DE2638456C3

DE2638456C3 - Verfahren zum Anfahren von Regelkreisen

Info

Publication number: DE2638456C3
Application number: DE19762638456
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ing.(grad.) 5047 Wesseling Leins; Werner Mohry; Peter 5047 Wesseling Pütz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-26
Filing date: 1976-08-26
Publication date: 1984-03-29
Also published as: DE2638456B2; DE2638456A1

Description

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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 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.

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 -einrichtungen unterscheiden sich wesentlich in der Art d^r Begrenzung der Regler, die jeweils für einen bestimmten Anwendungsfall des Reglers gestaltet und durch seinen strukturellen Aufbau bestimmt ist

Bekannt ist beispielsweise die Strukturumscfialtung 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 Imegral-Rückführung auf den Reglerausgang um, wenn der Druck an diesem Ausgang einen bestimmten, einstellbaren Wert, den U;nschaltdruck, über- bzw. unterschreitet Dabei sind drei Fälle zu unterscheiden:

1. Der vorgegebene Handstelldruck liegt oberhalb des Umschaltdruckes.

2. Der vorgegebene Handstelldruck liegt unterhalb des Umschaltdruckes.

3. Handstelldruck und Umschaltdruck sind gleich.

In der DE-AS 1146 681 ist vorgeschlagen, bei einem druckmittelbetriebenen Regler den Anfahrvorgang dadurch zu verbessern, daß ein Relais zwischen Sollwertgeber und Regelwerk geschaltet wird, welches in Abhängigkeit von dem Istwert der Regelgröße den am Regler wirksamen Sollwert auf den eingestellten Sollwert ansteigen läßt.

Eine derartige Schaltung erfordert vor jedem 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 iK,d Rückstellen des Sollwertes auf den endgültigen Wert geschehen. Weicht während des Betriebes einer Anlage der Istwert vom Sollwert ab, weil auch die Endlage des Stellgliedes nicht ausreicht, den Istwert an den Sollwert heranzuführen, so ist nach Beendigung dieses Zustandes, wenn die 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 Integralanteil nicht die Integralsättigung. Vor dem Anfahren eines Regelkreises, der mit einem Regler mit Iiitegralanteil ausgerüstet ist, muß ebenso durch einen Eingriff die Integralsättigung abgebaut werden.

Im Fall 1 wird nach dem Umschalten durch das Relais bei Erreichen des Umschaltdruckes der Druck in der Integral-Rückführung geringer. Dadurch wird die den Ausgangsdruck begrenzende Proportional-Rückführung wieder wirksam, so daß der Druck am Ausgang des Reglers wieder sinkt Als Folge davon schaltet das Relais wieder zurück, Dieser Vorgang kann sich wiederholen, so daß Schwingungen im Regelkreis auftreten können. Im zweiten Fall wird die Wirkung der Strukturumschaltung auf den Anfahrvorgang abgeschwächt, so daß es durch Überschwingen der Regelgröße zu instabilen Regelvorgängen kommen kann. Der dritte Fall kann durch wesentlich geringeren Aufwand, beispielsweise mittels eines Begrenzungsrelais, das eine Integralsättigung bewirkt, erreicht werden.

wobei unter Integralsättigung 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 ι ο 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 Nachstellzeit mittels eines integrierenden Gliedes gedämpft werden muß. Dies bringt eine größere bleibende Abweichung der Regelgröße vom Sollwert und größere Stellzeiten des integralen Reglerteils mit sick

Der Erfindung liegt die Aufgab« 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 Reglerverstärkers die Integral-Rückführungsgröße über Schaltelemente verändert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein besseres Anfahrverhalten von Regelkreisen gegenüber den bisherigen Verfahren, beispielsweise der Strukturumschaltung, erreicht Im Gegensatz zum D-PI-Regler wird der Ablösepunkt des Stellgliedes von seiner Endlage durch beide Zeitglieder (Diiferenzierglied und Integralglied) bestimmt Je länger die Nachstellzeit des Reglers ist desto gedämpfter verläuft der Anfahrvorgang. Dadurch kann auch der Proportionalbereich entsprechend klein gewählt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Regler auch bei sprungartigen Änderungen des Istwertes anspricht, 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.

Ist bei einer Kaskadenregelung der Führungsregler ein Regler mit Integralanteil, so wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Integralanteil des Führungsreglers durch Begrenzungsgröße auf einem Nullwert sein, der dem Istwert des Folgeregelkreises entspricht Dieser Nullwert zum Zeitpunkt Null vor dem Anfahren wird genau so groß sein, daß der Ausgang des Führungsreglers, der identisch ist mit dem Sollwert des Folgereglers, gleich dem Istwert des; Foigereglers ist Die Begrenzungsgröße des Führungsreglers wird in diesem Falle aus dem Istwert des Folgeregelkreises und der Differenz vom Regierausgang und Endlage des Stellgliedes des Folgeregelkreises gebildet Der für das Anfahren optimale Wert des Integralanteils des Führungsreglers stellt sich bei dem erfindungsgemäß arbeitenden Verfahren automatisch ein, so daß ein Eingriff von aullen vor Hern Anfahren nicht erforderlich ist

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbebpiels 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 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 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 als eine variable Stellyrenze der Stellgröße eines Reglers erscheinen. Zum Beispiel, der Saugdrucv. eines Verdichters werde durch Verstellen der Dralldrossel geregelt Die Leistungsaufnahme des Motors, der den Verdichter antreibt darf jedoch einen festgelegten Wert nicht 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 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 für die Stellgröße des Druckreglers dar. Umgekehrt sind die Verhältnisse analog. Greift der Saugdruckregler ein, so stellt seine Ausgangsgröße für die Ausgangsgröße des Leistungsreglers eine variable Stellgrenze dar.

Das Anfahren eines Regelkreises besteht also in dem Obergang zwischen zwei Zuständen. Zuerst reicht die KaDazität der Anlage nicht aus, den Istwert auf den Soilwert zu bringen. Die Reglerausgangsgröße wird über die zugehörige Stellgrenze hinauslaufen. Dann reicht die Kapazität der Anlage wieder aus; entweder weil sich die variable Stellgrenze so weit 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 zum frühest möglichen Zeitpunkt wieder eingreifen,, wenn er sich in demselben Zustand befindet wie wenn er beim gegebenen Verlauf der Regelabweichung ek;e Ausgangsgröße hätte, uie dem Verlauf der Kapazitätsgrenze entspricht Die Ausgangsgröße wird durch die Kapazitätsgrenze vorgegeben und die Rückführung des Reglers wird so verändert, daß die Ausgangsgröße den gleichen Verlauf hat wie die Kapazitätsgrenze.

Der Regler wird dann jederzeit wieder eingreifen und seine normale Funktion aufnehmen, wenn sich seine Ausgangsgröße von der Kapazitätsgrenze löst. Damit dies stattfindet, wird es in der Regel nötig sein, die Rückführungen durch denselben Verstärket anzusteuern, durch den sie auch im Normalfall beaufschlagt werden. Beim PI-Regler ist dieser Vorgang von besonders einfachet Art Oberschreitet die Ausgangsgröße des Reglerverstärkers die Kapazitätsgrenze, wird die Proportional-Rückführung auf diesen Wert begrenzt und die Intenral-Rückführune so lance mit dem

umgekehrten Wert des Verstärkerausgangs beeinflußt, 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 Handstellgröße. Wird diese Größe in beiden Richtungen auf die Kapazitätsgrenzen geschaltet, so wird der Regler in den Zustand versetzt, von dieser Größe aus übergangslos weiterzuregeln.

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 Grenzwertes der Stellgröße die Größe der Integral-Rückführung nicht in Richtung Integralsättigung bewegt, sondern nach Maßgabe der Soll-lst-Abweichung in entgegengesetzter Richtung, d. h. negativ zur Richtung der Integralsättigung. Diese Größe der Integral-Rückführung wird im folgenden negative Integralsättigung gcr.«r,:;·..

In F i g. 1 ist dazu eine schematische Darstellung einer Reglerschaltung gezeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Die Kapazitätsgrenze der zu regelnden Anlage wird durch einen einstellbaren Begrenzungsdruck 1,1' von außen vorgegeben. Überschreitet beispielsweise der Ausgangsdruck 2 des Verstärkers 3 den Druck der maximalen Begrenzung 4, so wird der Differenzdruck 5 zwischen dem Druck vor der Differential-Drossel (D-Drossel) 6 und dem Ausgangsdruck 2 des Verstärkers 3 größer Null. Der Differenzdruck 5 wird in einem Multiplikator 7 mit einem Faktor von etwa 5 bis 10 multipliziert und in einer Schaltung 8 vom Maximal-Begrenzungsdruck 1 abgezogen. Der zu wählende Faktor richtet sich nach der ausnutzbaren Obersteuerung 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 Integralanteil 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

χ = A₁ ■ e~ Td"' + A₂ ■ e~ Yf'

ändert.

Dabei bedeuten

A₁ =

Integrationskonstanten, die sich aus Größe und Ableitung der Soll-Ist-Abweichung ergeben

TD - Zeitkonstante des Differenziergliedes (13)
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 Oberschreiten der Kapazüätsgrenze der zu regelnden Anlage durch den Ausgangsdruck des Reglers, dieser in dien gleichen Zustand zu bringen ist, den er haben würde, wenn er beim gegebenen Verlauf von Soll- und Istwert eine Ausgangsgröße hätte, die der Kapazitätsgrenze entspricht.

In der Schaltung werden die gleichen Drosse'n verwendet wie bei der Schaltung nach Fig. 1, um gleiches Zeitverhalten zu erhalten.

Die Kapazitätsgrenze wird wieder durch einen einstellbaren Begrenzungsdruck 21 von außen vorgege-

ben. Überschreitet der Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 den Druck der maximalen Begrenzung 24, so wird der Differenzdruck 25 zwischen dem Druck vor der Differential-Drossel 26 und dem Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 größer als Null. Der Differenzdruck 25 wird in einem Multiplikator 27 mit einem Faktor, der sich nach der ausnutzbaren Übersteuerung des Verstärkers richtet und gewöhnlich zwischen 5 und 10 liegt, multipliziert und in einer Schaltung 28 vom maximalen B?g^r<?nz'ingsdruck 21 abgezogen. Es ergibt sich der Druck 29, der an dem einen Eingang eines dem Fachmann bekannten Minimal-Auswahlrelais 30 liegt. Der zweite Eingang dieses Auswahlrelais ist mit dem auf den Druck 21 der maximalen Begrenzung 24 begrenzten Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 beaufschlagt. Am Ausgang des Auswahlrelais 30 steht der kleinere der beiden Eingangsdrücke, der Druck 20. Die an einem pneumatischen Differenzdrucklelais 31 anliegende Druckd^fcrenz zwischen dem Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 und dem Ausgangsdruck 20 des Auswahlrelais 30 ist bei den Begrenzungsdruck 21 überschreitendem Ausgangsdruck 22 des Verstärkers 23 ebenfalls größer Null, so daß dte Schalter 31a-c/des Relais 31 betätigt werden. Über den Schalter 31a sind die Integral-Rückführung 32 und das Integral-Volumen 33 dann über das Rückschlagventil 37 mit dem Ausgang des Minimal-Auswahlrelais 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 strömt, bis sich der Regler wieder im Gleichgewicht befindet. Dabei ist die Integral-Drossel 39 durch den Schalter 31 b von der Integral-Rückführung 32 und dem Integral-Volumen 33 getrennt und mit der maximalen Begrenzung 24 verbunden. Gleichzeitig wird die Proportional-Rückführung 34 und das Differential-Volumen 35 durch den Schalter 31c auf den Ausgang einer Schaltung 36 umgeschaltet, in der der Differenzdruck an der Differential-Drossel 26 von dem Begrenzungsdruck 21 abgezogen wird. Dadurch steht vor einem weiteren

Rückschlagventil 40 ein niedrigerer Druck als in der Proportionai-Rückführung 34, so daß aus dem Dif'jential-Volumen 35 soviel Luft strömt, bis der Proportionalanteil des Reglers den Sättigungswert nach der mathematischen Beziehung

V = TD ■ X +
angenommen hat, wobei

TI

■ X

V X

JD

TI
ist.

Proportionalsättigung

Differenz zwischen Proportional- und integral-Rückführung und

zeitliche Ableitung von X

Zeitkonstante des Differenziergliedes (26)

Zeitkonstante des Integriergliedes (33)

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 31 rf durch das gleich große Differential-Volumen 41 ersetzt.

In diesem Gleichgewichtszustand bleibt der Regler,

bis der Ausgangsdnick 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anfahren von Regelkreisen, die mit 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 (1,1') und der Ausgangsgröße (2) des Reglerverstärkers (3) die integral-Rückführungsgröße über Schaltelemente is (9,9') verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße (2, 22) des Reglerverstärkers (3,23) von der Begrenzungsgröße (1,1', 21) satjtrahiert wird, die so gebildete Differenzgröße (5, 25) verstärkt und unter Berücksichtigung ihres Vorzeichens zur Begrenzungsgröße (Ι,Γ, 21) addiert wird und die Summengröße über ein von ihr betätigbares Schaltelement (9,9', 37) die Integral-Rückführungsgröße bei Über- bzw. Unterschreiten einer maximalen bzw. minimalsn Begrenzungsgröße (Ι,Γ, 21) durch die Ausgangsgröße (2,22) verändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzgröße (5,25) zwischen der Ausgangsgröße (2,22) des Reglerverstärkers (3, 23) und der Begi enzungsgröße (Ι,Γ, 2t) verstärkt wird und mit dem Vorzeichen vergehen wird, durch das die Summengröße (29) aus der Begrenzungsgröße (Ι,Γ, 21) und der Differenzgröfr (5,25) mittels eines von der Summengröße betätigbaren Schaltelements (9,9', 37) bei Überschreiten einer maximalen Begrenzungsgröße (1,21) durch die Ausgangsgröße (2, 22) eine Verkleinerung der Integral-Rückführungsgröße und bei Unterschreiten einer minimalen Begrenzungsgröße (Γ, 21) eine Vergrößerung der Integral-Rückführungsgröße bewirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekemizeichnet, daß bei einer pneumatischen Regelung der Ausgangsdruck (2) des Reglerverstärkers (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 (I₁I') subtrahiert oder hinzuaddiert werden und die beiden Summendrücke über je ein ihnen zugeordnetes Rückschlagventil (9,9') einer Anzapfung der Integral-Rückführung (10) bei Unterschreiten des minimalen Begrenzungsdrucks (Γ) und bei Überschreiten des maximalen Begrenzungsdrucks (1) einen Druckausgleich zwischen der Integral-Rückführung (10) und den entsprechenden Summendrücken bewirken.