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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf Prozesssteuerungssysteme
und spezifischer auf ein Prozesssteuerungssystem, das Proportional-Integral-Differenzial-Regler
(„PID"-Regler) enthält, ausgerichtet.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Viele
Prozessanlagen (beispielsweise eine Produktionsanlage, eine Mineral-
oder Rohölraffinerie
usw.) werden mittels Systemen mit verteilter Steuerung verwaltet.
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Typische
aktuelle Steuerungssysteme enthalten zahlreiche Module, die auf
die Überwachung und/oder
Steuerung verschiedener Prozesse der Anlage zugeschnitten sind.
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Herkömmliche
Mittel verknüpfen
diese Module miteinander, um die Verteilungseigenschaft des Steuerungssystems
zu ergeben. Dadurch wird eine erhöhte Leistung und die Fähigkeit
zum Ausbauen oder Verkleinern des Steuerungssystems zur Anpassung
an sich ändernde
Anforderungen von der Anlage ermöglicht.
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Gewerbliche
Steuerungssysteme setzen oftmals Rückführregler zum Steuern des Betriebs
einer oder mehrerer Bedieneinheiten des Systems, wie beispielsweise
einem Heizaggregat, einer Pumpe, einem Motor, einem Ventil oder
einem ähnlichen
Ausrüstungsgegenstand,
ein. Bei einem Rückführregler wird
ein Befehl an den Rückführregler
gesendet, der einen erwünschten
Wert bzw. Sollwert („SW") für eine Prozessvariable
(beispielsweise einen erwünschten Druck,
eine erwünschte
Temperatur, eine erwünschte Durchflussmenge)
darstellt. Es wird außerdem
ein Rückführsignal
an den Rückführregler
gesendet, das den tatsächlichen
Wert der Prozessvariable („PV") (beispielsweise
den tatsächlichen
Druck, die tatsächliche
Temperatur, die tatsächliche Durchflussmenge) anzeigt.
Unter Anwendung des Befehls des Sollwerts („SW") und des Rückführsignals, das den tatsächlichen
Wert der Prozessvariable anzeigt, wird ein Fehlersignal berechnet.
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Aus
dem Fehlersignal berechnet der Rückführregler
einen Änderungsbefehl
zum Ändern
der aktuellen Einstellung der Betriebseinheit. Wenn es sich bei
der Betriebseinheit beispielsweise um einen Motor handelt, würde der Änderungsbefehl
die Änderung
(entweder Erhöhen
oder Reduzieren) der Geschwindigkeit des Motors verursachen, um
zu bewirken, dass der tatsächliche
Wert der Prozessvariablen näher
an den erwünschten
Sollwert für
die Prozessvariable herankommt.
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Bei
einem einfachen Rückführregler
ist der Änderungsbefehl
proportional zum Fehlersignal. Bei komplexeren Rückführreglern kann es sich bei
dem Änderungsbefehl
um eine komplexere Funktion des Fehlersignals handeln. Die Beziehung
zwischen dem Fehlersignal und dem Änderungsbefehl wirkt sich erheblich
auf die Eigenschaften des Steuerungssystems aus. Diese Eigenschaften
beinhalten (a) die „Ansprechzeit" des Systems (d.
h. wie schnell die Betriebseinheit auf den neuen Änderungsbefehl
reagiert); (b) die „Überreichweite" des Systems (d.
h. wie weit die Betriebseinheit ihre neue Einstellung anfänglich überschreitet);
und (c) das Dämpfungsverhältnis des
Systems (d. h. wie lange die Ausgabewerte der Betriebseinheit oszillieren,
bevor sie sich letztendlich auf der neuen Einstellung stabilisieren).
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Gewerbliche
Steuerungssysteme setzen oftmals eine als Proportional-Integral-Differenzial-Regler
(„PID"-Regler) bekannte
Rückführreglerart
ein. PID-Regler können
eine Vielfalt funktioneller Beziehungen zwischen einem Fehlersignal
und einem Änderungsbefehlsignal
in einem Rückführsteuerungssystem
berechnen.
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Ein
PID-Regler kann zum Berechnen einer funktionellen Beziehung zwischen
einem Fehlersignal und einem Änderungsbefehlsignal
verwendet werden, wodurch die Zeit reduziert wird, die das Steuerungssystem
braucht, um nach einem Änderungsbefehlsignal
einen stabilen Zustand zu erlangen. PID-Regler können in drei Modi arbeiten.
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Bei
den Modi handelt es sich um den Proportionalmodus, den Integralmodus
und den Differenzialmodus. PID-Regler erzeugen eine Proportional-Integral-Differenzial-Funktion,
bei der es sich um die Summe aus (a) dem Fehlersignal multipliziert
mit einem Proportionalverstärkungsfaktor
(„P-Verstärkungsfaktor") und (b) dem Integral
des Fehlersignals multipliziert mit einem Integralverstärkungsfaktor („I-Verstärkungsfaktor") und (c) dem Differenzialquotient
des Fehlersignals multipliziert mit einem differenzialen Verstärkungsfaktor
(„D-Verstärkungsfaktor") handelt. Es muss
eine geeignete Auswahl der drei Verstärkungsfaktoren („P", „I" und „D") vorgenommen werden,
um eine Übertragungsfunktion
zu berechnen, die in einer erwünschten
Systemreaktion resultiert. Das Auswählen der drei Verstärkungsfaktoren
wird manchmal als „Abstimmen" des PID-Reglers bezeichnet.
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Bei
einem PID-Regler wird der Integralmodus fortgesetzt, um den Fehler
zu integrieren, solange der Fehler nicht Null ist. Dies kann bewirken,
dass die Ausgabe des PID-Reglers weit über die akzeptablen Ausgabegrenzwerte
des PID-Reglers ansteigt. Wenn dies geschieht, wird vom PID-Regler
gesagt, dass er „aufgewickelt" ist oder sich in
einem „aufgewickelten" Zustand befindet.
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Ein „aufgewickelter" PID-Regler kann
den Wert der Prozessvariable nicht mehr beeinflussen, da sich die
Ausgabe des PID-Reglers außerhalb
des Betriebsbereichs der Betriebseinheit befindet. Ein Ventil kann
beispielsweise voll geöffnet
sein, der „aufgewickelte" PID-Regler verlangt
jedoch, dass das Ventil zu fünfhundert
Prozent (500 %) geöffnet
ist. Als zusätzliches Beispiel
kann ein Motor bei seiner Maximalgeschwindigkeit von fünfhundert
Umdrehungen pro Minute (500 U/min) arbeiten, der „aufgewickelte" PID-Regler verlangt
jedoch, dass der Motor bei dreitausend Umdrehungen pro Minute (3000
U/min) läuft.
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Wenn
sich der Wert des Fehlers ändert, muss
der PID-Regler sich „abwickeln" (d. h. Aufhören, ein überhöhtes Ausgangssignal
zu verursachen), bevor die Ausgabe des PID-Reglers in den korrekten
Betriebsbereich zurückkehrt.
Der Vorgang des „Abwickelns" kann in „Überreichweiten" des Werts der Prozessvariable
oder in erheblichen Oszillationen des Werts der Prozessvariable
resultieren.
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Zur
Verhinderung, dass ein PID-Prozessor in den „aufgewickelten" Zustand eintritt,
ist es möglich, den
Beitrag des Integralwerts zu begrenzen, wenn bestimmt wird, dass
der Beitrag des Integralwerts verursachen würde, dass das Ausgangssignal
in die Richtung erhöht
wird, die eine Verletzung der Ausgabegrenzwerte verursachen wird.
Das Implementieren von Integralwertgrenzwerten in einem PID-Regler
ist relativ einfach, da der obere und der untere Ausgabegrenzwert
bekannt sind, und der PID-Regler kann bestimmen, ob die Summe des
Beitrags des Proportionalwerts (der „P-Beitrag") und des Beitrags des differenzialen
Werts (der „D-Beitrag") die Ausgabegrenzwerte
verletzt. Wenn die Summe des P-Beitrags und des D-Beitrags die Ausgabegrenzwerte
nicht verletzt, kann ein Teil des Beitrags des Integralwerts (oder
der gesamte Beitrag des Integralwerts) (der „I-Beitrag") in das Ausgangssignal bis zum Pegel
des Ausgabegrenzwerts einbezogen werden. Wie nun erläutert wird,
reicht dieses Verfahren in Fällen,
die zwei gekoppelte PID-Regler einschließen, nicht aus.
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Zwei
PID-Regler können
zum Betrieb in einer Kaskadenstruktur gekoppelt werden. In einer
derartigen Anordnung sendet der primäre PID-Regler ein Ausgangssignal an
einen Eingang des sekundären PID-Reglers.
Der primäre
PID-Regler empfängt
außerdem
ein Rückführsignal
von dem sekundären PID-Regler.
Der primäre
PID-Regler führt
eine PID-Berechnung durch, um das Ausgangssignal zu bestimmen, das
er an den sekundären
PID-Regler übermittelt.
Der sekundäre
PID-Regler kann bestimmen, dass das Ausgangssignal des primären PID-Reglers
einen Ausgabegrenzwert für
Ausgangssignale, die der sekundäre
PID-Regler übermitteln wird, überschritten
hat.
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Das
oben beschriebene Verfahren des Begrenzens des Beitrags des Integralwerts
im Fall eines einzigen PID-Reglers
reicht im Fall von zwei gekoppelten PID-Reglern nicht aus, da (1)
die Ausgabegrenzwerte im sekundären
PID-Regler dem primären PID-Regler
nicht zur Verfügung
stehen und (2) der sekundäre
PID-Regler zwei verschiedene Arten von Ausgabegrenzwerten aufweisen
kann. Genau gesagt kann der sekundäre PID-Regler entweder Sollwertgrenzwerte
oder Ausgabegrenzwerte (oder beide Grenzwertarten) aufweisen. Es
ist möglich,
Sollwertgrenzwerte vom sekundären
PID-Regler als konstante Werte zum primären PID-Regler zu übermitteln.
Es ist jedoch nicht möglich,
die Ausgabegrenzwerte des sekundären
PID-Reglers als
konstante Werte zu übermitteln.
Im Allgemeinen kann der PID-Berechnungsalgorithmus des primären PID-Reglers,
wenn Integralwertberechnungen beteiligt sind, die Ausgabegrenzwerte
des sekundären
PID-Reglers nicht ohne komplette Kenntnis der Vorgeschichte der
Eingabewerte bestimmen.
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Ein
Verfahren des Stands der Technik begrenzt den Beitrag des Integralwerts
in einem primären
PID-Regler (der an einen sekundären
PID-Regler gekoppelt ist), indem es den Beitrag des Integralwerts
als Reaktion auf vom sekundären
PID-Regler mittels Grenzwertflags empfangenen Daten einbezieht oder
ausschließt,
siehe beispielsweise die europäische
Patentanmeldung 0 406 836. Dieses Verfahren des Stands der Technik
bewirkt, dass der sekundäre
PID-Regler ein Integral-Hoher-Grenz wert-Flag setzt, wenn der sekundäre PID-Regler
bestimmt hat, dass sein oberer Ausgabegrenzwert überschritten wurde. Der sekundäre PID-Regler
sendet dann dem primären
PID-Regler auf einer Rückführsignalleitung Daten,
die angeben, dass das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag gesetzt wurde.
Der sekundäre
PID-Regler wird das Signal nicht bei dem Pegel, den er vom primären PID-Regler
empfangen hat, übermitteln.
Stattdessen übermittelt
der sekundäre
PID-Regler sein Ausgangssignal bei seinem normalen hohen Ausgabegrenzwert.
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Der
primäre
PID-Regler kann bestimmen, dass das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag
vom sekundären
PID-Regler gesetzt wurde. Da das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag gesetzt
wurde, wird der primäre PID-Regler
den Beitrag des Integralwerts nicht in die nächste PID-Berechnung einbeziehen.
Dies kann durch Subtrahierung oder Multiplizierung des Integralwerts
mit einem Skalenfaktor von Null („0") vorgenommen werden.
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Somit
wird es sich bei der nächsten
PID-Berechnung um eine ohne jeglichen Beitrag des Integralwerts
handeln.
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Das
durch diese PID-Berechnung erzeugte Signal befindet sich für gewöhnlich im
Ausgabebereich, der für
den sekundären
PID-Regler akzeptabel ist. Der sekundäre PID-Regler übermittelt
dann dieses Ausgangssignal.
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Da
dieses aktuellste Signal den Ausgabegrenzwert des sekundären PID-Reglers
nicht überschreitet,
kann der sekundäre
PID-Regler das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag auf Null zurücksetzen. Der
sekundäre
PID-Regler sendet dann auf einer Rückführsignalleitung Daten an den
primären PID-Regler,
die angeben, dass das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag
auf Null zurückgesetzt
wurde. Da das Integral-Hoher-Grenzwert-Flag auf Null zurückgesetzt
wurde, wird der primäre
PID-Regler den Beitrag des Integralwerts in die nächste PID-Berechnung
einbeziehen. Dies resultiert für
gewöhnlich
darin, dass die nächste
PID-Berechnung bewirkt, dass das nächste Ausgangssignal noch einmal
den oberen Ausgabegrenzwert der Ausgabe des sekundären PID-Reglers überschreitet.
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Die
oben beschriebenen Schritte werden in einem Zyklus wiederholt, bis
die PID-Berechnungen des primären
PID-Reglers ein
Signal erzeugen, dass in die akzeptablen Ausgangssignalgrenzwerte
des sekundären
PID-Reglers fällt.
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Dabei
handelt es sich um eine unerwünschte Funktion,
da sie eine Systemreaktion bewirken kann, die zwischen Niveaus,
die zu hoch sind, und Niveaus, die zu niedrig sind, hin- und herschwankt.
Dies kann beispielsweise bewirken, dass eine Betriebseinheit wie
ein Ventil sich wiederholt sehr schnell öffnet und schließt. Es könnte außerdem bewirken,
dass sich eine Betriebseinheit wie ein Motor wiederholt sehr schnell
ausschaltet und einschaltet. Die durch dieses Verfahren des Begrenzens
des Beitrags des Integralwerts verursachten ungleichmäßigen Ausgangssignale
bewirken eine Beeinträchtigung
der Leistung des Steuerungssystems.
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Daher
besteht ein Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren zum Begrenzen
des Beitrags des Integralwerts in einer PID-Berechnung in PID-Reglern,
die in einer Kaskadenkonfiguration gekoppelt sind.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Systeme
und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags des Integralwerts zu einer PID-Berechnung
in einem primären
PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundärer PID-Regler gekoppelt ist,
bereitzustellen, um die bei Anwendung von Verfahren des Stands der
Technik erzeugten unerwünschten
ungleichmäßigen Ausgangssignale
zu vermeiden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung macht es
möglich,
unnötige
Abnutzung auf den Betriebseinheiten, die andernfalls auf ungleichmäßige Ausgangssignale
antworten müssten,
zu vermeiden.
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Die
vorliegende Erfindung setzt (1) einen vorherigen Wert eines Ausgangssignals
des primären
PID-Reglers oder (2) ein Rückführsignal
von dem sekundären
PID-Regler ein,
um zu bestimmen, ob der Beitrag des Integralwerts in der nächsten PID-Berechnung
zu begrenzen ist.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können in
einer beliebigen Art von Prozesssteuerungssystemen verwendet werden,
die einen primären
PID-Regler zum Steuern
einer ersten Prozessvariablen, der an einen sekundären Regler (bei
dem es sich um einen PID-Regler handeln kann oder nicht) zum Steuern
einer zweiten Prozessvariablen gekoppelt ist, umfasst. In einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der sekundäre Regler ein PID-Regler. Bei
dem sekundären
Regler kann es sich jedoch um eine analoge Ausgabeeinheit oder eine
beliebige Reglerart handeln, die Sollwertgrenzwerte oder Ausgabegrenzwerte (oder
beides) aufweist und wie ein PID-Regler Grenzwertflags setzen und
Rückführsignale
senden kann. In der folgenden Beschreibung wird der sekundäre Regler
als ein sekundärer
PID-Regler bezeichnet. Es ist jedoch dabei zu berücksichtigen,
dass es sich bei dem sekundären
Regler auch um einen Nicht-PID-Regler handeln kann.
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Wenn
ein primärer
PID-Regler in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler gekoppelt ist,
sendet der primäre
PID-Regler ein Ausgangssignal an den sekundären PID-Regler und der sekundäre PID-Regler
sendet ein Rückführsignal
an den primären
PID-Regler. Der sekundäre
PID-Regler kann bestimmen, dass das Ausgangssignal des primären PID-Reglers
einen Sollwertsignal-Grenzwert überschritten
hat. Bei dem Sollwertsignal-Grenzwert kann es sich um einen oberen
Sollwertsignal-Grenzwert oder einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert
handeln. Es ist auch möglich,
dass der sekundäre PID-Regler
gleichzeitig sowohl einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert als auch
einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert verwenden wird.
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Der
primäre
PID-Regler führt
eine PID-Berechnung durch, um das Ausgangssignal zu bestimmen, dass
der primäre
PID-Regler an den sekundären
PID-Regler sendet. Bei der PID-Berechnung handelt es sich um die
Summe eines Proportionalanteils und eines Integralanteils und eines
differenzialen Anteils.
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Wenn
der sekundäre
PID-Regler bestimmt, dass ein vorheriges Ausgangssignal des primären PID-Reglers
einen Sollwertsignal-Grenzwert überschritten
hat, wird es notwendig, dass der primäre PID-Regler Anpassungen am
nächsten
Ausgangssignal, dass der primäre
PID-Regler an den sekundären
PID-Regler sendet, vornimmt. Dies erfordert, dass der primäre PID-Regler
Anpassungen an der nächsten
PID-Berechnung vornimmt. Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte
Systeme und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags des Integralanteils zu
einer derartigen PID-Berechnung bereit.
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Die
vorliegende Erfindung begrenzt den Beitrag des Integralanteils in
einer PID-Berechnung durch Multiplizieren des Integralanteils mit
Null als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die aktuelle Summe eines
Proportionalanteils und eines differenzialen Anteils der PID-Berechnung einen
vorherigen Wert eines Ausgangssignals des PID-Reglers überschreitet.
In Äquivalenz
zum Multiplizieren des Integralanteils mit Null kann der gesamte
Integralanteil einfach von der PID-Berechnung ausgeschlossen werden.
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Die
vorliegende Erfindung begrenzt außerdem den Beitrag des Integralanteils
in einer PID-Berechnung durch Multiplizieren des Integralanteils
mit einem Skalenfaktor, bei dem es sich nicht um Null handelt und
der einen Wert zwischen Null und Eins aufweist, als Reaktion auf
eine Bestimmung, dass die Einbeziehung des Integralanteils in die
aktuelle PID-Berechnung andernfalls verursachen würde, dass
der aktuelle Wert des Ausgangssignals des PID-Reglers den vorherigen
Wert des Ausgangssignals des PID-Reglers überschreitet. In Äquivalenz zum
Multiplizieren des Integralanteils mit einem Skalenfaktor, bei dem
es sich nicht um Null handelt, kann der Teil des Integralanteils,
der den Mehrwert des Ausgangssignals beiträgt, einfach von der PID-Berechnung
ausgeschlossen werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme
und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen oberen Ausgangssignal-Grenzwert
aufweist, bereitzustellen.
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Es
ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme
und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen unteren Ausgangssignal-Grenzwert aufweist,
bereitzustellen.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren
zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung
in einem Steuergerät, das
sowohl einen oberen Ausgangssignal-Grenzwert als auch einen unteren
Ausgangssignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme
und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert
aufweist, bereitzustellen.
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Es
ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme
und Verfahren zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem Steuergerät, das einen unteren Sollwertsignal-Grenzwert aufweist,
bereitzustellen.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren
zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung
in einem Steuergerät, das
sowohl einen oberen Sollwertsignal-Grenzwert als auch einen unteren
Sollwertsignal-Grenzwert aufweist, bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte
Systeme und Verfahren zum Vermeiden unerwünschter ungleichmäßiger Ausgangssignale,
die in PID-Reglern
des Stands der Technik vorliegen, bereitzustellen.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Systeme und Verfahren
zum Begrenzen des Beitrags eines Integralanteils in einer PID-Berechnung
in einem Steuergerät, das
sowohl Ausgangssignal-Grenzwerte
als auch Sollwertsignal-Grenzwerte aufweist, bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte
Systeme und Verfahren zum Vermeiden unnötiger Abnutzung in Betriebseinheiten,
die auf die ungleichmäßigen Ausgangssignale,
die in PID-Reglern
des Stands der Technik vorliegen, bereitzustellen.
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Die
obigen zugrunde liegenden Probleme werden gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 9
gelöst.
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Das
Zuvorgesagte hat die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden
Erfindung eher allgemein umrissen, so dass Fachmänner die folgende ausführliche
Beschreibung der Erfindung besser verstehen können. Weitere Merkmale und
Vorteile der Erfindung, die den Gegenstand der Ansprüche der
Erfindung bilden, werden hierin im Folgenden beschrieben. Fachmänner sollten
erkennen, dass sie das Konzept und die offenbarte spezifische Ausführungsform
problemlos als Grundlage beim Modifizieren oder Entwerfen anderer
Strukturen zum Ausführen
derselben Zwecke der vorliegenden Erfindung verwenden können. Fachmänner sollten
sich auch dessen bewusst sein, dass derartige gleichwertige Konstruktionen
nicht den Sinn und Schutzumfang der Erfindung in dessen weitester
Form verlassen.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zwecks
eines kompletteren Verständnisses der
vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun auf die folgenden
Beschreibungen Bezug genommen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
betrachtet werden, in denen gleiche Ziffern gleiche Gegenstände bezeichnen.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Prozessanlage, in der ein Steuerungssystem
gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
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2 ein
generisches Steuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen, die
Proportional-Integral-Differenzial-Regler („PID"-Regler) gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen, verwendet;
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3 ein
Blockschaltbild einer PID-Reglerart, das die Verbindungsleitung
eines Sollwertbegrenzers, einer PID-Berechnungsalgorithmuseinheit und
eines Ausgabebegrenzers zeigt;
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4 ein
spezifisches Steuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen, die
PID-Regler gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen, verwendet;
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5 ein
Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler,
der einen hohen Sollwertgrenzwert aufweist, gekoppelt ist, darstellt;
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6 ein
Ablaufdiagramm, das eine alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in einer PID-Berechnung
in einem primären
PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler, der einen niedrigen
Sollwertgrenzwert aufweist, gekoppelt ist, darstellt;
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7 ein
Ablaufdiagramm, das einen ersten Teil einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade
mit einem sekundären PID-Regler,
der sowohl Sollwertgrenzwerte als auch Ausgabegrenzwerte aufweisen
kann und in dem es sich bei einem Grenzwert entweder um einen hohen Grenzwert
oder einen niedrigen Grenzwert handeln kann oder in dem gleichzeitig
sowohl ein hoher als auch ein niedriger Grenzwert angewendet werden, gekoppelt
ist, darstellt; und
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8 ein
Ablaufdiagramm, das einen zweiten Teil einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade
mit einem sekundären PID-Regler,
der sowohl Sollwertgrenzwerte als auch Ausgabegrenzwerte aufweisen
kann und in dem es sich bei einem Grenzwert entweder um einen hohen Grenzwert
oder einen niedrigen Grenzwert handeln kann oder in dem gleichzeitig
sowohl ein hoher als auch ein niedriger Grenzwert angewendet werden, gekoppelt
ist, darstellt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
im Folgenden erörterten 1 bis 8 und
die verschiedenen zum Beschreiben der Prinzipien der vorliegenden
Erfindung in dieser Patentschrift verwendeten Ausführungsformen
dienen lediglich der Veranschaulichung und sollten auf keinerlei
Weise als den Schutzumfang der Erfindung einschränkend interpretiert werden.
Fachmänner
werden verstehen, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
in einer beliebigen angemessen eingerichteten Prozessanlage umgesetzt
werden können.
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1 stellt
ein Blockschaltbild einer Prozessanlage 100, in der ein
Steuerungssystem gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, dar.
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Die
beispielhafte Prozessanlage 100 verarbeitet Rohstoffe und
beinhaltet einen Leitstand 105 und sechs zugehörige Prozesse,
Elemente 110a – 110f,
die in drei Stufen angeordnet sind. Der Begriff „beinhalten", so wie er hierin
verwendet wird, bedeutet Einbeziehung ohne Einschränkungen.
Der beispielhafte Leitstand 105 kann einen zentralen Bereich
umfassen, der üblicherweise
zur Überwachung und
Steuerung der drei beispielhaften Prozessstufen von einem Bediener
(nicht gezeigt) bemannt ist. Eine erste Prozessstufe beinhaltet
drei Rohstoffmühlen 110a – 110c,
die eine Rohstoffzufuhr entgegennehmen und diese zu kleineren Rohstoffteilchen
zermahlen, wie beispielsweise durch Verwendung eines Pulverisiergeräts oder
eines Mahlrads. Die zweite Prozessstufe beinhaltet eine Waschanlage 110d,
die die zermahlenen Rohstoffe entgegennimmt und diese reinigt, um
die Rückstände von
der ersten Stufe zu entfernen. Die dritte Prozessstufe beinhaltet
ein Paar von Separatoren 110e und 110f, die die
zermahlenen, gewaschenen Rohstoffe entgegennehmen und diese in erwünschte Mineralien
und etwaige restliche Rohstoffe trennen. Da diese Prozessanlage
lediglich zum Zwecke der Veran schaulichung bereitgestellt wird und
die Prinzipien einer derartigen Anlage wohl bekannt sind, geht eine
weitere Erörterung
dieser über
den Schutzrahmen dieser Patentschrift hinaus und ist nicht notwendig.
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Das
beispielhafte Steuerungssystem beinhaltet einen Überwachungsregler 120 und
sechs Prozessknoten bzw. Prozessregler 125a – 125f,
die jeweils in Software implementiert und durch ein geeignetes herkömmliches
Datenverarbeitungssystem (autonomes System oder Netzwerk), wie beispielsweise
ein beliebiges der Systeme AM K2LCN, AM K4LCN, AM HMPU oder A × M von
Honeywell, Inc., oder dergleichen, ausführbar sind. Fachmänner werden
verstehen, dass derartige Regler in Hardware, Software oder Firmware
oder einer geeigneten Kombination dieser implementiert sein können. Die
Verwendung von Datenverarbeitungssystemen in Steuerungssystemen
für Prozessanlagen
ist im Allgemeinen wohl bekannt.
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Der Überwachungsregler 120 ist
jedem Prozessregler 125 direkt oder indirekt zugewiesen,
um den Austausch von Daten zu ermöglichen. Der Ausdruck „diesen
zugewiesen" und
Ableitungen davon, wie sie hierin verwendet werden, können diese
beinhalten, mit diesen zusammenschalten, enthalten, in diesen enthalten
sein, an diese anschließen
oder mit diesen verbinden, an diese koppeln, mit diesen kommunizieren
können,
mit diesen zusammenwirken, verschachteln, Teil dieser sein, an diese
gebunden sein, aufweisen, eine Eigenschaft dieser haben oder dergleichen
bedeuten. Der Überwachungsregler 120 überwacht
die Kennwerte (beispielsweise Status, Temperatur, Druck, Durchflussmenge,
Strom, Spannung, Energie, Nutzung, Effizienz, Kosten und andere
wirtschaftliche Faktoren usw.) von zugewiesenen Prozessen 110 entweder
direkt oder indirekt durch die den Prozessen 110 zugewiesenen
Prozessregler 125. Je nach der spezifischen Ausführung kann
es sich bei einer derartigen Überwachung
um einen Einzelprozess, eine Prozessgruppe oder die gesamte Anlage
handeln.
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Der Überwachungsregler 120 kommuniziert mit
den zugewiesenen Prozessen 110 mittels der Prozessregler 125 und
erzeugt Überwachungsdaten, um
die Prozessanlage 100 zu optimieren. Der Ausdruck „Überwachungsdaten", wie er hierin verwendet wird,
ist als ein beliebiger nummerischer, qualitativer oder anderer Wert
definiert, der vom Überwachungsregler 120 zum
Steuern (beispielsweise Leiten, Verwalten, Modifizieren, Empfehlen,
Regeln, Vorschlagen, Überwachen,
Zusammenwirken usw.) beispielsweise eines bestimmten Prozesses,
einer Prozessgruppe, der gesamten Anlage, einer Prozessstufe, einer
Stufengruppe, einer Folge von Prozessen oder Stufen oder dergleichen
erzeugt wird, um die Anlage in ihrer Gesamtheit zu optimieren. In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Überwachungsdaten
dynamisch erzeugt und basieren zumindest auf der Effizienz, des
Ausstoßes
oder den wirtschaftlichen Kosten einer gegebenen Anlage und besonders bevorzugt
auf allen drei Faktoren.
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Die
Prozessregler 125 überwachen
die zugewiesenen Prozesse 110 und arbeiten mit variierenden
Graden entsprechend der Überwachungsdaten, um
die zugewiesenen Prozesse zu steuern und insbesondere einen oder
mehrere Prozesse zu modifizieren und die überwachten Kennwerte und die
Anlage in ihrer Gesamtheit zu verbessern. Bei der Beziehung zwischen
dem Überwachungsregler 120 und verschiedenen
der Prozessregler 125 kann es sich um Master-Slave (komplette
Einhaltung), kooperativ (variierende Einhaltung, wie beispielsweise
durch Verwendung der Überwachungsdaten
als einen Faktor beim Steuern der zugewiesenen Prozesse) oder vollständige Mißachtung
(Nichteinhaltung) handeln. Je nach der spezifischen Ausführung und
den Anforderungen einer gegebenen Anlage kann die Beziehung zwischen
dem Überwachungsregler 120 und
einem spezifischen Prozessregler 125 statisch (d. h. stets
nur Einhaltung, kooperativ oder Nichteinhaltung), dynamisch (d.
h. mit der Zeit variierend, wie beispielsweise innerhalb eines Bereichs
zwischen Einhaltung und Nichteinhaltung oder eines etwas kleineren
Bereichs dazwischen) oder zwischen statischen Perioden und dynamischen
Perioden umschaltend sein.
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1 stellt
die Prozessregler 125a–f bildlich als
einfache logische Blocks, die lediglich zu Veranschaulichungszwecken
an die Prozesse 110a–f gekoppelt
sind, dar. Tatsächlich
können
die Prozessregler 125a–f in
der Prozessanlage 100 als beliebige einer großen Auswahl
von Einrichtungen implementiert sein. In den einfachsten Ausführungsformen
kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um eine
Mikrocontrollerschaltung handeln, die auf einer Leiterplatte gefertigt
und in einen der Prozesse 110 (d. h. Teil eines Separators,
einer Waschanlage oder einer Mühle),
der gesteuert wird, integriert wurde. In anderen Ausführungsformen
kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um
einen autonomen Computer wie einen Personalcomputer („PC") handeln, der sich
von dem gesteuerten Prozess 110 abgesetzt befindet und
an diesen durch eine Busarchitektur gekoppelt ist.
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In
komplexeren Ausführungsformen
kann es sich bei einem beispielhaften Prozessregler 125 um einen
Netzwerkknoten handeln, der durch eine Netzwerkarchitektur an einen
oder mehrere Prozess(e) 120 gekoppelt ist. Der Überwachungsregler 120 kann dann
das Netzwerk, das den beispielhaften Prozessregler 125 und
dessen zugewiesenen Prozesse 110 beinhaltet, als eine einzige
funktionelle Gruppe behandeln. Schließlich kann es sich bei einem
beispielhaften Prozessregler 125 um eine Gruppe von Prozessreglern
und deren zugewiesenen Prozesse 110, die miteinander vernetzt
sind, handeln. Die vernetzte Gruppe kann dann vom Überwachungsregler 120 als eine
einzige funktionelle Gruppe behandelt werden.
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Die
Prozessregler 125a–f erstellen
Prozessdaten, die vom Überwachungsregler 120 für eine Vielfalt
von Zwe cken, einschließlich
dem Erzeugen der Überwachungsdaten
und Verteilen der Prozessdaten an eine oder mehrere Client-Anwendungen, verwendet
werden. Prozessdaten können
auch vom Prozessregler 125, der sie erstellt hat, zum Steuern des
zugewiesenen Prozesses 110 verwendet werden. Ein Prozessregler 125 kann
beispielsweise physikalische Parameterdaten von einem Prozess 110, wie
beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge und dergleichen,
lesen und einige oder alle dieser Prozessdaten und vielleicht einige Überwachungsdaten
zum Steuern des Prozesses 110 verwenden. Dies trifft insbesondere
in einem mittels Rückführung gesteuerten
Prozess zu.
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Prozessdaten
können
direkt zwischen den Prozessreglern 125a–f in einer Peer-zu-Peer-Beziehung
wie in einem LAN-Netzwerk übermittelt
werden. Der Prozessregler 4, der die Waschanlage (Element 110d)
steuert, kann beispielsweise Prozessdaten von den Prozessreglern 1 – 3,
die die Mühlen 1 – 3 steuern,
anfordern, um die Frequenz zu bestimmen, mit der gemahlener Rohstoff
von den Mühlen 1 – 3 ausgegeben
wird. Die Waschanlage kann dadurch die Frequenz, mit der sie das
gemahlene Material wäscht,
anpassen. Die Waschanlage kann beispielsweise die Energiemenge,
die sie zum Waschen des gemahlenen Rohstoffs anwendet, reduzieren,
wenn die Menge an gemahlenem Rohstoff, die zur Waschanlage gesendet
wird, relativ gering ist. Sie kann sogar vorübergehend den Betrieb herunterfahren,
um „innezuhalten
und zu warten",
bis sich eine geeignete Menge an gemahlenem Rohstoff angesammelt
hat, bevor sie mit dem Waschen fortfährt.
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In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der Überwachungsregler 120 ein LAN,
eine Gruppe verbundener LANs oder eine WAN-Architektur umfassen.
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Eine
oder mehrere Client-Anwendungen werden auf Knoten der LAN/WAN-Architektur
ausgeführt.
Bei den Knoten kann es sich beispielsweise um Personalcomputer („PCs") handeln. Die Client-Anwendungen
können
allesamt erfordern, dass dieselben Prozessdaten und Überwachungsdaten
bei der gleichen Aktualisierungsfrequenz von den Prozessreglern übertragen
werden. Ein wahrscheinlicheres Szenario ist jedoch, dass die Client-Anwendungen unterschiedliche,
sich möglicherweise überschneidende
Teilmengen der Prozessdaten und Überwachungsdaten
erfordern und dass die Prozessdaten und Überwachungsdaten bei unterschiedlichen
Aktualisierungsfrequenzen an unterschiedliche Client-Anwendungen übertragen
werden.
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Gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung können
einer oder mehrere der Prozessregler 125a–f als kaskadierte Regelschleifen,
die PID-Regler beinhalten, implementiert werden. 2 stellt
ein generisches Prozesssteuerungssystem, das kaskadierte Regelschleifen,
die zwei PID-Regler zur Verwendung im Prozessregler 125 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhalten, verwendet, dar. Die Prozessregler 125 umfassen eine
primäre
Schleife 210, eine sekundäre Schleife 220 und
ein Ventil 230.
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Die
primäre
Schleife 210 umfasst einen primären PID-Regler („PID1") 212 und einen Sender 211 („T1"). Bei dem Sender 211 handelt
es sich um ein Messgerät,
das den tatsächlichen
Wert einer ersten Prozessvariablen („PV1") messen und ein diesen Wert bezeichnendes
Signal an den primären PID-Regler 212 senden
kann. Der primäre
PID-Regler 212 empfängt
außerdem
einen Wert des ersten Sollwerts („SP1"), der den erwünschten Arbeitspunkt bezeichnet.
Der primäre
PID-Regler 212 kann des Weiteren auf einer Rückführsignalleitung 240 von
einem sekundären
PID-Regler 222 ein Rückführsignal empfangen.
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Der
primäre
PID-Regler 212 erstellt eine Ausgabe, die einen Wert des
zweiten Sollwerts („SP2") umfasst, der von
der sekundären
Schleife 220 und dem sekundären PID-Regler 222 verwendet wird.
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Die
sekundäre
Schleife 220 umfasst den sekundären PID-Regler 222 („PID2") und einen Sender 221 („T2") und eine analoge
Ausgabeeinheit 225 („AO"). Bei dem Sender 221 handelt
es sich um ein Messgerät,
das den tatsächlichen
Wert einer zweiten Prozessvariablen („PV2") messen und ein diesen Wert bezeichnendes
Signal an den sekundären PID-Regler 222 senden
kann. Der sekundäre PID-Regler 222 empfängt den
zweiten Wert des Sollwerts SP2 von der Ausgabe des primären PID-Reglers 212.
Der sekundäre
PID-Regler 222 kann außerdem
auf einer Rückführsignalleitung 250 von
der analogen Ausgabeeinheit 225 ein Rückführsignal empfangen. Der sekundäre PID-Regler 222 ist
mittels einer Ausgangssignalleitung 260 an die analoge Ausgabeeinheit 225 gekoppelt.
Schließlich
ist die analoge Ausgabeeinheit 225 mittels einer Signalleitung 270 an
das Ventil 230 gekoppelt. Der oben beschriebene Prozessregler 125 zeigt
allgemein, wie der primäre
PID-Regler 212 und der sekundäre PID-Regler 222 verbunden
sein können.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild des sekundären
PID-Reglers 222,
das die Verbindungsleitung eines Sollwertbegrenzers 310,
einer PID-Berechnungsalgorithmuseinheit 320, eines Ausgabebegrenzers 330 und
einer Rückführungseinheit 340 zeigt.
Der sekundäre
PID-Regler 222 empfängt
im Sollwertbegrenzer 310 ein Signal des zweiten Sollwerts
SP2 vom primären
PID-Regler 212. Wenn sich der Wert des Signals des zweiten
Sollwerts SP2 innerhalb des Bereichs von Sollwertgrenzwerten, die der
Sollwertbegrenzer 310 akzeptieren wird, befindet, wird
der Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 an den PID-Berechnungsalgorithmus 320 und außerdem mittels
der Rückführungseinheit 340 und der
Rückführsignalleitung 240 an
den primären PID-Regler 212 gesendet.
Wenn der Sollwertbegrenzer 310 bestimmt, dass der Wert
des Signals des zweiten Sollwerts SP2 einen Sollwertgrenzwert (entweder
einen „hohen" Sollwertgrenzwert
oder einen „niedrigen" Sollwertgrenzwert) überschreitet,
setzt der Sollwertbegrenzer 310 den Wert des Signals des zweiten
Sollwerts SP2 mit dem Wert des Sollwertgrenzwerts, der überschritten
wurde, gleich. Der geänderte
(d. h. mit dem Sollwertgrenzwert, der überschritten wurde, gleichgesetzte)
Wert des Signals des zweiten Sollwerts SP2 wird zum PID-Berechnungsalgorithmus 320 weitergegeben
und außerdem mittels
der Rückführungseinheit 340 und
der Rückführsignalleitung 240 an
den primären
PID-Regler 212 gesendet.
Darüber
hinaus setzt der Sollwertbegrenzer 310 das entsprechende
Grenzwertflag (entweder ein „hohes" Sollwertgrenzwertflag
oder ein „niedriges" Sollwertgrenzwertflag)
und sendet die Grenzwertflagwerte mittels der Rückführungseinheit 340 und
der Rückführsignalleitung 240 an
den primären
PID-Regler 212.
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Die
PID-Berechnungsalgorithmuseinheit 320 empfängt vom
Sender 221 ein Signal der zweiten Prozessvariablen PV2.
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Der
PID-Berechnungsalgorithmus 320 berechnet unter Anwendung
des Signals des zweiten Sollwerts SP2 und des Signals der zweiten
Prozessvariablen PV2 ein Ausgangssignal. Der Ausgabebegrenzer 330 empfängt das
Ausgangssignal von der PID-Berechnungsalgorithmuseinheit 320.
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Wenn
sich der Wert des empfangenen Ausgangssignals innerhalb des Bereichs
von Ausgangssignalen, die der Ausgabebegrenzer 330 akzeptieren wird,
befindet, wird der Wert des Ausgangssignals mittels der Signalleitung 260 an
die analoge Ausgabeeinheit 225 gesendet. Der Wert des Ausgangssignals
wird außerdem
mittels der Rückführungseinheit 340 und
der Rückführsignalleitung 240 an
den primären
PID-Regler 212 gesendet.
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Wenn
der Ausgabebegrenzer 330 bestimmt, dass der Wert des Ausgangssignals
einen Ausgabegrenzwert (entweder einen „hohen" Ausgabegrenzwert oder einen „niedrigen" Ausgabegrenzwert) überschreitet,
setzt der Ausgabebegrenzer 330 den Wert des Ausgangssignals
mit dem Wert des Ausgabegrenzwerts, der überschritten wurde, gleich.
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Der
geänderte
(d. h. mit dem Ausgabegrenzwert, der überschritten wurde, gleichgesetzte)
Wert des Ausgangssignals wird mittels der Signalleitung 260 an
die analoge Ausgabeeinheit 225 gesendet. Der modifizierte
Wert des Ausgangssignals wird außerdem an die Rückführungseinheit 340 gesendet. Die
Rückführungseinheit 340 sendet
den geänderten Wert
des Ausgangssignals nicht an den primären PID-Regler 212.
Stattdessen setzt der Ausgabebegrenzer 330 entsprechende
Sollwertgrenzwertflags und sendet die Sollwertgrenzwertflagwerte
mittels der Rückführungseinheit 340 und
der Rückführsignalleitung 240 an
den primären
PID-Regler 212. Es wird ein „hohes" Sollwertgrenzwertflag gesetzt, wenn das
Ausgangssignal einen „hohen" Ausgabegrenzwert überschritten
hat. Es wird ein „niedriges" Sollwertgrenzwertflag
gesetzt, wenn das Ausgangssignal einen „niedrigen" Ausgabegrenzwert überschritten hat.
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Die
in 3 gezeigte Ausführungsform des sekundären PID-Reglers 222 weist
sowohl einen Sollwertbegrenzer 310 als auch einen Ausgabebegrenzer 330 auf.
Es gibt einige PID-Regler, die einen Sollwertbegrenzer, jedoch keinen
Ausgabebegrenzer aufweisen. Umgekehrt gibt es einige PID-Regler,
die einen Ausgabebegrenzer, jedoch keinen Sollwertbegrenzer aufweisen.
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4 stellt
den Prozessregler 125 dar, der ein spezifisches Steuerungssystem,
das kaskadierte Regelschleifen, die zwei PID-Regler gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhalten, verwendet, umfasst. Das beispielhafte
Rückführsteuerungssystem
reguliert die Temperatur eines Produkts (beispielsweise einer Flüssigkeit),
die in einem Gefäß 401 enthalten
ist, und die Brennstoffdurchflussmenge zu einem Heizaggregat, das
das Produkt erhitzt.
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Die
Temperatur PV1 des Produkts im Gefäß 401 wird kon tinuierlich
von einem Thermometer 402 gemessen und von einem Sender 411 aufgezeichnet. Die
Produkttemperatur wird erhöht
oder gesenkt, indem die an ein Heizaggregat, das das Gefäß 401 erhitzt,
gelieferte Brennstoffmenge erhöht
oder verringert wird. Die Brennstoffdurchflussmenge wird durch den
Betrieb eines Ventils 430 reguliert. Genauer gesagt bestimmt
der Grad der Öffnung
des Ventils 430, wie schnell der Brennstoff in das Heizaggregat
fließt. Das
Ventil 430 kann vollständig
geschlossen oder vollständig
geöffnet
oder teilweise bei einer beliebigen einer Reihe von unterschiedlichen Öffnungsgrößen geöffnet werden.
Ein Durchflussmesser 431 misst kontinuierlich die tatsächliche
Durchflussmenge PV2 des an das Heizaggregat mitels des Ventils 430 gelieferten
Brennstoffs. Die gemessene Brennstoffdurchflussmenge wird kontinuierlich
von einem Sender 421 aufgezeichnet.
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Der
Sender 411 sendet die Produkttemperatur, PV1, kontinuierlich
an einen primären
PID-Regler 412. Der primäre PID-Regler 412 empfängt außerdem einen
Wert des primären
Sollwerts SP1, der die erwünschte
Produkttemperatur darstellt. Der primäre PID-Regler 412 empfängt des
Weiteren auf einer Rückführsignalleitung 440 von
einem sekundären PID-Regler 422 ein
Rückführsignal.
Der primäre PID-Regler 412 erzeugt
ein Ausgangssignal SP2, bei dem es sich um den Wert des Sollwerts
für den
sekundären
PID-Regler 422 handelt.
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Der
Sender 421 sendet die Brennstoffdurchflussmenge PV2 kontinuierlich
an den sekundären PID-Regler 422.
Der sekundäre
PID-Regler 422 empfängt
vom Ausgang des primären
PID-Reglers 412 den Wert des zweiten Sollwerts SP2. Der
sekundäre
PID-Regler 422 empfängt
außerdem
auf einer Rückführsignalleitung 450 von
einer analogen Ausgabeeinheit 425 ein Rückführsignal. Der sekundäre PID-Regler 422 ist
mittels einer Ausgangssignalleitung 460 an die analoge
Ausgabeeinheit 425 gekoppelt. Schließlich ist die analoge Ausgabeeinheit 425 mittels
einer Signalleitung 470 an das Ventil 430 gekoppelt.
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5 stellt
das Ablaufdiagramm 500 bildlich dar, das den Betrieb des
Prozessreglers 125 veranschaulicht, der zwei kaskadierte
PID-Regler gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Der Arbeitsvorgang im Ablaufdiagramm 500 begrenzt
den Beitrag des Integralwerts zu einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler,
der in Kaskade an einen sekundären
PID-Regler, der
einen hohen Sollwertgrenzwert aufweist, gekoppelt ist. Zu Veranschaulichungszwecken
wird das Ablaufdiagramm 500 mit Bezug auf den in 4 gezeigten Kreislauf
beschrieben. Das bedeutet, dass es sich bei dem primären PID-Regler
um den primären PID-Regler 412 und
bei dem sekundären
PID-Regler um den sekundären
PID-Regler 422 handeln soll.
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Der
primäre
PID-Regler 412 führt
eine PID-Berechnung durch, um zu bestimmen, welches Ausgangssignal
er an den sekundären
PID-Regler 422 übermitteln
wird. Der sekundäre
PID-Regler 422 kann bestimmen, ob das vom primären PID-Regler 412 empfangene
Ausgangssignal einen oberen Sollwertgrenzwert überschreitet, der vom sekundären PID-Regler 422 für vom sekundären PID-Regler 422 übermittelte
Ausgangssignale festgelegt wurde.
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Der
Steueralgorithmus des primären PID-Reglers 412 umfasst
einen für
Software zugänglichen
Ort, der einen digitalen nummerischen Wert („1" oder „0") enthalten kann, der den Setzzustand bzw.
Rücksetzzustand
eines hohen Integralgrenzwertflags darstellt. Der sekundäre PID-Regler 422 umfasst
ebenfalls einen ähnlichen
für Software
zugänglichen
Ort, der ein hohes Integralgrenzwertflag beinhaltet. Der sekundäre PID-Regler 422 kann
sein hohes Integralgrenzwertflag setzen oder zurücksetzen. Der sekundäre PID-Regler 422 kann
des Weiteren mittels der Rückführsignalleitung 440 ein
Signal an den primären
PID-Regler 412 senden, um das hohe Integralgrenzwertflag
im primären
PID-Regler 412 jedes Mal zu setzen oder zurückzusetzen,
wenn der sekundäre
PID-Regler 422 sein eigenes hohes Integralgrenzwertflag
setzt oder zurücksetzt.
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Wenn
der sekundäre
PID-Regler 422 bestimmt, dass sein oberer Sollwertgrenzwert überschritten
wurde, setzt der sekundäre
PID-Regler 422 sein hohes Integralgrenzwertflag. Der sekundäre PID-Regler 422 sendet
außerdem
ein Signal an den primären
PID-Regler 412, das das hohe Integralgrenzwertflag im primären PID-Regler 412 setzt.
In einer alternativen Ausführungsform
kann der primäre PID-Regler 412 mittels
der Signalleitung SP2 ein Signal an den sekundären PID-Regler 422 senden,
um zu bestimmen, ob das hohe Integralgrenzwertflag im sekundären PID-Regler 422 gesetzt
oder zurückgesetzt
ist. In dieser alternativen Ausführungsform
kann der sekundäre
PID-Regler 422 den Setzstatus bzw. den Rücksetzstatus
seines hohen Integralgrenzwertflags mittels der Rückführsignalleitung 440 als
Reaktion auf eine derartige Anforderung vom primären PID-Regler 412 an
den primären
PID-Regler 412 senden.
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Im
Prozessschritt 505 liest der primäre PID-Regler 412 den
Inhalt seines hohen Integralgrenzwertflags. Im Entscheidungsschritt 510 bestimmt
der primäre
PID-Regler 412, ob sein hohes Integralgrenzwertflag gesetzt
oder zurückgesetzt
ist. Wenn das hohe Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist, wurde
der obere Grenzwert des Ausgangssignals für den sekundären PID-Regler 422 nicht überschritten.
In diesem Fall ist es nicht erforderlich, den Integralanteil von
der aktuellen, vom primären
PID-Regler 412 durchgeführten
PID-Berechnung auszuschließen.
Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 520 weitergegeben,
der bestätigt,
dass der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt wird. Der Integralanteil
wird in die vom primären
PID-Regler 412 durchgeführte
PID-Berechnung einbezogen. Der Steueralgorithmus wird im Prozessschritt 530 fortgesetzt.
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Wenn
der Entscheidungsschritt 510 bestimmt, dass das hohe Integralgrenzwertflag
gesetzt ist, wurde der obere Sollwertgrenzwert des sekundären PID-Reglers 422 überschritten.
In diesem Fall bestimmt der Entscheidungsschritt 540, ob
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung
verursachen würde,
dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht. Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils nicht verursachen
würde,
dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 erhöht, wird
der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung
wird an den Prozessschritt 520 weitergegeben.
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Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen würde, dass
sich das Ausgangssignal des primären
PID-Reglers 412 erhöht, bestimmt
der Entscheidungsschritt 550, ob die Summe des Proportionalanteils
und des differenzialen Anteils weniger als das vorherige Ausgangssignal des
primären
PID-Reglers 412 beträgt.
Wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
nicht weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, wird der
Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, vollständig begrenzt
(d. h. komplett ausgeschlossen). Die Steuerung wird daher an den
Prozesschritt 560 weitergegeben, der bestätigt, dass
der Integralanteil vollständig
begrenzt wird. Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 530 fortgesetzt.
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Wenn
die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, bestimmt
der Entscheidungsschritt 570, ob das Einbeziehen des aktuellen
Integralanteils in die vom primären
PID-Regler 412 durchgeführte
PID-Berechnung verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal
des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet.
Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht
verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein
vorheriges Ausgangssignal überschreitet,
wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung
wird dann an den Prozessschritt 520 weitergegeben.
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Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung
verursachen wird, dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein
vorheriges Ausgangssignal überschreitet, muss
der Integralanteil teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird
an den Prozessschritt 580 weitergegeben.
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Der
Prozessschritt 580 begrenzt den Beitrag des Integralanteils
zu der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils
des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal
des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet,
von der PID-Berechnung. Der Prozessschritt 580 kann die
Begrenzung des Integralanteils auch durch Multiplizieren des Integralanteils
mit einem Skalenfaktor, der einen geeigneten Wert zwischen Null
(„0") und Eins („1") aufweist, bewerkstelligen.
Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 530 fortgesetzt.
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In
der oben beschriebenen Situation mit hohem Sollwertgrenzwert liefert
die vorliegende Erfindung die folgenden Resultate:
- 1. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn das hohe Integralgrenzwertflag
nicht gesetzt ist.
- 2. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn die Einbeziehung
des aktuellen Integralanteils nicht verursachen wird, dass sich
das Ausgangssignal des primären
PID-Reglers 412 erhöht.
- 3. Der Integralanteil wird vollständig begrenzt, (a) wenn die
Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen wird, dass
sich das Ausgangssignal des primären
PID-Reglers 412 erhöht,
und (b) wenn die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen
Anteils nicht weniger als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt.
- 4. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, (a) wenn die Summe
des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als
das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und
(b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung nicht
verursachen würde, dass
das aktuelle Ausgangssignal das vorherige Ausgangssignal überschreitet.
- 5. Der Integralanteil wird teilweise begrenzt, (a) wenn die
Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger
als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und
(b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen
würde, dass
das aktuelle Ausgangssignal das vorherige Ausgangssignal überschreitet.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung spricht Situationen an, in denen das
Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen
wird, dass das aktuelle Ausgangssignal einen oberen bzw. hohen Sollwertgrenzwert überschreitet.
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Zu
Veranschaulichungszwecken wurde das Ablaufdiagramm 500 mit
Bezug auf den primären PID-Regler 412 und
den sekundären
PID-Regler 422 beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann
ebenfalls in Situationen mit hohem Sollwertgrenzwert umgesetzt werden,
in denen ein primärer
PID-Regler 412 und eine analoge Ausgabeeinheit 425 in
jenen Umständen,
in denen die analoge Ausgabeeinheit 425 die Fähigkeiten
eines sekundären
Reglers besitzt, verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch auf Situationen anwendbar, in denen
das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen wird,
dass das aktuelle Ausgangssignal weniger als ein unterer bzw. niedriger
Sollwertgrenzwert beträgt.
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6 stellt
das Ablaufdiagramm 600 bildlich dar, das den Betrieb des
Prozessreglers 125 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Arbeitsvorgang im
Ablaufdiagramm 600 begrenzt den Beitrag des Integralwerts
zu einer PID-Berechnung
in Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert. In Situationen mit
niedrigem Sollwertgrenzwert wird ein niedriges Integralgrenzwertflag
in analoger Weise zum zuvor beschriebenen hohen Integralgrenzwertflag
verwendet.
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Der
primäre
PID-Regler 412 führt
eine PID-Berechnung durch, um zu bestimmen, welches Ausgangssignal
er zum sekundären
PID-Regler 422 übermittelt.
Der sekundäre
PID-Regler 422 kann bestimmen, ob das Ausgangssignal, das
er vom primären
PID-Regler 412 empfangen hat, einen unteren Sollwertgrenzwert
für Ausgangssignale,
die der sekundäre
PID-Regler 422 übermitteln
wird, überschreitet.
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Der
Steueralgorithmus des primären PID-Reglers 412 umfasst
einen für
Software zugänglichen
Ort, der einen digitalen nummerischen Wert („1" oder „0") enthalten kann, der den „Setz"-Zustand bzw. „Rücksetz"-Zustand eines niedrigen
Integralgrenzwertflags darstellt. Der sekundäre PID-Regler 422 umfasst
ebenfalls einen ähnlichen
für Software zugänglichen
Ort, der ein niedriges Integralgrenzwertflag beinhaltet. Der sekundäre PID-Regler 422 kann
sein niedriges Integralgrenzwertflag setzen oder zurücksetzen.
Der sekundäre
PID-Regler 422 kann des Weiteren mittels der Rückführsignalleitung 440 ein
Signal an den primären
PID-Regler 412 senden, um das niedrige Integralgrenzwertflag
im primären
PID- Regler 412 jedes
Mal zu setzen oder zurückzusetzen,
wenn der sekundäre
PID-Regler 422 sein eigenes niedriges Integralgrenzwertflag
setzt oder zurücksetzt.
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Wenn
der sekundäre
PID-Regler 422 bestimmt, dass sein unterer Sollwertgrenzwert überschritten
wurde, „setzt" der sekundäre PID-Regler 422 sein
niedriges Integralgrenzwertflag. Der sekundäre PID-Regler 422 sendet
außerdem
ein Signal an den primären
PID-Regler 412, das das niedrige Integralgrenzwertflag
im primären
PID-Regler 412 „setzt".
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der primäre
PID-Regler 412 mittels der Signalleitung SP2 ein Signal
an den sekundären
PID-Regler 422 senden, um zu bestimmen, ob das niedrige
Integralgrenzwertflag im sekundären
PID-Regler 422 gesetzt oder zurückgesetzt ist. In dieser alternativen
Ausführungsform
kann der sekundäre
PID-Regler 422 den Setzstatus bzw. den Rücksetzstatus
seines niedrigen Integralgrenzwertflags mittels der Rückführsignalleitung 440 als
Reaktion auf eine derartige Anforderung vom primären PID-Regler 412 an
den primären PID-Regler 412 senden.
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Im
Prozessschritt 605 liest der primäre PID-Regler 412 den
Inhalt seines niedrigen Integralgrenzwertflags. Im Entscheidungsschritt 610 bestimmt
der primäre
PID-Regler 412,
ob sein niedriges Integralgrenzwertflag gesetzt oder zurückgesetzt
ist. Wenn das niedrige Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist,
wurde der untere Grenzwert des Ausgangssignals für den sekundären PID-Regler 422 nicht überschritten.
In diesem Fall ist es nicht erforderlich, den Integralanteil von
der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, auszuschließen. Die
Steuerung wird daher an den Prozessschritt 620 weitergegeben,
der bestätigt,
dass der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt wird. Der Integralanteil
wird in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen.
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Der
Steueralgorithmus wird im Prozessschritt 630 fortgesetzt.
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Wenn
der Entscheidungsschritt 610 bestimmt, dass das niedrige
Integralgrenzwertflag gesetzt ist, wurde der untere Grenzwert des
Ausgangssignals des sekundären
PID-Reglers 422 überschritten.
In diesem Fall bestimmt der Entscheidungsschritt 640, ob
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die aktuelle PID-Berechnung
verursachen würde,
dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 verringert.
Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils nicht verursachen
würde,
dass sich das Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 verringert,
wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird
an den Prozessschritt 620 weitergegeben.
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Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen würde, dass
sich das Ausgangssignal des primären
PID-Reglers 412 verringert, bestimmt der Entscheidungsschritt 650,
ob die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt. Wenn
die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
nicht mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, wird
der Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, vollständig begrenzt
(d. h. komplett ausgeschlossen). Die Steuerung wird daher an den
Prozesschritt 660 weitergegeben, der bestätigt, dass
der Integralanteil vollständig
begrenzt wird. Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 630 fortgesetzt.
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Wenn
die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
mehr als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, bestimmt
der Entscheidungsschritt 670, ob das Einbeziehen des aktuellen Integralanteils
in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, verursachen
würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger
als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt. Wenn die Einbeziehung des
aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen würde, dass
das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger
als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, wird der Integralanteil
auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 620 weitergegeben.
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Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung
verursachen würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger
als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, muss der Integralanteil
teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird an den Prozessschritt 680 weitergegeben.
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Der
Prozessschritt 680 begrenzt den Beitrag des Integralanteils
zu der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils
des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal
des PID-Reglers 412 weniger als sein vorheriges Ausgangssignal
beträgt,
von der PID-Berechnung. Der Prozessschritt 680 kann die
Begrenzung des Integralanteils auch durch Multiplizieren des Integralanteils
mit einem Skalenfaktor, der einen geeigneten Wert zwischen Null
(„0") und Eins („1") aufweist, bewerkstelligen.
Der Steueralgorithmus wird dann im Prozessschritt 630 fortgesetzt.
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In
der oben beschriebenen Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert
liefert die vorliegende Erfindung die folgenden Resultate:
- 1. Der Integralanteil wird nicht begrenzt,
wenn das niedrige Integralgrenzwertflag nicht gesetzt ist.
- 2. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, wenn die Einbeziehung
des aktuellen Integralanteils nicht verur sachen wird, dass sich
das Ausgangssignal des primären
PID-Reglers 412 verringert.
- 3. Der Integralanteil wird vollständig begrenzt, (a) wenn die
Einbeziehung des aktuellen Integralanteils verursachen wird, dass
sich die Ausgabe des primären
PID-Reglers 412 verringert, und (b) wenn die Summe des
Proportionalanteils und des differenzialen Anteils nicht mehr als
das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt.
- 4. Der Integralanteil wird nicht begrenzt, (a) wenn die Summe
des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils mehr als
das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und
(b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung nicht
verursachen würde, dass
das aktuelle Ausgangssignal weniger als das vorherige Ausgangssignal
beträgt.
- 5. Der Integralanteil wird teilweise begrenzt, (a) wenn die
Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils mehr
als das vorherige Ausgangssignal des primären PID-Reglers 412 beträgt, und
(b) das Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen
würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal weniger als das vorherige Ausgangssignal
beträgt.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung spricht Situationen an, in denen das
Einbeziehen des Integralanteils in die PID-Berechnung verursachen
wird, dass das aktuelle Ausgangssignal einen unteren bzw. niedrigen
Sollwertgrenzwert überschreitet.
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Zu
Veranschaulichungszwecken wurde das Ablaufdiagramm 600 mit
Bezug auf den primären PID-Regler 412 und
den sekundären
PID-Regler 422 beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann
ebenfalls in Situationen mit niedrigem Sollwertgrenzwert umgesetzt
werden, in denen ein primärer
PID-Regler 412 und eine analoge Ausgabeeinheit 425 in
jenen Umständen,
in denen die analoge Ausgabeeinheit 425 die Fähigkeiten
eines sekundären
Reglers besitzt, verwendet werden.
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7 stellt
das Ablaufdiagramm 700 bildlich dar, das einen ersten Teil
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils in
einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade mit einem sekundären PID-Regler,
in dem (1) es sich bei den Grenzwerten um entweder Sollwertgrenzwerte
oder Ausgabegrenzwerte oder beide Grenzwertarten gleichzeitig handeln
kann und (2) die Grenzwerte entweder einen hohen Grenzwert oder
einen niedrigen Grenzwert oder gleichzeitig sowohl einen hohen als auch
einen niedrigen Grenzwert umfassen, gekoppelt ist, veranschaulicht.
In derartigen Situationen werden die Grenzwerte als „variable" Grenzwerte bezeichnet.
Zu Veranschaulichungszwecken wird das Ablaufdiagramm 700 mit
Bezug auf den in 4 gezeigten Kreislauf beschrieben.
Das bedeutet, dass es sich bei dem primären PID-Regler um den primären PID-Regler 412 und
bei dem sekundären
PID-Regler um den sekundären
PID-Regler 422 handeln soll.
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In
Situationen mit „variablem" Grenzwert wird ein
Integralgrenzwertflag in analoger Weise zu dem hohen Integralgrenzwertflag
und dem niedrigen Integralgrenzwertflag, die zuvor beschrieben wurden, verwendet.
Das Integralgrenzwertflag kann einen beliebigen der folgenden vier
Werte beinhalten: (1) „nicht
begrenzt" oder (2) „hoch begrenzt" oder (3) „niedrig
begrenzt" oder (4) „hoch und
niedrig begrenzt".
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Diese
alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (zur Verwendung mit variablen Grenzwerten)
setzt einen variablen Integralgrenzwert zum Bestimmen des auf den
Integralanteil in einer PID-Berechnung zu platzierenden Begrenzungsniveaus
ein. Bei dem variablen Integralgrenzwert handelt es sich um einen
nummerischen Wert, der die Einheiten der Ausgabe eines PID-Reglers
aufweist. Der variable Integralgrenzwert legt einen Grenzwert der
Ausgabe des PID-Reglers fest, über
den hinaus der Integralanteil nicht in die aktuelle PID-Berechnung einbezogen
wird. Beim anfänglichen
Wert des variablen Integralgrenzwerts handelt es sich um den Wert
des zweiten Sollwerts SP2 für
den sekundären PID-Regler 422.
Wenn dieser Wert nicht zur Verfügung
steht, wird der anfängliche
Wert des variablen Integralgrenzwerts der Wert der vorherigen PID-Berechnung
des primären
PID-Reglers 412 sein.
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Es
wird ein neuer Wert des variablen Integralgrenzwerts festgelegt,
wenn der primäre PID-Regler 412 vom
sekundären
PID-Regler 422 ein Signal empfängt, das anzeigt, dass (1)
sich das Ausgangssignal des primären
PID-Reglers 412 außerhalb
der Sollwertgrenzwerte des sekundären PID-Reglers 422 befindet
oder (2) sich das Ausgangssignal des sekundären PID-Reglers 422 außerhalb
der Ausgabegrenzwerte des sekundären PID-Reglers 422 befindet.
Der neue Wert des variablen Integralgrenzwerts wird mit dem Wert
des Rückführsignals
des sekundären
PID-Reglers 422 gleichgesetzt.
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Im
Prozessschritt 710 liest der Steueralgorithmus des primären PID-Reglers 412 den
Wert des Integralgrenzwertflags vom Speicher. Beim im Speicher enthaltenen
Wert des Integralgrenzwertflags handelt es sich um den Wert des
Integralgrenzwertflags von der vorherigen PID-Berechnung. Im Entscheidungsschritt 720 bestimmt
der primäre PID-Regler 412,
ob das Integralgrenzwertflag vom sekundären PID-Regler 422 für die aktuelle
PID-Berechnung vom
Integralgrenzwertflag von der vorherigen PID-Berechnung unterschiedlich
ist.
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Wenn
das Integralgrenzwertflag vom sekundären PID-Regler 412 nicht unterschiedlich
ist (d. h. es hat sich nicht geändert),
ist es nicht erforderlich, den variablen Integralgrenzwert in der
aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, zu ändern. Die
Steuerung wird dann an den Prozessschritt 730 weitergegeben
und der Wert des variablen Integralgrenzwerts bleibt unverändert.
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Wenn
der Entscheidungsschritt 720 bestimmt, dass das Integralgrenzwertflag
vom sekundären
PID-Regler 422 für
die aktuelle PID-Berechnung vom Integralgrenzwertflag von der vorherigen PID-Berechnung
unterschiedlich ist, bewirkt der Prozessschritt 740, dass
der neue Wert des Integralgrenzwertflags im Speicher gespeichert
wird.
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Die
Steuerung wird dann an den Prozessschritt 750 weitergegeben.
Der Prozessschritt 750 setzt den Wert des variablen Integralgrenzwerts
mit dem Rückführwert gleich.
Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 730 weitergegeben.
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Der
in 7 gezeigte Prozessschritt 730 gibt die
Steuerung an den in 8 gezeigten nächsten Teil
des Steueralgorithmusses weiter. 8 stellt
das Ablaufdiagramm 800 bildlich dar, das einen zweiten Teil
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Begrenzen des Integralanteils zu
einer PID-Berechnung in einem primären PID-Regler, der in Kaskade
mit einem sekundären PID-Regler,
in dem (1) es sich bei den Grenzwerten um entweder Sollwertgrenzwerte
oder Ausgabegrenzwerte oder beide Grenzwertarten gleichzeitig handeln
kann und (2) die Grenzwerte entweder einen hohen Grenzwert oder
einen niedrigen Grenzwert oder gleichzeitig sowohl einen hohen als
auch einen niedrigen Grenzwert umfassen, gekoppelt ist, veranschaulicht.
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Genauer
gesagt gibt der Prozessschritt die Steuerung an den Entscheidungsschritt 801 weiter.
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Der
Entscheidungsschritt 801 bestimmt, ob es sich bei dem Wert
im Integralgrenzwertflag um den Wert „nicht begrenzt" handelt . Wenn es
sich bei dem Wert um „nicht begrenzt" handelt, ist es
nicht erforderlich, den Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung,
die der primäre
PID-Regler 412 vollführt,
auszuschließen.
Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 805 weitergegeben,
der bestätigt,
dass der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt wird. Der Integralanteil
wird in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen.
Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
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Wenn
es sich bei dem Wert im Integralgrenzwertflag um einen beliebigen
anderen Wert als „nicht begrenzt" handelt, wird die
Steuerung an den Entscheidungsschritt 812 weitergegeben.
Der Entscheidungsschritt 812 bestimmt, ob es sich bei dem
Wert im Integralgrenzwertflag um den Wert „hoch und niedrig begrenzt" handelt.
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Wenn
es sich bei dem Wert um „hoch
und niedrig begrenzt" handelt,
ist es erforderlich, den Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung,
die der primäre
PID-Regler 412 vollführt,
auszuschließen.
Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 814 weitergegeben,
der bestätigt,
dass der Integralanteil vollständig
begrenzt wird. Der Integralanteil wird von der PID-Berechnung, die
der primäre PID-Regler 412 vollführt, ausgeschlossen.
Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
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Wenn
es sich bei dem Wert im Integralgrenzwertflag um einen beliebigen
anderen Wert als „hoch und
niedrig begrenzt" handelt,
wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 815 weitergegeben.
Der Wert im Integralgrenzwertflag wird in einem solchen Fall entweder „hoch begrenzt" oder „niedrig
begrenzt" sein.
Der Entscheidungsschritt 815 bestimmt, ob die Summe des
Proportionalanteils und des differenzialen Anteils weniger als der
variable Integralgrenzwert beträgt.
Der Wert des Integralgrenzwerts wird in jenen Fällen, in denen das Integralgrenzwertflag
seinen Wert in einer vorherigen PID-Berechnung geändert hat,
wie oben in Verbindung mit 7 beschrieben,
dem Rückführwert gleichkommen.
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Wenn
die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
nicht weniger als der variable Integralgrenzwert beträgt (d. h.
mehr als der variable Integralgrenzwert beträgt oder diesem gleichkommt),
bestimmt der Entscheidungsschritt 820, ob das Integralgrenzwertflag
niedrig ist. Wenn das Integralgrenzwertflag nicht niedrig ist (d.
h. hoch ist), muss der Integralanteil von der aktuellen PID-Berechnung,
die der primäre
PID-Regler 412 vollführt, ausgeschlossen
werden. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 825 weitergegeben,
der bestätigt,
dass der Integralanteil vollständig
begrenzt (d. h. komplett ausgeschlossen) wird. Der Integralanteil wird
nicht zu der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, addiert.
Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
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Auf ähnliche
Weise, wenn der Entscheidungsschritt 815 bestimmt, dass
die Summe des Proportionalanteils und des differenzialen Anteils
weniger als der variable Integralgrenzwert beträgt (d. h. nicht mehr als der
variable Integralgrenzwert beträgt oder
nicht diesem gleichkommt), bestimmt der Entscheidungsschritt 830,
ob das Integralgrenzwertflag hoch ist. Wenn das Integralgrenzwertflag
nicht hoch ist (d. h. niedrig ist), muss der Integralanteil von
der aktuellen PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, ausgeschlossen
werden. Die Steuerung wird daher an den Prozessschritt 825 weitergegeben,
der bestätigt,
dass der Integralanteil vollständig
begrenzt (d. h. komplett ausgeschlossen) wird. Der Integralanteil
wird nicht zu der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, addiert.
Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
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Wenn
der Entscheidungsschritt 820 bestimmt, dass das Integralgrenzwertflag
niedrig ist, wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 835 weitergegeben.
Der Entscheidungsschritt 835 bestimmt, ob das Einbeziehen
des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, verursachen
würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein
vorheriges Ausgangssignal überschreitet.
Wenn die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung
nicht verursachen würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein vorheriges
Ausgangssignal überschreitet,
wird der Integralanteil auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung
wird an den Prozessschritt 840 weitergegeben. Der Prozessschritt 840 bestätigt, dass
der Integralanteil nicht begrenzt wird. Der Integralanteil wird
in die PID-Berechnung,
die der primäre PID-Regler 412 vollführt, einbezogen.
Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
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Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung
verursachen würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 sein
vorheriges Ausgangssignal überschreitet,
muss der Integralanteil teilweise begrenzt werden und die Steuerung
wird an den Prozessschritt 845 weitergegeben.
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Der
Prozessschritt 845 begrenzt den Beitrag des Integralanteils
zu der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils
des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal
des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet,
von der PID-Berechnung. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
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Auf ähnliche
Weise, wenn der Entscheidungsschritt 830 bestimmt, dass
das Integralgrenzwertflag hoch ist, wird die Steuerung an den Entscheidungsschritt 850 weitergegeben.
Der Entscheidungsschritt 850 bestimmt, ob das Addieren
des aktuellen Integralanteils zu der PID-Berechnung, die der primäre PID-Regler 412 vollführt, verursachen würde, dass
das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger
als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt. Wenn die Einbeziehung des
aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung nicht verursachen
würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger
als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, wird der Integralanteil
auf keinerlei Weise begrenzt und die Steuerung wird an den Prozessschritt 840 weitergegeben.
Der Prozessschritt 840 bestätigt, dass der Integralanteil
nicht begrenzt wird. Der Integralanteil wird in die PID-Berechnung,
die der primäre
PID-Regler 412 vollführt,
einbezogen. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.
-
Wenn
die Einbeziehung des aktuellen Integralanteils in die PID-Berechnung
verursachen würde,
dass das aktuelle Ausgangssignal des PID-Reglers 412 weniger
als sein vorheriges Ausgangssignal beträgt, muss der Integralanteil
teilweise begrenzt werden und die Steuerung wird an den Prozessschritt 855 weitergegeben.
-
Der
Prozessschritt 855 begrenzt den Beitrag des Integralanteils
in der PID-Berechnung durch Subtrahieren eines beliebigen Teils
des Integralanteils, der verursacht, dass das aktuelle Ausgangssignal
des PID-Reglers 412 sein vorheriges Ausgangssignal überschreitet,
von der PID-Berechnung. Die Steuerung wird dann an den Prozessschritt 810 weitergegeben.