DE3937133A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung einer prozessgroesse bei nichteindeutigem messsignal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Prozeß- bzw. Regelgröße nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung desselben.

In Regelkreisen treten sehr häufig Funktionsteile mit nicht­ linearen Kennlinien auf. Eine Möglichkeit ist hierbei ein nichtlineares Verhalten der Meßeinrichtung, so daß das dem Regler zugeführte Meßsignal der eigentlichen Regelgröße nicht mehr proportional ist. Dies kann in manchen Fällen erwünscht sein, z. B. zur Radizierung eines als Führungsgröße einge­ speisten Signals, in anderen Fällen kann dies durch entspre­ chende Auslegung der übrigen Regelkreisbausteine berücksichtigt werden. Ein Problem tritt allerdings auf, wenn die Kennlinie der Meßeinrichtung im Regelbereich nicht mehr monoton verläuft, so daß zu einem bestimmten Meßsignal mehrere Zustände der Regelgröße existieren, das Meßsignal also die Regelgröße nicht mehr in eindeutiger Weise charakterisiert. Dies hat zur Folge, daß der zugehörige Prozeß nicht mehr im gesamten Regelbereich stabil von einer bekannten Regeleinrichtung gesteuert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Prozeßgröße zu ent­ wickeln, mit deren Hilfe in möglichst einfacher Weise eine stabile Regelung innerhalb eines Regelbereiches erreicht wird, innerhalb dessen die stetige Kennlinie der Meßeinrichtung einen Extremwert besitzt und deshalb nicht monoton verläuft.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren nach den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Im wesentlichen wird dabei das bekannte Regelverfahren auf eine Umgebung des Soll­ wertes der Regelgröße, in der das bekannte Verfahren stabil ist, begrenzt, während bei Überschreiten dieser Bereichsgrenzen die Regelung von einer Zusatzeinrichtung übernommen wird, die dafür sorgt, daß die Regelgröße wieder in den stabilen Arbeits­ bereich des bekannten Reglers zurückgeführt wird, wonach wie­ derum mit dem bekannten Verfahren geregelt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine Rückführung des jeweiligen Stellsignales zum bekannten Regler nach Anspruch 2 ermöglicht ein stoßfreies Wiedereinsetzen der Regelung mit dem bekannten Regler. Nach An­ spruch 3 läßt sich das erforderliche Umschalten bei Erreichen einer voreingestellten Differenz von Führungsgröße und Meß­ signal erreichen. Wird gemäß Anspruch 4 verfahren, läßt sich das Überschreiten des Extremwertes und damit das Auftreten größerer Regelgrößenabweichungen vermeiden. Analog zu Anspruch 2 ermöglichen die Ansprüche 5 und 6 eine stetige Änderung des Stellsignals beim Umschalten. Zusätzlich verbessern die Merk­ male des Anspruchs 6 das Verfahren noch weiter dahingehend, daß sich das Stellsignal außerhalb des von dem bekannten Regler geregelten Bereiches nur stetig und zeitlich begrenzt vom Aus­ gangssignal des bekannten Reglers unterscheidet, indem hierzu letzterem eine Folge einzelner Impulssignale aufaddiert wird. Neben dem stoßfreien Umschalten ermöglicht diese Maßnahme zu­ sätzlich eine beispielsweise gegenüber einem konstanten Zusatz­ signal relativ gleichmäßige Rückführung der Regelgröße ohne ein störend großes Überschwingen nach Erreichen des Umschaltzeit­ punktes in Kauf nehmen zu müssen. Die Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9 gestattet dann in besonders einfacher Weise die Durchführung dieses Verfahrens durch Einbau weniger Zusatz­ teile in einen bekannten Regelkreis. Das Verfahren und die Vorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die stetige, nichtmonotone Kennlinie einer Meßein­ richtung,

Fig. 2 die Regeleinrichtung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens und

Fig. 3 eine Alternative für die in Fig. 2 gestrichelt einge­ rahmte Zusatzeinrichtung.

In Fig. 1 ist die nichtmonotone Kennlinie einer Meßeinrichtung gezeigt. Das Meßsignal (x′) steigt zunächst in Abhängigkeit von der Prozeß- oder Regelgröße (x) monoton an, besitzt dann einen Extremwert (M) und fällt danach wieder monoton ab. Eine solche Kurve beschreibt beispielsweise die Leitfähigkeit von hoch­ bzw. überkonzentrierter Schwefelsäure (Oleum) in Abhängigkeit von der Konzentration, wobei das relative Leitfähigkeitsmaximum bei einer Konzentration von x_M ≈ 99,5% liegt. Mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, durch Mischen von verdünnter Schwefelsäure und Oleum hochkonzentrierte Schwefel­ säure einer bestimmten Konzentration herzustellen (siehe unten), wobei die Konzentration über eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt wird.

Die Regelung soll einen Sollwert (x_s) der Regelgröße (x) ein­ halten. Hierzu wird zunächst ein bekannter PI(D)-Regler (1) verwendet, an dem die Führungsgröße (w = x′ (x_s)) eingestellt wird. Der Regler (1) wird nun so eingerichtet, daß bei kleinen Abweichungen vom Sollwert (x_s) das Ausgangssignal (y_R) des Reglers (1) bei der Verwendung als Stellsignal (y = y_R) eine Rückführung der Regelgröße nach (x_s) bewirkt. Dies ist durch die Pfeile angedeutet: der Regler (1) arbeitet also in einer Umgebung seines Arbeitspunktes (A′) stabil.

Betrachtet man eine feste Abweichung der Regelgröße vom Soll­ wert, so wird klar, daß sich bei Abweichung in Richtung des Extremwertes (M) ein kleineres Differenzsignal ergibt als bei gleich großer Abweichung in der entgegengesetzten Richtung. Ab­ weichungen vom Sollwert weg vom Extremwert der Kennlinie werden also von dem Regler (1) sehr effektiv ausgeregelt. Abweichungen in Richtung des Extremwertes werden weniger effektiv ausge­ regelt, insbesondere kann hierbei der Extremwert (M) über­ schritten werden, wodurch man vom Bereich, in dem die Kennlinie monoton steigt, in den Bereich gelangt, in dem diese monoton fällt. Dabei verringert sich trotz größer werdender Abweichung der Regelgröße (x) vom Sollwert (x_s) das am Regler (1) an­ stehende Differenzsignal (x′_w ⁼ w-x′), bis es schließlich beim Erreichen des Wertes (x₂) der Regelgröße im Punkt (B′) wiederum ganz verschwindet. Dies ist eine Folge der Nichtein­ deutigkeit des Meßsignals: zur Führungsgröße (w) gehören zwei nicht äquivalente Werte (x und x₂) der Regelgröße (x). Da der Regler auf den Arbeitspunkt (A′) eingestellt ist, reagiert er bei einem negativen Differenzsignal (x′_w) mit dem Stellsignal (y) so, daß die Regelgröße (x) verkleinert und entsprechend bei positivem Differenzsignal vergrößert wird. Der Punkt (B′) ist daher ein instabiler Fixpunkt des Reglers, wie dies auch durch die Pfeile angedeutet ist. Wird von den Störgrößen ein Wert der Regelgröße größer als (x₂) verursacht, so driftet dieser Regler zu immer größeren Werten der Regelgröße ab, anstatt zum Soll­ wert (x_s) zurückzuführen.

Um dies zu verhindern, wird die Regeleinrichtung, wie in Fig. 2 gezeigt, ausgestaltet. Dort erfolgt eine von der Regelein­ richtung über das Stellglied (4) gesteuerte Mischung eines Produktes (P1) (z: B. 96%ige Schwefelsäure) und eines Produktes (P2) (z. B. Oleum - überkonzentrierte Schwefelsäure) zu einem Produkt (P3) (z. B. 99%ige Schwefelsäure). Die Meßeinrichtung (3) liefert ein Meßsignal (x′) in Abhängigkeit von der Regel­ größe (x), welches die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration der Schwefelsäure darstellt und der Kurvenform in Fig. 1 entspricht. Dieses Meßsignal beaufschlagt den eigent­ lichen Regler (1), an dem zusätzlich die Führungsgröße (w) angelegt ist. Der Regler (1) wird so eingestellt, daß er in der Umgebung des Punktes (A′) stabil regelt. Das Reglerausgangs­ signal (y_R) ist einer Impulserzeugerstufe (6) und einer Mini­ malauswahlstufe (5) zugeführt. Im gezeigten, geöffneten Zustand des Schalters (7) ist die Impulserzeugerstufe (6) nicht akti­ viert, und die Auswahlstufe (5) leitet das Ausgangssignal (y_R) des Reglers (1) als Stellsignal (y) durch.

Steigt nun durch Störgrößeneinflüsse (z. B. Konzentrationsände­ rungen in den Ausgangsprodukten P1 und P2) das Differenzsignal (x′_w) der Meßsignalgröße (x′) über einen an einem zusätzlichen Vergleicher (2) einstellbaren Wert (z. B. x′_w1) an, wodurch ein Intervall I = ([x′_u, x′_o]) der Meßsignalgröße (x′) definiert wird, so aktiviert dieser über das Schließen des Schalters (7) die Impulserzeugerstufe (6). Diese addiert nun auf das Regler­ ausgangssignal (y_R) eine Folge einzelner, negativer Signal­ impulse, und das resultierende Signal wird von der Minimalaus­ wahlstufe (5) als Stellsignal (y) durchgestellt. Diese Maßnahme hat eine stetige Änderung des Stellsignales (y_R) und mithin ein stoßfreies Umschalten zur Folge. Höhe, Dauer und zeitliche Aufeinanderfolge der Signalimpulse sind so zu wählen, daß auf jeden Fall eine Rückführung der Regelgröße (x) in den Bereich (x < x₂), in dem der Regler (1) stabil arbeitet, gewährleistet ist, wozu unter Umständen auch ein einzelnes Impulssignal genügt; noch vorteilhafter ist es allerdings, wenn das Über­ schreiten des Extremwertes (M) verhindert wird, indem die Impulserzeugerstufe bereits zuvor bei (x=x_s+d₂<x_M) aktiviert wird, wie in Fig. 1 gezeigt, und die Regelgröße in den Bereich (x < x_s+d₂) zurückführt. Je nach der am Vergleicher (2) einge­ stellten maximal erlaubten Differenz von Führungs- und Meß­ signalgröße kann damit ein Abdriften der Regelgröße in den Bereich (x < x_M), jedenfalls aber ein Wegdriften der Regelgröße im Bereich (x < x₂) verhindert werden. Hat die Regelgröße wieder einen Wert erreicht, dessen zugehörige Meßsignalgröße in das Intervall (I) fällt, wird der Schalter (7) vom Vergleicher (2) wieder geöffnet, wodurch die Impulserzeugerstufe (6) de­ aktiviert und als Stellsignal (y) von der Auswahlstufe (5) wieder das Reglerausgangssignal (y_R) durchgestellt wird, wobei durch Rückführung des jeweiligen Stellsignals (y) auf den Regler (1) auch diese Umschaltung stoßfrei erfolgt.

Zwar wird die Impulserzeugerstufe auch im Bereich (x < x_s-d₁) aktiviert, wodurch die Regelgröße (x) zum Wegdriften vom Sollwert (x_s) tendieren würde, jedoch wird das entsprechend zu wählende Integralglied des Reglers (1) auf jeden Fall nach einer gewissen Zeit eine Rückführung der Regelgröße (x) in Richtung des Sollwertes (x_s) erzwingen. Hinzu kommt, daß bereits der Proportionalanteil des Reglers aufgrund des in diesem Bereich steileren Kennlinienverlaufs wirksamer regelt als in der Nähe des Extremwertes (M). Weitere Vorrichtungen, die das Zuschalten der Impulserzeugerstufe in diesem Fall unterbinden könnten, sind daher entbehrlich, so daß die an dem bekannten Regelkreis vorzunehmenden Änderungen auf ein Minimum beschränkt bleiben können.

Ganz analog kann vorgegangen werden, wenn sich der Sollwert der Regelgröße nicht im monoton steigenden, sondern im monoton fallenden Abschnitt der Kennlinie befindet, also der Regler (1) beispielsweise bei (B′) stabil regeln soll. Hierzu ist ent­ sprechend der Regler (1) anderweitig einzustellen und die in Fig. 2 gestrichelt eingerahmten Vorrichtungen durch die ent­ sprechenden in Fig. 3 gezeigten Vorrichtungen zu ersetzen. Die Impulserzeugerstufe (6′) beaufschlagt bei Aktivierung dann das Reglerausgangssignal (y_R) mit positiven Signalimpulsen, und als Auswahlstufe ist in diesem Fall eine Maximalauswahlstufe (5′) vorzusehen.

Ebenso kann natürlich in analoger Weise verfahren werden, wenn der Extremwert (M) kein Maximum, sondern ein Minimum ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung einer Prozeßgröße, bei welchem die von der Meßeinrichtung (3) dem Regler (1) zugeführte Meß­ signalgröße (x′) eine stetige, nichtlineare Funktion der Regel­ größe (x) ist und ihre Kennlinie (x′ = f (x)) innerhalb des Regelbereiches (x_a x x_e) einen Extremwert (M) besitzt, der diese in einen monoton steigenden und einen monoton fallenden Abschnitt aufteilt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Intervalls (I) = ([x′_u, x′_o]) der Signalgröße (x′), welches die Führungsgröße (w) enthält, zur Regelung als Stellsignal (y) das Ausgangssignal (y_R) eines bekannten Reglers (1) verwendet wird, während bei Werten der Signalgröße (x′) außerhalb dieses Inter­ valls (I) das Stellsignal (y) von einer weiteren Signalerzeu­ gungseinrichtung (6, 6′) erzeugt wird und so gerichtet ist, daß die Regelgröße (x) in die durch das Intervall (I) festgelegte Umgebung (x_s-d₁ x x_s + d₂) des Sollwertes (x_s) zurückge­ führt wird, wonach wiederum mit dem Ausgangssignal (y_R) des bekannten Reglers (1) als Stellsignal (y)geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Stellsignal (y) extern zu dem bekannten Regler (1) zurückgeführt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Intervall (I) durch einen maximalen Wert (x′_w1) des Betrages der Differenz (x′_w = w-x′) von Führungsgröße (w) und Signalgröße (x′) begrenzt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Intervall (I) den Extremwert (M) nicht enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ausgangssignal (y_R) des Reglers (1) der zusätzlichen Signalerzeugungseinrichtung (6, 6′) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ausgangssignal der zusätzlichen Signalerzeugungseinrichtung (6, 6′), solange es als Stellsignal (y) dient, aus dem Ausgangssignal (y_R) des Reglers (1) und einzelner, dazu aufaddierter Impulssignale zusammensetzt.

7. Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche in bekannter Weise ein Stellglied (4), ein Meßglied (3) mit nichtmonotoner Kennlinie und einen PI(D)-Regler (1) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Vergleicher (2), eine von diesem ansteuerbare Einrichtung zur Signalerzeugung (6, 6′) und eine Umschaltein­ richtung (5, 5′), die das jeweilige Stellsignal bereitstellt, vorhanden sind.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Signalerzeugung (6, 6′) eine Impulserzeugerstufe ist, die dem zugeführten Reglerausgangs­ signal (y_R) bei Aktivierung durch Schließen des Schalters (7) zusätzliche Signalimpulse überlagert.

9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umschalteinrichtung (5, 5′) eine Minimal- oder Maximalauswahlstufe ist, die das Reglerausgangssignal (y_R) mit dem Ausgangssignal der Impulserzeugerstufe (6, 6′) vergleicht.