DE3311048C2

DE3311048C2 - Einrichtung zur Verfahrensregelung

Info

Publication number: DE3311048C2
Application number: DE3311048A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hachioji Tokio/Tokyo Hiroi; Kojiro Machida Tokio/Tokyo Ito
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1983-03-25
Publication date: 1987-02-12
Also published as: DE3311048A1; FR2524169A1; FR2524169B1; US4563735A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verfahrensregelung, wobei in Kombination eine Regelung mit Rückführung und eine Vorwärts-Regelung vorgesehen sind. Bei der Rückführungsregelung wird eine Abweichung der Regelgröße bezüglich eines Sollwerts auf einen Geschwindigkeitsregler gegeben und gemäß dem Ausgang des Reglers eine manipulierte Variable festgelegt. Bei der Vorwärts-Regelung wird eine Steuerung ermittelt und eine Störungskompensation festgelegt, welche unter Bestimmung der manipulierten Variablen dieser hinzugefügt wird, um so der Störung entgegenzuwirken. In Abhängigkeit von der ermittelten Störung werden eine statische Kompensationskomponente und eine dynamische Kompensationskomponente der Störungskompensation gesondert festgelegt. Die statische Kompensationskomponente wird in ein Geschwindigkeitssignal umgesetzt und dem Ausgang des Reglers hinzugefügt, womit ein erstes Summensignal entsteht. Das erste Summensignal wird in ein Positionssignal umgesetzt und dieses der dynamischen Kompensationskomponente hinzugefügt, womit ein zweites Summensignal entsteht. In Abhängigkeit von diesem Summensignal wird die manipulierte Variable festgelegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verfahrensregelung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Derartige Einrichtungen sind bekannt und werden in der Praxis zur Regelung von Verfahrensabläufen eingesetzt.
Unter einem "Regler vom Geschwindigkeitstyp" (velocity type controller) soll dabei ein Regler verstanden werden, der nach einem Regelprinzip arbeitet, wie es in dem Buch "Microprocessors in Instruments and Control" von Robert J. Bibbero, erschienen im Verlag John Wiley &amp Sons, New York, 1977, Seiten 155-162, erläutert ist, wobei sich auf Seite 160 die Positionsgleichung, auf Seite 161 die Geschwindigkeitsgleichung befindet. Die "statische Kompensations-Signalkomponente" schließlich soll dem Wert entsprechen, der sich ergibt, wenn die Größe der auftretenden Störung mit einem Koeffizienten multipliziert wird, die "dynamische Kompensations-Signalkomponente" dagegen dem Wert, der sich ergibt, wenn das Verhalten der Regelstrecke (Prozeß) berücksichtigt wird (vgl. Regelungstechnische Praxis 1980, H. 8, S. 261).
Ein Nachteil der bekannten Einrichtungen mit kombinierter Rückführungs- und Vorwärtsregelung ist ihre geringe Anpassungsfähigkeit an die dem jeweils zu regelnden Prozeßablauf eigentümlichen Störungsmöglichkeiten, mit der Folge einer entweder zu langsamen und damit unbefriedigenden oder aber einer zu schnellen, zu Regelschwingungen führenden Reaktion des Regelsystems. Es besteht dabei dann häufig die Notwendigkeit, manuell in das Verfahren einzugreifen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs erwähnte Regeleinrichtung so zu verbessern, daß sie an möglichst unterschiedliche Verfahrensabläufe anpaßbar ist, und eine zufriedenstellende, selbsttätige Verfahrensregelung gewährleistet.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei zum besseren Verständnis vorab einschlägige Regeleinrichtung nach dem Stand der Technik abgehandelt werden.
Auf der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Verfahrensregelung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils einer anderen vorbekannten Regeleinrichtung mit Geschwindigkeits-Positions-Umsetzer,
Fig. 3A und 3B Zeitdiagramme zur Erläuterung des Betriebs der Einrichtung von Fig. 2,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Regelung einer Wärmetauscheranlage mittels einer vorbekannten Regeleinrichtung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform einer Regeleinrichtung nach der Erfindung,
Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Einrichtung von Fig. 5,
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 ein Zeitdiagramm zur Darstellung des Betriebs der Einrichtung von Fig. 7,
Fig. 9 und 10 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung, und
Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Abwandlungsform der Einrichtung von Fig. 10.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Regeleinrichtung mit Rückführungseinrichtung und Einrichtung für eine Vorwärts- Regelung. Ein Komparator 1 vergleicht eine Regelgröße (die zu regelnde Variable) mit einem Sollwert und das Vergleichsergebnis, also die Differenz zwischen Sollwert und Regelgröße, wird einem PID-Regler 2 (Proportional-Integral-Differential- Regler) zugeführt, dessen Ausgang dann in einen Addier- bzw. Summenkreis 3 gegeben wird. Inzwischen soll eine Störung D, die über eine Imaginärleitung 7 mit Umsetzfunktion (Übertragungsfunktion) G _D zugeführt wird, die Regelgröße X beeinflussen. Um nun die nachteilige Einwirkung der Störung D auf die Regelgröße X zu kompensieren oder dieser entgegenzuwirken, wird die Störung D über ein Vorwärts-Regel-Modell 8 mit Umsetzfunktions G _F dem Addierkreis 3 zugeführt und so dem Ausgang des Reglers 2 hinzugefügt. Der sich dabei ergebende Ausgang des Addierkreises 3 wird als manipulierte Variable (Stellgröße) dem zu regelnden Prozeß (Regelstrecke) 10 zugeführt, wobei sich die Wirkung der manipulierten Variablen über eine Imaginärleitung 4 mit Umsetzfunktion G _P überträgt. Die Wirkung der Störung D über den Weg 7 und die Wirkung der manipulierten Variablen M werden einander addiert, wodurch sich die Regelgröße X ergibt. Dabei wird das Summieren beispielsweise durch den Addier-oder Summenkreis 5 bewirkt.
Wenn der Ausgang des Reglers 2 mit X bezeichnet wird, dann ergibt sich die Regelgröße X folgendermaßen: °=c:40&udf54;H&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°KX°k¤=¤°K(Y°k¤+¤°KD¤´¤G°T°KF°t°K)°k¤´¤°KG°T°KP°t¤+¤°KD¤´¤G°T°KD°t-&udf53;zl10&udf54;=¤°KY¤´¤G°T°KP°t¤+¤°KD¤´¤(G°T°KD°t¤+¤°KF¤´¤G°T°KP°t°K)°k@,(1)&udf53;zl10&udf54;
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, daß dann, wenn die Regelgröße X von den nachteiligen Einwirkungen der Störung freigehalten werden soll, die folgende Bedingung erfüllt sein muß:
G _D + G _F · G _P = 0
Daraus folgt, daß die Umsetzfunktion G _F des Modells 8 gegeben sein muß durch &udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;H@&udf53;vu10&udf54;°KG°T°KF°t¤=¤^°KG°T°KD°t/°KG°T°KP°t@,(2)&udf53;zl10&udf54;
Im allgemeinen (vgl. z. B. Fröhr/Orttenburger: Einführung in die elektronische Regelungstechnik, 4. Aufl. 1976, S. 60 und folgende) können die Umsetzfunktionen G _D und G _P in Termen einer Kombination aus einer Zeitverzögerung erster Ordnung und einer Totzeit angenähert werden, und zwar: °=c:80&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz7&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei K_P und K _D Verstärkungs-Konstanten,
T _P und T _D Zeit-Konstanten und
L _P und L _D Totzeiten sind.
Daraus folgt, daß die Umsetzfunktion G _F des Vorwärts-Regelmodells 8 gegeben ist durch °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Wenn die Totzeit von G _P und die Totzeit von G _D im wesentlichen gleich sind, dann kann die Gleichung (3) folgendermaßen vereinfacht werden: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Die so vereinfachte Gleichung (4) wird in der Praxis oft verwendet. Es kommt jedoch manchmal vor, daß die besonderen Eigenschaften des Prozesses, der mit dieser Vorwärts-Regelung versehen werden soll, durch diese Gleichung (4) erster Ordnung nicht genügend genau angenähert werden oder aber die Eigenschaften des betreffenden Prozesses nicht linear sind. Darüberhinaus hat dieses Regelsystem verschiedene Grenzen und wird verschiedenen Bedingungen unterworfen. Die Folge ist, daß sich bei dem vorbekannten Regelsystem mit Vorwärts-Regelung die folgenden Probleme ergeben:

(1) Es ist nicht möglich, unabhängig voneinander die Verstärkung der statischen und dynamischen Kompensationskomponenten der Störungskompensation festzulegen oder einzustellen, wobei jedoch eine solche unabhängige Festlegung wünschenswert wäre, um das System den Prozeßeigenschaften anzupassen. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die Festlegung des Gewinns (Verstärkung) es erforderlich machen kann, verschiedene Gewinne für verschiedene Richtungen des Wechsels (Anstieg und Abnahme) festzulegen, d. h. für verschiedene Polaritäten oder Vorzeichen der Kompensationswerte.
(2) Es ist nicht möglich, nur für die statische Kompensationskomponente allein oder nur die dynamische Kompensationskomponente allein eine Totzone (Totbereich) festzulegen. Die Festlegung einer Totzone schaltet die Vorwärts-Regelung dann aus, wenn die Änderung der Störung klein ist. Wie gesagt ist es aber nicht möglich, die Totzonen der beiden Komponenten unabhängig voneinander festzusetzen.
(3) Es ist nicht möglich, eine obere und eine untere Grenze bezüglich der statischen Kompensationskomponente allein oder bezüglich der dynamischen Kompensationskomponente allein festzulegen. Es ist auch nicht möglich, die Grenzwerte der beiden Kompensationskomponenten unabhängig voneinander festzulegen.
(4) Es ist schwierig, einen stoßfreien Umschaltvorgang durchzuführen, wenn der Regler 2 zwischen der automatischen und der manuellen Regelung umgeschaltet werden soll (insbesondere dann, wenn ein Regler vom Geschwindigkeitstyp verwendet wird).
(5) Es ist schwierig, die quantitative Bedeutung der Vorwärts- Regelung zu analysieren und zu erkennen, so daß auch die Einstellung des Reglers schwierig ist.

Wird bei dem vorbekannten System mit Vorwärts-Regelung ein PID-Regler vom Geschwindigkeitstyp verwendet, dann ergeben sich zusätzlich die nachfolgenden Nachteile. Wenn der PID-Regler 2 gemäß Fig. 2 ein Regler vom Geschwindigkeitstyp ist, dann wird der Ausgang des Vorwärts-Regelungsmodells 8 durch einen Positions-Geschwindigkeits-Umsetzer (Differenzdetektor) 9 vor Erreichen des Addierkreises 3 umgesetzt. Der Ausgang des Addierkreises 3 wird dann durch einen Geschwindigkeits-Positions-Umsetzer 6 umgesetzt und daraufhin als manipulierte Variable M des Prozesses verwendet.
Bei relativ großen Änderungssprüngen (Änderungsstufen) der Störung ändert sich die manipulierte Variable M so, wie dies in Fig. 3A dargestellt ist, wohingegen die erwünschte Änderungsweise in Fig. 3B dargestellt ist. Der Grund dafür ist, daß der Umsetzer 6 einem Anstieg nur bis zu seinem Maximum (100%) folgt, während der Ausgang sofort abzufallen beginnt, wenn der Eingang negativ wird; deshalb ist der Betrag DR des gesamten Abfalls vom 100%-Pegel nach unten gemäß Fig. 3A gleich dem Betrag DR des gesamten Abfalls von der gewünschten Amplitudenspitze in Fig. 3B. Die tatsächliche Antwort (Fig. 3A) unterscheidet sich somit von der gewünschten Antwort (Fig. 3B), was die Prozeßregelung nachteilig beeinflußt.
Eine ähnliche Situation, aber mit entgegengesetzer Polarität, ergibt sich, wenn die Richtung der Störungsänderung umgekehrt ist und der gewünschte Ausgang des Umsetzers 6 die untere Grenze von 0% unterschreitet.
Die vorbekannten Systeme mit Vorwärts-Regelung lassen außerdem eine Reihe von Dingen außer Betracht. So ist bei der obigen Analyse des Vorwärts-Regelsystems angenommen worden, daß der Gewinnkoeffizient K _D (Wirkungsgrad) der Umsetzfunktion G _D der Störung D konstant ist und daß folglich der Gewinnkoeffizient K _F = K _D/K _P des Vorwärts-Regelungssystems 8 ebenfalls konstant ist. In der Praxis jedoch ist der Störungskoeffizient K _D nicht fest, ändert sich vielmehr unregelmäßig und beträchtlich, abhängig von solchen Kräften wie indirekte Störungen, Änderungen der Eigenschaften über die Zeit, Änderungen physikalischer Größen innerhalb und außerhalb des Prozeßregelsystems, Änderungen der chemischen Zusammensetzung, Änderungen der Umgebungstemperatur, nicht ermittelte oder gar nicht ermittelbare Störungen und dergleichen. Die Folge davon ist, daß das Vorwärts-Regelsystem nicht zufriedenstellend arbeitet, ja sogar die Prozeßregelung nachteilig beeinflußt. Neuerdings ist die Forderung nach einer größeren Flexibilität der verwendeten Verfahren und damit der dafür bestimmten Regelsysteme gestiegen, und zwar infolge der gestiegenen Kosten für Rohstoffe, Brennstoffe und andere Produkte, der Laständerungen durch Änderungen in der Betriebsweise aufgrund von Änderungen der Wirtschaftsbedingungen, des Anstiegs der Forderung nach für viele Zwecke verwendbaren Systemen und dergleichen. Diese Situation soll nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert werden, und zwar anhand der Regelung der Temperatur am Auslaß einer Wärmetauscheranlage, wobei auf Fig. 4 Bezug genommen ist.
Bei der Anlage von Fig. 4 wird ein Rohmaterial 11 über eine Zuführleitung 12 einem Wärmetauscher 14 zugeführt, dort durch Dampf erhitzt und dann wieder aus dem Wärmetauscher entlassen. Ein Temperaturfühler 15 ermittelt die Auslaßtemperatur T&sub0; des Wärmetauschers 14 und erzeugt ein Signal, das für die ermittelte Auslaßtemperatur T&sub0; repräsentativ ist. Das Signal wird einem Temperaturregler 19 zugeführt, der das Wärmetauschersystem so regelt, daß die Auslaßtemperatur T&sub0; auf einer vorgegebenen Höhe gehalten wird.
Ein Strömungsmengenfühler 13 ermittelt die Strömungsmenge F _i des Rohmaterials 11 und erzeugt ein Signal, das für die ermittelte Strömungsmenge F _i repräsentativ ist. Dieses Signal wird einem Vorwärts-Regel-Modell 21 zugeführt. Der Ausgang des Modells 21 und der Ausgang des Temperaturreglers 19 werden in einem Addierkreis 20 miteinander addiert, wobei dann der Addierkreis 20 das Summensignal als Sollwert dem Dampf-Strömungsmengenregler 22 zuführt. Der Regler 22 empfängt den Ausgang des Dampf-Strömungsmengenfühler 17 als Rückführungssignal und führt Regeloperationen zur Aufrechterhaltung des Rückführungssignals auf dem Sollwert durch. Der Ausgang des Reglers 22 dient zum Regeln eines Regelventils 18. Auf diese Weise wird die Auslaßtemperatur T&sub0; des Wärmetauschers 14 konstant gehalten.
Die Umsetzfunktion G _F des Vorwärts-Regelmodells 21 soll nun diskutiert werden. Bei statischem Zustand dieses Vorgangs ergibt sich der Wärmeinhalt Q durch folgende Gleichung: °=c:30&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KQ°k¤=¤°KFs¤´¤Hs°k¤=¤@W:1:&udf57;°Kh&udf56;&udf54;¤´¤°KFi¤´¤Ci¤´¤(Ts¤^¤Ti)°k@,(5)&udf53;zl10&udf54;-wobei
Fs die gewichtsmäßige Strömungsmenge des Dampfes,
Hs die latente Wärme des Dampfes,
Fi die Strömungsmenge des Rohmaterials,
Ci die spezifische Wärme des Rohmaterials,
Ts die Einstellung des Sollwerts für die Temperatur am Auslaß des Wärmetauschers,
Ti die Temperatur am Einlaß des Wärmetauschers,
η der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ist.
Die Gleichung (5) wird nun so umgeschrieben, daß die Dampf- Strömungsmenge Fs, die ja die Regelvariable ist, erhalten wird: °=c:30&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KFs°k¤=¤@W:1:&udf57;°Kh&udf56;&udf54;¤´¤@W:°KCi°k:°KHs&udf56;&udf54;¤´¤°K(Ts¤^¤Ti)¤´¤Fi°k@,(6)&udf53;zl10&udf54;-
Aus Gleichung (6) kann die statische Kompensationskomponente G _Fs des Modells 21 folgendermaßen abgeleitet werden: °=c:30&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KG°T°KFS°t¤=¤@W:°KFs°k:°KFi°k&udf54;¤=¤@W:1:&udf57;°Kh&udf56;&udf54;¤´¤@W:°KCi°k:°KHs°k&udf54;¤´¤°K-(Ts¤^¤Ti)°k¤=¤°KK°T°KF°t@,(7)&udf53;zl10&udf54;
Für die Umsetzfunktion G _F ergibt sich mit der dynamischen Kompensationskomponente des Modells 21 nach Gleichung (4): °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei
T _D die Zeitkonstante zwischen Rohmaterial-Strömungsmengenfühler 13 und Auslaßtemperaturfühler 15 ist.
T _P ist die konstante Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, wenn die Dampfströmungsmenge eingestellt wird (also wenn vom Addierkreis 20 ein Ausgang abgegeben wird) und dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur am Auslaß des Wärmetauschers 14 durch diese Einstellung der Dampfströmungsmenge beeinflußt wird.
Insoweit wird also nur die Änderung der Rohmaterial-Strömungsmenge Fi als das Vorwärts-Regelungssystem beeinflussende Störung angesehen, wobei also °=c:30&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KK°T°KF°t¤=¤@W:1:&udf57;°Kh&udf56;&udf54;¤´¤@W:°KCi°k:°KHs&udf56;&udf54;¤´¤°K(Ts¤^¤Ti)°k°zals konstant angenommen wird. In der Praxis jedoch ändert sich K _F unregelmäßig über einen weiten Änderungsbereich, und zwar in Abhängigkeit folgender Faktoren:
(1) den Temperaturänderungen des Rohmaterials,
(2) den Wirkungsgradänderungen des Wärmetauschers,
(3) den Änderungen der latenten Wärme des Dampfs,
(4) den Änderungen der Umgebungstemperatur, und
(5) den Änderungen der spezifischen Wärme des Rohmaterials.
Daraus ergibt sich, daß das Vorwärts-Regelsystem nicht zu ausreichenden Ergebnissen führen kann. Insbesondere wird die Regelung dann nachteilig beeinflußt, wenn sich die Rohmaterial- Strömungsmenge ändert. Die Folge davon sind Schwankungen der Produktqualität.
Wie erwähnt können bei den vorbekannten Systemen mit kombinierter Rückführungs- und Vorwärts-Regelung zufriedenstellende Ergebnisse nicht erwartet werden und es treten in manchen Fällen äußerst nachteilige Effekte auf. Diese Probleme erhalten eine immer größere Bedeutung durch die wachsende Forderung nach flexiblen Prozessen.
Nachfolgend wird nun anhand der Fig. 5 eine Ausführungsform der Erfindung mit Geschwindigkeitsregler im Rückführungssystem erläutert.
Eine Prozeßvariable PV, die sich als Ergebnis der Ermittlung einer Regelgröße X ergibt, wird zu einem Komparator 31 zurückgeführt und dort mit einem Sollwert SV verglichen. Der sich ergebende Fehler, also die Abweichung der Prozeßvariablen PV vom Sollwert SV, wird einem Regler 32 zugeführt, der die Regelung durchführt, die für jeden der Regelvorgänge für P (proportional), I (integral) und D (differentiell) bzw. eine Kombination davon erforderlich ist. Der Ausgang 32 a des Reglers 32 wird über einen ersten Addierer 33, einen Geschwindigkeits- Positions-Signalumsetzer 34 und einen zweiten Addierer 35 als manipulierte Variable M einem Prozeß 36 zugeführt. Es wird damit ein Rückführungssystem gebildet, das die Regelgröße X für die Regelung des Prozesses 36 zum Komparator 31 zurückführt.
Andererseits wird für die Vorwärts-Regelung ein Störungssignal D einer Störungskompensationseinheit 37 zugeführt, derart, daß eine statische Kompensationskomponente B und eine dynamische Kompensationskomponente E entstehen. Die Störungskompensationseinheit 37 weist eine Operationseinheit 38 für die statische Kompensationskomponente und eine "unvollständige" Differentiationseinheit 42 auf, welche die dynamische Kompensationskomponente E dadurch erzeugt, daß die statische Kompensationskomponente B, welche von der Einheit 38 abgeleitet wird, einer unvollständigen Differentiation unterworfen wird (vgl. US-PS 37 58 762, Sp. 3 Z. 1-16).
Nachfolgend soll nun erläutert werden, warum auf diese Weise eine statische und eine dynamische Kompensationskomponente B, E erhalten werden. Gemäß Gleichung (4) ergibt sich: °=c:80&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz7&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Der erste Term der rechten Seite stellt die statische Kompensationskomponente B dar. Genauer gesagt, die Umsetzfunktion bzw. der Koeffizient der statischen Kompensationskomponenteneinheit 38 wird durch den erwähnten ersten Term dargestellt und die Einheit 38 liefert das Produkt aus seinem Eingangssignal und der Umsetzfunktion. Der zweite Term der rechten Seite stellt die dynamische Kompensationskomponente dar, d. h., das Produkt der statischen Kompensationskomponenten B mit der folgenden Gleichung: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Genauer gesagt, die dynamische Kompensationskomponente E kann dadurch erhalten werden, daß der Ausgang der Betriebseinheit 38 für die statische Kompensationskomponente dem unvollständigen Differentiationskreis 2 zugeführt wird, dessen Umsetzfunktion durch die Gleichung (10) dargestellt wird.
Die statische Kompensationskomponente B wird einem Subtraktions- oder Differenzdetektor 51 zugeführt, der die Differenz zwischen der Kompensationskomponente B _n, die zum letzten bzw. gegenwärtigen Prüfzeitpunkt erhalten wird, und der statischen Kompensationskomponente B _n-1, die zum vorausgehenden Prüfzeitpunkt ermittelt worden ist, feststellt, wodurch die statische Kompensationskomponente B in ein Geschwindigkeitssignal umgesetzt wird. Der Ausgang des Detektors 51 wird auf den ersten Addierkreis 33 gegeben und dort dem Ausgang 32 a des Reglers 32 hinzuaddiert. Die Summe wird auf den Umsetzer 34 gegeben, der die Summe in ein Positionssignal A umsetzt. Genauer gesagt, der Umsetzer 34 bewirkt die Geschwindigkeits-Positions-Umsetzung dadurch, daß er die Eingänge (Eingangssignale) zu entsprechenden Prüfzeitpunkten zusammenzählt, d. h., der Eingang eines bzw. des letzten Prüfzeitpunkts wird der Summe der vorher aufgenommenen und zusammengezählten Eingänge hinzugefügt.
Die dynamische Kompensationskomponente, d. h. der Ausgang des unvollständigen Differentiationskreises 42, wird auf den zweiten Addierer 35 gegeben, wo er dem Signal A hinzugefügt wird. Die Summe am Ausgang des Addierers 35 wird als manipulierte Variable M dem Prozeß, aber dem zu regelnden System 36, zugeführt, um die Regelgröße X zu regeln.
Der Betrieb der Ausführungsform von Fig. 5 wird nachfolgend anhand der Fig. 6 erläutert. Wenn sich die Störung D um den Wert "1" (Einheitsstufe) ändert, dann antworten der Ausgang B der Operationseinheit 38 der statischen Kompensations, der Ausgang C des Differenzdetektors 51 und der Ausgang E des Differentiationskreises 42 so, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Daraus ergibt sich, daß in Abhängigkeit von der Veränderung der Störung D der Ausgang E des Differentiationskreises 42 sich um den Null-Pegel ändert, d. h. er steigt in Abhängigkeit vom Anstieg der Störung an, fällt dann auf den Wert 0 und gelangt in Abhängigkeit vom Abfall der Störung D in den negativen Bereich und steigt wieder auf den Wert Null an. Der Ausgang E bleibt so lange Null, solange die Störung D konstant ist. Der Ausgang B der Operationseinheit 38, der ein Positionssignal darstellt, wird durch den Detektor 51 in ein Geschwindigkeitssignal umgesetzt. Der Ausgang C des Detektors 51 steigt sofort an und fällt wieder auf Null ab, und zwar in Abhängigkeit vom Anstieg der Störung D und er fällt unter den Wert Null ab und steigt sofort wieder auf den Wert Null an, und zwar in Abhängigkeit vom Absinken der Störung D. Solange die Störung D konstant bleibt, bleibt auch der Ausgang C konstant oder Null.
Wie oben beschrieben worden ist können gemäß der Erfindung die Ausgänge B und C, die die statische Kompensationskomponente darstellen, und der Ausgang E, der die dynamische Kompensationskomponente darstellt, unabhängig voneinander erhalten werden, so daß die Analyse der qualitativen Eigenschaften des Systems beträchtlich vereinfacht ist. Zusätzlich können ein geeigneter Gewinn (dessen Größe unterschiedlich sein kann, je nach der Richtung, in welcher die Störung sich ändert) sowie eine geeignete Totzone unabhängig für die statische und die dynamische Kompensationskomponente festgelegt werden.
Wenn zur Erzeugung des Signals C der Differenzdetektor 51 verwendet wird, dann bleibt das die statische Kompensationskomponente darstellende Signal C Null, wenn die Störung D konstant ist. Deshalb können mit polygonaler Funktionslinie arbeitende Generatoren verwendet werden, um die Signale C und E aufzunehmen, wobei dann die Generatorausgänge dem ersten bzw. zweiten Addierkreis 33 bzw. 35 zugeführt werden. Somit können für die statische und die dynamische Kompensationskomponente unterschieliche Totzonen festgelegt werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich ist der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6, mit der Ausnahme jedoch, daß ein Pegeldetektor 58 vorgesehen ist, der den Pegel des Ausgangs E des unvollständigen Differentiationskreises 42 feststellt, und daß ein Schalter 58 A auf den Detektor 58 anspricht und die Verbindung zwischen dem Regler 32 und dem ersten Addierwerk 33 entweder schließt oder öffnet, abhängig davon, ob der Ausgang E, welcher die dynamische Kompensationskomponente des Differentiationskreises 42 darstellt, niedriger oder höher ist als ein vorgegebener Wert.
Wenn im Betrieb der Ausgang E zwischen der Obergrenze E _H und der Untergrenze E _L (Fig. 8) liegt, dann schließt der Schalter 58 A die Verbindungsleitung zwischen dem Regler 32 und dem ersten Addierkreis 33, so daß sowohl die Rückführungsregelung (in Abhängigkeit vom Fehlersignal des Komparators 31) als auch die Vorwärts-Regelung (in Abhängigkeit von der Feststellung der Störung D) wirksam sind. Wenn jedoch der Ausgang E von dem Bereich zwischen Ober- und Untergrenze E _H, E _L abweicht, dann unterbricht der Schalter 58 A die Verbindung zwischen Regler 32 und ersten Addierkreis 33, so daß die Rückführungsregelung unterbrochen wird, wohingegen die Vorwärts-Regelung alleine die weitere Kompensations der Störung D vornimmt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 besitzt somit gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 5 den Vorteil, daß eine eine optimale Vorhersagekorrektur gegenüber plötzlichen, großen Änderungen der Störung D bewirkende Vorwärts-Regelung nicht vom PID-Regler des Rückführungssystems beeinflußt wird.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich ist derjenigen nach den Fig. 7 und 8, mit der Ausnahme jedoch, daß ein zweiter Schalter 58 B hinzugefügt ist, der die Verbindung zwischen dem unvollständigen Differentiationskreis 42 und dem zweiten Addierwerk 35 öffnen und schließen kann, abhängig davon, ob das Ausgangssignal E des Differentiationskreises 42 höher oder niedriger ist als ein vorgegebener Wert.
Der zusätzliche Schalter 58 B dient dazu, eine Zuführung der dynamischen Kompensationskomponente zu Addierwerk 35 dann zu verhindern, wenn die dynamische Kompensation vergleichsweise gering ist. Die Funktion des Schalters 58 B ist somit ähnlich derjenigen eines Funktionsgenerators mit Totzone.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die prinzipiell ähnlich derjenigen von Fig. 9 ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist jedoch die Anordnung so getroffen, daß die Umsetzfunktion der Operationseinheit 38 für die statische Kompensationskomponente abgewandelt werden kann, wenn das Regelsystem sich im statischen Zustand befindet. Diese Ausführungsform weist die nachfolgenden aufgezählten zusätzlichen Merkmale auf.
Die Operationseinheit 38 weist eine feste Umsetzeinheit 39, einen Multiplyer 40 und einen Integrator 44 auf. Der Integrator 44 integriert den Ausgang eines Subtraktionskreises 43, und zwar dann, wenn ein Schalter 62 A geschlossen ist. Der Multiplyer 40 erzeugt das Produkt der Ausgänge der Einheit 39 und des Integrators 44 und erzeugt damit ein Signal B, welches die statische Kompensationskomponente repräsentiert.
Der Subtraktionskreis 43 bestimmt die Differenz zwischen dem Ausgang B der Operationseinheit 38 und dem Ausgang A des Umsetzers 34.
Der Schalter 62 A sowie die Schalter 62 B 1 und 62 B 2 werden durch den Ausgang eines Flip-Flop-Kreises 62 gesteuert, der in einer Korrektur-Regeleinheit 53 untergebracht ist.
Die Einheit 53 weist eine statische Entscheidungseinheit 54 auf, die feststellt, ob das Regelsystem sich im statischen Zustand befindet oder nicht. Die Einheit 54 enthält erste, zweite und dritte Pegeldetektoren 57, 58 und 59. Der erste Pegeldetektor 57 ist so angeschlossen, daß er den Ausgang C des Differenzdetektors 51 aufnimmt und ein Signal "hoher Pegel" erzeugt, wenn der Ausgang C kleiner ist als ein vorgegebener Pegel. Der zweite Pegeldetektor 58 ist so angeschlossen, daß er den Ausgang E des Differentiationskreises 42 aufnimmt und dann ein Signal "hoher Pegel" erzeugt, wenn der Ausgang E kleiner ist als ein vorgegebener Pegel. Der dritte Pegeldetektor 59 nimmt den Ausgang e _n des Komparators 31 auf und erzeugt dann ein Signal "hoher Pegel", wenn der Ausgang e _n kleiner ist als ein vorgegebener Pegel. Ein UND-Gatter 60 nimmt die Ausgänge der drei Pegeldetektoren 57, 58 und 59 auf und gibt ein Signal 60 a, welches anzeigt, daß das Regelsystem sich im statischen Zustand befindet, dann ab, wenn die Eingangssignale, die von dem ersten, zweiten und dritten Pegeldetektor 57, 58, 59 geliefert werden, gleichzeitig sich auf einem "hohen Pegel" befinden.
Ein Pegeldetektor 55 ist so angeschlossen, daß er den Ausgang des Subtraktionskreises 43 aufnimmt und dann ein Signal "hoher Pegel" erzeugt, wenn der Ausgang des Kreises 43 größer ist als ein vorgegebener Pegel. Ein Verzögerungs-Taktgeber 56 erzeugt ein Signal, das bei Beendigung einer bestimmten Zeitspanne nach dem Anstieg des Ausgangs des Pegeldetektors 55 ansteigt. Der Ausgang des Taktgebers 56 wird sowohl auf das zweite UND-Gatter 61 als auch auf einen Inverter 63 gegeben. Das zweite UND-Gatter 61 erzeugt dann ein Signal "hoher Pegel", wenn der Ausgang 60 a des UND-Gatters 60 und der Ausgang des Taktgebers 56 gleichzeitig sich auf einem "hohen Pegel" befindet. Der Flip-Flop-Kreis 62 wird dann gesetzt, wenn das UND- Gatter 61 einen Ausgang entsprechend einem "hohen Pegel" abgibt.
Der Inverter 63 kehrt den Ausgang des Taktgebers 56 um. Ein Taktgeber 64 erzeugt ein Signal, das bei Ablauf einer bestimmten Zeitspanne nach Anstieg des Ausgangs des Inverters 63 ansteigt. Der Flip-Flop-Kreis 62 wird durch den Ausgang "hoher Pegel" des Taktgebers 64 zurückgestellt.
Solange der Flip-Flop-Kreis 62 sich im gesetzten Zustand befindet hält der Schalter 62 A die Verbindung zwischen Subtraktionskreis 43 und Integrator 44 aufrecht, so daß der Ausgang des Subtraktionskreises 43 integriert wird. Der Ausgang des Integrators 44 wird auf den Multiplyer 40 gegeben und dort mit dem Ausgang der festen Umsetzeinheit 39 multipliziert, so daß die Umsetzfunktion der Einheit 38 entsprechenden Änderungen unterworfen ist. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters 62 A werden die Schalter 62 B 1 und 62 B 2 geöffnet, so daß die Ausgänge des Differenzdetektors 51 und des unvollständigen Differentiationskreises 42 nicht mehr zum ersten und zweiten Addierwerk 33, 35 gelangen, mit der Folge, daß die Vorwärts-Regelung unterbrochen ist.
Der Pegeldetektor 55 hat den Zweck, eine Modifikation der Störungskompensation nur dann zuzulassen, wenn das vom Subtraktionskreis 43 abgegebene Differenzsignal größer ist als ein vorgegebener Wert. Wenn das Differenzsignal kleiner und damit vernachlässigbar ist, dann verhindert der Detektor 55 eine Änderung der Störungskompensation.
Der Taktgeber 56, der mit dem Pegeldetektor 55 verbunden ist, hat den Zweck, die Korrektur der Störungskompensation nur dann zuzulassen, nachdem der Ausgang des Kreises 43 für eine bestimmte Zeitspanne einen hohen Wert beibehalten hat. Selbst wenn somit das Differenzsignal für eine kurze Zeit ansteigt, etwa infolge eines Rauscheffekts, erfolgt keine unerwünschte Korrektur.
Der Taktgeber 64 dient dazu, die Korrektur kurze Zeit nach dem Zeitpunkt zu beenden, an welchem das Differenzsignal unter den vorgegebenen Pegelwert absinkt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 wird also eine Korrektur der Umsetzfunktion der Operationseinheit 38 derart durchgeführt, daß die statische Kompensationskomponente sich dem Ausgang A annähert, wenn das Regelsystem sich im statischen Zustand befindet.
Die Kompensation der Störung kann somit optimiert werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 befindet sich das Regelsystem dann im statischen Zustand, wenn das Fehlersignal e _n&min; der Ausgang C des Differenzdetektors 51 und der Ausgang E des unvollständigen Differentiationskreises 42 kleiner sind als die Ihnen zugeordneten, vorgegebenen Pegelhöhen. Selbstverständlich können aber auch irgendwelche anderen Variablen oder Parameter dazu benutzt werden, zu entscheiden, ob sich das Regelsystem im statischen Zustand befindet oder nicht. Beispielsweise kann die Anordnung so getroffen werden, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Dabei wird der Ausgang A des Umsetzers 34 einem unvollständigen Differentiationskreis 65 zugeführt und der Ausgang des Kreises 65 dann auf einen Pegeldetektor 66 gegeben, der entscheidet, ob der Ausgang größer oder kleiner ist als ein vorgegebener Wert. Ob sich das Regelsystem im statischen Zustand befindet oder nicht kann gemäß dem Ergebnis der Entscheidung des Detektors 66 festgestellt werden.
Die in der obigen Beschreibung erwähnten Bauelemente des Regelsystems können analog oder digital sein, können gesonderte Bausteine darstellen oder aber zu einem Rechner vereinigt sein.

Claims

1. Einrichtung zur Verfahrensregelung, bestehend aus einem Rückführungs-Regelkreis mit Regler vom Geschwindigkeitstyp, der abhängig von einer Abweichung des Istwerts vom Sollwert ein Signal abgibt, und aus einer Störungs-Kompensationseinheit zur Vorwärtsregelung, die das Auftreten einer Störung feststellt und in Abhängigkeit davon ein der Störung entgegenwirkendes Störungs-Kompensationssignal abgibt, wobei die beiden Signale zur Bildung der Stellgröße addiert werden, gekennzeichnet durch, eine Vorrichtung (38, 42) der Störungs-Kompensationseinheit (37) zur Abgabe einer statischen Kompensations-Signalkomponente (B) und einer dynamischen Kompensations-Signalkomponente (E), durch einen Positions-Geschwindigkeits-Umsetzer (51) zum Umsetzen der statischen Kompensations-Signalkomponente (B) in ein Geschwindigkeitssignal (C) durch Differenzbildung zwischen zu zwei aufeinanderfolgenden Prüfzeitpunkten erhaltenen statischen Kompensations-Signalkomponenten (B), durch einen Addierkreis (33) zur Aufnahme des Ausgangssignals (32 a) des Reglers (32) vom Geschwindigkeitstyp und des Geschwindigkeitssignals (C) des Positions-Geschwindigkeits-Umsetzers (51) zur Abgabe eines ersten Summensignals, durch einen Geschwindigkeits-Positions-Umsetzer (34) zum Umsetzen des ersten Summensignals in ein Positionssignal (A) und durch einen weiteren Addierkreis (35) zur Aufnahme des Positionssignals (A) des Geschwindigkeits-Positions- Umsetzers (34) und der dynamischen Kompensations-Signalkomponente (E) und zur Abgabe eines zweiten Summensignals, das die Stellgröße (M) darstellt (Fig. 5, 7, 9, 10).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Differentiationseinheit (42) in der Störungs-Kompensationseinheit (37) zur Erzeugung der dynamischen Kompensations-Signal- Komponente (E) aus der statischen Kompensations-Signalkomponente (B) durch die Umsetzfunktion (T _P - T _D ) · S /(1 + T _D · S), wobei T _P und T _P die für Stellgröße (M) bzw. die Störgröße (D) maßgeblichen Zeitkonstanten der Regelstrecke (Prozeß 36) sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schaltkreis (58, 58 A), der die Verbindung zwischen dem Regler (32) vom Geschwindigkeitstyp und dem ihm nachgeschalteten Addierkreis (33) dann unterbricht, wenn die dynamische Kompensations- Signalkomponente (E) einen vorgegebenen Wert überschreitet (Fig. 7).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch einen Entscheidungskreis (54) zur Feststellung, ob sich die Regeleinrichtung im statischen Zustand befindet, und durch einen Subtraktionskreis (43) zur Bestimmung der Differenz zwischen der statischen Kompensations-Signalkomponente (B) und dem Ausgangssignal (A) des Geschwindigkeits-Positions-Umsetzers (34), wobei diese Differenz bei Vorliegen eines statischen Zustands unter einem vorgegebenen Wert gehalten wird durch Änderung des Faktors (K) zur Festlegung der statischen Kompensations-Signalkomponente (B) (Fig. 10).