DE2431974A1 - Prozessteuerung - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: BO 973 012

Prozeßsteuerung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeßsteuerung. Außerdem betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In bekannten Verfahren zur Prozeßsteuerung erfolgen prozeßsteuernde Eingriffe aufgrund aktueller Prüfwerte der Prozeßvariablen; hierbei werden jedoch korrektive Eingriffe erst nach mehrmaligem Abfühlen der aktuellen Prüfwerte der Prozeßvariablen vorgenommen. Dadurch sind die Systeme aufwendig.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Prozeßsteuerung anzugeben, bei dem aktuelle Prüfwerte der Prozeßvariablen von vornherein als gültig - oder ungültig im Sinne einer beabsichtigten Regelung klassifiziert werden.

Dadurch ist eine einfache Steuertechnik bedingt*. Diese Aufgabe wird in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Prozeßvariable in ihrer aktuellen und Sollwertgröße miteinander in bestimmten Zeitabständen verglichen wird und für die Steuerung (Regelung) nur ein solcher aktueller Wert der Prozeß-

5 09808/0719

JG.'NAL INSPECTED

variablen verwendet wird, der innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt, für den eine Steuerung (Regelung) noch durchführbar ist .und daß bei einer überbeschreitung dieses Bereiches der zuletzt in diesen Bereich entfallene Wert der aktuellen Prozeßvariablen für die Steuerung (Regelung) verwendet wird.

Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in vorteilhafter Weise dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk zur Feststellung vorgesehen ist, ob der aktuelle Wert der Prozeßvariablen noch innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt, daß dieses Netzwerk mit einem Speicher zur Speicherung des jeweils letzten aktuellen Wertes dieser Prozeßvariablen verbunden ist, der innerhalb des vorgegebenen Bereiches liegt und daß die Steuer-(Regel)Schaltung mit dem Ausgangssignal des Netzwerkes bzw. mit dem Ausgangssignal des Speichers beaufschlagbar ist.

Eine Anordnung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors ist in vorteilhafter Weise dadurch gekennzeichnet, daß ein taktgesteuertes erstes Netzwerk zur meßtechnischen Erfassung des aktuellen LaufVerhaltens des Motors und ein taktgesteuerter erster Speicher für Geschwindigkeitssollwerte und für regelungszulässige Geschwindigkeitsabweichungen vorhanden ist, daß in einem mit dem ersten Speicher und dem ersten Netzwerk verbundenen zweiten Netzwerk bestimmbar ist, ob das aktuelle Laufverhalten des Motors noch innerhalb des für eine Regelung zulässigen Bereiches liegt und daß für diesen Fall durch ein mit dem ersten Speicher, dem ersten und dem zweiten Netzwerk verbundenes drittes Netzwerk aus der Geschwindigkeitsabweichung eine Fehlergröße errechenbar und in ein viertes speicherndes Netzwerk übertragbar ist, dessen Ausgangssignal mit dem eines fünften Netzwerkes für Geschwindigkeitsbefehle zur Motorerregung überlagerbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

BO 973 012

503808/0719

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Prozeßregelung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Betriebsweise

gemäß Fig. 1 unter Berücksichtigung des Prozeßvariablen-Bereiches,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines geschwin-

digkeitsregelnden Verfahrens für einen Gleichstrommotor ,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Inhalts von

dem Geschwindigkeitsspeicher nach Fig. 3, dessen Inhalt die gewünschten Tachometerperioden definiert, d.h. die Motorgeschwindigkeit für eine Start-Lauf-Stop-Folge unter Berücksichtigung eines akzeptablen Perioden-Bereiches, d.h. unter Berücksichtigung einer gültigen Rückkopplungsinformation, welche zur Auswertung in dem geschlossenen Regelkreis akzeptiert wird, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung zum Geschwindigkeits-

Befehlsnetzwerk nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist die Verarbeitung 10 generell unter Einschluß eines Prozeßvariablen-Reglers 11, eines Sensors 12 für Prüfdaten der ersten Prozeßvariablen und eines Sensors 17 für eine zweite Prozeßvariable gezeigt. Diese allgemeine Darstellung eines steuerbaren Prozesses ist bestimmt, eine große Mannigfaltigkeit von Prozessen zu verkörpern: z.B. die Geschwindigkeitssteuerung nach Fig. 3 oder eine Temperaturregelung, bei der der Regler 11 den Ausgang des Sensor 12 mit einer Bezugs-

BO 973 012

E09808/0719

-A-

temperatur vergleicht und die Temperatur des Prozesses auf die Bezugsgröße regelt.

Die Bezugsgröße oder ein Befehl für die Verarbeitung 10 wird vom Regler 11 über die Leitung 13 empfangen. Aktuelle Prozeßvariablen-Information entsprechend dem Bezugwert wird vom Regler 11 über die Leitung 14 empfangen. Der Regler 11 ist so ausgelegt, um die vorgegebene variable Größe auf der Leitung mit der aktuellen Variablengröße auf der Leitung 14 zu vergleichen und eine korrigierende Aktion im Prozeß einzuleiten, um die Größe der Prozeßvariablen, z.B. der Temperatur, auf die vorgegebene Größe zu bringen.

Der Sensor 12 spricht auf periodische oder aperiodische Prüfwerte der aktuellen Größe der Prozeßvariablen an und liefert rückgekoppelte Prüfdaten auf der Leitung 15 an das Netzwerk 16 für den Prozeßvariablen-Bereich.

Das Netzwerk 16 vergleicht die Größe jedes einzelnen rückgekoppelten Prüfwertes mit einer Referenzgröße und entscheidet, ob der einzelne Prüfwert gültig oder ungültig ist. Per Definition liegt ein gültiger rückgekoppelter Prüfwert innerhalb eines Bereiches erwarteter Werte. Dieser Bereich ist durch den Bereich definiert, in dem der Regler 11 eine Änderung in der Prozeßvariablen zustandebringt. Diese Änderung ist immer abhängig von der Zeit zwischen den rückgekoppelten Prüfwerten und kann zusätzlich auf eine zweite Prozeßvariable ansprechen. Wenn der erwartete Bereich der Rückkopplungsgrößen tatsächlich auf eine zweite Prozeßvariable anspricht und mit dieser variabel ist, ist der Sensor 17 für die zweite Prozeßvariable mit der Bearbeitung 10 verbunden und sieht eine Ausgabe auf der Leitung 18 vor, um den Testparameter zu steuern, welcher durch das Netzwerk 16 zum Testen der Rückkopplungswerte 15 benutzt wird.

BO 973 012

5 0 9808/0719

Wenn ein einzelner Rückkopplungsprüfwert den erforderten Test passiert, wird dieser Prüfwert als gültige Rückkopplungsinformation auf der Leitung 19 vorgesehen. Dieser gültige Rückkopplungsprüfwert wird in dem Speichernetzwerk 20 für den letzten gültigen Prüfwert gespeichert und zusätzlich auf die Leitung gelegt, um als aktuelle Rückkopplungsinformation durch den Regler 11 benutzt zu werden. Außerdem bewirkt die gültige Rückkopplungsinformation das Rücksetzen des Bereich-Netzwerkes 16 über den Leiter 21; dadurch wird dieses Netzwerk für einen nachfolgenden Rückkopplungsprüfwert bereitgestellt. Da die Fähigkeit des Netzwerkes 16 zum Testen eines gegebenen Rückkopplungsprüfwertes zeitabhängig ist, ist es erforderlich, dieses Netzwerk in einen Null-Zeitstatus zurückzusetzen, von dem aus der Testparameter wieder - eine nachfolgende Rückkopplungsprobe erwartend - seine zeitabhängige Variation beginnen kann.

Das Netzwerk 20 kann z.B. ein Register sein, welches dje letzte gültige Rückkopplung in binärer Form enthält. Zusätzlich kann die Ausgabe des Netzwerkes 20, welches nur dann benutzt wird, wenn nachfolgende Rückkopplungsprüfwerte fehlen, um den Test durch das Netzwerk 16 zu passieren, eine Substituion basierend auf dem letzten vorausgehenden gültigen Prüfwert sein. Z.B. kann das ersetzte Signal ein gültiger Prüfwert sein, dessen Größe mit der Zeit abklingt.

Angenommen, daß der nächste Rückkopplungsprüfwert auf der Leitung 15 ungültig ist, was z.B. durch einen momentanen Ausfall des Sensors 12 verursacht sein kann. In "diesem Falle wird dieser bestimmte Rückkopplungsprüfwert nicht den Test durch das Netzwerk 16 passieren. Als Resultat wird die Leitung 22 aktiviert und das Speichernetzwerk 20 liefert - basierend auf der letzten gültigen Rückkopplungsinformation - ein Substituierungssignal zur Leitung 14 auf der Leitung 23. Als Resultat setzt der Regler 11 die Steuerung des Prozesses 10 durch Gebrauch eines Substituierungssignales, basierend auf der letzten gültigen Rückkopplungsinformation, empfangen vom Sensor 12, fort.

BO 973 012

509808/Ü719

Diese Betriebsweise der Prozeßregelung hält an, bis ein gültiger Rückkopplungsprüfwert vom Sensor 12 erhalten wird. Wenn dieser gültige Rückkopplungsprüfwert erhalten wird, wird er in einem Speichernetzwerk 20 gespeichert; mit ihm wird die Leitung 14 beaufschlagt für die Prozeßregelung und das Bereichsnetzwerk 16 wird zurückgesetzt in seinen Null-Zeitstatus, den nächsten Rückkopplungsprüfwert abwartend.

Fig. 2 ist eine graphische schematische Darstellung der Betriebsweise des Bereichnetzwerkes 16. In dieser graphischen Darstellung wird eine nominelle erwartete Rückkopplungsgröße durch eine gestrichelte Linie 30 dargestellt. Zur Zeit to wird das Bereichsnetzwerk 16 in seinen Nullzeitstatus zurückgesetzt, in dem der Bereichstest anschließend durch das Netzwerk 16 (definiert durch die Linien 31 und 32) zu instituieren ist. Beispielsweise definiert die Kurve 31 die Größe der Prozeßvariablen, abgefühlt durch den Sensor 12, wenn der Regler 11 eine 100 %-ige "An"-Regelung instituiert bei einer Bedingungsänderung eines Teiles des Prozesses 10 zur Zeit to. Dieses würde in einer Temperaturregelung z.B. maximale Erregung eines entsprechenden Heizers bedeuten oder in einer Geschwindigkeitsregelung die volle Erregung eines Motors. Die Kurve 32 definiert die erwartete Rückkopplung, welche mit einer Variation in der Zeit auftreten kann, wenn der Regeler 11 eine 100 %-ige "Aus"-Bedingung instituiert bei einer Bedingungsänderung eines Teils des Prozesses 10 zur Zeit tO. Es ist klar, daß zwischen den Kurven 31 und 32 gültige Rückkopplungsinformation existieren muß. Irgendwelche Rückkopplungsprüfwerte, welche entweder über der Kurve 31 oder unter der Kurve 32 liegen, sind ungültige Rückkopplungsinformation.

Angenommen, der nächste Rückkopplungsprüfwert läge zur Zeit ti vor und er sei gültig. Dieser Rückkopplungsprüfwert ist effektiv, das Bereichsnetzwerk 16 zurückzusetzen, so daß seine testenden Parameter neu durch die gestrichelten Linien 33 und 34 definiert werden. Der Bereichstest, definiert durch diese gestrichtelten Linien, ist identisch dem Bereichstest, definiert

BO 973 012

509808/0719

durch die Kurven 31 und 32; er ist lediglich zeitverschoben.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung, angewendet auf eine Geschwindigkeitsregelung eines Gleichstrommotors 40. Wie es typisch für eine solche Regelung ist, ist der Motor 40 direkt mit dem bandtreibenden Glied 41 für das magnetische Aufzeichnungsband 42 verbunden. Vorzugsweise ist der Motor hochtourig; niedrigtourige Motoren sind im US-Patent 3 490 672 beschrieben.

Der Rückkopplungssensor in diesem Prozeß ist ein digitales Tachometer 43. Bekannterweise sieht ein solches Tachometer einen Rückkopplungspuls auf der Leitung 44 für jede Umdrehungseinheit des Motors 40 vor. Beispielsweise kann das Tachometer 43 500 Pulse für jede Umdrehung des Motors 40 vorsehen.

Die Geschwindigkeit des Motors 40 wird durch ein periodisches Meßnetzwerk 45 erfaßt. Dieses Netzwerk dient der Zählung der Zahl von Zyklen eines hochfrequenten Taktes 46, welcher zwischen den benachbarten Ausgabepulsen vom Tachometer 43 auftritt. Das Netzwerk 45 benutzt diese zwei Eingaben zur Ableitung einer Tachometermeßperxode T auf der Leitung 46. Der Motor 40 arbeitet im Start-Stop-Betrieb; die Darstellung in Fig. 3 dient der Regelung der Geschwindigkeit dieses Motors während der Beschleunigung, des konstanten Laufes und der Abbremsung dieses Motors. Das Geschwindigkeitsspeichernetz 47 enthält einen Speicher für die gewünschte Tachometerperiode Tr, welche während dieser drei Phasen von einem Motorzyklus auftreten sollte. Außerdem enthält das Netzwerk einen Speicher für akzeptable Abweichungen von der gewünschten Tachometerperiode Diese Abweichung ist definiert als akzeptabler Periodenbereich ATr.

Mit Empfang eines Startbefehles über die Leitung 47 werden im Speicher 47 in kontinuierlicher Weise taktgesteuert 49 die Werte für die Beschleunigung und das nachfolgende konstante

BO 973 012

509808/0719

Laufverhalten abgefragt. Anschließend mit dem Empfang eines Stop-Befehles über die Leitung 50 wird der Wert für die Abbremsung im Speicher 47 taktgesteuert abgefragt.

Fig. 4 zeigt einen repräsentativen Inhalt des Speichers 47, wobei die ausgezogene Linie 62 die gewünschte Tachometerperiode Tr darstellt bzw. den Befehlseinsatzpunkt für die Motorenbeschleunigung , den konstanten Umlauf/ und das Abbremsungsintervall. Der ΔΤ-Bereich, definiert durch die gestrichelten Linien 63 und 64, definiert den akzeptablen Periodenbereich ATr. Zu irgendeiner gegebenen Zeit muß die aktuellen Periodenmessung T, - durch das Netzwerk 45 geliefert - zwischen die gestrichelten Linien 63 und 64 fallen, um als gültige Rückkopplungsinformation klassifiziert zu werden.

Das periodische Vergleichsnetzwerk 51 und das periodische Testnetzwerk 68 sind effektiv, die periodische Rückkopplungsinformation T auf der Leitung 46 mit der gewünschten Tachometerperiodeninformation Tr über die Leitung 52 vom Speicher 47 zu empfangen und mit der akzeptablen Periodenbereichsinformation ATr (über die Leitung 53 vom Speicher 47 empfangen) zu vergleichen und zu bestimmen, wann die Rückkopplungsinformation gültig ist und bei Gültigkeit den Perioden-Fehler Te zur Anwendung der Geschwindigkeitsregelung des Motors 40 zu errechnen. Detaillierter gesehen, vergleicht das Netzwerk 68 die aktuelle Periode T mit der gewünschten Periode Tr, um zu bestimmen, wann die Differenz zwischen diesen beiden Perioden kleiner ist als der akzeptable Periodenbereich. Das Netzwerk 68 kann z.B. eine arithmetische und logische Einheit sein, um den Test |T-Tr|<ATr durchzuführen. Mit anderen Worten: die Gleichung |T-Tr| <ATr muß erfüllt sein. Für die Durchführung des Testes ist das Netzwerk 51 über die Leitung 69 aktiviert. Das Netzwerk 51, welches eine einfache arithmetische und logische Einheit sein kann, errechnet jetzt den periodischen Fehler Te mittels der Gleichung Te=k IT-TrJ, worin k eine Konstante bedeutet. Der errechnete periodische Fehler wird wie gültige Rückkopplungsinformation

BO 973 012

509808/0719

auf die Leitung 54 gegeben zur Speicherung in ein Netzwerk 55. Dieses Netzwerk kann ein gleichmäßig anstehendes Signal zur Ausgabeleitung 61 vorsehen. Beispielsweise könnte das Netzwerk 55 ein Register einschließen für den binären Wert von Te und auf einen bipolaren Digital-Analogwandler arbeiten, dessen Ausgabe die Leitung 61 umfaßt. Alternativ kann diese Signalgröße oder diese Ausgabe expotentiell abklingen auf den erwarteten nachfolgenden periodischen Fehler durch Anwendung eines Voraussagenetzwerkes, wie es in einer ebenfalls eingereichten US-Patenanmeldung (Serial Nr. 232 885) beschrieben ist.

Angenommen, der nächste Prüfwert vom Netzwerk 45 wird nicht den Test |T-Trl<ATr passieren und eine Neuberechnung des periodischen Fehlers Te wird nicht erfolgen, so wird der Inhalt des Haltenetzwerkes 55 zurückbehalten für den Gebrauch durch den Servomechanismus und die ungültige Rückkopplungsinformation wird vernachlässigt.

Fig. 3 schließt ein Geschwindigkeitsbefehlsnetzwerk 56 ein, welches durch einen Startbefehl auf der Leitung 57 und einen Stopbefehl auf der Leitung 58 gesteuert wird, um ein Signal zum Leistungsverstärker 59 vorzusehen. Dieses Signal wird zur normalen Aktivierung des Motors 40 ausgewählt, um den Motor zu befähigen, einer gewünschten Beschleunigung, einem konstanten Geschwindigkeitumlauf und einer Abbremsung zu folgen. Die Ausgabe des Netzwerkes 56 erscheint auf der Leitung 60 und wird mit der Ausgabe des Netzwerkes 55 summiert, um die Steuerung der Aktivierung des Motors 40 zu variieren. Wenn z.B. ein bestimmter Rückkopplungsprüfwert vom Netzwerk 45 anzeigt, daß der Motor niedrigtourig läuft, wird die Ausgabe des Netzwerkes 61 zu dem Signal auf der Leitung 60 für eine zunehmende Aktivierung des Motors 40 addiert. Andererseits, bei Schnellaufendem Motor, wird die Ausgabe des Netzwerkes 55 von der des Netzwerkes 56 subtrahiert, wobei die Aktivierung des Motors abnimmt.

Fig. -5 zeigt den Inhalt des Geschwindigkeitsbefehlsnetzwerkes BO 973 012

509808/0719

56 für die Beschleunigung, den konstanten Lauf und die Abbremsungsintervalle von dem Motor. Die Größe von der Kurve 65 ist repräsentativ für den Grad der Motorerregung, welcher gewöhnlicherweise das gewünschte Geschwindigkeitsprofil für einen Start-Stop-Zyklus des Motors 40 bedingt.

BO 973 012

509808/0713

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Prozeßsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeisvariable in ihrer aktuellen und Sollwertgröße miteinander in bestimmten Zeitabständen verglichen wird und für die Steuerung (Regelung) nur ein solcher aktueller Wert der Prozeßvariablen verwendet wird, der innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt, für den eine Steuerung (Regelung) noch durchführbar ist und daß bei einer überteeschreitung dieses Bereiches der zuletzt in diesen Bereich entfallene Wert der aktuellen Prozeßvariablen für die Steuerung (Regelung) verwendet wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Netzwerk (16) zur Feststellung vorgesehen ist, ob der aktuelle Wert der Prozeßvariablen noch innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt,

daß dieses Netzwerk (16) mit einem Speicher (20) zur Speicherung des jeweils letzten aktuellen Wertes dieser Prozeßvariablen verbunden ist, der innerhalb des vorgegebenen Bereiches liegt und

daß die Steuer-(Regel)Schaltung (11) mit dem Ausgangssignal des Netzwerkes (16) bzw. mit dem Ausgangssignal des Speichers (20) beaufschlagbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Anwendung für die Geschwindigkeitssteuerung (-Regelung) eines Gleichstrommotors ein taktgesteuertes erstes Netzwerk (45) zur meßtechnischen Erfassung des aktuellen LaufVerhaltens des Motors (40) und ein taktgesteuerter erster Speicher (47) für Geschwindigkeitssollwerte und für regelungszulässige Geschwindigkeitsabweichungen vorhanden ist,

BO 973 012

509808/0719

daß in einem mit dem ersten Speicher (47) und dem ersten Netzwerk (45) verbundenen zweiten Netzwerk (68) bestimmbar ist, ob das aktuelle Laufverhalten des Motors noch innerhalb des für eine Regelung zulässigen Bereiches liegt und

daß für diesen Fall durch ein mit dem ersten Speicher (47), dem ersten (45) und dem zweiten Netzwerk (68) verbundenes drittes Netzwerk aus der Geschwindigkeitsabweichung eine Fehlergröße errechenbar und in ein viertes speicherndes Netzwerk (55) übertragbar ist, dessen Ausgangssignal mit dem eines fünften Netzwerkes (56) für Geschwindigkeitsbefehle zur Motorerregung überlagerbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor im Start-Stop-Betrieb betreibbar ist.

BO 973 012

509808/0719

Leerseite