DE3937133C2

DE3937133C2 -

Info

Publication number: DE3937133C2
Application number: DE3937133A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 7050 Waiblingen De Breckner
Original assignee: ECKARDT AG 7000 STUTTGART DE
Current assignee: ECKARDT AG 7000 STUTTGART DE
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1991-11-21
Also published as: DE3937133A1; US5179513A; FR2654228B1; FR2654228A1

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.

Aus der DE-OS 19 09 627 ist eine Regeleinrichtung mit einem Dreipunktschalter bekannt, bei der zwei Regler mit unterschied lich großen Proportionalbeiwerten parallelgeschaltet sind. Solange die Regeldifferenz einen bestimmten Betrag nicht über schreitet, dient der eine Regler alleine zur Regelung. Bei Be reichsüberschreitung wird der zweite Regler über den Drei punktschalter zugeschaltet, so daß dann beide Regler mit gleicher Wirkrichtung auf die Regelgröße einwirken. Große Regelabweichungen lassen sich dadurch schneller ausregeln. Auf Grund der stets übereinstimmenden Wirkrichtung beider Regler ist diese Regelanordnung nicht in der Lage, eine Regelung mit mehrdeutigem Meßsignal zu beherrschen, ohne daß Instabilitäten auftreten.

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 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 zeigt

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 als Rückführgröße der Regelung dienende 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 be schreibt beispielsweise die Leitfähigkeit von hoch- bzw. über konzentrierter 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 Schwefelsäure einer bestimmten Konzentration herzustellen (siehe unten), wo bei 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 als Rückführgrößensollwert (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 des Istwertes der Regel größe vom Sollwert, so wird klar, daß sich bei Abweichung in Richtung des Extremwertes (M) ein kleineres Regeldifferenz signal ergibt als bei gleich großer Abweichung in der ent gegengesetzten Richtung. Abweichungen vom Sollwert weg vom Extremwert der Kennlinie werden also von dem Regler (1) sehr effektiv ausgeregelt. Abweichungen in Richtung des Extremwertes werden weniger effektiv ausgeregelt, insbesondere kann hierbei der Extremwert (M) überschritten 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) anstehende Regeldifferenzsignal (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 Nichteindeutigkeit des Meßsignals: zur Führungsgröße (w) gehören zwei nicht äquivalente Werte (x_s und x₂) der Regelgröße (x). Da der Regler auf den Arbeitspunkt (A′) eingestellt ist, reagiert er bei einem negativen Differenz signal (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 die Regelung mit diesem Regler zu immer größeren Werten der Regelgröße ab, anstatt zum Sollwert (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 Regelgröße (x), welches die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzen tration der Schwefelsäure darstellt und der Kurvenform in Fig. 1 entspricht. Dieses Meßsignal beaufschlagt den eigentlichen Regler (1) als Rückführgröße, an dem zusätzlich die Führungs größe (w) angelegt ist. Der Regler (1) wird so eingestellt, daß er in der Umgebung des Punktes (A′) stabil regelt. Das Regler ausgangssignal (y_R) ist einer Impulserzeugerstufe (6) und einer Minimalauswahlstufe (5) zugeführt. Im gezeigten, geöffneten Zustand des Schalters (7) ist die Impulserzeugerstufe (6) nicht aktiviert, 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 des Istwertes 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 Überschreiten 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 des Regelgrößenistwertes in den Bereich x < x_M, jedenfalls aber ein Wegdriften der Regelgröße im Bereich x < x₂ verhindert werden. Hat die Regel größe wieder einen Wert erreicht, dessen zugehöriger Meß signalwert in das Intervall I fällt, wird der Schalter (7) vom Vergleicher (2) wieder geöffnet, wodurch die Impulserzeuger stufe (6) deaktiviert und als Stellsignal (y) von der Aus wahlstufe (5) wieder das Reglerausgangssignal (y_R) durch gestellt wird, wobei durch Rückführung des jeweiligen Stell signals (y) auf den Regler (1) auch diese Umschaltung stoßfrei erfolgt.

Zwar wird die Impulserzeugerstufe auch im Bereich x < x_s-d₁ aktiviert, wodurch die Regelgrößenistwerte (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 des Istwertes der Regel größe (x) in Richtung des Sollwertes (x_s) erzwingen. Hinzu kommt, daß bereits der Proportionalanteil des Reglers auf Grund des in diesem Bereich steileren Kennlinienverlaufs wirksamer regelt als in der Nähe des Extremwertes (M). Weitere Vor richtungen, 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

1. Verfahren zur Regelung einer Prozeß- bzw. Regelgröße in einem Regelkreis, bei welchem das von einer Meßeinrichtung (3) erzeugte, einem Regler (1) als Rückführgröße zugeführte Meß signalgröße (x′) eine stetige, nichtlineare Funktion der Regelgröße (x) ist, die innerhalb des Regelbereiches (x_a x x_e) einen Extremwert (M) besitzt, der diese in einen monoton steigenden und einen monoton fallenden Abschnitt aufteilt, wobei der eine Abschnitt einen einem Regelgrößensollwert x_s und einem zugeord neten, als Führungsgröße einstellbaren Rückführgrößensollwert w=x′ (x_s) entsprechenden Reglerarbeitspunkt (A′) und der andere Abschnitt einen einem vom Wert x_s verschiedenen Regel größensollwert x₂ aber demselben Rückführgrößenwert w=x′ (x₂) =x′ (x_s) entsprechenden Reglerinstabilitätspunkt (B′) enthält, mit folgenden Merkmalen:
bei einem Istwert der Rückführgröße (x′) innerhalb eines Inter valls I = [x′_u, x′_o], welches den Rückführgrößensollwert (w) enthält, wird das Eingangssignal (y) einer Stelleinrichtung (4) vom Ausgangssignal (y_R) des Reglers (1) gebildet und
bei einem Istwert der Rückführgröße (x′) außerhalb dieses In tervalls I wird das Eingangssignal (y) der Stelleinrichtung (4) von einer weiteren Signalerzeugungseinrichtung (6, 6′) gebildet, deren Signal den Istwert der Regelgröße (x) auch dann in Richtung zum Arbeitspunkt (A′) hin verändert, wenn sich der Istwert auf der dem Arbeitspunkt (A′) abgewandten Seite (x < x₂) des Instabilitätspunktes (B′) befindet.

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

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Intervall I durch einen maximalen Betrag (x′_w1) der Regeldifferenz (x′_w = w-x′) bestimmt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Intervall I den dem Extremwert (M) zugeordneten Rückführgrößenwert 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 ein Stellglied (4), eine Meßeinrichtung (3) mit nichtmonotoner Kennlinie und einen PI(D)-Regler (1) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zusätz lich ein Vergleicher (2), eine von diesem ansteuerbare Ein richtung 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.