DE4104642C2 - PID- bzw. PI-Regler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen PID- bzw. PI-Regler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiger PID- bzw. PI-Regler ist aus der DE 34 33 410 A1 bekannt.

Einrichtungen mit programmierbarer Steuerung bzw. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind eine relativ neue Entwicklung in der Prozeßregeltechnologie. Als ein Teil einer Prozeßregelung wird eine programmierbare Steuerung dazu verwendet, Eingangssignale von einer Vielfalt von Eingangsmodulen (Eingangssensoren) zu überwachen, die Ereignisse und Zustände wiedergeben, die in einem gesteuerten bzw. geregelten Prozeß auftreten. Beispielsweise kann eine programmierbare Steuerung Eingangszustände überwachen, wie beispielsweise Motordrehzahl, Temperatur, Druck, Volumenströmungen und ähnliches. Ein Steuerprogramm wird in einem Speicher innerhalb der programmierbaren Steuerung gespeichert, um die Steuerung zu instruieren, welche Aktionen beim Auftreten bestimmter Eingangssignale oder Zustände vorgenommen werden sollen. Als Antwort auf diese Eingangssignale, die von Eingangssensoren geliefert werden, entwickelt und generiert die programmierbare Steuerung Ausgangssignale, die zu verschiedenen Ausgangsvorrichtungen übertragen werden, um den Prozeß zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise liefert die programmierbare Steuerung dann Ausgangssignale, um einen Motor zu beschleunigen oder zu verlangsamen, ein Relais zu öffnen oder zu schließen, eine Temperatur zu erhöhen oder zu senken oder einen Druck einzustellen oder viele andere mögliche Steuerfunktionen, die viel zu zahlreich sind, um sie hier aufzulisten.

Rückführungseinrichtungen werden häufig in Verbindung mit oder innerhalb derartiger programmierbarer Steuerungen implementiert. Ein Beispiel von einer derartigen konventionellen Rückführungseinrichtung ist in vereinfachter Blockdiagrammform in Fig. 1 als Rückführungssystem (Regelkreis) 10 gezeigt. In dem System 10 sei angenommen, daß ein Motor 15 mit einer gewählten Drehzahl angetrieben werden soll. Ein Sollwertsignal wird generiert, um dem Motor 15 anzuzeigen, daß er mit der gewünschten (Soll-) Drehzahl umlaufen soll. Bevor jedoch das Sollwertsignal dem Motor 15 zugeführt wird, muß es verarbeitet werden. Das Sollwertsignal wird dem positiven Port einer Summierstelle 20 zugeführt. Der Ausgang der Summierstelle 20 ist mit einem Steuereingang des Motors 15 über einen Proportional-, Integral- und Differentialregler (PID) 25 verbunden, der zwischen die Summierstelle 20 und den Motor 15 geschaltet ist. Die Drehzahl des Motors 15 wird durch einen Fühler 30 abgetastet, der Angaben über die Drehzahl des Motors 15 zurück zum negativen Port der Summierstelle 20 liefert. Wenn irgendeine Differenz zwischen der Istdrehzahl des Motors 15 und der durch das Sollwertsignal gegebenen Drehzahl besteht, wird ein entsprechendes Fehlersignal am Ausgang der Summierstelle 20 generiert. Wenn jedoch die Drehzahl des Motors 15 die durch das Sollwertsignal angegebene Drehzahl erreicht, wird nur ein kleines oder gar kein Fehlersignal am Ausgang der Summierstelle 20 generiert.

In dem als Beispiel gezeigten Regelkreis 10 interpretiert der PID-Regler 25 das Fehlersignal und gibt dem Motor 15 den Befehl, mit einer Drehzahl umzulaufen, die dem Sollwertsignal entspricht. Welches Fehlersignal auch immer, wenn überhaupt, an den PID-Regler 15 angelegt wird, erzeugt dieser ein variables Steuersignal (Regelgröße), das einen Proportionalterm, einen Integralterm und einen Differentialterm enthält. Der Proportionalterm ist proportional zur Größe des Fehlersignals zu irgendeinem Zeitpunkt. Der Integralterm nimmt über der Zeit in der Größe zu, wenn das Fehlersignal positiv ist, und er nimmt über der Zeit in der Größe ab, wenn das Fehlersignal negativ ist. Der Anteil des Steuersignals aufgrund des integralen Terms hält tatsächlich den Motor auf der gewählten Drehzahl, wenn der Fehler auf Null abgesunken ist. Der Differentialterm wird in den Fällen verwendet, wo es wünschenswert ist, einen großen Anfangsstoß zu haben, wie beispielsweise beim Motoranlauf, oder um kleine Fehlersignale zu akzentuieren. Die bestimmte Relation der proportionalen, integralen und differentiellen Terme eines bestimmten PID-Reglers werden üblicherweise in Termen eines bekannten PID-Regelalgorithmus ausgedrückt.

Ein PID-Regler 25, wie er vorstehend beschrieben ist, kann in dem Steuerprogramm implementiert sein, das den Betrieb einer speicherprogrammierbaren Steuerung steuert. In typischen PID-Applikationen, die eine Ausgangsgröße mit begrenzter Nachführungsgeschwindigkeit erfordern, ist eine separate Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung auf die Ausgangsgröße des variablen Steuersignals in der Form einer Begrenzung auf die variable Steuergröße gelegt. Diese Funktion tritt nicht in Wechselwirkung mit dem PID- Regelalgorithmus in irgendeiner anderen Weise, als daß das Steuersignal begrenzt wird, bevor es dem geregelten Prozeß zugeführt wird (Motor 15 in dem Beispiel gemäß Fig. 1).

Motoren und andere geregelte Vorrichtungen in einem Prozeß haben häufig Betriebsgrenzen, die nicht überschritten werden sollten, wegen der Gefahr einer Beschädigung der geregelten Vorrichtung. Beispielsweise wird ein Motor eine ihm zugeordnete Nominaldrehzahlbegrenzung haben. Ein Weg, um sicherzustellen, daß die Nominaldrehzahl des Motors niemals überschritten wird, besteht darin, die Eingangsgröße des Motors so festzuklemmen, daß das geregelte variable Signal, das von dem Motor gesehen wird, niemals so groß wird, daß eine Überdrehzahl des Motors auftritt. Dies soll den Motor vor Überdrehzahlzuständen schützen; es können jedoch andere Probleme durch diese Maximalsignalbegrenzungen hervorgerufen werden.Wenn beispielsweise die gewählte Motordrehzahl, die durch das Sollwertsignal angegeben wird, größer ist als die maximale zulässige Motordrehzahl, wird die Motordrehzahl begrenzt. Der Motor wird die gewählte Drehzahl nicht erreichen, und das Fehlersignal am Ausgang der Summierstelle bleibt vorhanden. Der Integrator innerhalb des PID-Reglers wird weiterhin das Fehlersignal integrieren, bis der PID-Regler in Sättigung geht. In diesem Szenario kann der integrale Term zu einer sehr großen Größe anwachsen und so groß werden, daß, wenn letztendlich ein Sollwertsignal gegeben wird, um die Motordrehzahl zu senken, eine übermäßig lange Zeit erforderlich ist, um den akkumulierten Wert des integralen Terms zu negieren, bevor schließlich ein geeignetes Steuersignal generiert wird, um die Motordrehzahl zu senken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen PID- bzw. PI-Regler der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein zu schnelles Ansteigen des integralen Terms verhindert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch gelöst.

Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Regelkreis, der in Blockdiagrammform dargestellt ist.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm von einer speicherprogrammierbaren Steuerung in Grundform.

Fig. 3 ist ein Funktionsblockdiagramm des PID-Reglers gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm von einem PID-Regler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Blockdiagrammdarstellung von einer typischen programmierbaren Steuerung (speicherprogrammierbare Steuereinrichtung SPS), die in der vorliegenden Erfindung als SPS 35 verwendet wird. Die SPS 35 enthält einen Mikroprozessor 40 zum Ausführen der Rechenvorgänge, die zum Steuern bzw. Regeln eines Prozesses erforderlich sind. Der Mikroprozessor 40 ist mit einem Arbeitsspeicher (RAM) 45 innerhalb der SPS 35 verbunden, der für die temporäre Speicherung des verwendeten Steuerprogramms sorgt, um den Prozeß zu überwachen. Eine Eingangsvorrichtung 50, wie beispielsweise eine Tastatur oder eine andere Programmiereinrichtung, ist mit der SPS 35 verbunden, damit der Benutzer die SPS 35 auf einfache Weise mit einem Steuerprogramm oder einer anderen Information programmieren kann. Eine Anzeige 55 ist mit der SPS 35 verbunden, damit der Benutzer den gesteuerten bzw. geregelten Prozeß überwachen kann.

Die SPS 35 enthält einen Ausgangsbus 60, auf der die SPS 35 ein variables Steuersignal generiert, um eine steuerbare Vorrichtung (Ausgangsvorrichtung) 65 zu steuern, die mit dem Ausgangsbus 60 verbunden ist. Die gesteuerte Vorrichtung 65 kann beispielsweise ein Motor, ein Termostat, eine Volumenströmungssteuerung oder praktisch jede andere Ausgangsvorrichtung sein. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung überwacht eine Eingangsvorrichtung, wie beispielsweise ein Sensor, oder Fühler 70, die Funktion (Performance) der gesteuerten Vorrichtung 65. Der Sensor 70 ist mit einem Eingangsbus 75 der SPS 35 verbunden, um Eingangsinformation zur SPS 35 zurück zu berichten. Der Eingangsbus 75 bildet somit einen Rückführungspfad zur SPS 35 für das durch den Sensor 70 erzeugte Rückführungssignal.

Die Erfindung wird hier in Verbindung mit einem Regler beschrieben, der einen Proportionalabschnitt, einen Differentialabschnitt und einen Integralabschnitt enthält, obwohl allgemein bekannt ist, daß die meisten derartigen Regler nur einen Proportionalabschnitt und einen Integralabschnitt verwenden, da Differentialabschnitte In­ stabilitäten bewirken können. Die dargestellte Einrichtung verwendet einen PID-Regler 80, der auf zweckmäßige Weise in dem Steuerprogramm implementiert ist, das in die SPS 35 eingegeben wird. Das heißt, in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein PID-Regler mit einem Funktionsblock implementiert, der in den Arbeitsspeicher 45 geladen ist. Eine graphische Darstellung, wie dieser PID Funktionsblock (PID-Regler) für den Benutzer erscheint, ist in Fig. 3 gezeigt. Die PID Funktionsblockdarstellung gemäß Fig. 3 enthält die Parameter EN, SP, PV, MAN, UP, DN, PLATZ, OK und CV, die in der nachfolgenden Tabelle 1 definiert sind.

Tabelle 1

Der OK-Ausgang des in Fig. 3 gezeigten Funktionsblockes läßt immer dann einen Energiefluß durch, wenn der Funktionsblock freigegeben (enabbled) ist. Der automatische oder manuelle Moduswähleingang (MAN) ist eine Boolesche Eingangsgröße in den Funktionsblock gemäß Fig. 3, die die Steuervariable CV zwingt, dem Wert in einem Manualregister innerhalb des RAM-Speichers 45 zu folgen. Dieses Manual- Register ist ein Register, das in der Datenstruktur des Funktionsblocks existiert, wobei dieses Register inkrementiert oder dekrementiert wird durch die "UP"- oder "DN"-Eingangssignale in den Funktionsblock, wenn der Funktionsblock im manuellen Modus ist. Die Eingangsgröße UP ist eine Aufwärtseinstellung im manuellen Mode, wogegen die Eingangsgröße DN eine Abwärtseinstellung im manuellen Mode ist. Wenn andererseits der Funktionsblock in einem Auto- Mode ist, folgt das Manual-Register der Reglerausgangsgröße CV.

Immer wenn ein Energiefluß (d. h. ein aktives Eingangssignal) an EN vorhanden ist und kein Energiefluß an MAN vorliegt, sind die vorgenannten PID-Eingangssignale an SP und PV angelegt, wobei sich das Ergebnis in CV befindet. OK wird auf wahr gesetzt, wenn die PID-Funktion erfolgreich abläuft, und es wird auf unwahr gesetzt, wenn die PID- Funktion nicht erfolgreich abläuft. Wenn ein Energiefluß an EN und MAN anliegt, wird die CV-Ausgangsgröße durch die UP- und DN-Eingangsgrößen gesteuert. Der bekante PID- Algorithmus, der durch die Terme 95, 100 und 105 dargestellt ist, läuft so ab, daß das berechnete Ergebnis dem manuell gesteuerten CV-Wert nachfolgt. Die PID-Funktion wird daran gehindert, eine integrale Komponente aufzubauen, wenn der Prozeß manuell gesteuert wird, wie es nachfolgend näher erläutert wird.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das die Arbeitsweise des PID-Reglers 80 gemäß Fig. 3 darstellt. Die Prozeßvariable PV, ein Rückführungsterm von dem gesteuerten Prozeß, wird von dem Sollwert SP an der Summierstelle 85 subtrahiert.

Das resultierende Fehlerausgangssignal (SP minus PV) wird einem Totband oder einer Totzone zugeführt, wie es durch das Kästchen 90 dargestellt ist. Genauer gesagt, sind zwei Totbandregister (nicht gezeigt) innerhalb des RAM 45 vorgesehen, wobei das eine Register als ein Hochbereich- Register und das andere Register als ein Niederbereich- Register bezeichnet werden. Die Hochbereich- und Tiefbereich-Register enthalten entsprechende Grenzen, die den Wert des Fehlerausgangssignals (SP minus PV) beeinflussen. Wenn das Totband gewählt ist, muß das Fehlersignal außerhalb des Bereiches zwischen den gewählten Totbandgrenzen liegen, damit der Fehler die Steuervariable CV beeinflußt. Wenn der Fehler innerhalb der Totbandgrenzen liegt, die in den Hochbereich- und Tiefbereich-Registern gespeichert sind, dann ist der tatsächliche Fehler, der dem PID-Regler zugeführt wird, Null.

Das resultierende Fehlersignal wird dann durch den PID- Regler 80 gemäß der Erfindung verarbeitet. Ohne die nachfolgenden erörterten Unterschiede wird das resultierende Fehlersignal verarbeitet, um einen proportionalen Term 95, einen integralen Term 100 und einen Differentialterm 105 in der gleichen Weise abzuleiten, wie es typischerweise von denen gemacht wird, die PID-Regler entweder in Hardware oder Software implementieren. Die somit erzeugten proportinalen integralen und differentialen Terme werden an einer Summierstelle 110 summiert, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die daraus resultierende Summe wird mit einem Verstärkungsfaktor P bei 115 verstärkt und bei 120 in geeigneter Weise vorgespannt.

Das so entstandene vorgespannte Signal wird das PID-Regler- Ausgangssignal PID_AUS genannt, das die Steuervariable CV wird, nachdem es durch einen zwischengeschalteten Nachfolgebegrenzungsterm 125, eine Klammer- bzw. Klemmschaltung 130 und eine Polaritätseinstellung 135 verarbeitet worden ist, wie es in Fig. 4 gezeigt und nachfolgend näher erläutert wird. Die Klemmschaltung 130 sorgt für eine absolute Sicherheit, daß die Steuervariable CV niemals einen vorbestimmten Wert überschreiten kann. Dies ist nützlich, um zu verhindern, daß ein unerwünschter Zustand auftritt, wie beispielsweise Überdrehzahl, überhöhte Temperatur oder irgendein anderer Zustand, der in dem geregelten Prozeß nicht akzeptabel ist. Der Polaritätsterm 135 stellt die Polarität der Steuervariablen CV ein oder invertiert ihre Polarität, wie es von dem geregelten Prozeß erfordert wird.

Der Nachführungsbegrenzungsterm 125 detektiert, wann das zugeführte Ausgangssignal PID_AUS des PID-Reglers eine gewählte Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung erreicht. Eine Information bezüglich dieses Auftretens wird zu dem integralen Term auf der Anti-Reset-Hochziehleitung 140 rückgeführt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn das Ausgangssignal PID_AUS den maximalen Wert überschreitet, der durch die gewählte Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung des Nachführungsgeschwindigkeits-Begrenzungsterms 125 gestattet wird, dann wird der integrale Term 105 auf einen Wert gezwungen, damit der proportionale Term 100 plus dem Differentialterm 95 plus dem Vorspannungsterm 120 gleich der bezüglich der Nachführungsgeschwindigkeit begrenzten Ausgangsgröße bei 125 ist. Auf diese Weise kann der integrale Term nicht weiterhin einen Fehler integrieren und akkumulieren. Die Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung, die dem Nachführungsbegrenzungsterm 125 zugeordnet ist, ist so gewählt, daß sie gleich oder kleiner ist als der Klemmwert, der der Klammer- bzw. Klemmschaltung 130 zugeordnet ist. Wenn, mit anderen Worten, die Erfindung dazu verwendet wird, den integralen Term in dieser Weise zu begrenzen, kann der integrale Term nicht durchgehen während der gesteuerte bzw. geregelte Prozeß in einer Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung ist. Dies gestattet, daß die Regelung viel schneller in einen linearen Betrieb des Regelkreises zurückkehrt als wenn keine Anti-Reset- Hochziehaktion vorhanden wäre, wie sie durch die Erfindung ausgebildet wird.

Wenn bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung der PID-Regler versuchen würde, daß Ausgangssignal CV auf einen Wert nachzuführen, der größer ist als die durch den Benutzer gewählte Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung ist, wird das Ausgangssignal PID_AUS auf den maximalen Nachführungsgeschwindigkeits-Begrenzungswert begrenzt. Wenn eine tatsächliche Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung ausgeübt wird, stellt der PID-Regler den integralen Term 105, der beim Berechnen und Erzeugen der Steuervariablen CV verwendet wird, so ein, daß das Signal CV auf den begrenzten Nachführungsgeschwindigkeitswert gezwungen wird. Diese Technik wird als Anti-Reset-Hochziehen bezeichnet und ist vorwiegend anwendbar für PID-Funktionen in dem vorgenannten manuellen Steuermodus (nicht Regelung) oder wenn ein absoluter Klemmwert erreicht ist.

Mit anderen Worten wird das Anti-Reset-Hochziehen immer dann auf den integralen Term 105 ausgeübt, wenn eine Grenze des Signals PID_AUS erreicht worden ist oder wenn der Funktionsblock in seinem manuellen Modus ist. Dieser Vorgang verhindert, daß der Term 105 in Sättigung geht. Der integrale Term 105 wird auf einen Wert eingestellt, der das Ausgangssignal PID_AUS und somit das Signal CV auf seinem Klemmwert hält.

Während vorstehend eine Einrichtung beschrieben wurde, um das Durchgehen des integralen Terms eines PID-Reglers zu verhindern, so wurde damit auch ein Verfahren offenbart, um das Durchgehen eines derartigen integralen Terms zu verhindern. Genauer gesagt, wird ein Verfahren geschaffen, um das Durchgehen eines integralen Terms eines PID-Reglers zu verhindern, der in einer Regeleinrichtung verwendet werden kann. Die Regeleinrichtung ist in einem steuerbaren bzw. regelbaren Prozeß verwendbar und enthält eine Summierstelle zum Subtrahieren einer Prozeßvariablen, die in dem steuerbaren bzw. regelbaren Prozeß abgetastet wird, von einem Sollwert bzw. einer Führungsgröße, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das dem Regler zugeführt wird. Der Regler erzeugt aus dem Fehlersignal ein variables Steuersignal bzw. eine Regelgröße. Das Verfahren enthält die Schritte, daß auf das variable Ausgangssignal eine Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung auferlegt wird und detektiert bzw. abgetastet wird, wann der Regler versucht, das variable Ausgangssignal zu veranlassen, die Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung zu überschreiten. Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der dem Regler zugeordnete integrale Term auf einen Wert eingestellt, der das variable Ausgangssignal auf die Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung zwingt.

Vorstehend wurden also eine Einrichtung und ein Verfahren beschrieben, um das unerwünschte Durchgehen des integralen Terms eines PID-Reglers in einem Rückführungssystem (Regelkreis) innerhalb eines geregelten Prozesses zu verhindern. Zwar wurde die Erfindung anhand einer generalisierten PID-Regelung beschrieben, sie kann aber auch in Verbindung mit einem PI-Regler benutzt werden und sie kann bei jedem System eingesetzt werden, bei dem die gesteuerte Vorrichtung einem begrenzten Wert, sei er mechanisch oder elektrisch, ausgesetzt ist. Beispielsweise kann der Motor 15 eine mechanisch begrenzte maximale Drehzahl anstatt einer Geschwindigkeitsbegrenzung haben.

Claims (1)

1. PID- bzw. PI-Regler, der eine Summierstelle enthält zum Subtrahieren des Istwertes von dem Sollwert, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das dem Regler zugeführt wird, der einen proportionalen und einen integralen Term enthält und ein Reglerausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen Vorspannungsterm enthält und daß das Reglerausgangssignal einer Nachführungsgeschwindigkeitsbegrenzung unterzogen wird, in der bei Überschreitung eines Nachführungsgeschwindigkeitsgrenzwertes der integrale Term derart eingestellt wird, daß der proportionale Term plus der integrale Term plus der Vorspannungsterm gleich dem Nachführungsgeschwindigkeitsgrenzwert ist.