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

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

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DE4237810A1
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Abstract

The input (w) and output (x) are compared (2) and the difference is received by a controller (3) generating a correction (By). To this is added a component (y1) that is provided by a feedforward unit (4) based upon a microprocessor. The feedforward amount is dependent upon the function determined by a characteristic processor (8) that receives bolt the final control action term (y) and the system output (x). ADVANTAGE - System control action avoids under and overshoot.

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.The present invention relates to a method for operating egg ner control device with a controller, the difference between between the setpoint and actual value, and a Mi microprocessor or access to a microprocessor as well a device for performing the method.

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.Conventional control processes are based on the principle, the manipulated variable to adjust the actual value to the target value solely from the because current control deviation to determine. That is special then problematic if there are frequent and very large jumps in the target value occur because the control range must be extended accordingly. This leads to a slow regulation, in many cases also a significant undershoot or overshoot in Purchase must be made.

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. The invention has for its object a control method admit that a faster overcoming of the control deviation changed setpoint allowed, while reducing undershoot or overshoot should be sought.  

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.According to the invention the object is achieved in that the microprocessor precalculates a first manipulated variable y 1 from the target value and a characteristic curve and the controller overlaps the first manipulated variable y 1 with a second manipulated variable Δy as a correction value, the characteristic curve representing the relationship between the manipulated variable and Re characterized gel size.

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.The invention is based on the knowledge that the manipulated variable depending on the target value from internal system parameters can be calculated, so that the controller quasi only for fine tuning is required immediately. The operating point of the controller shifts according to the calculated manipulated variable on the route line. As a result, the control range of the controller can be significant be reduced. There is only a slight deviation from that theoretically determined manipulated variable from the characteristic curve taring.

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.According to an advantageous development, the routes characteristic curve from the positions belonging to the respective actual values sizes in the control system's own circumstances and temporal changes adjusted. In this way, the control accuracy is un depending on the route characteristics, i.e. independent of Variations in specimens, signs of aging and so on. The Re Gel process is therefore not only presetting, but also self-adaptive.

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.In an apparatus for performing the method comes before uses a PI controller with a highly amplified P component. A such controller has only a small control range; for that is  the control speed as well as the control accuracy are extraordinary really high. The I component of the controller only plays a subordinate ordered role. The integrator has a relatively low maxi painting value. If there is a certain deviation from the target value the integrator is deleted and the I component is omitted. Depending on the application It is also possible to use a pure P controller. A D component for the controller is conceivable, but due to the steep P control, hardly any advantages.

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.Preferably, the device is also provided with switch-off means that suppress the pre-calculated manipulated variable y 1 when the control range of the controller is exceeded / undershot and output the maximum / minimum manipulated variable. Since the P component of the controller or the P controller has a very high gain and can therefore only regulate within a narrow range around the target value, a brief exceedance of the control range cannot be ruled out.

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.To take into account the system-specific and temporally changing line characteristic is still a characteristic curve adjuster provided a memory to record the current while of a stable operating state determined value pairs, actual Value / manipulated variable. It is a stable operating state is sufficient if the actual value is constant over a minimum period. The characteristic curve adjuster is waiting for such a stable loading drive state and then sets the manipulated variable and the actual value in the Memory. From at least two such pairs of values, the Microprocessor can easily calculate an approximate characteristic. If there is already a large number of pairs of values,  with appropriate programming of the microprocessor also one Detect the curvature or non-linearity of the characteristic.

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.The above-described control concept can be used in particular with the Use the speed control of a motor to advantage. A special one Application in this context is the speed control of a Gas-air composite fan of a fan-assisted gas water heater zer.

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.Advantageous developments of the invention are in the Unteran sayings marked or are together below men with the description of the preferred embodiment of the invention represented in more detail with the aid of the figures.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild der beanspruchten Regelung und Fig. 1 is a block diagram of the claimed control and

Fig. 2 eine grafische Veranschaulichung des Regelkonzeptes mit einem P-Regler. Fig. 2 is a graphical illustration of the control concept with a P controller.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Regelein­ richtung sind neben den herkömmlicherweise vorhandenen Baugruppen zusätzliche Softwarekomponenten 1 eines Mikroprozessors erforder­ lich.For the method according to the invention for operating a control device, additional software components 1 of a microprocessor are required in addition to the conventionally present assemblies.

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 xw=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.Output variables for the control are - as usual - an actual value x and a target value w, which are fed to a comparator 2 . The comparator 2 forms the difference x w = xw, which corresponds to the control deviation. This difference value is fed to a controller 3 , which uses it to determine a manipulated variable which is to be referred to here as Δy. In contrast to known control processes, this Δy is not the total manipulated variable, but rather only a correction variable which is superimposed on a manipulated variable y 1 pre-calculated by the microprocessor. For this purpose, the characteristic curve 4 is stored in the microprocessor. This is added to the current target value w and - as shown in FIG. 2 - at w, that is to say w 1 or w 2 , is assigned to the respective manipulated variable y 11 or y 12 . Microprocessor components 5 are provided for this assignment. The manipulated variable y 1 is output, which is very close to the optimal manipulated variable y. The total manipulated variable y is the sum of the pre-calculated manipulated variable y 1 and the correcting manipulated variable Δy. The two summands are fed to an adder 6 , at the output of which the total manipulated variable y acts on the controlled system 7 in the usual way.

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.The manipulated variable y, for example a voltage, and the actual value x characterizing the controlled system 7 , for example a fan speed of a fan-assisted gas water heater, are also given to a characteristic curve adjuster 8 of the microprocessor. The characteristic curve adjuster 8 calculates the characteristic curve y = f (x) from the value pairs y / x during stationary operating states and passes this on to the corresponding microcomputer component 5 .

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.Such a characteristic curve in connection with the mode of operation of the controller 3 is shown in FIG. 2. It can be seen that the control characteristic 9 of a pure P controller of the characteristic curve 10 is superimposed on the fact that the working point 11 or 12 of the controller on the characteristic curve 10th moves according to the calculated manipulated variable y 11 or y 12 . The Regelbe range 13 of the P-controller is therefore always symmetrical to the target value w 1 or w 2 . Due to this procedure, a controller with a very high amplification of the P component can be used. As a result, there is a very low maximum control deviation, which corresponds to the control range 13 in the pure P controller illustrated in the exemplary embodiment.

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.It is also possible to add an integral component, i.e. an I component, to the 2-point behavior of the P controller. However, since the control path 7 cannot be actively braked in this application, the integrator inevitably charges itself strongly when the setpoint value w 2 → w 1 is reduced. Therefore a narrow limitation of the maximum integration value is required for an integrative part. In this way, falling below the target value w 1 by large negative integration values can be prevented.

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.The invention is not limited in its implementation to that preferred embodiment specified above. Rather is a number of variants conceivable, which of the shown Solution also for fundamentally different types of Ge make use of.

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.1. A method of operating a control device with a controller that generates a manipulated variable from the deviation between the target and actual value, and a microprocessor or access to a microprocessor, characterized in that the microprocessor from the target value w and one Process characteristic curve calculates a first manipulated variable y 1 and the controller ( 3 ) overlaps the first manipulated variable y 1 with a second manipulated variable Δy as a correction value, the characteristic curve characterizing the relationship between manipulated variable y and controlled variable x. 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. 2. The method according to claim 1, characterized in net that the path characteristic y = f (x) by means of the one belonging to the respective actual values x Actuating variables y the conditions in the control system and changes over time becomes.   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.3. Device for performing the method according to one of the preceding claims, thereby ge indicates that a PI controller with high ver stronger P component is provided. 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.4. The device according to claim 3, characterized in that switch-off means are provided which suppress the pre-calculated manipulated variable y 1 and exceed the maximum / minimum manipulated variable when the control range ( 13 ) of the controller ( 3 ) is exceeded. 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.5. Device according to one of the preceding claims, in particular according to claim 2, characterized in that a characteristic curve adjuster ( 8 ) is provided which has a memory for recording the current value pairs ascertained during a stable operating state, actual value / manipulated variable (x / y). 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Drehzahlregelung eines Motors.6. Device according to one of the preceding claims che, characterized by the application at the Speed control of an engine. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Drehzahlregelung eines Gas- Luft-Verbund-Lüfters eines gebläseunterstützten Gas-Wasserheizers.7. The device according to claim 6, characterized by the application in the speed control of a gas Air-composite fan of a fan-assisted Gas water heater.
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