DE60209077T2

DE60209077T2 - Regler, Temperaturregler und Heizungsregler

Info

Publication number: DE60209077T2
Application number: DE60209077T
Authority: DE
Inventors: Minamifudodo-cho Ikuo łc/o Omron Corp. 801 Kyoto-shi Nanno; Yoshihirołc/o Omron Corp.ł801 Minamifudodo Nagami; Naotakałc/o Omron Corp.ł801 Minamifudodo Shimogyo-ku łKyoto-shi Uchiyama; Minamifudodo-cho Gen łc/o Omron Corp.ł801 Kyoto-shi Yoneda; Minamifudodo Masahitołc/o Omron Corp.ł801 Tanaka
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2006-10-26
Also published as: JP2003167605A; TW552489B; EP1321836B1; EP1321836A1; JP3555609B2; DE60209077T8; CN1195251C; DE60209077D1; US20030102383A1; CN1421756A; KR100511670B1; KR20030044806A; TW200300877A; US6688532B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung, bzw. einen Regler, zur Regelung eines physikalischen Zustands, wie etwa Temperatur und Druck einer Regelstrecke, einen Temperaturregler zu Regelung der Temperatur einer Regelstrecke, und einen Wärmeprozessor, der einen solchen Temperaturregler verwendet. Genauer bezieht sich die Erfindung auf einen Regler, eine Temperaturregler und einen Wärmeprozessor, der eine Regelung unter Verwendung eines Modells, wie etwa der Smith-Methode (auch bekannt als Smith-Prädiktor und Smith-Kompensationsmethode) durchführt.
In der PID-Regelung beispielsweise der Temperatur ist es bekannt, die PID-Verstärkung schwach einzustellen, um das Überschwingen im Zeitpunkt der Sollwertantwort zu kontrollieren. Wenn die PID-Verstärkung zu schwach für die Regelung gemacht wird, kann es jedoch zu lange dauern, bis die Solltemperatur erreicht wird, weshalb eine solche Regelung praktisch dort nicht genutzt werden kann, wo ein rasches Ansteigen der Temperatur erforderlich ist. In einer solchen Situation wird daher manchmal die Smith-Methode verwendet, um das Überschwingen bei der Sollwertantwort zu kontrollieren, indem die Totzeit kompensiert wird, während es gleichzeitig möglich wird, die Temperatur mit einer starken PID-Verstärkung rasch anzuheben. Die Smith-Methode lässt sich dadurch charakterisieren, dass sie ein System regelt, indem sie es als Regelstrecke ohne die Totzeit behandelt, wobei sie eine totzeitkompensierte Regelung durch internes Einstellen eines Modells ausführt.
Da die Smith-Methode das Überschwingen im Zeitpunkt der Sollwertantwort kontrollieren kann, kann die PID-Verstärkung stärker als bei einer gewöhnlichen PID-Regelung eingestellt werden. Aus diesem Grund wird jedoch bei Vorhandensein einer externen Störung das Prob lem des Nachlaufs lästiger als bei einer gewöhnlichen PID-Regelung. Ein weiteres Problem bei der Smith-Methode liegt darin, dass ein Modell intern eingerichtet werden muss, dass es aber nicht einfach ist, Parameter, wie etwa die Prozessverstärkung und die Zeitkonstante, zu gewinnen, die für das Einrichten eines solchen Modells notwendig sind.
Ein Prozessor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US 4 861 960 A bekannt.
Überblick über die Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, sich der Probleme des Überschwingens und von Regelschwingungen im Zeitpunkt der Sollwertantwort und Störungsantwort bei einer Regelung unter Verwendung eines Modells anzunehmen und es auch einfacher zu machen, Parameter für das Einrichten eines Modells zu gewinnen.
Die Erfindung ist wie in Anspruch 1 definiert.
Gemäß der Erfindung können Überschwingen und Regelschwingungen kontrolliert werden, da eine totzeitkompensierte Regelung wenigstens im Zeitpunk der Sollwertantwort durchgeführt wird. Da zu anderen Zeiten eine gewöhnliche Regelung bewirkt wird, lassen sich Regelschwingungen infolge von Störungen besser kontrollieren, als wenn die totzeitkompensierte Regelung fortgeführt worden wäre.
Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist der Totzeitkompensator zwei Modelle auf, nämlich eines, das eine Regelstrecke mit einer Verzögerung erster Ordnung und einer Totzeit simuliert (nachfolgend Simulationsmodell), und ein idealisiertes totzeitkompensiertes Modell, welches eine Regelstrecke ohne Totzeit simuliert. Die totzeitkompensierte Regelung verwendet die Smith-Methode mit einer stärkeren Regelverstärkung, als es eine Regelverstärkung für eine gewöhnliche Regelung ist. Die Solltemperatur lässt sich also rasch erreichen, während das Überschwingen kontrolliert ist, weil die Smith-Methode mit einer stärkeren Regelverstärkung während der Sollwertantwort des Reglers verwendet wird. Da eine übliche Regelung mit einer schwächeren Regelverstärkung zu anderen Zeiten bewirkt wird, lassen sich durch externe Störungen bewirkte Regelschwingungen ebenfalls kontrollieren.
Ein Wärmeregler gemäß dieser Erfindung lässt sich in ähnlicher Weise wie der oben beschriebene Regler charakterisieren, mit Ausnahme, dass die geregelte physikalische Größe die Temperatur der Regelstrecke ist, und hat ähnliche Wirkungen.
Regelparameter für die Modelle können mit der Sprungantwortmethode oder die Grenzzyklusmethode bestimmt werden. Sie können auch durch eine Stellgröße und eine festgestellte Temperatur, nachdem die festgestellte Temperatur ausgeregelt ist, oder anhand einer Änderung der gemessenen Temperatur, nachdem die Regelung vorübergehend unterbrochen worden ist, bestimmt werden. Die Parameter können die Prozessverstärkung oder die Zeitkonstante enthalten. Diese Parameter können gewonnen werden, indem man zunächst die Maximalsteigung und Totzeit, wie das herkömmlicherweise geschieht, bestimmt und entweder die Prozessverstärkung oder die Zeitkonstante gewonnen wird, so dass alle Parameter, die für das Bestimmen der Modelle notwendig sind, gewonnen werden können.
Wärmeprozessoren gemäß dieser Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Regelstrecke, eine Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen der Regelstrecke und einen Temperaturregler, wie oben beschrieben, aufweisen. Zu Wärmeprozessoren dieser Erfindung gehören eine Vorrichtung für eine thermische Oxidation, die im Herstellungsprozess für Halbleiter verwendet wird, Diffusionsöfen, CVD-Vorrichtungen und Gießvorrichtungen. Die Vorteile der Wärmeprozessoren gemäß der Erfindung sind die gleichen wie diejenigen der thermischen Regler gemäß der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Wärmeprozessors mit einem Temperaturregler, der die Erfindung verkörpert.
2 ist ein Flussdiagramm einer Regelung, die die Erfindung verkörpert.
3 ist ein Wellenformdiagramm für verschiedene Signale bei einer totzeitkompensierten Regelung durch den Wärmeprozessor der 1.
4 ist ein Wellenformdiagramm zur Wiedergabe der Änderungen der Stellgröße und festgestellten Temperatur durch ein Verfahren dieser Erfindung und ein herkömmliches Verfahren.
5 ist ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Berechnung der Prozessverstärkung mit der Sprungantwortmethode.
6 ist ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung einer Methode der Berechnung der Prozessverstärkung unter Verwendung der ausgeregelten Stellgröße.
7 ist ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung einer Methode der Berechnung der Prozessverstärkung mit der Grenzzyklusmethode.
8 ist ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung einer Methode der Berechnung der Zeitkonstanten mit der Sprungantwortmethode.
9 ist ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung einer Methode der Berechnung der Zeitkonstanten durch natürliches Abkühlen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt einen diese Erfindung verkörpernden Wärmeprozessor 1, der eine Heizvorrichtung und/oder eine Kühlvorrichtung („Heizer-Kühler 6" hier) und einen Temperaturregler enthält, der so eingerichtet ist, dass er die Temperatur eines Regelobjekts („Regelstrecke" hier) 2 beruhend auf einer über eine (nicht gezeigte) Eingabevorrichtung eingegebenen Solltemperatur (Sollwert) SP und einer festgestellten Temperatur (Prozessvariable) PV der Regelstrecke 2, die über eine Rückkopplungseingabe von einem (nicht gezeigten) Sensor erhalten ist, regelt. Zu diesem Zweck ist der Temperaturregler des Wärmeprozessors 1 mit einem PID-Berechner 3 (auch „Variablenrechner" hier) zur Berechnung und Ausgabe einer PID-Stellgröße MV beruhend auf der Regelabweichung der festgestellten Temperatur PV, die als Rückkopplungsgröße dient, gegenüber der Sollwerttemperatur SP, sowie einem Totzeitkompensator 4, welche eine totzeitkompensierte Ausgabe Yt beruhend auf dieser PID-Stellgröße MV erzeugt, versehen.
Dieser PID-Rechner 3 ist mit zwei Arten von PID-Verstärkung, darin eingeschlossen eine stärkere PID-Verstärkung (P, I, D) und eine schwächere PID-Verstärkung (P', I', D'), versehen und dient dazu, die PID-Stellgröße MV unter Verwendung der stärkeren PID-Verstärkung (P, I, D) bei einer PID-Regelung mit Totzeitkompensation nach der Smith-Methode unter Verwendung der Ausgabe Yt des Totzeitkompensators 4 und der schwächeren PID-Verstärkung (P', I', D') bei einer gewöhnlichen PID-Regelung unter Verwendung keiner Ausgabe des Totzeitkompensators zu berechnen und auszugeben. Die schwächere PID-Verstärkung (P', I', D') kann beispielsweise gleich der PID-Verstärkung eingestellt werden, die durch eine gewöhnliche Selbstabstimmung erhalten wird. Die stärkere PID-Verstärkung (P, I, D) kann beispielsweise auf das Dreifache der schwächeren PID-Verstärkung (P', I', D') eingestellt werden.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel hat der Totzeitkompensator 4 zwei Modelle, (1) ein Modell, welches eine Regelstrecke mit einer Verzögerung erster Ordnung und einer Totzeit simuliert (das „Simulationsmodell" hier) und (2) ein idealisiertes Modell, welches eine Regelstrecke ohne Totzeit simuliert (das „totzeitkompensierte Modell" hier). Methoden der Bestimmung von Parametern für diese Modelle werden nachstehend beschrieben.
Wenn P₀(s) die Transferfunktion für das totzeitkompensierte Modell ist, dann lässt sich die Transferfunktion für das Simulationsmodell mit einer Verzögerung erster Ordnung und einer Totzeit als P₀(s)e^–Ls schreiben. Der Totzeitkompensator 4 kann dazu dienen, einen Ausgabe (P₀(s) – P₀(s)e^Ls) auf die Eingangsseite des PID-Berechners 3 zu übertragen. Hier werden zwar Modelle mit einer Verzögerung erster Ordnung beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch auf Modelle höherer Ordnung mit einer Verzögerung höherer Ordnung, wie etwa einer Verzögerung zweiter Ordnung, anwendbar ist.
Bei der totzeitkompensierten Regelung wird die Ausgabe Yt des Totzeitkompensators 4 der vom Temperatursensor festgestellten Temperatur PV hinzugefügt, um eine scheinbare Temperatur (PV + Yt) zu schaffen, wobei deren Abweichung gegenüber der Solltemperatur SP berechnet und auf den PID-Berechner 3 übertragen wird.
Um das Überschwingen und Nachlaufen sowohl bei der Sollwertantwort als auch bei der Störungsantwort zu kontrollieren, wird zur Übertragung auf den PID-Berechner 3 die Ausgabe Yt des Totzeitkompensators 4 zur festgestellten Temperatur PV addiert, wobei eine totzeitkompensierte PID-Regelung unter Verwendung der stärkeren PID-Verstärkung (P, I, D) zum Zeitpunkt der Sollwertantwort durchgeführt, zu anderen Zeiten, wie etwa nachdem die gemessene Temperatur PV sich „beruhigt" hat, aber ein Schalter 5 betätigt wird, um den Totzeitkompensator 4 abzuschalten und eine gewöhnliche PID-Regelung unter Verwendung der schwächeren PID-Verstärkung (P', I', D') durchzuführen.
Bei Obigem ist daran zu erinnern, dass „die Zeit der Sollwertantwort" sich nicht auf die Anfangszeit des Anstiegs beschränkt, sondern auch die Situation beinhaltet, in der die Solltemperatur geändert wird, nachdem sich die Temperatur einmal beruhigt hat, d.h., die Situation, in der der Zustand des Regelsystems plötzlich geändert wird, derart, dass die Abweichung, bzw. die Differenz zwischen der Solltemperatur SP und der gemessenen Temperatur PV plötzlich zunimmt. Eine Situation wie diese kann auftreten, wenn die Flüssigkeit in einem Tank beheizt wird, um ihre Temperatur auf einem konstanten Niveau, wie etwa 100°C, zu halten, es aber zu einer Verschmutzung der Flüssigkeit gekommen ist und sie durch eine neue Flüssigkeit auf einer niedrigeren Temperatur, etwa 20°C, ersetzt wird.
Um das Prinzip dieser Erfindung nun zusammenzufassend, wird eine PID-Regelung mit Totzeitkompensation nach der Smith-Methode im Zeitpunkt der Sollwertantwort durchgeführt, derart, dass das Überschwingen und Nachlaufen kontrolliert werden kann, wobei, da die PID-Verstärkung stärker als bei einer gewöhnlichen PID-Regelung ohne Smith-Methode gemacht wird, die Zeit für ein Erreichen der Solltemperatur vermindert werden kann. Nach der Beruhigung der Temperatur (oder nachdem sich die Temperatur innerhalb eines spezifizierten Bereiches der Solltemperatur beruhigt hat) wird die Regelungsweise auf eine gewöhnliche PID-Regelung mit einer schwächeren PID-Verstärkung und ohne Verwendung der Smith-Methode umgeschaltet, so dass das Überschwingen und Nachlaufen infolge von Störungen kontrolliert werde kann. Die Beurteilung, ob sich die Temperatur beruhigt hat oder nicht, kann erfolgen, indem bestimmt wird, ob sich die festgestellte Temperatur in einem spezifizierten Bereich um die Solltemperatur herum beruhigt hat oder nicht, oder indem bestimmt wird, ob die Ausgabe des Totzeitkompensators 4 zu 0 geworden ist oder nicht. Andere Stellgrößen als eine integrierte Variable, wie etwa proportionale und abgeleitete Variablen, können für die Beurteilung auch verwendet werden.
Als Nächstes wird zur Erläuterung der PID-Regelung mit Totzeitkompensation nach der Smith-Methode und der gewöhnlichen PID-Regelung ohne Verwendung der Smith-Methode gemäß der Erfindung auf das Flussdiagramm der 2 Bezug genommen. Zunächst wird bestimmt, ob der Sollwert geändert wurde oder nicht (Schritt n1). Wenn der Sollwert geändert worden ist (JA in Schritt n1), wird die totzeitkompensierte PID-Regelung unter Verwendung der Smith-Methode begonnen (Schritt n3) und die stärkere PID-Verstärkung ausgewählt (Schritt n4).
Wenn festgestellt wird, dass der Sollwert nicht geändert worden ist (NEIN in Schritt n1), wird geprüft, ob die Temperatur ansteigt oder nicht (Schritt n2). Wenn festgestellt wird, dass die Temperatur ansteigt (JA in Schritt n2), geht das Programm nach Schritt n3 weiter und setzt die totzeitkompensierte Regelung fort. Wenn die Temperatur als nicht ansteigend festgestellt wird (NEIN in Schritt n2), wird geprüft, ob sich die Temperatur beruhigt hat oder nicht (Schritt n5). Wenn festgestellt wird, dass sich die Temperatur beruhigt hat (JA in Schritt n5), schaltet das Programm auf die gewöhnliche PID-Regelung um, die die Smith-Methode nicht verwendet (Schritt n6), und wählt die schwächere PID-Verstärkung aus (Schritt n7).
3 zeigt die Wellenformen verschiedener in 1 gezeigter Signale bei der totzeitkompensierten Regelung unter Verwendung der Smith-Methode. In 3 gibt Linie L1 die PID-Stellgröße MV aus dem PID-Berechner 3 an, Linie L2 die tatsächlich festgestellte Temperatur PV der Regelstrecke 2, Linie L3 die Ausgabe Yt des Totzeitkompensators 4 und Linie L4 die scheinbare Temperatur (PV + Yt).
Wie sich auf 3 ergibt, steigt die scheinbare Temperatur (PV + Yt) gemäß der Smith-Methode unmittelbar an, obwohl die tatsächlich festgestellte Temperatur PV erst nach Ablauf der Totzeit ansteigt. Die scheinbare Temperatur (PV + Yt) kann also wie eine idealisierte Re gelstrecke ohne Totzeit regeln. Wenn die festgestellte Temperatur PV und die Stellgröße MV sich stabilisieren, wird die Ausgabe Yt des Totzeitkompensators 4 zu 0, und die tatsächlich festgestellte Temperatur PV und die scheinbare Temperatur (PV + Yt) gelangen in Übereinstimmung. Nachdem die tatsächlich festgestellte Temperatur PV und die scheinbare Temperatur (PV + Yt) in Übereinstimmung gekommen sind, wird die Regelungsart von der totzeitkompensierten PID-Regelung unter Verwendung der Smith-Methode auf die gewöhnliche PID-Regelung geändert.
4 dient zum Vergleich der Linien L1 und L2 aus 3, die MV und PV darstellen, mit Linien L5 und L6, die die Stellgröße und die festgestellte Temperatur mit herkömmlicher PID-Regelung ohne Verwendung der Smith-Methode angeben. Es ist zu beachten, dass mit der gewöhnlichen PID-Regelung ohne Verwendung der Smith-Methode ein Überschwingen stattfindet, das aber kein Überschwingen stattfindet, wenn die Smith-Methode verwendet wird.
Wie oben erläutert, wird die Regelungsweise auf die gewöhnliche PID-Regelung umgeschaltet, nachdem die tatsächlich festgestellte Temperatur PV und die scheinbare Temperatur (PV + Yt) in Übereinstimmung gekommen sind, wobei in dieser PID-Regelung die schwächere PID-Verstärkung ausgewählt wird. Falls die Solltemperatur geändert wird, wenn dieses Umschalten durchgeführt wird, wird die Regelungsweise erneut auf die totzeitkompensierte PID-Regelung unter Verwendung der Smith-Methode umgeschaltet.
Als Nächstes werden Methoden zur Gewinnung von Parametern für die Einstellung eines Modells für den Totzeitkompensator 4 erläutert. Zur Einstellung einer Transferfunktion des totzeitkompensierten Modells P₀(s) ist es erforderlich, eine Prozessverstärkung K, eine Totzeit L und eine Zeitkonstante T zu gewinnen. Die PID-Verstärkung wird im Allgemeinen durch selbsttätige Abstimmung gewonnen. Mit der her kömmlichen selbsttätigen Abstimmung werden jedoch die maximale Steigung R und die Totzeit L gewonnen und die PID-Verstärkung daraus berechnet. Anders ausgedrückt, können die Prozessverstärkung K und die Zeitkonstante T, die notwendige Parameter zur Einstellung eines Modells sind, nicht mit der herkömmlichen Selbstabstimmungsmethode gewonnen werden.
Gemäß der Erfindung werden die Prozessverstärkung K oder die Zeitkonstante T folgendermaßen unter Verwendung der Beziehung R = K/T gewonnen.
(1) Berechnung der Prozessverstärkung K nach der Sprungantwortmethode
Mit dieser Methode wird die Prozessverstärkung K durch Berechnen der Totzeit L und der maximalen Steigung R aus der Antwortwellenform auf eine Sprungeingabe, wie bei der herkömmlichen Selbstabstimmungsmethode, Fortsetzen der Sprungeingabe, bis die Antwortwellenform sich beruhigt, auch nachdem die maximale Steigung R berechnet worden ist, und Verwenden der folgenden Formel und der auf der Ausgangsseite gewonnenen Änderung gewonnen: K = (Änderung auf Eingangsseite in vollem Maßstab in %)/(Änderung auf Eingangsseite in %)wobei die Änderung auf der Ausgangsseite die Temperaturänderung und die Änderung auf der Eingangsseite die prozentuale Änderung der Stellgröße bedeutet.
5 ist ein Wellenformdiagramm zur Wiedergabe der Methode der Berechnung der Prozessverstärkung K nach der Sprungantwortmethode. In diesem Beispiel ist die Stellgröße B% und der Temperaturbereich, welcher die Änderung auf der Ausgangsseite ist, A% der vollen Skala (FS). Die Prozessverstärkung K wird also als K = A(%FS)/B(%) berechnet. Es wird also möglich, nicht nur die Totzeit L und die maximale Steigung R, sondern auch die Prozessverstärkung K durch Fortsetzen der Selbstabstimmung nach der Sprungantwortmethode länger als herkömmlicher Weise geschehen zu gewinnen.
Wenn die Zeitkonstante T groß ist, dauert die Berechnung der Prozessverstärkung K lange. In einer solchen Situation ist es vorzuziehen, einen kleineren Sprungeingangswert, wie etwa 20%, auszuwählen.
(2) Berechnung der Prozessverstärkung K unter Verwendung der beruhigten Stellgröße
Die Prozessverstärkung K wird folgendermaßen unter Verwendung der Temperaturänderung A(%FS) in Bezug auf die volle Skala (FS), wenn die festgestellte Temperatur die Solltemperatur SP erreicht und sich auf ihr beruhigt hat, und der beispielsweise in 6 gezeigten beruhigten Stellgröße B(%) berechnet: K = A(%FS)/B(%)
Da die Prozessverstärkung K anhand der Temperaturänderung A(%FS) in Bezug auf die beruhigte Stellgröße B(%) berechnet wird, ist es möglich, die Prozessverstärkung K an der zu regelnden Solltemperatur SP zu gewinnen.
Wenn die beruhigte Stellgröße instabil ist, kann auch ein Mittelwert verwendet werden.
(3) Berechnung der Prozessverstärkung K unter Verwendung der Grenzzyklusmethode
7 zeigt die Änderungen der festgestellten Temperatur und der Stellgröße in einer Grenzzyklusmethode, wobei die Stellgröße 100% ist, aber auf 0% reduziert wird, wenn die festgestellte Temperatur 100°C erreicht, und erneut auf 100% gesetzt wird, wenn die festgestellte Temperatur weniger als 100°C wird, wobei diese Folge wiederholt wird. Wenn das Verhältnis der Zeitdauer, in welcher die Stellgröße 100% ist, wenn sich die Temperatur stabilisiert hat, in Bezug auf die Nachlaufzeitdauer TH zu dieser Zeit B% ist, und das Verhältnis der Temperaturänderung zur Mitte des Nachlaufs in Bezug auf die volle Skala A%FS ist, ist die Prozessverstärkung K durch K = A/B.
In dem in 7 gezeigten Beispiel ändert sich die festgestellte Temperatur von 20°C aus und endet, indem sie sich in Bezug auf einen Bereich zwischen 90°C und 130°C um 110°C herum auf und ab bewegt. Es wird A als das Verhältnis zwischen 90°C = 110°C – 20°C und der vollen Skala berechnet.
Durch die Grenzzyklusmethode kann die Prozessverstärkung K gewonnen werden, während die PID-Verstärkung aus der Nachlaufperiode und Amplitude, wie dies herkömmlicher Weise geschieht, gewonnen wird.
(4) Berechnung der Zeitkonstanten T nach der Sprungantwortmethode
Die Totzeit L und die maximale Steigung R werden anhand der Antwortwellenform ansprechend auf eine Sprungeingabe wie bei der herkömmlichen Selbstabstimmungsmethode berechnet. Die Sprungeingabe wird auch nach dem Berechnen der maximalen Steigung R fortgesetzt, und die Zeit, die benötigt wird, um 63,2% des Beruhigungswerts zu erreichen, wird, wie in 8 gezeigt, als die Zeitkonstante T bestimmt.
Wenn die Zeitkonstante lang ist, wird ihre Berechnung ebenfalls lang. In einer solchen Situation ist es vorzuziehen, die Sprungeingabe auf beispielsweise 20% zu verringern.
(5) Berechnung der Zeitkonstante T durch natürliche Kühlung
Die Regelung wird vorübergehend angehalten, wenn die Temperatur auf einen bestimmten Wert angestiegen ist, um die Zeitkonstante T anhand der Temperaturänderung durch natürliche Kühlung zu gewinnen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Regelung unterbrochen wird und die natürliche Kühlung begonnen hat, wird eine Tangente an die Wellenformkurve, wie in 9 gezeigt, gelegt und der Schnittpunkt zwischen dieser Tangente und der Raumtemperatur darstellenden horizontalen Line gewonnen, wobei die Zeit, wenn die Regelung angehalten wird, und dieser Kreuzungspunkt als die Zeitkonstante T bestimmt wird.
Die Zeitkonstante T kann nach dieser Methode relativ schnell gewonnen werden, weil sie gewonnen werden kann, sobald die Tangente an dem Wellenformdiagramm gezogen werden kann. Die ursprüngliche Regelung kann wieder aufgenommen werden, sobald die maximale Steigung durch die natürliche Kühlung gewonnen worden ist.
Nachdem die Prozessverstärkung K und die Zeitkonstante T, wie oben erläutert, gewonnen sind, und die Zeitkonstante L in herkömmlicher Weise gewonnen ist, kann die Transferfunktion für das totzeitkompensierte Modell mit Verzögerung erster Ordnung und keiner Totzeit als P₀(s) = K/(TS + 1) und die Transferfunktion für das Simulationsmodell mit einer Verzögerung erster Ordnung und einer Totzeit als P₀(s)e^–LS = (K/(TS + 1))e^–Ls geschrieben werden, wobei S der Laplace-Operator ist.
Die Erfindung ist unter Bezug auf nur eine begrenzte Anzahl von Beispielen beschrieben worden, diese Beispiele sollen aber die Erfindung nicht einschränken. Die oben beschriebenen Methoden zur Gewinnung der Parameter K und T zur Einstellung eines Modells sind nicht nur auf einen Temperaturregler, der zwischen einer totzeitkompensierten PID-Regelung unter Verwendung der Smith-Methode und einer gewöhnlichen PID-Regelung umschalten kann, sondern auch auf einen Tempera turregler, der nur die totzeitkompensierte PID-Regelung unter Verwendung der Smith-Methode durchführt, anwendbar.
Oben wurde ein Beispiel gezeigt, bei welchem eine totzeitkompensierte Regelung zum Zeitpunkt der Sollwertantwort durchgeführt wird, aber eine gewöhnliche PID-Regelung zu anderen Zeitpunkten durchgeführt, eine Regelung kann aber auch, wenn Störungen antizipiert werden, so bewirkt werden, dass ein Übergang von einer totzeitkompensierten Regelung zu einer gewöhnlichen Regelung erfolgen kann, bevor solche Störungen aufgegeben werden. Alternativ kann die Einrichtung so getroffen werden, dass eine totzeitkompensierte Regelung auch zu Zeiten durchgeführt wird, die von der Zeit der Sollwertantwort verschieden sind.
Es wurde ein Beispiel gezeigt, bei welchem die PID-Verstärkung der totzeitkompensierten Regelung stärker gemacht war als die PID-Verstärkung der gewöhnlichen Regelung, dies soll aber die Erfindung nicht einschränken. Die PID-Verstärkung braucht nicht so stark gemacht zu werden.
Die Erfindung wurde oben unter Bezug auf die PID-Regelung beschrieben, die Erfindung ist aber gleichermaßen anwendbar auf PI-Regelung. Die Erfindung wurde angewandt auf einen Temperaturregler, der eine Heizvorrichtung, wie etwa ein Heizgerät, benutzt, beschrieben, die Erfindung ist aber gleichermaßen auch anwendbar auf Temperaturregelungen, die ein Kühlgerät verwenden. Die Erfindung ist auch auf die Regelung von anderen physikalischen Größen als die Temperatur, wie etwa Druck, Durchfluss, Geschwindigkeit und Flüssigkeitsniveau anwendbar.
Zusammenfassend können, da eine totzeitkompensierte Regelung wenigstens zur Zeit der Sollwertantwort gemäß der Erfindung durchgeführt wird, Probleme eines Überschwingens und Nachlaufens kontrolliert werden, und ebenso kann, da eine gewöhnliche Regelung zu anderen Zeiten ausgeführt wird, ein Nachlauf infolge von Störungen ebenfalls kontrolliert werden.

Claims

Regler, welcher aufweist: einen Größenberechner zur Berechnung und Ausgabe einer Stellgröße (MV) auf einer Regelstrecke, beruhend auf einem Sollwert (SP) und einem Istwert (PV; PV + Yt); einen Totzeitkompensator (4) zur Lieferung einer totzeitkompensierten Ausgabe (Yt) unter Verwendung von Modellen beruhend auf der von den Größenberechner (3) ausgegebenen Stellgröße (MV); gekennzeichnet dadurch, dass der Größenberechner ein PID-Berechner (3) ist, der mit einer stärkeren PID-Verstärkung (P, I, D) und einer schwächeren PID-Verstärkung (P', I', D') versehen ist, wobei der PID-Berechner so eingerichtet ist, dass er die PID-Stellgröße unter Verwendung der stärkeren PID-Verstärkung (P, I, D) mit Totzeitkompensation und die schwächere PID-Verstärkung (P', I', D') ohne Totzeitkompensation berechnet und ausgibt, durch einen Schalter (5) zur Bewirkung, dass der Regler ausgewählt entweder eine totzeitkompensierte Regelung durch Lieferung der totzeitkompensierten Ausgabe an den Größenberechner (3) oder einer gewöhnlichen Regelung durch Nicht-Lieferung der totzeitkompensierten Ausgabe an den Größenberechner ausführt, und zum Schalten des PID-Berechners auf entweder die stärkere PID-Verstärkung (P, I, D) oder die schwächere PID-Verstärkung (P', I', D'), wobei der Schalter auf die totzeitkompensierte Regelung und auf die stärkere PID-Verstärkung (P, I, D) wenigstens während der Sollwertantwort des Reglers schaltet.
Regler nach Anspruch 1, wobei die Modelle ein Simulationsmodell und ein totzeitkompensiertes Modell enthalten, wobei das Simulationsmodell die Regelstrecke simuliert und eine Verzögerung erster Ordnung und eine Totzeit hat, wobei das totzeitkompensierte Modell die Regelstrecke simuliert und eine Verzögerung erster Ordnung und keine Totzeit hat; und wobei die totzeitkompensierte Regelung die Smith-Methode verwendet.
Regler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regler ein Temperaturregler ist.
Temperaturregler nach Anspruch 1, wobei Parameter der Modelle durch eine Methode, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus der Sprungantwortmethode und der Grenzzyklusmethode, gewonnen werden.
Temperaturregler nach Anspruch 3, wobei Parameter der Modelle beruhend auf Stellgrößen und festgestellter Temperatur bei Ausregelzeit gewonnen werden.
Temperaturregler nach Anspruch 3, wobei Parameter der Modelle beruhend auf Änderungen der festgestellten Temperatur nach Anhalten der Regelungen gewonnen werden.
Temperaturregler nach Anspruch 4, wobei die Parameter der Modelle einer oder mehr als einer, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Prozessverstärkung und Zeitkonstante, sind.
Temperaturregler nach Anspruch 5, wobei die Parameter der Modelle einer oder mehr als einer, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Prozessverstärkung und Zeitkonstante, sind.
Temperaturregler nach Anspruch 6, wobei die Parameter der Modelle einer oder mehr als einer, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Prozessverstärkung und Zeitkonstante, sind.
Wärmeprozessor für eine Regelstrecke, wobei der Wärmeprozessor aufweist: eine Heiz-Kühl-Vorrichtung zum Heizen und Kühlen der Regelstrecke; und einen Temperaturregler nach einem der Ansprüche 3 bis 9.