DE29822424U1

DE29822424U1 - Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE29822424U1
Application number: DE29822424U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2008-12-17

Description

GR 98 G 4462 DE

Beschreibung
Regeleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP-PS 0 706 680 ist eine Regeleinrichtung, insbesondere für einen nichtlinearen, Zeitvarianten Prozeß bereits bekannt. Die Regeleinrichtung weist einen ersten Regler auf, der als linearer PID-Regler ausgeführt ist und durch den aus einem Vergleich zwischen einer Führungsgröße und einer Regelgröße eine Stellgröße ermittelt wird. Der erste Regler ist über einen Schalteingang zwischen den Betriebsarten "Nachführen" und "Regeln" umschaltbar. In der Betriebsart "Nachführen" wird die Stellgröße durch eine an einen Nachführeingang angelegte Größe vorgegeben. Bei Umschalten auf die Betriebsart "Regeln" wird die Stellgröße entsprechend den Parametern des ersten Reglers derart eingestellt, daß kein Stellgrößensprung auftritt. Weiterhin ist ein zweiter Regler vorgesehen, dessen Ausgänge auf den Nachführeingang und den Schalteingang des ersten Reglers geführt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, die ohne größere manuelle Eingriffe mit guten Anfahreigenschaften entworfen werden kann und daher einfach anwendbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Regeleinrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen MerJanale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

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Die Figur zeigt eine Regeleinrichtung mit einem ersten Regler 1, der zur Regelung eines Prozesses 2 eine Stellgröße y aus einem Vergleich zwischen einer Führungsgröße w und einer Regelgröße &khgr; in einer Betriebsart "Regeln" erzeugt. In einer Speichereinrichtung 3 werden Daten von früheren Ausregelvorgängen abgespeichert. Insbesondere werden die Werte der Führungsgröße w, der Stellgröße y und der Regelgröße &khgr; abgelegt. Anhand dieser Daten ermittelt ein zweiter Regler 4 Kenngrößen, die bei Auftreten einer Anregung aus den abgespeicherten Reaktionen des ersten Reglers 1 auf verschiedene Anregungen einen optimierten Verlauf der Stellgröße y bestimmen. Während der Anfahrvorgänge schaltet der zweite Regler 4 den ersten Regler 1 in die Betriebsart "Nachführen" und gibt den ermittelten optimierten Verlauf der Stellgröße y auf den Nachführeingang des ersten Reglers 1. Dies geschieht so lange, bis eine Bedingung für ein Umschalten in die Betriebsart "Regeln" erfüllt ist. Als Bedingung kann beispielsweise überprüft werden, ob die Regeldifferenz nach einer sprungförmigen Anregung eine Abweichung von 10 % unterschreitet, ob bereits eine vorbestimmte Nachführdauer vergangen ist oder ob ein anfänglicher Einschwingvorgang ausreichend abgeklungen ist.

In vorteilhafter Weise wird mit der neuen Regeleinrichtung eine Anfahrschaltung realisiert, für deren Entwurf lediglich die Einschwingvorgänge der Stellgröße ausgewertet werden müssen. Bei Batch-Prozessen besteht die Notwendigkeit, einen Prozeß 2 von immer wieder ähnlichen Anfangsbedingungen heraus in den gleichen Arbeitspunkt zu fahren und die Regelgröße &khgr; in diesem Arbeitspunkt stabil zu halten. Es handelt sich hier um Regelungsvorgänge, bei denen produktabhängig immer wieder ähnliche Temperaturen, Mischungsverhältnisse usw. eingestellt werden. Die Regelungsvorgänge können dabei durch Sollwertänderungen, insbesondere Temperaturänderungen, oder durch Zugabe von Einsatzstoffen, die bei einem Überschwingen überdosiert werden und nicht mehr herausgenommen werden können, ausgelöst werden. Regelungstechnisch können diese Eingriffe

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auch als definierte Störungen aufgefaßt werden. Beim Anfahren des Regelkreises muß ein unter Umständen großer nichtlinearer Arbeitsbereich nach Möglichkeit zeitoptimal durchfahren werden. Dazu muß die Regeleinrichtung immer wieder einen ähnliehen Verlauf der Stellgröße y erzeugen. Im späteren Regelbetrieb soll die Regeleinrichtung dagegen vorwiegend Störungen ausregeln und die Regelgröße weitgehend konstant halten. An die Regeleinrichtung werden somit je nach Arbeitsbereich unterschiedliche Anforderungen gestellt. Das erfordert im Prinzip unterschiedliche Reglerentwürfe. Ein einheitlicher Reglerentwurf würde daher immer einen Kompromiß zwischen diesen beiden Anforderungen bilden und dazu führen, daß weder das Anfahren noch das spätere Konstanthalten der Regelgröße &khgr; wirklich zufriedenstellend erfolgt. Für höhere Anforderungen müssen die beiden Arbeitsphasen "Anfahren" und "Regeln" getrennt betrachtet werden. Die Phase des Anfahrens ist dabei die kritischere Betriebsphase. Bei einem Einschwingvorgang einer Regelung wird eine Regeldifferenz ausgeregelt, d. h., die Regeleinrichtung verändert den Stellwert nach einem vorgegebenen Algorithmus so lange, bis der Istwert, also die Regelgröße x, dem geforderten Sollwert w entspricht. Der Prozeß 2 wird dann durch den Stellwert y des I-Anteils in diesem Arbeitspunkt gehalten. Bei Prozessen mit Ausgleich, d. h. Prozessen, die bei einer sprungförmigen Anregung in einen neuen stationären Endzustand einlaufen, entspricht dieser Wert dem Endwert der Stellgröße y. Bei Prozessen mit großen Verzugszeiten bzw. Totzeiten kann es dabei zu Wind-up-Effekten kommen, d. h., der Stellwert y des Integrators schwingt über den gesuchten Endwert der Stellgröße y hinaus und muß erst wieder abgebaut werden. Dieses Verhalten führt zu einem unerwünschten Überschwingen des Istwertes, wodurch insbesondere bei Batch-Prozessen die Produktqualität beeinträchtigt wird.

Bei der neuen Regeleinrichtung wird in vorteilhafter Weise der Einschwingvorgang mit Hilfe von Vorwissen, d. h. mit Hilfe von in der Speichereinrichtung 3 hinterlegten Ver-

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gangenheitsdaten, beschleunigt und ein Überschwingen weitgehend vermieden. Zum Erwerb von Vorwissen werden Einschwingvorgänge der Stellgröße y auf Anregungen, d. h. Sollwertänderungen oder definierte Störungen, ausgewertet. Anhand der Aufzeichnungen der Einschwingvorgänge wird jeder Anregung bei einer Strecke mit Ausgleich ein Steil-Endwert, bei einer Strecke ohne Ausgleich ein Flächenintegral der Stellgröße y zugeordnet. Wenn ein Prozeßmodell vorliegt, können diese Größen direkt anhand des Modells bestimmt werden. Die Dauer des Einschwingvorgangs kann in zwei Phasen unterschieden werden: Eine erste Phase, in welcher noch keine Aussagen über den Endwert der Stellgröße y gemacht werden können, sowie eine zweite Phase, in welcher die Stellgröße y auf den Endwert einschwingt. Ziel der Anfahrregelung ist es, die Dauer der ersten und der zweiten Phase zu verringern. Dazu wird bei einer Sollwertänderung oder beim Aufschalten einer Störung der erste Regler 1 in die Betriebsart "Nachführen" geschaltet und bei einem Prozeß mit Ausgleich der berechnete Endwert der Stellgröße y an den Nachführeingang des ersten Reglers 1 gegeben. Danach wird beispielsweise die Hälfte der Dauer von Phase I abgewartet, bis der Prozeß 2 auf die Änderung der Stellgröße y reagiert, und der erste Regler 1 wieder in die Betriebsart "Regeln" geschaltet. Der erste Regler 1 übernimmt somit das Fein-Tuning und stabilisiert den Prozeß 2 im gewünschten Arbeitspunkt.

Bei Regelkreisen mit Strecken ohne Ausgleich, beispielsweise Niveauregelungen oder Lageregelungen, ist bei einem Führungsgrößensprung Anfangs- und Endwert der Stellgröße y im Idealfall gleich Null. Das Integral der Stellgröße y wird berechnet. Der zweite Regler 4 schaltet in der Betriebsart "Nachführen" eine Größe auf den Nachführeingang des ersten Reglers 1, die einer dem Integral flächengleichen, dreiecksförmigen Anregung entspricht und mit welcher die Strecke in die Nähe des Arbeitspunktes gebracht wird. Dabei werden durch die Dreiecksform sprungförmige Änderungen der Stellgröße y und somit ein erhöhter Verschleiß des Stellglieds vermieden. Ist

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die Nähe des Arbeitspunktes erreicht, wird der erste Regler 1 durch den zweiten Regler 4 wieder in die Betriebsart "Regeln" versetzt.

Durch die Regeleinrichtung wird somit eine Kombination aus einer Anfahrschaltung und einem linearen Regler gebildet. Die Anfahrschaltung kann mit Funktionsbausteinen zur Datenaufbereitung, zur Überwachung sowie Bausteinen zum Nachbilden von nichtlinearen Kennfeldern realisiert werden. Die Kennfeldbausteine wiederum können Look-up-Tabellen, neuronale Netze, Fuzzy-Bausteine usw. sein.

Für die Parametrierung der Anfahrschaltung werden zunächst für ausgewählte Chargen verschiedene optimale Stellgrößenverlaufe beim Anfahren ermittelt. Dieses Anfahren muß dabei nicht von der Regeleinrichtung selbst, sondern kann auch von einem Anlagenfahrer erfolgen. Es sind mehrere Verläufe der Stellgröße y erforderlich, um die notwendige Robustheit von Abweichungen in den Ausgangszuständen sicherzustellen. Anhand der Verläufe wird ein Lerndatensatz gebildet, der relevante Prozeßgrößen, die zugehörigen Stellwertänderungen und die Dauern der Phasen enthält. Zwischen den Prozeßgrößen und den erforderlichen Änderungen des Stellwerts y besteht ein nichtlinearer Zusammenhang, der von den Kennfeldbausteinen nachgebildet wird. Relevante Prozeßgrößen können dabei der jeweilige Arbeitspunkt, der geforderte Sollwert w, zugefügte Einsatzstoffe oder sonstige Größen sein. Diese Prozeßgrößen bilden den Eingang des Kennfeldbausteins, der an seinem Ausgang den zugehörigen Stellgrößenverlauf und gegebenenfalls den Umschaltzeitpunkt liefert.

In vorteilhafter Weise kann der erste Regler 1 nun so eingestellt werden, daß er die Regelgröße &khgr; im Arbeitspunkt in gewünschter Weise konstant hält, ohne daß die Anfahreigenschäften berücksichtigt werden müssen. Der erste Regler 1 ist für das Anfahren des Regelkreises weitgehend ohne Bedeutung.

Claims

GR 98 G 4462 DE Schutzansprüche

1. Regeleinrichtung, insbesondere für einen nichtlinearen, totzeitbehafteten Prozeß oder einen Batch-Prozeß (2), - mit einem ersten Regler (1), insbesondere einem linearen PID-Regler, durch den aus einem Vergleich zwischen einer Führungsgröße (w) und einer Regelgröße (x) eine Stellgröße (y) ermittelbar ist und der über einen Schalteingang zwischen den Betriebsarten "Nachführen" und "Regeln" umschaltbar ist, wobei in der Betriebsart "Nachführen" die Stellgröße (y) durch eine an einen Nachführeingang anlegbare Größe vorgebbar ist und wobei die Stellgröße (y) bei Umschalten auf die Betriebsart "Regeln" den Parametern des ersten Reglers (1) entsprechend derart eingestellt wird, daß kein Stellgrößensprung auftritt, und

- mit einem zweiten Regler (4), dessen Ausgänge auf den Nachführeingang und den Schalteingang des ersten Reglers (1) geführt sind,
dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Speichereinrichtung (3) vorhanden ist, in welcher Werte der Stellgröße (y) des ersten Reglers (1) als Reaktion auf eine Anregung der Regeleinrichtung durch eine Änderung des Sollwerts (w) oder eine definierte Störgröße der jeweiligen Anregung zugeordnet abspeicherbar sind, und - daß der zweite Regler (4) bei Auftreten einer Anregung aus den abgespeicherten Reaktionen des ersten Reglers (1) auf verschiedene Anregungen einen optimierten Verlauf der Stellgröße (y) ermittelt, den ermittelten optimierten Verlauf der Stellgröße (y) auf den Nachführeingang des ersten Reglers (1) ausgibt und den ersten Regler (1) bis die Regelgröße (x) nach der Anregung die Nähe des Sollwerts (w) erreicht oder für eine vorbestimmte Nachführdauer in die Betriebsart "Nachführen" schaltet.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Prozesses mit Ausgleich, d. h. eines Prozesses, dessen Sprungantwort in einen neuen

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Beharrungszustand einläuft, der zweite Regler (4) bei Auftreten einer Anregung einen der jeweiligen Anregung zugeordneten Stellgrößen-Endwert ermittelt, den ermittelten Stellgrößen-Endwert in der Betriebsart "Nachführen" auf den Nachführeingang des ersten Reglers (1) ausgibt.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Prozesses ohne Ausgleich der zweite Regler (4) bei Auftreten einer Anregung ein der jeweiligen Anregung zugeordnetes Zeitintegral des Stellgrößenverlaufs ermittelt und einen Verlauf der Stellgröße (y) mit dem ermittelten Zeitintegral in der Betriebsart "Nachführen" auf den Nachführeingang des ersten Reglers (1) ausgibt.