DE3727369A1 - Regelsystem - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B11/00—Automatic controllers
- G05B11/01—Automatic controllers electric
- G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
- G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Regelsystem gemäß der Gattung
des Hauptanspruchs.
Die Regelung von totzeitbehafteten Prozessen, die allgemein
durch ein Verzögerungsglied und durch ein Totzeitglied
approximiert werden können, muß mit entsprechend
kleiner Reglerverstärkung erfolgen, damit die
Stabilität des Regelkreises noch gewährleistet ist.
Dies hat zur Folge, daß der Regler zu langsam auf Störungen
reagiert und daß für viele Anwendungen die gestellten
Anforderungen nicht erfüllt werden können.
Zur Beseitigung dieser bei totzeitbehafteten Prozessen
auftretenden Nachteile, wurde der sogenannte Smith-
Prädiktor geschaffen, der im ISA-Journal, Seiten 28 bis
33, Ausgabe Februar 1959, Vol. 6, No. 2 beschrieben
ist. Das Grundprinzip des Smith-Prädiktors besteht
darin, daß im Regelkreis ein dem zu regelnden Prozeß
entsprechendes Totzeitglied eingefügt ist, so daß die
Totzeit vollständig kompensiert werden kann, sofern die
festgelegten Parameter konstant bleiben. Treten jedoch
Abweichungen bei den Prozeßparametern, wie Verstärkung,
Verzögerungszeit, Totzeit, auf, so reicht bereits eine
geringe Abweichung aus, um den Regelkreis instabil werden
zu lassen.
Das Regelsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Nachbildung bzw.
eine Kenntnis des Totzeitgliedes nicht notwendig ist,
wobei eine selbsttätige Anpassung der Regelung bei Normalbetrieb
und bei Auftreten einer Störung vorliegt.
Insbesondere läßt sich unter Verwendung eines Mikroprozessors
eine wesentlich einfachere Prädiktorregelung
realisieren, als dies bei analytischen Prädiktoren möglich
ist. Das Regelsystem arbeitet im Normalbetrieb als
Proportional-Integral-Regler, der auftretende Störungen
schneller ausregeln kann, während bei Auftreten
einer Sollwertabweichung eine Integralregelung wirksam
ist, wodurch das Übergangsverhalten durch den verhältnismäßig
langsamen Integral-Regler kaum beeinflußt
wird.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der
Integral-Regler und der Proportional-Integral-Regler
durch einen einzigen, bezüglich seiner Parameter umschaltbaren
Proportional-Integral-Regler realisiert
sind. Die Umschaltung erfolgt mittels einer Steuerung,
der eingangsseitig die den Sollwert darstellende Führungsgröße
zugeführt wird. Bei Auftreten einer vorgegebenen
Mindestabweichung der Führungsgröße löst die
Steuerung eine entsprechende Umschaltung des PI-Reglers
auf I-Regelung. Dabei kann vorgesehen sein, daß der I-
Regler sein Regelverhalten stets eine gewisse Zeit
beibehält, bevor eine erneute Umschaltung erfolgt.
Mittels eines Multiplizierers kann eine fiktive Führungsgröße
durch Verknüpfung des Regler-Ausgangssignals
und der den Sollwert bildenden Führungsgröße erzeugt
werden. Die fiktive Führungsgröße wird in einem
Signalformer, der vorzugsweise als Proportional-
Differential-Glied ausgebildet ist, in die eigentliche
Stellgröße umgewandelt.
Das erfindungsgemäße Regelsystem ist insbesondere als
Lambda-Regelung für den Einsatz in Verbindung mit Verbrennungsmotoren
vorgesehen. Das Regelsystem ist im
Aufbau einfach und erlaubt eine gute Kompensation auftretender
Störeinflüsse durch geeignete Umschaltung des
Reglerverhaltens.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen
Regelsystems,
Fig. 2 einen durch ein Verzögerungsglied und ein Totzeitglied
gebildeten Prozeß mit vorgeschalteten
Signalformer,
Fig. 3 eine Realisierungsmöglichkeit des
Signalformers,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel in Form einer Lambda-
Regelung und
Fig. 5 ein Flußdiagramm der Entscheidungsstrategie zur
Umschaltung der Parameter des PI-Reglers.
Das in Fig. 1 dargestellte Regelsystem enthält einen
Multiplizierer M, einen Signalformer SF, eine Steuerung
ST, einen Proportional-Integral-Regler PI und einen zu
regelnden Prozeß P.
Die dem Regelsystem eingangsseitig zugeführte Führungsgröße
w stellt den Sollwert dar, woraus sich verknüpft
mit dem Faktor α eine fiktive Führungsgröße w* ergibt.
Diese gelangt über den Signalformer SF als Stellgröße u
an die durch den Prozeß P gebildete Regelstrecke, deren
Ausgangssignal die Regelgröße y ist. In einem Subtrahierer
SU wird die Differenz zwischen Führungsgröße w
und Regelgröße y gebildet und dem PI-Regler PI
zugeführt.
Die durch den Prozeß P gebildete Regelstrecke kann wie
in Fig. 2 dargestellt als Verzögerungsglied VG und als
Totzeitglied TG approximiert werden. Ein dem Signalformer
SF zugeführter Signalsprung tritt am Ausgang der
Regelstrecke mit einer Zeitverzögerung T t als Regelgröße
y auf. Mit dem Signalformer, der hier als
Proportional-Differential-Glied ausgebildet ist, kann
im wesentlichen der Einfluß des Verzögerungsgliedes VG
ausgeglichen werden.
Für die Funktion des Regelsystems ist die Bildung einer
fiktiven Führungsgröße w* aus der aktuellen Führungsgröße
w gemäß folgender Gleichung
w* = α × w (1)
vorgesehen, wobei der Faktor α variabel ist. Der äußere
Regelkreis mit dem PI-Regler PI, der aufgrund der Regelabweichung
w-y ein entsprechendes α liefert ermöglicht
eine zustandsabhängige Änderung des
Regelverhaltens. Dies geschieht mittels einer
Entscheidungsstrategie, die bei unterschiedlichen Betriebssituationen
die Parameter des PI-Reglers entsprechend
umschaltet. Die Entscheidungsstrategie wird noch
anhand von Fig. 5 näher erläutert.
Der Signalformer SF ist in Fig. 3 detaillierter
dargestellt. Er bewirkt, daß ein am Eingang des Signalformers
SF auftretender Sprung nach der Totzeit T t so
schnell wie möglich am Ausgang der Strecke wieder
erscheint. Für ein Verzögerungsglied erster Ordnung
gilt dabei
ist der ideale Signalformer ein PD-Glied entsprechend
Fig. 2, so gilt:
F sf (s) = 1 + T s S (3)
wobei s der Laplace-Operator der Laplace-Transformation
ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Filter besteht aus einem
schnellen Tiefpaß TP mit der Zeitkonstanten β₁, einem
Block mit einem Einstellungsparameter α₁ und einem weiteren
Block mit der Übertragungsfunktion 1/1-α₁.
Daraus ergeben sich für die Signale folgende Gleichungen:
Das resultierende System hat eine z-
Übertragungsfunktion folgender PDT₁-Form:
wobei z der z-Operator der z-Transformation ist. Diese
Gleichung entspricht die folgende Darstellung im
Zeitbereich:
Für den Sonderfall daß β₁ ≈ 0 ist, ergibt sich daraus
die Gleichung eines PD-Gliedes wie folgt:
wobei die Höhe des Differential-Anteils allein durch
den Parameter α₁ beeinflußt wird.
Eine andere Möglichkeit der Realisierung des idealen
PD-Gliedes als Sonderfall eines PDT₁-Gliedes ergibt
sich aus folgender Gleichung:
wobei T z die Vorhaltzeit und T n die Verzögerungszeit
ist. Für die Realisierung mittels eines Mikroprozessors
gilt:
wobei T A die Abtastzeit ist.
Werden die Parameter
gewählt, so erhält man angenähert ein ideales PD-Glied.
Die Bildung der fiktiven Führungsgröße w*, die dem
Signalformer SF zugeführt wird, wäre dann nicht
erforderlich, wenn es sich um einen idealen Prozeß ohne
Störung S und bei genauer Kenntnis der Streckenverstärkung
handeln würde. Da in jedem realen Prozeß Störungen
und Parameterabweichungen vorhanden sind, müssen diese
Einflüsse berücksichtigt werden. Über den Parameter α,
der durch einen äußeren Regelkreis, bestehend aus Substrahierer
SU, Steuerung ST und Proportional-Integral-
Regler PI besteht, bestimmt wird, können durch Bildung
der fiktiven Führungsgröße w* diese störenden Einflüsse
beseitigt werden, ohne dabei die Dynamik des Führungsverhaltens
zu verschlechtern. Im Regelsystem wird somit
eine korrigierte Führungsgröße zugeführt, die das gewünschte
dynamische Verhalten bezüglich Führung unter
Berücksichtigung auftretender Störungen S
gewährleistet.
Für den äußeren Regelkreis hat sich der Proportional-
Integral-Regler als zweckmäßig erwiesen. Der Integral-
Anteil ist verantwortlich für die stationäre Genauigkeit
während der Proportional-Anteil die Dynamik
übernimmt. Aufgrund der Regeldifferenz
w-y wird ein entsprechendes α gebildet, um einerseits
Störungen S, andererseits Abweichungen der Streckenverstärkung
auszuregeln. Treten keine Störungen S und keine
Abweichungen der Streckenverstärkung auf, so ist α = 1.
Die Steuerung (Fig. 1) veranlaßt in Abhängigkeit von
deren eingangsseitiger Führungsgröße w eine Einstellung
der Parameter des PI-Reglers. Im Wege einer
Entscheidungsstrategie, die im Flußdiagramm von Fig. 5
näher dargestellt ist, werden die Parameter des äußeren
Regelkreises umgeschaltet, je nach dem ob eine Änderung
der Führungsgröße vorliegt oder nicht. Der äußere Regelkreis
ist im Normalfall für Störverhalten ausgelegt,
so daß auftretende Störungen schnell ausgeregelt werden
können. Sobald Änderungen der Führungsgröße w
auftreten, die mit Hilfe des Entscheidungskriteriums
festgestellt werden, erfolgt die Umschaltung auf integrierendes
Verhalten (I-Regler). Diese Umschaltung kann
dann eine vorgegebene Zeitspanne beibehalten werden,
bevor wieder auf proportionales Verhalten (PI-Regelung)
umgeschaltet wird.
Fig. 4 veranschaulicht das Beispiel einer Lambda-
Regelung für einen Verbrennungsmotor VM dessen Regelstrecke
mit der Verzögerungszeit T s und mit der Totzeit
T t behaftet ist. Dabei läßt sich das Verzögerungsverhalten
durch die zeitliche Änderung der Gemischzusammensetzung
in den einzelnen Zylindern erklären. Die
Totzeit entsteht durch den Transport des Abgases von
den Auslaßventilen bis zu Einbauort der Lambdasonde.
Beide Parameter T s und T t hängen im wesentlichen von
der Motordrehzahl ab und sind somit starken Änderungen
unterworfen. Mit dem oben erläuterten Regelsystem lassen
sich die durch die Änderungen der Parameter auftretenden
Probleme lösen.
Es wird nun nachfolgend anhand des in Fig. 5 angegebenen
Flußdiagramms die Entscheidungsstrategie zur Umschaltung
der Regelparameter erläutert.
Der äußere Regler hat PI-Struktur und ist im Normalfall
für Störverhalten ausgelegt. Die beiden Parameter Verstärkung
und Nachstellzeit werden so gewählt, daß Störungen
so schnell wie möglich ausgeregelt werden
können.
Die bisher noch nicht erläuterten Bezeichnungen, die im
Flußdiagramm eingetragen sind, haben folgende
Bedeutung:
T I und P sind Parameter des äußeren PI-Reglers;
KTOT ist die Wartezeit;
ICOUNT bezeichnet einen Warteschleifenzähler;
Störflag = 0 bedeutet, daß der Regler die Betriebsart I- Regler hat;
Störflag = 1 bedeutet, daß der Regler die Betriebsart PI-Regler hat;
T IW ist die Zeitkonstante des Integrierers für Führungsverhalten (Zeitkonstante klein) und
T IS ist die Zeitkonstante des Integrierers für den Störfall (Zeitkonstante groß);
P S ist der Parameter für den Proportionalanteil im Störfall (im Führungsfall ist dieser Parameter = 0)
T I und P sind Parameter des äußeren PI-Reglers;
KTOT ist die Wartezeit;
ICOUNT bezeichnet einen Warteschleifenzähler;
Störflag = 0 bedeutet, daß der Regler die Betriebsart I- Regler hat;
Störflag = 1 bedeutet, daß der Regler die Betriebsart PI-Regler hat;
T IW ist die Zeitkonstante des Integrierers für Führungsverhalten (Zeitkonstante klein) und
T IS ist die Zeitkonstante des Integrierers für den Störfall (Zeitkonstante groß);
P S ist der Parameter für den Proportionalanteil im Störfall (im Führungsfall ist dieser Parameter = 0)
Sobald die Änderung der Führungsgröße w eine bestimmte
Schwelle überschreitet, erfolgt sofort die Umschaltung
des äußeren Reglers auf I-Struktur (Störflag = 0) und
die Nachstellzeit des Integrierers wird auf den Wert
T I = T IW erhöht. Gleichzeitig wird der Warteschleifenzähler
ICOUNT auf Null gesetzt. Wenn der äußere Regler
schon I-Struktur hatte (Störflag = 0), wird nur der Warteschleifenzähler
zurückgesetzt.
Bleibt während der Wartezeit KTOT die Änderung der Führungsgröße
w unterhalb der Schwelle, so erfolgt die Umschaltung
des äußeren Reglers auf PI-Struktur (Störflag
= 1). Die Nachstellzeit wird reduziert auf T I = T IS ,
die Proportionalverstärkung wird auf den Wert P = P s
eingestellt. Die Auslegung der Wartezeit KTOT kann entsprechend
der Einschwingzeit des Regelkreises gewählt
werden.
Claims (6)
1. Regelsystem für Prozesse, die durch ein Verzögerungsglied
und ein Totzeitglied approximierbar sind,
bei dem aus der dem Sollwert entsprechenden Führungsgröße
und aus der Regelgröße mittels einer Regelanordnung
ein den Prozeß steuernde Stellgröße abgeleitet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen
Sollwert (w) und Regelgröße (y) über einen
Proportional-Integral-Regler und bei Auftreten einer
Sollwertänderung (Δ w) über einen Integral-Regler einem
Multiplizierer (M) zugeführt wird, an dessen anderem
Eingang der Sollwert (w) anliegt und der ausgangsseitig
eine fiktive Führungsgröße (w*) an einen Signalformer
(SF) zur Erzeugung der Stellgröße (u) abgibt.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Integral-Regler und der Proportional-Integral-
Regler durch einen einzigen, bezüglich seiner Parameter
umschaltbaren PI-Regler realisiert sind.
3. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umschaltung von PI-
Regelung auf I-Regelung erst bei Überschreiten einer
vorgegebenen Mindest-Sollwertabweichung (Δ w) erfolgt,
und daß nach einer Wartezeit wieder auf die PI-Regelung
zurückgeschaltet wird.
4. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Signalformer (SF) ein
Proportional-Differential-Glied ist.
5. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Signalformer (SF) einen
Tiefpaß (TP) und Funktionsblöcke mit einstellbaren Parametern
(a₁) umfaßt und der Gleichung
genügt, wobei
u(k) die Stellgröße zum Zeitpunkt
w*(k) die dem Signalumformer zugeführte Führungsgröße
w A (k) die Ausgangsgröße des Tiefpasses ist und
α₁ im Bereich zwischen 0 und 1 einstellbar ist.
u(k) die Stellgröße zum Zeitpunkt
w*(k) die dem Signalumformer zugeführte Führungsgröße
w A (k) die Ausgangsgröße des Tiefpasses ist und
α₁ im Bereich zwischen 0 und 1 einstellbar ist.
6. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem als Lambda-
Regelung für einen Verbrennungsmotor (VM) verwendet
wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873727369 DE3727369A1 (de) | 1987-08-17 | 1987-08-17 | Regelsystem |
EP88111583A EP0303833A3 (de) | 1987-08-17 | 1988-07-19 | Regelsystem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873727369 DE3727369A1 (de) | 1987-08-17 | 1987-08-17 | Regelsystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3727369A1 true DE3727369A1 (de) | 1989-03-02 |
Family
ID=6333906
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873727369 Withdrawn DE3727369A1 (de) | 1987-08-17 | 1987-08-17 | Regelsystem |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0303833A3 (de) |
DE (1) | DE3727369A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4117815C3 (de) * | 1991-05-31 | 1999-03-18 | Bosch Gmbh Robert | Regelungsanordnung, insbesondere für Kraftfahrzeuge |
DE4313173B4 (de) * | 1993-04-22 | 2008-04-30 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer veränderlichen Größe, insbesondere bei Fahrzeugen |
DE102011082641A1 (de) | 2011-09-14 | 2013-03-14 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Regelstreckenmodifikation |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE758668A (fr) * | 1969-11-11 | 1971-04-16 | Licentia Gmbh | Dispositif de regulation du courant de convertisseurs statiques, et notamment de moteurs alimentes en courant redresse, dans le domaine intermittent ou non |
US4090121A (en) * | 1976-09-09 | 1978-05-16 | Honeywell Inc. | Control circuit |
CH642467A5 (de) * | 1980-03-19 | 1984-04-13 | Sulzer Ag | Regelverfahren und schaltung zum ausueben des verfahrens. |
-
1987
- 1987-08-17 DE DE19873727369 patent/DE3727369A1/de not_active Withdrawn
-
1988
- 1988-07-19 EP EP88111583A patent/EP0303833A3/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4117815C3 (de) * | 1991-05-31 | 1999-03-18 | Bosch Gmbh Robert | Regelungsanordnung, insbesondere für Kraftfahrzeuge |
DE4313173B4 (de) * | 1993-04-22 | 2008-04-30 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer veränderlichen Größe, insbesondere bei Fahrzeugen |
DE102011082641A1 (de) | 2011-09-14 | 2013-03-14 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Regelstreckenmodifikation |
WO2013037551A1 (de) | 2011-09-14 | 2013-03-21 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur regelstreckenmodifikation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0303833A2 (de) | 1989-02-22 |
EP0303833A3 (de) | 1990-03-14 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |