DE2752706A1

DE2752706A1 - Regelanordnung fuer eine physikalische groesse

Info

Publication number: DE2752706A1
Application number: DE19772752706
Authority: DE
Inventors: Richard Benejean
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1976-11-25
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1978-06-01
Also published as: JPS5367077A; US4151587A; FR2372466B1; DE2752706C2; FR2372466A1; JPS6057083B2; IT1089059B; GB1538014A

Description

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REGELANORDNUNG FÜR EINE PHYSIKALISCHE GROSSE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für eine physikalische Größe der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art. Eine derartige Regelanordnung hat die Aufgabe, ein Stellglied so zu verändern, daß die zu regelnde physikalische Größe so gut wie möglich einer ggfs. variablen Sollgröße entspricht.

Als physikalische Größe kann beispielsweise die Wassertemperatur in einem Behälter gelten, die trotz des Vorhandenseins von Störgrößen einen konstanten oder veränderbaren Sollwert einhalten soll. In diesem Fall wird das Stellglied von elektrischen Heizwiderständen bzw. der Stromquelle für diese Widerstände und die Meßgröße durch das Ausgangssignal eines elektrischen Thermometers gebildet.

Wenn die Störgröße, die beispielsweise von der Außentemperatur und dem Füllstand des Behälters abhängt, und die Sollgröße nur langsamen zeitlichen Änderungen unterworfen sind, wenn es beispielsweise ausreicht, die Heizung abzuschal ten, um einer Solltemperatursenkung nachzukommen, läßt sich eine besonders einfache Regelanordnung vorsehen.

In diesem Fall verwendet man bekannterweise einen Regler, z.B. der Art PI (Proportional, Integral), dem das Differenzsignal aus Sollwert und Istwert zugeführt wird. Im Proportionalkanal wird dieser Differenzwert mit einem konstanten Faktor multipliziert und im Integralkanal wird er nach der Zeit integriert. Die Ausgänge der beiden Kanäle werden miteinander

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addiert, wodurch das Regelsignal entsteht, das unmittelbar als Stellsignal verwendbar ist.

Es ist jedoch zu bemerken, daß für andersartige Stellglieder der Regler auch noch einfacher ausgebildet sein kann, beispielsweise als reiner Proportional- oder reiner Integralregler, oder er kann auch komplizierter ausgebildet sein, indem ein dritter Kanal mit differenziender Wirkung parallel zu den beiden anderen angeordnet ist, so daß auch dessen Signal Bestandteil des Regelsignals wird,(PID).

Man unterscheidet weiter zwischen Zweipunktreglern, die entweder die volle Leistung auf das Stellglied anwenden oder dieses überhaupt nicht beeinflussen, und "schwimmende" Regler mit konstanter oder Vielfachgeschwindigkeit, die auf das Stellglied einwirken, solange ein Unterschied zwischen Meß- und Sollgröße besteht. Die Geschwindigkeit der Änderung der Stellgröße hängt direkt von der Größe des Unterschieds zwischen Soll- und Istwert ab.

Weiter kennt man Regler der Art P,I,PI, PID verschiedenster Grade der Komplexität. Die einzelnen Kanäle sind entweder parallel oder in Serie oder serien-parallel geschaltet.

Man spricht von einem Regler proportionaler Wirkung, wenn die Korrekturwirkung proportional zum Abstand Sollwert-Istwert ist. Haupteigenschaft und gleichzeitig Hauptnachteil eines derartigen Reglers ist,dal die Korrektur nie vollständig ist. Es bleibt stets ein Restfehler, da die Korrekturwirkung nur möglich ist« solange ein Abstand zwischen Sollwert und Istwert besteht.

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Dieser Restfehler kann durch einen Integralregler beseitigt werden. Ein Integralregler allein benötigt nur einen geringen Verstärkungsgrad. Aus Gründen der Stabilität ordnet man ihm jedoch oft einen P-Regler zu. Solange ein Abstand zwischen 3oll- und Istwert besteht, ändert der Integralregler die Stellgröße mit einer Geschwindigkeit, die diesem Abstand proportional ist. Die zu. regelnde Meßgröße wird schließlich auf den durch die Sollgröße definierten Wert gebracht.

Die Kombination dieser beiden Regler reicht dann noch nicht aus, wenn große Verzögerungen zu berücksichtigen sind. Indem man einen D-Regler hinzufügt, erreicht man eine schnelle und energische Fehlerkorrektur, ohne daß die Stabilität des Systems darunter leidet. Ein D-Regler wird selten alleine verwendet. Durch den D-Regler wird das Stellsignal proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des aus der Differenz zwischen

gebildet Soll- und Istwert gebildeten Signals'. Es ergibt sich also ein kräftiger Impuls bei einer heftigen Störung des Systems. Dagegen gibt es überhaupt keinen Impuls, wenn die Meßgröße auf einen bestimmten Wert stabilisiert ist. In diesem Fall kehrt das Stellsignal auf seinen Gleichgewichtswert zurück. Wegen dieser Eigenschaft wird ein D-Regler kaum alleine, sondern stets in Verbindung mit anderen Reglern verwendet.

All diese Regelanordnungen beeinflussen die Wirksamkeit,mit der das Meßsignal so nah wie möglich an den Sollwert angeglichen wird.

Wenn jedoch der Sollwert einer heftigen und schnellen Änderung unterliegt, dann macht sich bei einer Regelanordnung

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mit einem der oben genannten Regler der Nachteil des meist vorhandenen integralen Regelanteils bemerkbar» da die Leistung des Stellglieds dann für die beabsichtigte Regelkorrektur nicht ausreicht. Das Meßsignal kann also nicht verzögerungsfrei an den veränderten Sollwert angepaßt werden. Man spricht dann von einer Sättigung des Stellglieds, was bedeutet, daß eine Vergrößerung des Stellwerts keine zusätzliche Wirkung mehr auf das Stellglied besitzt.

Daraus folgt, daß das Differenzsignal zwischen SoIl- und Istwert während einer ziemlich langen Zeit einen großen und stets in eine Richtung wirkenden Wert besitzt. Daraus wiederum ergibt sich ein bedeutender Wert des Ausgangssignals des integralen Reglers. Wenn dann das Meßsignal endlich den Sollwert erreicht hat, behält das Regelsignal wegen der integralen Wirkung während ziemlich langer Zeit einen bedeutenden Wert und bewirkt ein überschwingen des Meßwerts über den Sollwert.

Wenn man beispielsweise die Solltemperatur eines Wasserbehälters von 0 auf 80°C bringt, dann steigt das Regelsignal auf einen Wert jenseits der Sättigungsgrenze des Stellglieds, d.h. der Maximalleistung der Heizung. Das Wasser heizt sich also während z.B. 10 Minuten auf. Wenn es eine Temperatur nahe 80°C erreicht hat, ist der integrale Anteil des Regelsignals sehr groß geworden und hält die volle Heizung aufrecht. Nach Oberschreiten der Grenztemperatur 80⁰C wird zwar die Differenz zwischen Soll- und Istwert negativ und der integrale Anteil des Regelsignals beginnt kleiner zu werden, die Wassertemperatur steigt jedoch weiter, bis das auf der integralen Regelung beruhende Regelsignal hinreichend klein wird. Damit hat die Wassertem-

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paraLur abnr beroit.s beispielsweise ]OO C erreicht, was teuer ist nncl manchmal stört oder sogar zu Schaden führt. Daher wurden bereits Regelanordnungen vorgeschlagen mit "Entsattigungsmitteln", um einen allzu großen Viert des integralen Anteils des Regelsignals bei raschen Änderungen der Sollgröße oder von Störgrößen zu vermeiden.

Derartige Anordnungen erfüllen dann nicht alle Forderungen, wenn das Stellglied unter sehr verschiedenen Bedingungen tätig werden muß. Dies gilt beispielsweise, wenn man einen Wasserbehälter aufheizen muß, der manchmal voll und manchmal fast leer ist. Dann sind die Parameter des Regelkreises unterschiedlich. Die Parameter des Reglers, wie z.B. die Regelverstärkung des proportionalen Kanals und die Zeitkonstante des integralen Kanals sind jedoch bestimmten Parameterwerten des zu regelnden Systems angepaßt. Die Regelungsanordnung ist also nicht mehr optimal abgestimmt, wenn die Parameter der zu regelnden Größe von Sollwerten stark abweicht. Wenn beispielsweise der Regler an die Heizung eines vollen Behälters angepaßt ist, dann liefert er, wenn der Behälter fast leer ist, ein Stellsignal, das viel zu stark auf kleine Veränderungen des Sollsignals reagiert. Daraus resultiert ein störendes Überschwingen des Temperaturwerta.

Um diese Schwierigkeiten zu meistern, hat man bereits vorgeschlagen, Modell- oder Simulatorschaltkreise zu verwenden, die eine Simulierung des zu regelnden Systems bewirken. Einem solchen Schaltkreis wird das Regelsignal zugeführt und er ist so beschaffen, daß er ein Modellsignal liefert, dessen Verlauf dem eines Meßsignals gleicht, wenn das Stellglied direkt vom Regelsignal gesteuert würde und wenn dieses Glied unter vorge-

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gebenen Bedingungen gemäß der ursprünglichen Abstimmung des Modella funktionieren würde. Der Regler ist an diese vorgegebenen Bedingungen angepaßt. Der Unterschied zwischen dem Meßsignal und dem Modellsignal wird dazu benutzt, um ein Anpassungssignal zu bilden, das dem Regelsignal zur Bildung des Stellsignals beigefügt wird.

Wenn beispielsweise das Modell und der Regler für den Fall einer Regelung des vollen Behälters ausgelegt sind und wenn tatsächlich der Behälter halbleer ist, so hat das Modellsignal bei dem Versuch einer Temperaturerhöhung von 50 auf 52 C die Tendenz,kleiner zu sein als das Meßsignal. Beispielsweise könnte das Meßsignal nach einer Minute schon 52*anzeigen (wenn man das ^Regelsignal benutzen würde), während das Modellsignal nur den Viert 51* anzeigt. Benutzt man also das Anpassungssignal, so wird der Meßwert nur etwas größer als 53?. Der Unterschied zwischen diesen beiden Signalen wird für die Bildung eines Anpassungssignals ausgewertet, das im vorliegenden Beispiel negativ ist und den Wert des Stellsignals verringert. Daraus ergibt sich,udaß bei einem unveränderten Regelsignal das Anpassungssignal bewirkt, daß das Meßsignal sich so verändert, als sei der Behälter voll. Die Regelung der Reglerparameter bleibt also richtig und schädliche Regelschwingungen der Wassertemperatur werden vermieden.

Man hat jedoch bei bedeutenden und sehr schnellen Änderungen des Sollwerts gelegentlich festgestellt, daß derartige Regelanordnungen mit Modellen entweder Zeitverluste oder Überschreitungen des Sollwerts nach sich ziehen.

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Durch die Erfindung gemäß Hauptanspruch sollen diese Nachteile vermieden werden. Bevorzugte Λusfuhrungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelanordnung zeigt.

Zuerst soll nochmals im einzelnen auf die Nachteile der bekannten Regelanordnungen mit Modell eingegangen werden. Sie werden bei einer großen Änderung des Sollsignals,die eine Sättigung des Stellglieds zur Folge hat, offenbar,, wenn die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Stellglieds sich sehr stark von denen des Modells unterscheiden. In diesem Fall weicht das Modellsignal schnell und stark vom Meßsignal ab. Wenn das Meßsignal dann den Sollwert erreicht, dann ist das Anpassungssignal sehr groß geworden und erzeugt eine starke und dauerhafte Störung des Betriebs der Regelanordnung. Geht man wieder davon aus, daß das Modell der Heizung eines vollen Behälters entspricht und daß ein halbvoller Behälter von Umgebungstemperatur aufgeheizt werden soll. Dann tritt zwar keine Sättigung des Stellglieds mehr auf, jedoch wird die Aufheizzeit aufgrund des Modells etwa doppelt so lang. Wenn sich diese Situation oft bietet, dann könnte also ein Zeitverlust vermieden werden, indem man ein auf halbleeren Behälter ausgelegtes Modell wählt„und indem man den Regler entsprechend einstellt. Will man jedoch unter diesen Annahmen die Aufheizung eines vollen Behälters erreichen, dann sättigt sich das Stellglied, d.h. das die maximale Aufheizleistung benutzt wird; die Geschwindigkeit, mit der das Modellsignal ansteigt, ist dann aber doppelt so groß wie die des Meßsignals, so daß das Anpaseungssignal die Tendenz hat, das Stellsignal weiter zu erhöhen, was jedoch nicht geht, da

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die maximale Heizleistung bereits eingeschaltet ist. Wenn die Temperatur des Behälters den Sollwert erreicht hat, d.h. unter Berücksichtigung der Verzögerung in der Wärmeleitung schon etwas vorher, muß man die Heizleistung verringern. Da₃ Modellsignal, das einen großen Wert angenommen hat (beispielsweise 1OO°C entsprechend, wenn von O auf 5O°C geheizt werden soll), erzeugt also ein Anpassungssignal, das das Stellsignal auf einem hohen Wert erhält. Daraus folgt, daß während einer gewissen Zeit mit voller Leistung weiter geheizt wird, und daß die Temperatur des Behälters die Solltemperatur beträchtlich Übersteigt,

Siedetemperatur gearbeitet wird. Durch die Erfindung werden Anpassungs-Blockiermittel vorgesehen, die die Berücksichtigung des Anpassungssignals dann verhindern, wenn das Stellsignal einen bestimmten Wertebereich verläßt.

Die Regelanordnung gemäß der Figur dient dazu, einen Wasserbehälter 2 mit Hilfe eines Heijiwiderstands 4 aufzuheizen, der aus dem Netz 6 über Thyristorschalter 8 versorgt wird. Die Thyristorsteuerung erfolgt über einen Steuerkreis 10 in Abhängigkeit von einem Stellsignal A. Die Wassertemperatur wird mit Hilfe eines Thermometers 12 gemessen, beispielsweise einem Eisen-Konstantan-Thermoelement, das ein Meßsignal T liefert. Der Behälter faßt beispielsweise 10 Liter und die maximale Heizleistung des Widerstands 4 sei beispielsweise ein kW. Die Abkühlung des Wassers erfolgt auf natürlich Weise aufgrund der Wärmeverluste und beträgt bei einer Wassertemperatur von 80°C beispielsweise 100 W.

Der Behalter mit Meß- und Stellglied ist in einer Einheit 14 zusammengefaßt. Dieser Einheit wird die Stellgröße

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zugeführt und sie liefert die Meßgröße. Aufgabe der Regelanordnung ist es, eine solche Stellgröße zu liefern, daß die Meßgröße dauernd so gut wie möglich einer Sollgröße, die von einer regelbaren Sollspannungsquelle 20 stammt, gleicht.

Die Regelanordnung benutzt verschiedene Signale, die .-!um Verständnis der Figuren als elektrische Potentiale betrachtet werden, die aber in der Praxis die verschiedensten Formen annehmen können, wie z.B. die Größe eines Stroms. Für die Darstellung der Erfindung genügt es, die Größen zu betrachten, die diese Signale repräsentieren. Im vorliegenden Beispiel sind diese Größen Temperaturen und die Heizleistung. Zur Vereinfachung wird daher nachstehend ein Signal, das eine Temperatur angeben soll, nicht in Spannungswerten, sondern in Gradangaben und ein Heizleistungssignal in Watt quantifiziert. Daß es sich in der Praxis um Stromstärken oder Potentialunterschiede handelt, ist wohl bekannt und kann hier unberücksichtigt bleiben.

Die Regelanordnung besitzt einen als Addierer ausgebildeten Komparator 22, der das Sollsignal C auf einem positiven Eingang empfängt und das Meßsignal T auf einem negativen Eingang. Dieser Addierer liefert ein Regelabweichungssignal Ec = C-T, welches das Eingangssignal eines Reglers 24 darstellt. Dieser Regler besitzt einen proportionalen Kanal und parallel dazu einen Integralkanal. Der Proportionalkanal besteht aus zwei Verstärkern 26 und 26b, wobei ersterer Einheitsverstärkung besitzt und letzterer einen konstanten positiven Verstärkungsgrad Kr aufweist. Das Ausgangssignal dieses Kanals Rp ist gleich Kr.Ec. Der Verstärkungsgrad Kr kann beispielsweise lOW/ C betragen. Der integrale Kanal besitzt einen Integrator 28, dem das vom Verstärker 26b kommende Signal zugeführt wird und dessen

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Ausgangssignal Ri der Gleichung genügt;

= ff / EC dt

Tr * — — ι
wobei Kr der Verstärkungsgrad des Verstärkers 26b ist, Tr dxe Integrationskonstante, beispielsweise 100 Sekunden, und t die Zeit ist. Der Wert 1/Tr wird nachstehend als Integrationsverstärkung bezeichnet.

Der Integrator 28 ist blockierbar, d.h. aufgrund eines Integrations-Blockiersignals Bi kann man diesen Integrator in den Blockierzustand bringen, indem das Ausgangssignal Ri unabhängig vom Eingangssignal konstant bleibt. Der Wert dieses Ausgangssignals im Blockier zustand entspricht dem Viert des Ausgangssignals zum Zeitpunkt des Auftretens dieses Blockiersignals. Wenn das Blockiersignal vorschwindet, beginnt das Ausgangssignal wieder gemäß dem nun vorliegenden Eingangssignal BU variieren, und zwar ausgehend von dem während der Blockierung vorhandenen Ausgangssignal.

Die Signale der beiden Reglerkanäle werden einem Addierer 30 zugeführt, der ein Regelsignal R -gleich der Summe der Signale der beiden Reglerkanäle liefert:

R = Rp + Ri = Kr (Ec + IAr / Ec dt)|

Das Regelsignal wird für die Bildung des Stellsignals A verwendet. Wie bereits dargelegt, besteht die Gefahr einer Sättigung des Stellgliedes, wenn das Regelsignal einen vorgegebenen Bereich verläßt. Um dieser Gefahr zu begegnen, verwendet man ein* ersten Sättigungsdetektor 32, der das Regelsignal überwacht und ein Blockiersignal Bi für den Integrator 28 des Reglers erarbeitet.

Dieses Signal wird beispielsweise gebildet, wenn das Regelsignal R einen Bereich zwischen 0 und 1 kW verläßt.

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Dieses Blockiorsignal wird deshalb vom Regelsignal und nicht vom Stellsignal abgeleitet, um einen selbständigen Betrieb des Reglers 24 gegenüber der übrigen Regelanordnung zu ermöglichen. Würde man dagegen das Blockiersignal aus dem Stellsignal ableiten, das aus dem Rsgelsignal durch Überlagerung mit einem noch zn erläuternden Anpassungssignal entsteht, dann könnte sich die Lage ergeben, daß das Stellsignal nicht gesättigt ist, während das Regelsignal die Sättigung erreicht hat (z.B. wenn das Regelsignal 1 kW entspricht und das Anpassungssignal -200 W darstellt, da dann das Stellsignal nur 000 W darstellt, also unterhalb der Sättigungsgrenze liegt). In diesem Fall wäre der integrale Reglerkanal stets in der Sattigungszone, was einem korrekten Betrieb nicht günstig ist.

Das Regelsignal wird einem Addierer 34 zugeführt, der außerdem ein Anpassungssignal D zugeführt erhält und die Summe dieser beiden Signale als Stellgröße A für die zu regelnde Einheit 14 liefert.

A = RfD

Das Anpassungssignal wird von einem AnpassungsSignalgeber 36 geliefert, welcher vom Ausgangssignal eines Vergleichers 38 gesteuert wird. Dia.ser Vergleicher bildet die Differenz zwischen einem Modellsignal M und dem Meßsignal T.

Em = M - T

Der Geber 36 kann einfach au3 einem Verstärker 40 mit geeignet gewähltem konstantem Verstärkungsgrad bestehen, beispielsweise Low/ °C» Es ist jedoch zur Unterdrückung von Nullpunktsfehlern bei niedrigem Eingangspegel günstig,

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Verstärker einen Steuerkreis 41 mit symmetrischen Schwellen zuzuordnen, der ein Relais 42 steuert, dessen Umschaltkontakt im Verstärkerausgangskreis liegt und ein definiertes Erdpotential anstelle des Verstärkerausgangs an den Addierer 34 weitergibt, wenn der Eingangspegel des Verstärkers hinreichend klein ist, beispielsweise absolut kleiner als 1 C.

Das Signal M stammt von einem Modellkreis 44, der das Verhalten der zu regelnden Einheit 14 simuliert. Das Modell erhält zu diesem Zweck das Regelsignal R zugeführt und liefert das Modellsignal M, deBart, daß Modellsignal M und Meßsignal T praktisch denselben Verlauf nehmen, wenn der Behälter 2 einen definierten Zustand aufweist (beispielsweise zur Hälfte gefüllt ist) .

Der Modellkreis 44 ist umschaltbar zwischen einem sogenannten aktiven und einem nichtaktiven Zustand. Er besitzt einen Integrator 46, dessen Integrationsverstärkung einen von zwei verschiedenen Werten annehmen kann, und dessen AusgangssLgnal das Modellsignal M darstellt. Diesem Integrator wird über einen Vergleicher 48 das in einem Verstärker 50 mit dem Verstärkungsgrad Km verstärkte Regelsignal R zugeführt. Der Vergleichseingang des Vergleichers 48 ist mit dem Ausgang des Integrators 46 verbanden. Das Modellsignal M folgt also der Differentialgleichung erster Ordnung

Tm.«? - Kto.R - Mr

Qt

wobei 1/Tm die Integrationsverstärkung des Integrators 46 ist, wenn dieser sich im aktiven Zustand befindet. Da in dieser Glei chung eine Ableitung erster Ordnung von M steht, sagt man, daß das Modell erster Ordnung ist. Man sieht, daß M sich im wesentlichen wie das MeBeignal T verhält, wenn der Behälter 2 halb

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gefüllt ist, und wenn die Verstärkung Km dementsprechend gewählt ist. Diese Verstärkung entspricht dem umgekehrten Wert der thermischen Leitfähigkeit des Behälters bei dem gewählten Füllungsgrad_|und das Verhältnis M/Tm gibt die thermischen Verluste wieder. Weiter ist angenommen, daß der Wert Tm geeignet gewählt ist, daß das Verhältnis Tm/Km die thermische Trägheit des Behälters bei halber Füllung wiedergibt. Das Regelsignal R entspricht in Watt der im Behälter 2 wirksamen Heizleistung.

Die thermischen Verluste kann man in W/°C und die thermische Trägheit Ws/ C ausdrücken (das ist die Zeit,die bei einer gegebenen Heizleistung von z.B. 1 W nötig ist, um die Temperatur im Behälter um 1 Grad anzuheben). Man kann z.B. Km = ]°C/W und Tm = 2000 s festlegen, um einen halbvollen Behälter zu simulieren.

Der Modellkreis 44 besitzt außerdem Schaltmittel in Form eines Relais 52, die von einem Anpassungs-Blockiersignal Bm gesteuert werden. Dieses Signal stammt von einem zweiten Sättigungsdetektor 54, der das Stellsignal A bezüglich des Überschreitens eines vorgegebenen Bereichs überwacht. Außerhalb dieses Bereichs, d.h. wenn die Heizleistung kleiner als Null oder größer als IkW sein soll, spricht man von einer Sättigung der zu regelnden Einheit 14.

Wenn dieses Blockiersignal vorliegt, dann wird der Modellkreis 44 von seinem aktiven Zustand in den nicht aktiven oder Regelzustand überführt. Am positiven Eingang des Vergleichere 48 liegt nicht mehr das Regelsignal R an, sondern das Meßsignal T. Gleichzeitig wird die Integrationsverstärkung dieses Integrators durch einen weiteren Kontaktsatz des ^Relais 52 von 1/Γτα auf

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einen wesentlich größeren Wert 1/Tmo umgeschaltet. Das Modellsignal M verhält sich nunmehr gemäß der Differentialgleichung Tmo . 4j£ = T - Μ-

Man erkennt, daß das Modellsignal nun die Tendenz hat, sich an das Meßsignal T anzunähern, und zwar mit der Zeitkonstante Tmo. Man wählt diese Zeitkonstante klein, beispielsweise eine Sekunde, so daß sich das Anpassungssignal schnell bei Vorliegen einer Sättigung annulliert.

Durch diese Maßnahme kann man den Integrator 46 sowohl für den Normalbetrieb des Modellkreises während seines aktiven Zustands als auch für den Regelzustand verwenden. Man erreicht also zum einen beim Auftreten des Blockiersignals, daß das Modellsignal M sich dem Meßsignal T schnell annähert, zum zweiten während der Blockierung,daß das Modellsignal M im wesentlichen dem Meßsignal T trotz dessen Veränderungen gleich bleibt und schließlich bei der Beendigung des Blockierens,daß das Modellsignal M sich wieder den Änderungen des Regelsignals R ausgehend von dem Wert anpaßt, der am Ende des BlockierZeitraums vorlag.

Die Vorteile der Erfindung lassen sich durch einen Zahlenvergleich mit einem üblichen PI Regler ohne besondere, bei der Sättigung zu ergreifende Maßnahmen belegen. Der Behälter sei nur bis zu einem Minimalpegel gefüllt und die Temperatur des Wassers soll auf 5O°C gebracht werden.

Bei einer klassischen Regelung ergibt der Anstieg der Temperatur von 2O°C auf 5ö°C mit minimalem Pegel einen Überschreitungsgrad von 7,&. Die Zeitdauer, während der die obere Grenztemperatur überschritten wird, beträgt 288 s.

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Unter den gleichen Versuchsbedingungen erhält man bei einem ganz gefüllten Behälter einen Überschreitungsgrad von 7,2% und eine Überschreitungsdauer von 780 s.

Mit der erfindungsgemäßen Regelanordnung ergeben sich bei denselben Versuchsbedingungen überhaupt keine Überschreitungen bei gleicher Einstellung des PI-Reglers.unter der Voraussetzung, daß das Modell auf einen bei seinem Minimalpegel gefüllten Behälter abgestimmt ist; die Anstiegszeiten sind im wesentlichen dieselben.

Das beschriebene Modell ist wie erwähnt ein Modell erster Ordnung. Wenn auch selten, so kommt es doch vor, daß ein Modell zweiter Ordnung in Betracht zu ziehen ist. Versuche mit einem Industrieofen für die Dopierung von Halbleiter» haben gezeigt, daß auch ein Modell zweiter Ordnung angewandt werden kann. Freilich sind die Wärmeverluste nach außen bei einem solchen sehr gut isolierten Ofen gering. Dann kann man die Wärmebilanz angenähert folgendermaßen ausdrücken :

C.m.-|| = R

wobei C die spezifische äquivalente Wärme des Ofens und m seine totale äquivalente Masse ist. Die zu regelnde Einheit ist dann nicht mehr eine Einheit erster Ordnung, sondern kann durch einen reinen Integrator dargestellt werden, der sich nach obiger Gleichung verhält. Daher erhält man ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten, obwohl ein Modell erster Ordnung beibehalten ist.

Weitere Versuche wurden mit diesem Ofen unter Verwendung eines PID-Reglers durchgeführt. Der zusätzliche Differentialkanal liefert wie erwartet seinen Beitrag ohne schädliche Nebenwi rk ung.

Im Rahmen der Erfindung kann der Differentialkanal

auch in Serie mit den Proportional- und Integralkanälen vorgesehen werden, indem dem Differenzwert zwischen Soll- und Istsignal Ec ein Signal überlagert wird, das proportional zur ersten Ableitung des Meßsignals T ist.

χ χ

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Zo Leerseite

Claims

Fo 10 443 D 25. N3V. 1977

ALSTHOM-ATLANTIQUE S.A.

38, avenue Kleber
75784 PARIS CEDEX 16, Frankreich

PATENTANSPRÜCHE

Ij- Regelanordnung für eine physikalische Größe mit einem Meßglied, einem von einem Regelsignal gesteuerten Stellglied, einem Sollwertvergleicher und einem Modell, das in seinem aktiven Zustand aufgrund des Regelsignals ein Modellsignal erarbeitet, das sich wie .ein MeBsignal verhält, unter der Voraussetzung, daß die zu regelnde Einheit definierten Betriebsbedingungen unterliegt, wobei ein Vergleicher den Unterschied zwischen dem tatsächlichen Meßsignal und dem Modellsignal ermittelt und dieser Unterschied ein Anpassungssignal ergibt, das dem Stellsignal in einem Addierer überlagert wird, sowie mit einem Sättigungsdetektor, der bei Gefahr der Sättigung des Stellglieds ein Blockiersignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungsdetektor (54) über Schaltmittel (52) eine Umschaltung des Modellkreises (44) bewirkt, derart, daß bei Sättigung das Modellsignal M sich rasch dem Meßsignal anpaßt.

2 - Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet, daß dem Modellkreis (44) nicht nur das Regelsignal (R) zugeführt wird, sondern auch das Me ßsignal (T), und daß der Modellkreis (44) nach dem Ansprechen der Schaltnittel (52) durch das Meßsignal (T) gesteuert wird,

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derart, daß das Modellsignal (H) sich wie das Moßsignal verhält, und daß, wenn dar S'attigungszustand tuende geht, das Modellsignal sich ausgehend von dem während der Sättigung erreichten Viert weiterentwickelt.

3 - Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sättigungsdetektor (54) das Stellsignal (Λ) zugeführt wird, und daß er ein Anpassungs-Blockiersignal (Bm) liefert, wenn das Stellsignal einen vorgegebenen Wertebereich verläßt.

4 - Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modellkreis einen Vergleicher (48) enthält, der auf einen Integrator (46) mit zwei wählbaren Integrationsverstärkungswerten einwirkt, wobei dieser Integrator das Vergleichsignal integriert und daraus das Modell signal (M) liefert, das zugleich dem negativen Eingang des Vergleichers (48) zugeführt wird, daß das Regelsignal (R) in einem Verstärker (50) mit einem Verstärkungsgrad Km verstärkt wird, und daß die Schaltmittel (52) einerseits die Umschaltung des Integrationsverstärkungswertes des Integrators (46) und andererseits die Umschaltung des positiven Eingangs des Vergleichers

(48) vom Ausgang des Verstärkers (50) auf den Ausgang des Meßgliedes (12) bewirkt.

5 - Regelanordnung nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet, daß ein das Regelsignal bildender Regler (24) einen integral wirkenden Kanal Ϊ28) besitzt, der mit einschaltbare» Integrations-Blockiermitteln versehen ist, wobei diese Mittel von einem Sättigungsdetektor (32) einge-

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schaltet werden, wenn das Regelsignal einen.vorgegebenen Wertebereich verläßt, so daß dann der gerade vorhandene Integrationszustand dieses Kanals beibehalten wird.

G - Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da 3 der oüttigungcdetektor (54) zur Umsteuerung des Modells (44) vom Stellsignal (A) gesteuert wird und die Umschaltung bewirkt, wenn diosas Signal einen vorgegebenen Wertebereich verläßt.

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