DE3319983C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 3.

Ein solches Verfahren und eine solche Anordnung sind aus der US 42 13 175 bekannt.

Zum Erkennen, ob ein Regelkreis und die durch ihn geregelte Regelstrecke richtig arbeiten, wird gemäß der US 42 13 175 das Ausgangssignal des Stellgliedes mit dem Ausgangssignal eines mathematischen Modells verglichen, das dieselben Eingangs/Ausgangs-Kenndaten wie der Regelkreis hat und dasselbe Eingangssignal wie der Regelkreis empfängt. Wenn der Fehler zwischen dem Ausgangssignal des Stellgliedes und dem Ausgangssignal des Modells einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird ein Fehlersignal erzeugt, das eine Störung oder einen Ausfall des Regelkreises anzeigt. Da die Ansprechverzögerung des Stellgliedes bekannt und in das Modell eingebaut ist, werden falsche Ausfallsignale aufgrund dieser Verzögerung vermieden, obgleich es anfänglich eine große Abweichung zwischen den beiden Ausgangssignalen geben kann.

Ein mathematisches Modell kann üblicherweise nicht genau die Kenndaten eines Regelkreises und seines Stellgliedes widerspiegeln, insbesondere im transienten Betrieb im Gegensatz zum stationären oder statischen Betrieb. Weiter kann ein Modell mit fester Konfiguration nicht Kenndatenänderungen aufgrund einer Verschlechterung des Regelkreises und seines Stellgliedes berücksichtigen, die sich mit der Zeit ergibt und auch mehr ein Problem während transienten oder nichtstationären Betriebes ist. Ein hoher Ausfallschwellenwert ist deshalb erforderlich, damit nicht aufgrund von Ungenauigkeiten des Modells fälschlicherweise ein Ausfall gemeldet wird. Je komplexer der Regelkreis ist, um so größer werden die Ungenauigkeiten des Modells während des nichtstationären Betriebes des Regelkreises sein und um so höher wird der erforderliche Ausfallschwellenwert. Oder, je einfacher das Modell ist, um so größer ist die erwartete Abweichung zwischen seinem Ausgangssignal und dem Ausgangssignal des Stellgliedes (zumindest während nichtstationären Betriebes des Regelkreises), selbst wenn kein Ausfall vorhanden ist, was deshalb die Verwendung eines höheren Ausfallschwellenwertes erfordert. Ein hoher Ausfallschwellenwert kann die Zeit verlängern, die benötigt wird, um eine wahre Störung zu erkennen, da die Anordnung größere Ausgangssignalabweichungen außer Betracht zu lassen haben wird.

Ein weiteres unerwünschtes Merkmal einer Ausfallerkennungsanordnung ist, daß eine große, unvorhersagbare, aber nur vorübergehende Ausgangssignalabweichung, die durch schlechte Modellsimulation verursacht worden sein kann, ein gewolltes Störungssignal auslösen kann.

Die eingangs bereits erwähnte US 42 13 175 beschränkt ebenso wie die US 42 14 301 ein komplexes Verfahren und System zum Vermeiden einiger der vorgenannten Probleme durch Verwendung von Störungserkennungsanordnungen, die ständig das Modell korrigieren, wenn sich die Betriebskenndaten des Regelkreises und seines Stellgliedes mit der Zeit ändern, beispielsweise aufgrund einer Verschlechterung von Bauteilen. Es ist jedoch erwünscht, das einfachste Modell, das möglich ist, zu verwenden, die Komplexitäten eines Modellkorrektursystems zu vermeiden und die Möglichkeit des Aussendens von falschen Ausfallsignalen weiter zu verringern sowie die Empfindlichkeit der Anordnung für Störungen zu erhöhen, die nur relativ kleine Abweichungen vom normalen Ausgangssignal erzeugen.

Weitere Patentschriften, die den allgemeinen Stand der Technik zeigen und von Interesse sein können, sind US 32 21 230, 33 94 294, 34 46 946, 36 80 069, 39 02 051, 39 74 364 und 40 92 716.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 3 angegebenen Art so auszubilden, daß ein relativ einfaches Modell des Regelkreises verwendet werden kann und die Anordnung trotzdem ihre Empfindlichkeit gegenüber kleinen Fehlern behält, ohne falsche Ausfallsignale aufgrund großer, aber nur vorübergehender Differenzen zwischen dem Ausgangssignal des Modells und dem Ausgangssignal des Stellgliedes auszulösen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 3 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Bei dem Verfahren und der Anordnung nach der Erfindung wird der Absolutwert von Fehlersignalen, die außerhalb einer vorbestimmten toten Zone sind, über der Zeit integriert. Die tote Zone gestattet dem Integrator, Fehler bis zu einem Wert unbeachtet zu lassen, von dem angenommen wird, daß er das Ergebnis normalen Verhaltens und nicht das Ergebnis einer Störung im Regelkreis ist. Wenn der Wert des Integrals ein vorbestimmtes Ausmaß übersteigt, wird ein Ausfallsignal erzeugt. Darüber hinaus wird jedesmal dann, wenn das Fehlersignal in einen vorbetsimmten Bereich fällt, der für stationären Betrieb als normal angesehen wird, das Integral der Fehlersignale gelöscht, wodurch die Auswirkungen von sämtlichen vorangehenden Fehlersignalen beseitigt werden. Der Bereich der toten Zone, der bestimmt, ob ein Fehlersignal integriert wird, muß entweder gleich dem normalen stationären Bereich, der bestimmt, ob das Integral rückzusetzen ist, oder breiter als dieser sein.

Weil das mathematische Modell auch die Ansprechverzögerung des Stellgliedes des Regelkreises simuliert, erzeugen solche Ansprechverzögerungen nur kleine Fehlersignale, die innerhalb der toten Zone liegen. Durch Integrieren der Fehlersignale werden vorübergehend hohe Fehlersignale (die das Ergebnis einer Ungenauigkeit in der Modellsimulation statt das Ergebnis eines Ausfalls des Regelkreises sein können), sofern sie nicht übermäßig groß sind, nicht sofort ein Ausfallsignal auslösen, und die Auswirkungen eines solchen hohen Fehlersignals auf die Ausfallerkennungsanordnung wird durch die Löschschaltung beseitigt, wenn das Ausgangssignal des Stellgliedes schnell zu einem normalen stationären Zustand zurückkehrt. Weiter werden kleine Fehlersignale außerhalb der vorbestimmten Grenzen (d. h. der toten Zone) für eine längere Zeitspanne toleriert als große Fehlersignale, was dem Regelkreis und dem Stellglied eine längere Zeitspanne zum Zurückkehren zu dem normalen Verhalten gibt, ohne daß ein Ausfallsignal ausgelöst wird. Dadurch, daß der normale stationäre Fehlersignalbereich breit genug gemacht wird, können auch normaler Verschleiß und normale Abnutzung von Bauteilen über einer vorbestimmten Zeitspanne berücksichtigt werden, weshalb es nicht zu falschen Ausgangssignalen aufgrund dieser normalen Verschlechterung von Bauteilen kommen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der Ausfallerkennungsanordnung nach der Erfindung.

In der Figur ist eine Ausfallerkennungsanordnung 10 dargestellt, die dazu dient, Fehlfunktionen in einem Regelkreis 12 zu erkennen. Der Regelkreis 12 ist ein System zum Einstellen und Korrigieren der Position, d. h. eines Ausgangssignals 26 eines Stellgliedes 14 (der Regelstrecke) gemäß einer Sollposition oder Führungsgröße des Stellgliedes 14, die ein Eingangssignal 16 des Regelkreises 12 ist. Das Stellglied 14 ist, wie schematisch durch eine gestrichelte Linie 18 dargestellt, Teil eines Schubsystems 20 mit veränderbarem Querschnitt, so daß durch die Bewegung des Stellgliedes 14 Düsenklappen 22 auf vorbestimmte Weise bewegt werden.

Der Regelkreis 12 arbeitet auf kontinuierlicher Basis folgendermaßen: Die Stellgliedsollposition wird als das Eingangssignal 16 in einen Komparator 24 zusammen mit der Istposition des Stellgliedes 14 eingegeben, die durch das zur Positionsrückführung dienende Ausgangssignal 26 dargestellt ist. Ein Ausgangssignal 30 des Komparators 24 wird auf gewünschte Weise in einem Verstärker 28 verstärkt, und durch ein Stellsignal (Stellgröße) 32 wird daraufhin die Position des Stellgliedes 14 kontinuierlich korrigiert.

Die Ausfallerekennungsanordnung 10 enthält ein mathematisches Modell 34, welches Eingangs-/Ausgangskenndaten hat, die die Eingangs-/Ausgangskenndaten des Regelkreises 12 simulieren. Modelle diesere Art sind bekannt. Das Modell 34 empfängt dasselbe, der Stellgliedsollposition entsprechende Eingangssignal 16 wie der Regelkreis 12 und liefert ein Ausgangssignal 36, das eine Vorhersage der Istposition des Stellgliedes 14 ist. Ein einfaches Modell kann sehr genaue Vorhersagen für stationäre Zustände und üblicherweise weniger genaue Vorhersagen für nichtstationären Betrieb liefern. Stationär bedeutet, daß sich die Sollposition nicht mit der Zeit ändert, während nichtstationärer Betrieb bedeutet, daß sich die Sollposition mit der Zeit ändert. Durch größere Modellkomplexität kann die Genauigkeit von Vorhersagen für nichtstationären Betrieb verbessert werden.

Die vorhergesagte Position des Stellgliedes 14 (aus dem Modell 34) und das Ausgangssignal 26 des Stellgliedes 14 werden beide einem weiteren Komparator 38 zugeführt, der die Differenz zwischen beiden berechnet und ein Fehlersignal 40 erzeugt, das diese Differenz darstellt. Das Fehlersignal 40 wird durch eine Grenzwertschaltung 42 hindurchgeleitet, die eine tote Zone zwischen den Werten -a und +b hat. Diejenigen Fehlersignale 40, die außerhalb der toten Zone sind, werden dadurch in Fehlersignalwerte e umgewandelt (vgl. die Zeichnung) und in einen Integrator 44 eingegeben, der die Fehlersignalwerte e über der Zeit integriert. Ein Signal 46, das den gegenwärtigen Wert des Integrals darstellt, wird an eine Auswerteschaltung 48 abgegeben, die ein Ausfallsignal 50 auslöst, wenn das Integral einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht, der in der Zeichnung mit f angegeben ist.

Das Fehlersignal 40 aus dem weiteren Komparator 38 wird außerdem an eine Löschschaltung 52 angelegt, die feststellt, ob das Fehlersignal 40 innerhalb oder außerhalb eines vorbestimmten Wertebereiches ist, dessen Grenzen hier mit den Werten -c und +d bezeichnet sind. Immer dann, wenn der Wert des Fehlersignals 40 in diesen Bereich fällt, wird ein Signal 54 zu dem Integrator 44 gesendet, welches das Integral löscht. Der kritische Bereich -c bis +d repräsentiert die Grenzen des normalen (d. h. richtigen) stationären Betriebes und ist vorzugsweise breit genug, um größere Fehlersignalwerte aufgrund erwarteten Verschleißes und erwarteter Abnutzung in dem Regelkreis über einer vorbestimmten Zeitspanne zu berücksichtigen. Allgemein tritt eine nennenswerte Ungenauigkeit in den Vorhersagen von mathematischen Modellen nur während nichtstationären Regelkreisbetriebes auf, da selbst relativ einfache Modelle stationäre Bedingungen sehr genau simulieren können. Weil die Löschschaltung 52 nur wirklich mit dem stationären Betrieb befaßt ist, ist sie im wesentlichen unabhängig davon, wie genau das Modell 34 während nichtstationären Regelkreisbetriebes ist. Andererseits wird die Grenzwertschaltung 42 dadurch beeinflußt, wie gut das Modell 34 die Kenndaten des Regelkreises 12 während nichtstationären Betriebes simuliert, da diese Ungenauigkeiten zu dem Integrator 44 übertragen werden. In bekannten Systemen werden diese Ungenauigkeiten kompensiert, indem der Fehlerschwellenwert angehoben wird, um falsche Ausfallsignale zu vermeiden. Infolgedessen sind bekannte Anordnungen nicht für kleine Werte von wirklich abweichendem Regelkreisverhalten empfindlich.

Die hier beschriebene Ausfallerkennungsanordnung 10 gestattet die Verwendung von relativ einfachen Modellen mit relativ hohen Ungenauigkeiten beim Simulieren von nichtstationären Betriebszuständen, ohne daß es notwendig ist, daß sie für niedrige Werte von Fehlersignalen unempfindlich ist. Die tote Zone kann beispielsweise sogar gleich dem kritischen stationären Bereich -c bis +d sein. In diesem Fall wird jeder Fehlersignalwert e außerhalb des schmalen stationären Bereiches integriert, löst aber nicht sofort ein Ausfallsignal aus. Wenn dieser Fehlersignalwert e auf eine Ungenauigkeit in der Modellvorhersage während nichtstationären Regelkreisbetriebes zurückzuführen ist (statt auf einen echten Ausfall), dann wird, sobald der Regelkreis 12 zu dem stationären Betrieb zurückkehrt, die Löschschaltung 52 das Integral löschen, und ein falsches Ausfallsignal wird vermieden. Wenn der Fehler durch einen wirklichen Ausfall innerhalb des Regelkreises 12 verursacht wird, ist die Wahrscheinlichkeit, daß der Fehlersignalwert e auf normale stationäre Werte zurückkehrt, sehr gering, und die Integration der Fehlersignalwerte e wird fortgesetzt, bis das Ausfallsignal ausgelöst wird. Es sei beachtet, daß durch Integrieren des Wertes e des Fehlersignals 40 kleine Fehler außerhalb der toten Zone für längere Zeitspannen andauern müssen als große Fehler, bevor ein Ausfallsignal ausgelöst wird. Das ist vorteilhaft, weil kleine Fehlersignalwerte e außerhalb der toten Zone weniger wahrscheinlich das Ergebnis einer Störung oder eines drohenden Ausfalls in dem Regelkreis 12 als große Fehlersignalwerte e sind und in jedem Fall für längere Zeitspannen toleriert werden können. Wenn die Fehlersignalwerte e klein sind, wird dem Regelkreis 12 deshalb mehr Zeit zum Zurückkehren in den Bereich normaler stationärer Toleranzen gegeben, bevor ein Ausfallsignal ausgelöst wird.

Selbstverständlich kann es erwünscht oder notwendig sein, daß die Breite der toten Zone größer als der Bereich des kritischen stationären Zustandes ist, wenn die Modellsimulationsungenauigkeiten des Regelkreises 12 während nichtstationären Betriebes zu groß sind. Dieser breitere Bereich der toten Zone wird immer noch äußere Grenzen haben, die unter den Ausfallschwellenwerten von bekannten Anordnungen liegen, bei denen Modelle gleicher Genauigkeit benutzt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Erkennen des Ausfalls eines Regelkreises mit einem Stellglied durch folgende Schritte:
Anlegen eines Eingangssignals sowohl an den Regelkreis als auch an ein den Regelkreis mit dem Stellglied simulierendes Modell, wobei das Eingangssignal der Führungsgröße des Regelkreises entspricht;
ständiges Vergleichen des rückgeführten Ausgangssignals des Stellgliedes mit dem Eingangssignal zur Bildung einer Stellgröße für das Stellglied und
ständiges Vergleichen des Ausgangssignals des Modells mit dem rückgeführtern Ausgangssignal des Stellgliedes und bei Nichtübereinstimmen der beiden Signale Erzeugen von Fehlersignalen;
gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:
Integrieren des Absolutwertes derjenigen Fehlersignale über der Zeit, die außerhalb einer vorbestimmten toten Zone mit ersten Grenzen -a und +b liegen;
Erzeugen eines Ausfallsignals, wenn der Integralwert der Fehlersignale einen vorbestimmten Wert übersteigt und
Löschen des Integralwertes immer dann, wenn der Wert jedes Fehlersignals innerhalb von vorbestiummten zweiten Grenzen -c bis +d liegt, wobei diese gleich den ersten Grenzen -a und +b der toten Zone sind oder innerhalb dieser ersten Grenzen -a und +b liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Grenzen -c und +d Grenzwerten normalen stationären Betriebstoleranzen entsprechen.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,
mit einem Modell (34), das den Regelkreis (12) mit dem Stellglied (14) simuliert, wobei an den Regelkreis (12) und an das Modell (34) ein und dasselbe Eingangssignal (16) anlegbar ist;
mit einem Komparator (24) zum ständigen Vergleichen des Ausgangssignals (26) des Stellgliedes (14) mit dem Eingangssignal (16) und zur Bildung einer Stellgröße (32) für das Stellglied (14) und
mit einem weiteren Komparator (38) zum ständigen Vergleichen des Ausgangssignals (26) des Stellgliedes (14) mit dem Ausgangssignal (36) des Modells (34), der bei auftretender Differenz zwischen den beiden miteinander verglichenen Signalen Fehlersignale (40) abgibt;
dadurch gekennzeichnet,
daß dem weiteren Komparator (38) eine Grenzwertschaltung (42) und ein Integrator (44) zum Integrieren des Absolutwertes (e) derjenigen Fehlersignale (40) über der Zeit, die außerhalb einer durch die Grenzwertschaltung (42) festgelegten toten Zone mit den ersten Grenzen -a und +b liegen, nachgeschaltet sind;
daß eine Auswerteschaltung (48) zum Erzeugen eines Ausfallsignals (50), wenn das Integral einen vorbestimmten Wert übersteigt, dem Integrator (44) nachgeschaltet ist und
daß eine Löschschaltung (52) zum Löschen des Integrals immer dann, wenn der Wert der Fehlersignale innerhalb der zweiten Grenzen -c und +d ist, vorhanden ist, deren Eingang an den Eingang der Grenzwertschaltung (42) und deren Ausgang an den Integrator (44) angeschlossen ist.