DE4333804C2 - Regeleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Eine solche Regeleinrichtung ist aus der DE 39 26 031 C1 bekannt.

In der Regelungstechnik werden wegen ihrer guten Eigenschaf­ ten und einfacher mathematischer Verfahren zur Parameteropti­ mierung häufig lineare Regler verwendet. Trotz der linearen Reglerfunktion erhalten damit versehene Regeleinrichtungen durch verschiedene praxisbedingte Funktionserweiterungen nichtlineares Verhalten. Dies ist z. B. bei Betriebsartenum­ schaltung von Automatikbetrieb auf Hand oder bei Stellglied- sowie bei Stellgeschwindigkeitsbegrenzungen der Fall. Die Re­ geleinrichtung verhält sich dann zumindest vorübergehend an­ ders, als aufgrund der eingestellten Reglerparameter beab­ sichtigt ist. In Regeleinrichtungen werden auch mathematische Modelle der Regelstrecke eingesetzt, mit denen die Regel­ strecke nachgebildet wird. Die Eingangsgröße des Modells ist im allgemeinen die gemessene oder Ist-Stellgröße am Ausgang eines Stellgliedes bzw. eines unterlagerten Regelkreises. Die Ausgangsgröße wird fortlaufend mit der der Regelstrecke ver­ glichen. Auftretende Verzögerungen zwischen der Ist-Stell­ größe und der vom Regler abgegebenen Soll-Stellgröße führen im allgemeinen zu einem unruhigen Regelverhalten und verhin­ dern insbesondere, den Regler mit einer kleinen Zeitkonstante einzustellen. Diese sogenannte scharfe Einstellung ist aber die Voraussetzung zur Verbesserung der Regelgüte, d. h. zur Verringerung der Regelabweichung. Die Verwendung eines Mo­ dells unter Einbeziehung des unterlagerten Regelkreises ist häufig problematisch, da dieser je nach Arbeitspunkt oder Einstellung unterschiedliches Verhalten zeigt. Die Nichtline­ aritäten, wie Totzonen oder Ventilkennlinien können in einem linearen Modell nicht berücksichtigt werden. Außerdem erhöht sich die Ordnung, was die Einstellung des Zustandsreglers er­ schwert.

Bei der aus der oben erwähnten DE 39 26 031 C1 bekannten Regeleinrichtung wird in Abhängigkeit von dem Vergleich des Ausgangssignals des Reglers mit der Ist-Stellgröße eine Adap­ tion der Stellgliedkennlinie vorgenommen.

Bei einer ähnlichen, aus der DE 41 20 796 A1 bekannten Regel­ einrichtung mit Parameteridentifikation wird das Ausgangs­ signal des Reglers einem Simulationsmodell der Übertragungs­ strecke aus Stellglied und Regelstrecke zur Ermittlung ge­ schätzter Ausgangssignale der Übertragungsstrecke zugeführt, wobei durch Variation der Parameter des Simulationsmodells die Parameter der Übertragungsstrecke ermittelt werden, mit denen die Abweichungen zwischen den geschätzten und den tat­ sächlichen Ausgangssignalen der Übertragungsstrecke minimal sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Art so zu verbessern, daß auf einfache Weise ein verbes­ sertes Regelverhalten, vor allem im Falle von Stellglied- oder Stellgeschwindigkeitsbegrenzungen erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in Anspruch 1 an­ gegebenen Maßnahmen gelöst.

In der neuen Regeleinrichtung kommt die vom Regler ausge­ gebene Soll-Stellgröße voll zur Wirkung, so daß ein Weglaufen des Reglers verhindert wird.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher beschrieben und er­ läutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Ausgangssignal eines Stellgliedes als Ist-Stellgröße erfaßt ist,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ist-Stellgröße durch Nachbildung des Stellgliedes ermittelt ist.

In Fig. 1 ist mit SR eine Regelstrecke, z. B. eine Dampf­ temperatur-Regelstrecke eines Kraftwerkes, bezeichnet. Die Regelgröße x wird mit einer Führungsgröße w in einem Sub­ trahierer SB1 verglichen. Die Regelabweichung x_d wird einem Subtrahierer SB2 zugeführt, der sie mit dem Ausgangssignal x_m eines Regelstreckenmodells M vergleicht und eine modifizierte Regelabweichung x_dm bildet. Diese wird einem Regler R zuge­ führt, dessen Ausgangssignal y als Soll-Stellgröße y_soll ei­ nem Stellglied SG zugeführt wird. Ein dem Regler R nachge­ schalteter Addierer AD sei zunächst außer acht gelassen. Das Stellglied SG hat, wie praktisch alle Stellglieder, einen li­ nearen bzw. linearisierten Stellbereich, indem es mit be­ grenzter Geschwindigkeit verstellt werden kann und der eine obere und eine untere Grenze aufweist. In dem linearen Stell­ bereich ist das Ausgangssignal y_mess, im folgenden Ist-Stell­ größe genannt, gleich der Soll-Stellgröße y_soll. Das Stell­ glied SG wirkt auf die Regelstrecke SR. Die Ist-Stellgröße y_mess wird einem Subtrahierer SB3 zugeführt, der sie mit dem Ausgangssignal y des Reglers R, das ist im allgemeinen die Soll-Stellgröße y_soll, vergleicht und die Differenz dem Mo­ dell M zuführt. Befindet sich das Stellglied im linearen Stellbereich, sind die Soll- und die Ist-Stellgröße gleich, das Eingangssignal des Modells M und damit auch dessen Aus­ gangssignal x_m sind Null, so daß die Regeleinrichtung wie ein üblicher Regler arbeitet. Wird jedoch das Stellglied in eine Endlage gebracht, weichen die beiden Stellgrößen voneinander ab, das Ausgangssignal x_m des Modells wird ungleich Null und modifiziert die Regelabweichung x_d. Die modifizierte Regelab­ weichung x_dm täuscht dem Regler R vor, daß sein Ausgangssi­ gnal y als Soll-Stellgröße y_soll voll zur Wirkung kommt. Der Anteil, der infolge der Begrenzung des Stellgliedes nicht über die Regelstrecke SR geht, läuft über das Modell M. Die Soll-Stellgröße y_soll wird sozusagen aufgeteilt. Zum Bilden der modifizierten Regeldifferenz x_dm werden die beiden, um die Streckendynamik verzögerten Teile x_d, x_m wieder aufad­ diert. Im Fall von Stellgliedbegrenzungen erfolgt also der Abgleich der modifizierten Regeldifferenz x_dm über das Modell M. Da die vom Regler ausgegebene Soll-Stellgröße y_soll aus der Sicht des Reglers voll zur Wirkung kommt, wird ein Weg­ laufen des Reglers verhindert. Gleiches gilt, wenn Stellge­ schwindigkeitsbegrenzungen des Stellgliedes wirksam werden.

Die neue Regeleinrichtung ist sehr einfach zu verwirklichen, da in den Regelalgorithmus selbst nicht eingegriffen zu wer­ den braucht. Das Modell M, das z. B. für eine PTn-Strecke aus einer Anzahl von Verzögerungsgliedern erster Ordnung aufge­ baut sein kann, berücksichtigt automatisch, ob eine Stell­ gliedbegrenzung, eine Umschaltung des Stellgliedes auf Hand­ betrieb oder Automatikbetrieb erfolgte oder ob Verzögerungen im unterlagerten Regelkreis auftreten. Der Übergang in den Regelbetrieb erfolgt immer dynamisch richtig.

Im Falle, daß die Regelstrecke einen I-Anteil enthält, be­ steht das Problem, daß nach dem Ende des Wirkens von Begren­ zungen des Stellgliedes SG das Ausgangssignal x_m des Modells nicht auf Null geht. Dieses Problem kann dadurch gelöst wer­ den, daß ein Integrator I das Ausgangssignal des Subtrahie­ rers SB3 zu einem Signal y_sum aufintegriert, das, wenn das Stellglied nicht mehr begrenzt ist, wieder abgearbeitet wird. Hierzu errechnet eine Recheneinheit RE aus dem Integral y_sum eine Stellgrößenkorrektur y_korr, und zwar unter Berücksichti­ gung einer zulässigen Geschwindigkeit der Stellgliedänderung, die nicht größer sein darf als die tatsächlich wirkende Stellgeschwindigkeitsbegrenzung. Ansonsten könnte eine Grenz­ schwingung auftreten. Dieses Korrektursignal y_korr, das pro­ portional zur Wurzel aus dem Produkt des Integrals y_sum und der Stellgeschwindigkeit YGM ist, wird dem Addierer AD zuge­ führt, der ferner das Ausgangssignal des Reglers R erhält und dessen Ausgangssignal das Soll-Stellsignal y_soll ist. Die Ad­ dition des Korrektursignals y_korr zum Ausgangssignal des Reg­ lers hat zur Folge, daß dann, wenn das Stellglied sich von der Grenze lösen würde, das Ausgangssignal x_m und die Regel­ differenz x_d Null werden und das Stellglied an der Grenze bleibt, bis das Integral y_sum abgearbeitet ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Ist-Stellgröße y_mess erfaßbar. Häufig ist jedoch diese Größe nicht direkt meßbar. In diesem Falle kann man sich, wie im Beispiel nach Fig. 2 gezeigt ist, dadurch helfen, daß man die Soll-Stell­ größe y_soll über ein Modell SGM des Stellgliedes schickt, in das die Stellgliedparameter, z. B. die untere Grenze UG, die obere Grenze OG und die Stellgeschwindigkeitsbegrenzung YGM als konstante oder prozeßabhängige Werte eingegeben sind. Dieses Stellgliedmodell kann entweder parallel zum realen Stellglied SG geschaltet sein, so daß sein Ausgangssignal y_begr nur dem Subtrahierer SB3 zugeführt ist, oder es kann auch so geschaltet sein (SGM'), daß sein Ausgangssignal so­ wohl dem Stellglied SG als auch dem Subtrahierer SB3 zuge­ führt wird.

Claims (3)

1. Regeleinrichtung mit einem ersten Subtrahierer (SB1), der durch Vergleich einer Führungsgröße (w) mit einer Regelgröße (x) eine Regeldifferenz (x_d) ermittelt, mit einem Regler (R), der in Abhängigkeit von einem Eingangssignal eine Soll-Stell­ größe (y_soll) bildet, die einem mit einer Ist-Stellgröße (y_mess) auf eine Regelstrecke (SR) einwirkenden Stellglied (SG) zugeführt ist, und mit einem zweiten Summierglied (SB3), das das Ausgangssignal (y) des Reglers (R) mit der Ist-Stell­ größe (y_mess) oder einem dieser entsprechenden Signal (y_begr) vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs­ signal des zweiten Summiergliedes (SB3) einem Modell (M) der Regelstrecke (SR) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal in einem dritten Summierglied (SB2) mit der Regeldifferenz (x_d) verglichen wird, und daß das Ausgangssignal (x_dm) des dritten Summiergliedes (SB2) als Eingangsgröße dem Regler (R) zuge­ führt ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangssignal (y) des Reglers (R) ei­ nerseits direkt und andererseits über eine das Stellglied (SG), insbesondere dessen Begrenzungen (OG, UG, YGM), nach­ bildende Einheit (SGM, SGM') dem zweiten Summierglied (SB3) zugeführt ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ausgangssignal des zweiten Sum­ miergliedes (SB3) einem Integrator (I) zugeführt ist, aus dessen Ausgangssignal (y_sum) ein Korrektursignal (y_korr) er­ rechnet wird, das dem einen Eingang eines Addierers (AD) zu­ geführt wird, dessen anderer Eingang an den Ausgang des Reg­ lers (R) angeschlossen ist und dessen Ausgangssignal als Soll-Stellgröße dem Stellglied (SG) zugeführt ist.