DE3039776A1

DE3039776A1 - Steuersystem

Info

Publication number: DE3039776A1
Application number: DE19803039776
Authority: DE
Inventors: Cornelis Dordrecht DeKaizer
Original assignee: IHC Holland NV
Current assignee: IHC Holland NV
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1981-04-30
Also published as: GB2060952A; GB2060952B; JPS5667403A; US4390942A; BE885769A; NL178539B; NL7907723A; NL178539C

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Proportional-Integral-Differential-Reglerkreise, kurz als PID-Regler bezeichnet, sind an sich bekannt und werden in zahlreichen Steuersystemen verwendet. Bei vielen dieser Steuersysteme beeinflußt die Änderung eines Steuersignals für eine der Verfahrensvariablen des durch das Steuersystem gesteuerten Verfahrens eine beträchtliche Anzahl von anderen Verfahrensvariablen. Problematisch wird es, wenn verschiedene, durch ein Steuersystem beeinflußte Verfahrensvariablen einerseits einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreiten können und andererseits vorzugsweise diesem Schwellenwert so nahe wie möglich kommen sollen. In solch einem Fall kann es leicht geschehen, daß bei Änderung einer Verfahrensvariablen eine Anzahl von anderen Verfahrensvariablen so beeinflußt wird, daß die ihnen zugeordneten Schwellenwerte überschritten werden.

Ein derartiges Problem tritt beispielsweise bei einem mit einem Saugbagger ausgerüsteten Baggerschiff, bei dem der Baggervorgang mittels eines Regelsignalkreises gesteuert wird, auf. Bei diesem Baggervorgang müssen folgende Verfahrensvariablen berücksichtigt werden:

X.: die Schleppgeschwindigkeit, d.h. die Umdrehungsgeschwindigkeit der Schleppwinde;

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X„: die Konzentration des ausgebaggerten Gemischs; X_: die Belastung der Schneideinrichtung; X.: die Belastung der Seitenwinde;

X : die Saugkraft bzw. das Vakuum der Saugpumpe und -X,: die Geschwindigkeit des ausgebaggerten Gemischs.

Alle diese Verfahrensvariablen sollten gewisse Schwellenwerte nicht überschreiten. Die Schleppgeschwindigkeit Χ_Λ sollte einen vorbestimmten Wert X„ nicht über-1 1-max

schreiten. Die Konzentration des ausgebaggerten Gemischs X„ sollte einen vorbestimmten Wert X„ nicht überschreiten.

2. -max

Die Belastung der Schneideinrichtung X_ sollte einen vorbestimmten Wert X_ nicht überschreiten. Die Belastung

3 —max

der Seitenwinde X. sollte einen vorbestimmten Wert X._ nicht überschreiten. Die Saugkraft bzw. das Vakuum der

Saugpumpe Χ_κ sollte den Wert Xj. nicht überschreiten, D D —max

und die Geschwindigkeit des ausgebaggerten Gemischs -X, sollte nicht unter einen Wert -X, sinken, d.h. daß X_c

6-max 6

den Wert Xg__m_ nicht überschreiten sollte.

Im allgemeinen ist die folgende Formel für die verschiedenen Verfahrensvariablen anwendbar:

^Xi« ^Xi-max' i = 1 ... η ■ (1)

Das Verfahren wird optimal durchgeführt, wenn in einer theoretischen Situation jede Verfahrensvariable genau auf ihren Maximalwert eingestellt ist. Das bedeutet für die Praxis, daß versucht werden sollte, soviel Verfahrensvariablen wie möglich auf ihren Maximalwert einzustellen, ohne

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diesen Maximalwert zu überschreiten, wobei die restlichen Verfahrensvariablen ihrem Maximalwert so nahe wie möglich kommen sollten. Für eine oder mehrere Verfahrensvariablen ist folgende Formel anwendbar:

X. = X. U j/ n (2)

j 3-max > -j ^

Gesteuerte Verfahren, die diese Formeln (1) und (2) erfüllen, sind bereits bekannt.

Fig. 1 zeigt beispielsweise ein System mit einem PID-Regler, der ein Steuersignal U zu einem Prozessregler leitet, um eine der Verfahrensvariablen X₁ .... X zu beeinflussen.

1 η

Jede dieser Verfahrensvariablen X. .... X wird mit einem

1 η

für sie vorbestimmten Maximalwert X. ... X ver-

1 -max n-max

glichen und die resultierenden Differenzsignale werden einem Komparator zugeführt, um den Wert mit der kleinsten Differenz aus den Differenzwerten E. .... E auszuwählen und diesen

1 η

Minimalwert dem PID-Regler zuzuführen. Der PID-Regler liefert ein Steuersignal U zur Beeinflussung der Verfahrensvariablen, das diesem bestimmten Wert mit der kleinsten Differenz entspricht. Wenn die Verfahrensvariable nun verändert wird, ändern sich im allgemeinen auch die anderen Verfahrensvariablen. Wenn der Komparator zu einem gewissen Zeitpunkt feststellt, daß das einer anderen Verfahrensvariablen entsprechende Differenzsignal das Minimalsignal ist, wird dieses Differenzsignal dem PID-Regler zugeführt, der daraufhin an den Prozessregler ein Ausgangssignal U abgibt, um jetzt die entsprechende andere Verfahrensvariable zu

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beeinflussen. Der Nachteil eines derartigen Steuersystems besteht darin, daß beim Wechsel von einer regelnden Verfahrensvariablen zu einer anderen im allgemeinen störende Impulse auftreten.

Fig. 2 zeigt ein anderes Steuersystem, bei dem ein PID-Regler ein Ausgangssignal U an einem Prozessregler abgibt, um jede der in diesem Verfahren betroffenen Verfahrensvariablen zu beeinflussen. Eine der Verfahrensvariablen, beispielsweise X₁, wird im voraus als steuernde Variable bestimmt. Die Differenz zwischen X. und dem dieser Variablen

entsprechenden vorbestimmten Maximalwert X₁ , d.h. das * 1-max

Differenzsignal E₁,wird in den PID-Regler eingegeben, der daraufhin versucht, solch ein Steuersignal U zu liefern, das die Differenz E₁ so klein wie möglich hält. Alle anderen Verfahrensvariablen X^ ... X_ werden mit den vorbestimmten Maximalwerten χ ... X verglichen.

2-max n-max ^

Solange wie jede dieser Variablen X„ ... X kleiner als der entsprechende Maximalwert, d.h. solange X._ - X. ^ O ist, hat keine dieser Variablen irgendeinen Einfluß auf das gesteuerte Verfahren.

Wenn jedoch eine der Variablen X„ ... X , beispielsweise X., den entsprechenden Maximalwert X. überschreitet, erscheint ein negatives Differenzsignal E.. Dieses negative Differenzsignal E. und das Differenzsignal E₁ werden nun addiert und das resultierende Summensignal dem PID-Regler zugeführt. Da E₁ jedoch positiv sein kann,

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ist es möglich, daß das resultierende Summensignal ungeachtet der Addition des negativen Differenzsignals E. weiterhin ein positives Signal ist, so daß das Ausgangssignal U des PID-Reglers nicht oder unzureichend geändert wird, um eine Situation zu schaffen, in der X. unter den entsprechenden vorbestimmten Maximalwert X._ absinkt.

Um dieses Problem zu vermeiden, werden die Werte E„ ... E oft verstärkt, um ihren Einfluß zu erhöhen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Steuerung des Verfahrens unbeständiger wird. Es ist weiterhin möglich, das Fehlersignal E., das negativ wird und damit die Regelung beeinflußt, zu integrieren, so daß sein Einfluß mit fortschreitender Zeit größer wird. Der Nachteil dabei besteht darin, daß diese Lösung zu einer langsamen Regelung führt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem zu schaffen, das die Bedingungen der zuvor erwähnten Formeln (1) und (2) erfüllt und dabei die Nachteile der bekannten Steuersysteme vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein bekanntes Steuersystem ; Fig. 2 ein weiteres bekanntes Steuersystem, und Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Steuersystem.

Das in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemaße Steuersystem besitzt eine Anzahl von Proportional-Integral-

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Differential-Reglerkreisen R. .... R , die im Folgenden kurz als PID-Reglerkreise bezeichnet werden. Jedem dieser PID-Reglerkreise wird ein Eingangssignal E₁ .... E_n zugeführt, das der Differenz zwischen einem einer der realen Verfahrensvariablen entsprechenden Signal X₁ .... X und den jeweils einer der verschiedenen Verfahrensvariablen entsprechenden Maximalwerten X., .... X _ entspricht. In jedem PID-Reglerkreis wird das jeweilige Eingangssignal E₁ .... E einem integrierenden Signalweg, einem linearen Signalweg und einem differenzierenden Signalweg zugeführt, deren Verstärkungsfaktoren durch K... ... K. bzw.

_I_ I -LH

K₁ ... K bzw. Kj₁ ... K, definiert sind..Das Ausgangssignal des linearen Signalwegs und das Ausgangssignal· des differenzierenden Signaiwegs werden addiert und danach werden das Summensignal und das Ausgangssignal des integrierenden Signalwegs addiert, was das Ausgangssignal U des betreffenden Reglerkreises ergibt. Sämtliche Ausgangssignale U₁ .... U werden einer Komparatorschaltung zugeführt, die nur das kleinste Signal der Ausgangssignale U₁ .... U zu ihrem Ausgang weiterleitet. Einerseits wird das Ausgangssignal· U einem Prozessregler al·s Steuersignal· zugeführt, um die diesem Steuersignal· entsprechende Verfahrensvariabie zu steuern, und andererseits wird das Ausgangssignal· zu jedem der Regl·erkreise zurückgeführt, in denen die Differenz zwischen diesem Ausgangssignal· und dem Summensignal· an der Verbindungsste^e am Ende des

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linearen Signalwegs und am Ende des differenzierenden Signalwegs in jedem der Reglerkreise gebildet wird. Jedes dieser Differenzsignale wird nun in dem jeweiligen Reglerkreis dazu benutzt, den Integrator im integrierenden Signalweg rückzustellen, d.h., daß das Ausgangssignal dieses Integrators dem jeweiligen Differenzsignal gleichgemacht wird.

Wenn das Ausgangssignal U sich ändert, ändern sich auch die damit verknüpften Verfahrensvariablen und damit die entsprechenden Eingangssignale X. .,. X . Für jedes Eingangssignal X₁ ... X gilt, daß es unterhalb des entsprechenden Maximalwerts X. . . ... X __ liegen, aber

auch dem entsprechenden Maximalwert X,, .... J' so ¹ 1-max n-max

nahe wie möglich kommen sollte. Es ist jetzt möglich, das Steuersignal U so zu wählen, daß für eine oder mehrere Verfahrensvariablen gilt, daß:

X. = X. 1 ^ j ^ n.
3 ;j-max NJ^

Wenn nun während des Betriebs des Steuersystems der Komparator eines der Steuersignale UL .... ü als kleinstes Signal auswählt, beeinflußt dieses Signal die entsprechende Verfahrensvariable, die dann die sogenannte steuernde Verfahrensvariable darstellt, und der entsprechende Proportional- Integral-Differential-Reglerkreis wird versuchen, diese Verfahrensvariable ihrem Maximalwert gleichzumachen. Wenn der Komparator beispielsweise U₁ als das seinem Ausgang zuzuleitende Steuersignal auswählt, bedeutet dies, daß

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alle anderen Ausgangssignale U„ ... ü der PID-Reglerkreise im Steuersystem keinen Einfluß haben. Da jedoch weiterhin ein Differenzsignal E₀ ... E den Eingängen jedes anderen PID-Reglerkreises zugeführt wird, führt die Integration in jedem der Reglerkreise zu falsch ansteigenden Ausgangssignalen LL .... U . Um dies zu verhindern, wird das Ausgangssignal U, wie dargestellt ist, zu jedem der Reglerkreise zurückgeführt. In jedem Reglerkreis wird die Differenz zwischen dem Ausgangssignal U und der Summe der Ausgangssignale des linearen und des differenzierenden Wegs im Reglerkreis gebildet. Dieses Differenzsignal wird jetzt dazu verwendet, alle Integrationsfunktionen rückzustellen, indem die Integrationsfunktion in jedem der Reglerkreise dem entsprechenden Differenzsignal gleichgemacht wird, was dazu führt, daß die Ausgangssignale der PID-Reglerkreise unmittelbar nach dem Rückstellen dem Ausgangssignal des regelnden PID-Reglerkreises, d.h. des Reglerkreises, der das regelnde Ausgangssignal U unmittelbar vor dem Rückstellen lieferte, gleich sind. Das Rückstellen jedes der Integratoren wird alle T Sekunden wiederholt, indem der Wert des Integrators gleich ü (= Minimalwert der Werte U- .... U) gemacht wird, abzüglich der Ausgänge der linearen und differenzierenden Signalwege des jeweiligen Reglerkreises, so daß die Ausgänge U₁ .... U unmittelbar nach dem Rückstellen alle gleich sind. Mittels dieses Steuersystems wird einerseits erreicht,

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—. ι ι «

daß keine der Verfahrensvariablen ihren Maximalwert übersteigt, während gleichzeitig eine oder mehrere Verfahrensvariablen ihrem Maximalwert gleich oder sehr stark angenähert sind. Andererseits wird der Vorteil erreicht, daß der Komparator ein anderes der Ausgangssignale U₁ ... U als regelndes Steuersignal ohne Störimpulse wählen kann, weil alle Regler sozusagen ständig "folgen".

Bis jetzt wurde angenommen, daß jede der Verfahrensvariablen kleiner als oder zumindest gleich dem entsprechenden Maximalwert sein sollte. Es ist jedoch auch möglich, daß eine oder mehrere der Verfahrensvariablen größer als oder gleich einem Minimalwert gehalten werden, d.h. ^Xm >^Xm-min (^steile von X^ X_m__max) . Wenn die betroffene Verfahrensvariable X bei abnehmendem Steuersignal U ansteigt, ist es auch möglich, diese Verfahrensvariable X in dem beschriebenen Steuersystem zu verarbeiten, indem die oben erwähnte Ungleichheit umgeformt wird zu:

~^x

m-min
oder

m ^ max m-mxn

Der jeweilige PID-Reglerkreis für diese Verfahrensvariable X empfängt daher ein Fehlersignal

E = -X . - (-X )
m m-mm m

m m m-min

(anstelle von E=X -X).
m m-max m

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Claims

Anmelderin: IHC HOLLAND N.V.,
Rietgorsweg 6,
3356 LJ Papendrecht,
Niederlande

"Steuersystem"

Patentansprüche:

1J Steuersystem mit wenigstens einem Proportionalintegral-Differential-Reglerkreis, der aus einem linearen Signalweg, einem differenzierenden .Signalweg und einem integrierenden Signalweg, die sich alle von einem Eingabeknotenpunkt aus erstrecken, besteht, wobei die Ausgangssignale des linearen Signalwegs und des differenzierenden Signalwegs in einem zwischengeschalteten Knotenpunkt und das resultierende Summensignal mit dem Ausgangssignal des integrierenden Signalwegs in einem Ausgangsknotenpunkt addiert werden und der Proportional-Integral-Differential-Reglerkreis ein Ausgangssignal einem Prozessregler zuleitet, um eine der Verfahrensvariablen so zu steuern, daß sie einem vorbestimmten Maximalwert so nahe wie möglich gehalten wird, ohne daß eine der anderen Verfahrensvariablen ihre

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jeweiligen vorbestimmten Maximalwerte übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Wert jeder Verfahrensvariablen und dem der jeweiligen Verfahrensvariablen entsprechenden Maximalwert einem jeder Verfahrensvariablen zugeordneten separaten Proportional-Integral-Differential-Reglerkreis zugeführt wird, wobei die Ausgangssignale aller Reglerkreise einer Komparatorschaltung zugeführt werden, die das kleinste dieser Signale durch Signalrücklei tungswege einem Differenzknotenpunkt in jedem Reglerkreis zuleitet, in dem die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Komparators und dem erwähnten Summensignal am zwischengeschalteten Knotenpunkt jedes Reglerkreises gebildet und das Differenzsignal zum Rückstellen des im integrierenden Signalweg jedes Reglerkreises vorgesehenen Integrators verwendet wird.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im integrierenden Signalweg jedes Reglerkreises vorgesehene Integrator periodisch rückgestellt wird.

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