DE4237810A1 - Operating microprocessor closed loop control regulator - adding main control action output to feedforward action determined by examination of characteristic to determine correction - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben ei­ ner Regeleinrichtung mit einem Regler, der aus der Abweichung zwi­ schen Soll- und Ist-Wert eine Stellgröße generiert, und einem Mi­ kroprozessor oder einem Zugriff auf einen Mikroprozessor sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Herkömmliche Regelprozesse beruhen auf dem Prinzip, die Stellgröße zur Angleichung des Ist-Wertes an den Soll-Wert allein aus der je­ weils aktuellen Regelabweichung zu ermitteln. Das ist insbesondere dann problematisch, wenn häufige und sehr große Soll-Wert-Sprünge auftreten, da der Regelbereich entsprechend ausgedehnt sein muß. Dies führt zu einer langsamen Regelung, wobei in vielen Fällen auch noch ein erhebliches Unter- beziehungsweise Überschwingen in Kauf genommen werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren an­ zugeben, das eine schnellere Überwindung der Regelabweichung bei geändertem Soll-Wert gestattet, wobei gleichzeitig eine Verringe­ rung des Unter- beziehungsweise Überschwingens anzustreben ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mikropro­ zessor aus dem Soll-Wert und einer Streckenkennlinie eine erste Stellgröße y₁ vorberechnet und der Regler der ersten Stellgröße y₁ eine zweite Stellgröße Δy als Korrekturwert überlagert, wobei die Streckenkennlinie den Zusammenhang zwischen Stellgröße und Re­ gelgröße charakterisiert.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Stellgröße sich in Abhängigkeit vom Soll-Wert aus systeminternen Parametern vorbe­ rechnen läßt, so daß der Regler quasi nur noch für den Feinab­ gleich erforderlich ist. Der Arbeitspunkt des Reglers verschiebt sich entsprechend der berechneten Stellgröße auf der Streckenkenn­ linie. Infolgedessen kann der Regelbereich des Reglers erheblich reduziert werden. Es ist nur noch eine geringe Abweichung von der theoretisch aus der Streckenkennlinie ermittelten Stellgröße aus­ zutarieren.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Strecken­ kennlinie aus den zu den jeweiligen Ist-Werten gehörenden Stell­ größen den regelsystemeigenen Gegebenheiten und zeitlichen Verän­ derungen angeglichen. Auf diese Weise ist die Regelgenauigkeit un­ abhängig von der Streckencharakteristik, das heißt unabhängig von Exemplarstreuungen, Alterungserscheinungen und so weiter. Das Re­ gelverfahren ist somit nicht nur voreinstellend, sondern auch selbstadaptiv.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kommt bevor­ zugt ein PI-Regler mit hoch verstärktem P-Anteil zum Einsatz. Ein solcher Regler besitzt nur einen geringen Regelbereich; dafür ist die Regelgeschwindigkeit wie auch die Regelgenauigkeit außeror­ dentlich hoch. Der I-Anteil des Reglers spielt nur eine unterge­ ordnete Rolle. Der Integrator weist einen relativ geringen Maxi­ malwert auf. Bei einer bestimmten Abweichung vom Soll-Wert wird der Integrator gelöscht, und der I-Anteil entfällt. Je nach Anwen­ dung ist es auch möglich, einen reinen P-Regler zu verwenden. Ein D-Anteil für den Regler ist denkbar, bringt aber, bedingt durch die steile P-Regelung, kaum Vorteile.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung außerdem mit Abschaltmitteln ver­ sehen, die bei Über-/Unterschreiten des Regelbereiches des Reglers die vorberechnete Stellgröße y₁ unterdrücken und die maxi­ male/minimale Stellgröße ausgeben. Da der P-Anteil des Reglers be­ ziehungsweise der P-Regler eine sehr hohe Verstärkung aufweist und deshalb nur innerhalb eines schmalen Bereiches um den Soll-Wert regeln kann, ist ein kurzzeitiges Überschreiten des Regelbereiches nicht auszuschließen.

Zur Berücksichtigung der systemspezifischen und zeitlich veränder­ lichen Streckenkennlinie ist weiterhin ein Kennlinienangleicher vorgesehen, der einen Speicher zur Aufnahme der aktuellen, während eines stabilen Betriebszustandes ermittelten Wertepaare, Ist- Wert/Stellgröße aufweist. Ein stabiler Betriebszustand ist er­ reicht, wenn der Ist-Wert über einen Mindestzeitraum konstant ist. Der Kennlinienangleicher wartet auf einen solchen stabilen Be­ triebszustand und legt dann die Stellgröße und den Ist-Wert in den Speicher ab. Aus mindestens zwei derartigen Wertepaaren kann der Mikroprozessor problemlos eine angenäherte Kennlinie berechnen. Liegt bereits eine größere Anzahl von Wertepaaren vor, läßt sich bei entsprechender Programmierung des Mikroprozessors auch eine Krümmung beziehungsweise Nichtlinearität der Kennlinie erfassen.

Das vorbeschriebene Regelkonzept läßt sich insbesondere bei der Drehzahlregelung eines Motors vorteilhaft anwenden. Eine spezielle Anwendung stellt in diesem Zusammenhang die Drehzahlregelung eines Gas-Luft-Verbund-Lüfters eines gebläseunterstützten Gas-Wasserhei­ zers dar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet beziehungsweise werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der beanspruchten Regelung und

Fig. 2 eine grafische Veranschaulichung des Regelkonzeptes mit einem P-Regler.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Regelein­ richtung sind neben den herkömmlicherweise vorhandenen Baugruppen zusätzliche Softwarekomponenten 1 eines Mikroprozessors erforder­ lich.

Ausgangsgrößen für die Regelung sind - wie üblich - ein Ist-Wert x und ein Soll-Wert w, welche einem Vergleicher 2 zugeführt werden. Der Vergleicher 2 bildet die Differenz x_w=x-w, die der Re­ gelabweichung entspricht. Dieser Differenzwert wird einem Regler 3 zugeführt, welcher daraus eine Stellgröße ermittelt, die hier mit Δy bezeichnet werden soll. Im Gegensatz zu bekannten Regelvor­ gängen ist dieses Δy nicht die gesamte Stellgröße, sondern nur eine Korrekturgröße, die einer mittels des Mikroprozessors vorberechneten Stellgröße y₁ überlagert wird. Dazu ist im Mikro­ prozessor die Streckenkennlinie 4 gespeichert. Diese wird dem ak­ tuellen Soll-Wert w zugefügt und - wie Fig. 2 zeigt -, bei w, das heißt w₁ beziehungsweise w₂, der jeweiligen Stellgröße y₁₁ bezie­ hungsweise y₁₂ zugeordnet. Für diese Zuordnung sind Mikroprozes­ sorkomponenten 5 vorgesehen. Ausgegeben wird die Stellgröße y₁, die der optimalen Stellgröße y schon sehr nahekommt. Die Gesamt­ stellgröße y ist die Summe der vorberechneten Stellgröße y₁ und der Korrekturstellgröße Δy. Die beiden Summanden werden einem Addierglied 6 zugeführt, an dessen Ausgang die Gesamtstellgröße y die Regelstrecke 7 in üblicher Weise beaufschlagt.

Die Stellgröße y, beispielsweise eine Spannung, und der die Regel- Strecke 7 charakterisierende Ist-Wert x, beispielsweise eine Lüf­ terdrehzahl eines gebläseunterstützten Gas-Wasserheizers, werden außerdem auf einen Kennlinienangleicher 8 des Mikroprozessors ge­ geben. Der Kennlinienangleicher 8 berechnet während stationärer Betriebszustände aus den Wertepaaren y/x die Streckenkennlinie y = f (x) und gibt diese an die entsprechende Mikrorechnerkomponente 5 weiter.

Eine solche Streckenkennlinie in Verbindung mit der Arbeitsweise des Reglers 3 zeigt Fig. 2. Es ist ersichtlich, daß die Regelcha­ rakteristik 9 eines reinen P-Reglers der Streckenkennlinie 10 der­ art überlagert ist, daß der Arbeitspunkt 11 beziehungsweise 12 des Reglers auf der Streckenkennlinie 10 entsprechend der vorbe­ rechneten Stellgröße y₁₁ beziehungsweise y₁₂ wandert. Der Regelbe­ reich 13 des P-Reglers liegt damit immer symmetrisch zum Soll-Wert w₁ beziehungsweise w₂. Aufgrund dieser Verfahrensweise läßt sich ein Regler mit sehr hoher Verstärkung des P-Anteils einsetzen. Folglich ergibt sich eine sehr geringe maximale Regelabweichung, die bei dem im Ausführungsbeispiel veranschaulichten reinen P-Reg­ ler mit dem Regelbereich 13 übereinstimmt.

Es ist auch möglich, dem 2-Punkt-Verhalten des P-Reglers einen in­ tegrativen Anteil, also einen I-Anteil, hinzuzufügen. Da die Re­ gelstrecke 7 bei dieser Applikation jedoch nicht aktiv gebremst werden kann, lädt sich der Integrator bei Herabfahren des Soll- Wertes w₂ → w₁ zwangsläufig stark auf. Daher ist für einen integrativen Anteil eine enge Begrenzung des Integrations- Maximalwertes erforderlich. Ein Unterschreiten des Soll-Wertes w₁ durch große negative Integrationswerte läßt sich dadurch verhin­ dern.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Ge­ brauch machen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung mit einem Regler, der aus der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert eine Stellgröße generiert, und einem Mikroprozessor oder einem Zugriff auf einen Mikroprozessor, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor aus dem Soll-Wert w und einer Streckenkennlinie eine erste Stellgröße y₁ vorbe­ rechnet und der Regler (3) der ersten Stellgröße y₁ eine zweite Stellgröße Δy als Korrekturwert überlagert, wobei die Streckenkennlinie den Zu­ sammenhang zwischen Stellgröße y und Regelgröße x charakterisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Streckenkennlinie y=f (x) mittels der zu den jeweiligen Ist-Werten x gehörenden Stellgrößen y den regelsystemeigenen Gegebenhei­ ten und zeitlichen Veränderungen angeglichen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein PI-Regler mit hoch ver­ stärktem P-Anteil vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß Abschaltmittel vorgesehen sind, die bei Über-/Unterschreiten des Regelbereiches (13) des Reglers (3) die vorberechnete Stellgröße y₁ un­ terdrücken und die maximale/minimale Stellgröße ausgeben.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Kennlinienangleicher (8) vorgesehen ist, der einen Speicher zur Aufnahme der aktuellen, während eines stabilen Betriebszu­ standes ermittelten Wertepaare Ist- Wert/Stellgröße (x/y) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Drehzahlregelung eines Motors.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Drehzahlregelung eines Gas- Luft-Verbund-Lüfters eines gebläseunterstützten Gas-Wasserheizers.