, vorgesehen ist.

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