DE2638456B2 - Verfahren zum Anfahren von Regelkreisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren von Regelkreisen, die mit Reglern ausgerüstet sind, bei denen die Stellgröße vom vergangenen Verlauf des Istwerts abhängig ist, mit vorzugsweise Pl-, PID-Reglern, soweit die Ausgangsgröße des Reglers noch keinen Einfluß auf die Regelstrecke hat, weil die Stellgröße durch einen vom Regler nicht beeinflußbaren Wert begren/.t wird.

Vor dem Anfahren eines Regelkreises befindet sich das Stellglied in einer Lage, die vom Regler nicht verändert werden kann, z. B. die Endlage des Stellgliedes. Die verschiedenen Regelverfahren und -einrichtun-" > gen unterscheiden sich wesentlich in der Art der Begrenzung der Regler, die jeweils für einen bestimmten Anwendungsfall des Reglers gestaltet und durch seinen strukturellen Aufbau bestimmt ist.

Bekannt ist beispielsweise die Strukturun. schaltung

in zur Verbesserung des Anfahrvorgangs eines Reglers, bei der die Struktur des Regelkreises mittels einer Weiche, beispielsweise mittels eines Umschaltrelais, umgeschaltet wird. Ein von außen vorgegebener Druck, der meist von Hand einstellbar ist, wird über dieses

'.'■ Relais auf die Integral-Rückführung gegeben. Das Relais schaltet die Integral-Rückführung auf den Reglerausgang um, wenn der Druck an diesem Ausgang einen bestimmten, einstellbaren Wert, den Umschaltdruck, über- bzw. unterschreitet. Dabei sind drei Fälle zu

-?» unterscheiden:

!. Der vorgegebene Handstelldruck liegt oberhalb des Umschaltdruckcs.

2. Der vorgegebene Handstclldruck liegt unterhalb des Umschaltdruckes.

3. Handstclldruck und Umschaltdruck sind gleich.

In der DE-AS 1146 68t ist vorgeschlagen, bei einem druckmittelbetriebenen Regler den Anfahrvorgang dadurch zu verbessern, daß ein Relais zwischen

«ι Sollwertgeber und Regelwerk geschaltet wird, welches in Abhängigkeit von dem Istwert der Regelgröße der. am Regler wirksamen Sollwert auf den eingestellten Sollwert ansteigen läßt.

Eine derartige Schaltung erfordert vor jedem

i". Anfahren einen Eingriff, der dazu führt, daß der Ausgangsdruck dieses Relais gleich dem Istwert ist. Dies kann durch Entlüften des Relais von Hand oder kurzzeitiges Verstellen des Sollwertes auf den vor dem Anfahren vorhandenen Istwert und Rückstellen des

»ι Sollwertes auf den endgültigen Wert geschehen. Weicht während des Betriebes einer Anlrigc der Istwert vom Sollwert ab, weil auch die Endlage des Stellgliedes nicht ausreicht, den Istwert an den Sollwert heranzuführen, so ist nach Beendigung dieses Ziistandcs, wenn die

Γι Kapazität des Stellgliedes wieder ausreicht, ein Anfahrvorgang notwendig. Vor diesem Anfahrvorgang müssen von Hand die beschriebenen Maßnahmen ergriffen werden.

Eine derartige Schaltung verhindert bei Reglern mit

ι» Integralanteil nicht die Integralsättigung. Vor dem Anfahren eines Regelkreises, der mit einem Regler mit Integralantcil ausgerüstet ist, muß ebenso durch einen [Eingriff die Integralsättigung abgebaut werden.

Im Fall I wird nach dem Umschalten durch das Relais

"·"> bei Erreichen des Umschaltdruckcs der Druck in der Integral-Rückführung geringer. Dadurch wird die den Ausgangsdruck begrenzende I'roportional-Rückfiih· rung wieder wirksamer, so daß der Druck am Ausgang des Reglers wieder sinkt. Als Folge davon schallet das

wi Relais wieder zurück. Dieser Vorgang kanu sich wiederholen, so daß ,Schwingungen im Regelkreis auftreten können. Im /weiten F-a11 wird die Wirkung der Struktururnschaltung auf den Anfahrvorgang abgeschwächt, so daß es durch Überschwingen der

i>"> Regelgröße zu instabilen Rcgelvorgängcn kommen kann. Der dritte Fall kann durch wesentlich geringeren Aufwand, beispielsweise mittels eine Bcgren/ungsrclais, das eine Integralsättigiing bewirkt, erreicht werden.

wobei unter Integralsäi.tigung der gerätetechnisch maximal oder minimal mögliche Wert zu verstehen ist, den die Integral-Rückführung annehmen kann.

Ferner ist es bekannt, zum besseren Anfahren eines Regelkreises das Differenzierglied in den Istwert-Eingang des Reglers zu legen. Bei diesem Verfahren wird nur die differenzierende Wirkung für das Anfahren wirkungsvoll, nicht die integrierende Wirkung. Darüberhinaus sind Ungenauigkeiten durch Nullpunktfehler des PD-Gliedes in Kauf zu nehmen. Um eine derartige Einrichtung möglichst wirkungsvoll zu machen, muß eine möglichst große Vorhaltzeit gewählt werden. Große Vorhaltzeiten führen jedoch leicht zu instabilen Regelvorgängen, so daß der Regler durch einen größeren Proportionalbereich und durch eine größere Nach-'ellzeit mittels eines integrierenden Gliedes gedämpft werden muß. Dies bringt eine größere bleibende Abweichung der Regelgröße vom Sollwert und größere Stellzeiten des integralen Reglerleils mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für alle Arten des Anfahrens von Regelkreisen ein Verfahren zu finden, das den Anfahrvorgang des Regelkreises optimal gestaltet, wobei der Regler möglichst früh eingreifen soll.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels einer Schaltung die Proportional-Rückführung des Reglers mit einer Begrenzungsgröße beaufschlagt wird und mit Hilfe der Differenz zwischen dieser Begrenzungsgröße und der Ausgangsgröße des Reglcrverstärkcrs die Inlegral-Rückführungsgröße über Schaltelemente verändert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein besseres Anfahrverhalten von Regelkreisen gegenüber den bisherigen Verfahren, beispielsweise der Strukturumschaltung, erreicht. Im Gegensat/ zum D-Pl-Regler wird der Ablöscpunkt des Stellgliedes von seiner Endlage durch beide Zeitglieder (Differen/ierglied und Integralglied) bestimmt. Je langer die Nachstellzeit des Reglers ist desto gedämpfter verläuft der Anfahrvorgang. Dadurch kann auch der Proportionalbereich entsprechend klein gewählt werden, [".in weiterer Vorteil besteht darin, daß der Regler auch bei sprungartigen Änderungen des Istwertes unsprichl, beispielsweise beim Einschalten der Energiezufuhr der Regelstrecke.

Im Gegensatz zur Regeleinrichtung nach der DE-AS 11 46 681, bei der ein Relais zwischen Sollwertgeber und Regelwerk geschaltet ist, braucht vor dem Anfahren von außen nicht eingegriffen werden.

lsi bei einer Kaskadenrcgclung der Führungsregler ein Regler mit Integralanteil, so wird bei dem crfindungsgcmäßen Verfahren der Integralantcil des Rihrtingsreglcrs durch Begrenzungsgriißc auf einem Niillwert sein, d:r dem Istwert des Folgcrcgelkreises entspricht. Dieser Nullwcrt zum Zeitpunkt Null vor dem Anfahren wird genau so groß sein, daß der Ausgang des Führungsrcglcrs, der identisch ist mit dem Sollwert des Folgcreglers, gleich dem Istwert des !'olgereglers ist. Die ßegrcnzungsgrößc des Rihrungsrcglers wird in diesem Falle «ins dem Islwerl des Folgercgclkrcisas und der Differenz vom Rcglenuisgang und Endlage des Stellgliedes des Folgeregelkreiscs gebildet. Der für das Anfahren optimale Wert ties Integralanteils des 1 iihrungsreglers stellt sich bei dem erfindungsgemäß arbeitenden Vcrfalircn automatisch ein, so daß ein Eingriff von außen vor dem Anfahren nicht erforderlich ist.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Beim Einsatz von Reglern kommt es immer wieder vor, daß der Regler nicht mehr im Eingriff ist, sondern weiter aussteuern will als dies sinnvoll ist. Dies kann die unterschiedlichsten Ursachen haben, z. B. der Regler stellt ein Ventil ganz auf. Die Kapazität der Anlage reicht aber nicht aus, den Istwert zu erreichen. Die

in Kapazitätsgrenze der Anlage kann z. B. die Leistung einer Pumpe sein. Für den Regler ist die Ventilstellung »offen« die entsprechende Stellgrenze, denn es hat keinen Sinn, die Ausgangsgröße weiter zu erhöhen, da die Ausgangsgröße des Reglers die Kapazität des

ti Ventils in keiner Weise erhöht, wenn sie über die Stellgrenze des Ventils hinausgeht. Die Kapazitätsgrenze der Anlage spiegelt sich in der Stellgrenze der Stellgröße eines Reglers wieder. Dabei kann die Kapazitätsgrenze der Anlage auch eine variable

-•π Stellgrenze der Stellgröße eines Reglers erscheinen lassen. Zum Beispiel, der SaugdruiK eines Verdichters werde durch Verstellen der Dralldrossel geregelt. Die Leistungsaufnahme des Motors, der den Verdichter antreibt, darf jedoch einen festgelegten Wer: nicht

J") überschreiten.

Die Anlage wird bei Eingreifen des Reglers für die Leistungsaufnahme an der Dralldrossel an der Kapazitätsgrenze »Leistungsaufnahme« gefahren. Der Saugdruckregler kann jetzt nicht mehr eingreifen, da seine

Ii■ Stellgröße über den Wert der Stellgröße des Leistungsreglers hinausgeht. Eine Erhöhung der Ausgangsgröße des Druckreglers über die Ausgangsgröße des Leistungsreglers ist sinnlos. Die Ausgangsgröße des Leistungsreglers stellt daher eine variable Stellgrenze

i"i für die Stellgröße des Druckreglers dar. Umgekehrt sind die Verhältnisse analog. Greift der Saugdruckreglcr ein.

so stellt seine Ausgangsgröße für die Ausgangsgröße des Leistungsregler eine variable Stellgrenze dar.

Das Anfahren eines Regelkreises besteht also in dem

»' Übergang zwischen zwei Zuständen. Zuerst reicht die Kapazität der Anlage nicht aus, den Istwert auf den Sollwert zu bringen. Die Reglerausgangsgrößc wird über die zugehörige Stellgrenze hinauslaufen. Dann reicht die Kapazität der Anlage wieder au'.; entweder

ι > weil sich die variable Stcllgrenze so wei' verschiebt, daß der Regler wieder eingreifen kann oder weil der Stellgröße eine andere Kapazität der Anlage zugeordnet wird. Aufgabe des Reglers ist es nun, möglichst frühzeitig wieder einzugreifen. Der Regler wird dann

in zum frühest möglichen Zeitpunkt wieder eingreifen, wenn er sich in demselben Zustand befindet, wie wenn er beim gegebenen Verlauf der Regelabweichung c^:ne Ausgangsgröße hätte, die dem Verlauf der Kapazitäts- ^reti/e entspricht. Die Ausgangsgröße wird durch die

■>'· Kapazilätsgrcnze vorgegeben und die Rückführung des Reglers wird so verändert, daß die Ausgangsgröße den gleichen Verlauf hat wie die Kapazitiüsgrcnze.

Der Regler wird dann jederzeit wieder eingreifen und seine normale Funktion aufnehmen, wenn sich seine

wi Ausgangsgröße von der Kapazitätsgrenze löst. Damit dies .stattfindet, wird es in der Regel nötiy sein, die Rückführungen durch denselben Verstärker anzusteuern, durch den sie auch im Normalfall beaufschlagt werden. Beim PI-Regler ist dieser Vorgang von

h'· besonders einfache- Art. Überschreitet die Ausgangsgröße des Reglerverstärkers die Kapa/itätsgrcnze, wird die Proportional-Rückführung auf diesen Wert begrenzt und die Inteeral-RückführunE so lange mii dem

umgekehrten Wert des Verslärkerausgangs beeinfluß',, bis der Regler wieder im Gleichgewicht ist.

Ebenso verhält es sich, wenn die Stellgröße durch irgendeinen anderen Vorgang zwangsläufig übernommen wird, z. B. durch eine llandstellgrößc. Wird diese Größe in beiden Richtungen auf die Kapazitäisgrenzcn geschaltet, so wird der Regler in den Zustand versetzt, von dieser Größe aus übergangslos weiterzurcgcln.

Um entsprechend dem bisher beschriebenen Vorgang ein optimales Anfahrverfahren des Regelkreises zu erreichen, wird die Integral-Rückführung des Reglers derart beeinflußt, daß sich bei Erreichen des (iren/werles der Stellgröße die Größe der Integral-Rückführung nicht in Richtung Intcgralsättigung bewegt, sondern nach Maßgabe der Soll-Isl-Abwcichung in entgegengesetzter Richtung, d. h. negativ zur Richtung der Integralsättigung. Diese Größe der Integral-Rückführung wird im folgenden negative Integralsättigung genannt.

In F-" i g. 1 ist dazu eine schemalische Darstellung einer Reglerschaltung gezeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Die Kapazitätsgrcn/.c der zu regelnden Anlage wird durch einen einstellbaren Begrenzungsdruck 1,1' von außen vorgegeben. Überschreitet bcispieisweisc der Ausgangsdru'.'k 2 des Verstärkers 3 den Druck der maximalen Begrenzung 4. so wird der Differenzdmck 5 zwischen dem Druck voider Differential-Drossel (D-Drossel) 6 und dem Ausgangsdruck 2 des Verstärkers 3 größer Null. Der Differenzdmck 5 wird in einem Multiplikator 7 mit einem F-'aktor von etwa 5 bis 10 multipliziert und in einer Schaltung 8 vom Maxiinal-Begrcnzungsdruck I abgezogen. Der zu wählende Faktor richtet sich nach der ausnutzbaren Übersteuerung des Verstärkers 3. Dadurch steht vor dem Rückschlagventil 9 ein niedrigerer Druck als in der Integral-Rückführung 10. so daß aus dem Integral-Volumen 11 und über die Integral-Drossel 12 aus dem Differential-Volumen 13 so viel Luft strömt, bis sich der Regler wieder im Gleichgewicht befindet. Der Integralantcil ist damit negativ gesättigt.

Unterschreitet der Ausgangsdruck 2 des Verstärkers 3 den Druck 1' der minimalen Begrenzung 4'. so läuft der oben beschriebene Vorgang sinngemäß in umgekehrter Weise ab. Beim Anfahren greift der Regler dann sofort ein. wenn sich die Soll-Ist-Differenz (Regelabweichung) nach der mathematischen Beziehung

I ι

v = .-1, ■ e τη ' + A₁ ■ e" τι'

ändert.

Dabei bedeuten

Integrationskonstante, die sich aus Größe und Ableitung der Soli-Ist-Abweichung ereebcn

TD — Zeitkonstante des Differenziergliedes (12)
TI = Zeitkonstante des Integriergliedes (11)
χ = Regelabweichung.

In F i g. 2 ist eine weitere, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Schaltung dargestellt, mit der die theoretisch maximale Forderung zu erfüllen ist. daß bei Überschreiten der Kapazitätsgrenze der zu regelnden Anlage durch den Ausgangsdruck des Reglers, dieser in den gleichen /,ustand zu bringen ist den er haben würde, wenn er beim gegebenen Vcrlaiil von Soll- und Istwert eine Ausgangsgröße hätte, die der Kapazitätsgrenze entspricht.

In der Schaltung werden die gleichen Drosselt' verwendet wie bei der Schaltung nach I-'ig. 1. tiir gleiches Zcitvcrhalten zu erhalten.

Die Kapazitätsgrcnzc wird wieder durch einen einstellbaren Bcgrenzungsdruck 21 von außen vorgegeben. Überschreitet der Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 den Druck der maximalen Begrenzung 24. si wird tier Differenzdruck 25 /wischen dem Druck \oi der Differential-Drossel 2β und dem Ausgangsdruck 21 des Verstärkers 23 größer Null Der Differenzdmck 2ϊ wird in einem Multiplikator 27 mit einem l'aktor. dei sich nach der ausnutzbaren Übersteuerung des Verstärkers richtet und gewöhnlich /wischen 5 und IO liegt multipliziert und in einer Schallung 28 vom maximalen Bcgren/iingsdruck 21 abgezogen. Fs ergibt sich dei Druck 29. der an dem einen Fingang eines dem Fachmann bekannten Minimal Auswahlrelais 30 liegt Der zweite Fingang dieses Auswahlrelais ist mit dem aul ilen Druck 21 der maximalen Begrenzung 24 begrenzten Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 beaufschlagt. Am Ausgang des Auswahlrelais 30 steht tier kleinere der beiden Fingangsdriickc. der Druck 20. Die an einem pneumatischen Differen/drucklclais 31 anliegende Druckdifferenz zwischen dem Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 und dem Ausgangsdruck 20 des Auswahlrelais 30 ist bei den Begrcnzungsdruck 21 überschreitendem Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 ebenfalls größer Null, so daß die Schalter 31a —</des Relais 31 betätigt werden. Über den Schalter 31.i sind die Integral-Rückführung 32 und das Integral-Volumen 33 dann über das Rückschlagventil 37 mit dem Ausgang des Minimal-Auswahlrclais 30 verbunden. Dadurch steht vor dem Rückschlagventil 37 ein niedrigerer Druck als in der Integral-Rückführung 32, so daß aus dem Integral-Volumen 33 soviel Luft slrömt. bis sich der Regler wieder im Gleichgewicht befindet. Dabei ist die Integral-Drossel 39 durch den Schalter 316 von dei Integral-Rückführung 32 und dem Integral-Volumen 33 getrennt und mit der maximalen Begrenzung 24 verbunden. Gleichzeitig wird die Proportional-Rüijkführung 34 und das Differential-Volumen 35 durch den Schalter 31t' auf den Ausgang einer Schaltung 36 umgeschaltet, in der der Differen/druck an der Differential-Drossel 26 von dem Begrcnzungsdruck 21 abgezogen wird. Dadurch steh¹ vor einem weiteren Rückschlagventil 40 ein niedrigerer Druck als in der Proportional-Rückführung 34. so daß aus dem Differential-Volumen 35 soviel Luft strömt, bis der Proportionalanteil des Reglers den Sättigungswert nach der mathematischen Beziehung

angenommen hat. wobei

Γ = Proportionalsättigung

X = Differenz zwischen Proportional- und Inte gral-Rückführung und

TD = Zeitkonstantc des DifTercnzicrglicdes (26)
ti — Zciikönsiänie des !ntcgncrgiiCuCS \~*~f)
ist.

Das vor dem Schaltvorgang mit der Differential-Drossel 26 und der Integral-Drossel 39 in Verbindung stehende Differential-Volumen 35 ist jetzt über den Schalter 31J durch das gleich große Differential-Volumen 41 ersetzt.

In diesem Gleichgewichtszustand bleibt der Regler, bis der Ausgangsdr jck 22 des Verstärkers 23 im Verlauf des Anfahrvorgangs den Druck 21 der maximalen Begrenzung 24 unterschreitet und dadurch das Differenzdruckrelais 31 wieder zurückschaltet. Der Regler ist dann wieder im Eingriff.

Hicr/u 2 I)InU

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anfahren von Regelkreisen, die mil Reglern ausgerüstet sind, bei denen die Stellgröße vom vergangenen Verlauf des Istwertes abhängig ist, mit vorzugsweise PI-, PID-Reglern, soweit die Ausgangsgröße des Reglers noch keinen Einfluß auf die Regelstrecke hat, weil die Stellgröße durch einen vom Regler nicht beeinflußbaren Wert begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Schaltung die Proportional-Rückführung des Reglers mit einer Begrenzungsgröße (1,1') beaufschlagt wird und mit Hilfe der Differenz (5) zwischen dieser Begrenzungsgröße (I₁I') und der Ausgangsgröße (2) des Reglerverstärkers (3) die Integral-Rückführungsgröße über Schaltelemente (9,9') verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße (2, 22) des Reglerverstärkers (3,22) von der Begrenzungsgröße (1.Γ, 2J) subtrahiert wird, die so gebildete Differenzgröße (S, 25) verstärkt und unter Berücksichtigung ihres Vorzeichens zur Begrenzungsgröße (I₁I', 21) addiert wird und die Summengröße über ein von ihr betätigbares Schaltelement (9,9'. 37) die Integral-Rückführungsgröße bei Über- b/w. Unterschreiten einer maximalen bzw. minimalen Begrenzungsgröße (1,1', 21) durch die Ausgangsgröße (2,22) verändert.

3. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzgröße (5,25) zwischen der Ausgangsgröße (2, 22) des Reglerverstärkers (3, 23) und der Begrenzungsgröße (Ι,Γ, 21) verstärkt wird und mit dei.i Vorzeichen versehen wird, durch das die .Summengröße (,19) aus Jer Begrenzungsgröße (Ι,Γ, 21) und der Diffc-enzgröße (5, 25) mittels eines von der Summengröße betätig" aren Sehaltelcmenls (9,9', 37) bei Überschreiten einer maximalen Begrenzungsgröße (I, 21) durch die Ausgangsgröße (2, 22) eine Verkleinerung der Inlcgral-Rückführungsgröße und bei Unterschreiten einer minimalen Begrenzungsgröße (V, 21) eine Vergrößerung der Integral-Rückführungsgröße bewirkt.

4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer pneumatischen Regelung tcr Ausgangsdruck (2) des Reglcrverstärkers (3) von einem minimalen und einem maximalen Begrenzungsdruck (Ι,Γ) subtrahiert, die beiden dadurch erhaltenen Differenzdrücke (5) verstärkt und je nach ihrem Vorzeichen von ihrem zugehörigen Begrenzungsdruck (Ι,Γ) subtrahiert oder hin/.uaddiert werden und die beiden .Summendrücke über je ein ihnen zugeordnetes Rückschlagventil (9,9') einer Anzapfung der Integral-Rückführung (10) bei Unterschreiten des minimalen Begrenzungsdrucks (V) und bei Überschreiten des maximalen Bcgren-/ungsdrucks (1) einen Druckausgleich zwischen der Integral-Rückführung (10) und den entsprechenden Summendrücken bewirken