DE69803577T2

DE69803577T2 - Adaptiver kaskadierter regelungsalgorithmus

Info

Publication number: DE69803577T2
Application number: DE69803577T
Authority: DE
Inventors: K. Preska; A. Smith
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2018-08-01
Also published as: EP1000389A1; DE69803577D1; JP2001512257A; US6240324B1; EP1000389B1; AU8764098A; CA2297107A1; KR20010022346A; WO1999006894A1; CN1265748A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Regeleinheiten und insbesondere Kaskadenregler.
Die Kaskadenregelung war dazu vorgesehen, einen Prozeß über kontinuierliches Anpassen des Sollwerts eines geregelten Mediums besser zu steuern. Wie in Fig. 1 nach dem Stand der Technik dargestellt, wurde die "klassische" Kaskadenregelung meist als ein Regelverfahren definiert, bei dem die Ausgabe eines Regelmoduls 10, nachdem sie unterwegs irgendein Skaliermodul 20 durchlaufen hatte, in die Sollwerteingabe eines weiteren Regelmoduls 30 eingespeist wurde. Realisiert wurden diese Funktionen typischerweise mittels einer nach dem Prinzip der direkten digitalen Regelung arbeitenden Regeleinheit (DDC-Regeleinheit). Bei einer DDC-Regeleinheit handelte es sich bei den Regelmodulen üblicherweise um PID- Operatoren oder Funktionen, und bei dem Skaliermodul typischerweise um einen Verhältnisoperator.
Das Skaliermodul sollte dazu dienen, die Ausgabe des ersten PID-Operators (typischerweise im Bereich von 0 bis 100%) in einen brauchbaren, dem geregelten Medium (d. h. Lufttemperatur, Luftdruck, Wassertemperatur usw.) entsprechenden Sollwert umzuwandeln. Dabei kam im allgemeinen eine direkte lineare Beziehung zur Anwendung, wie sie ein üblicher Verhältnisoperator vorsieht.
Das Problem bei der klassischen Kaskadenregelung lag darin, daß dem Systeminstallateur oder dem Endbenutzer nur selten bekannt war, welche Werte zur optimalen Regelung des Prozesses in die Minimal- und Miaximalsollwertgrenzparameter (Eingaben 21 und 22 in das Skaliermodul 20) einzugebren waren. Tatsächlich wurden von Installateuren oder Endbenutzern oft Werte gewählt, die dann zu unbefriedigendem Betriebsverhalten des Systems führten. Auch können sich bei durch unterschiedliche Lastpegel, von der Jahres Zeit abhängige Last usw. bedingten Veränderungen von System-(Prozeß-)Verstärkungsfaktoren die optimalen Werte von Grenzwertparametern ändern.
Die europäische Patentschrift Nr. EP 0710910 betrifft ein Verfahren zur Kaskadenregelung in einer Prozeßregeleinheit, bei dem ein Ausgangssignal einer ersten Steuereinheit als Eingabe mit einer Ober- und einer Untergrenze für die zweite Steuereinheit verwendet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Installateuren und Endbenutzern von Kaskadenregelungen Systeme zur Verfügung zu stellen, bei denen sie weniger Parameter eingeben müssen, wodurch sich kürzere Installationszeiten und infolgedessen besseres Betriebsverhalten ergibt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Prozeßregeleinheit wie in Anspruch 1 umschrieben zur Verfügung gestellt.
Auch wird durch die vorliegende Erfindung ein Kaskadenregelsystem wie in Anspruch 2 umschrieben zur Verfügung gestellt.
Das System kann das Merkmal nach Anspruch 3 aufweisen.
Durch ein adaptives Prozeßmodul werden daher Parameter, während das System im Betrieb ist, auf intelligente Weise so eingestellt, daß damit die bestmögliche Regelleistung erreicht wird, während gleichzeitig dem Benutzer ein benutzerfreundlicheres System zur Verfügung gestellt wird.
Der Prozeß beinhaltet die Schritte einer Feststellung, ob die Meßgröße einer ersten vorgegebenen Beziehung mit einem MINLIMIT genügt, in welchem Falle der Wert von MINLIMIT gesenkt wird, einer Feststellung, ob die Meßgröße das MINLIMIT bei voll EIN-geschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Falle der Wert des MINLIMIT erhöht wird, einer Feststellung, ob die Meßgröße ein MAXLIMIT bei AUS-geschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Fall der Wert des MAXLIMIT gesenkt wird, und einer Feststellung, ob die Meßgröße einer zweiten vorgegebenen Beziehung dem MAXLIMIT genügt, in welchem Falle der Wert des MAXLIMIT erhöht wird.
Die Verwirklichung dieser neuen Regelung führt zu einem Regelsystem mit weniger vom Installateur oder von der Bedienungskraft zu konfigurierenden Parametern. Überdies handelt es sich bei den der Bedienungskraft nun nicht mehr zugänglichen Parametern um solche, deren Einstellung auf die richtigen Werte schwierig ist, wobei sich die richtigen Werte je nach jahreszeitlich bedingten oder anderen sich auf die Prozeßdynamik auswirkenden Lastunterschieden ändern können. Der neue Algorithmus spart daher Installations- und Einstellzeit und erleichtert der Bedienungskraft die Benutzung auf dauerhafte Weise.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Kaskadenregelung aus dem Stand der Technik.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kaskadenregelung.
Fig. 3 ist ein Fließdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines klima- und lüftungstechnischen Systems mit einer die erfindungsgemäße Vorrichtung und den erfindungsgemäßen Prozeß beinhaltenden Regeleinheit.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wo ein Blockschaltbild eines adaptiven Kaskadenregelsystems dargestellt ist. Zu dem System gehören ein erstes Regelmodul 10', Skaliermodul 20', adaptives Prozeßmodul 40 und zweites Regelmodul 30'. Das erste Regelmodul 10' empfängt einen durch den Benutzer eingegebenen Sollwert und einen Ist-Sensormeßwert als Eingaben an Klemmen 11' und 12'. Aas erste Regelmodul, bei dem es sich um einen PID-Regler handeln kann, erzeugt ein erstes Ausgangssignal, je nach der Programmierung des Reglers. Das erste Ausgangssignal wird dem Skaliermodul 20' bei Klemme 13' übermittelt. Zu beachten ist, daß bei der vorliegenden Erfindung die Einzelheiten der Programmierung des ersten und des zweiten Regelmoduls unwesentlich sind, solange das vom Regelmodul erzeugte Signal dem Unterschied zwischen den Eingangssignalen in das Modul entspricht.
Das Skaliermodul 20' multipliziert dann die erste Ausgabe mit einem Skalierfaktor, der als Funktion von MAXLIMIT und MINLIMIT ermittelt wird. Damit ergibt sich ein zweites Ausgangssignal. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Skalierfaktor eine lineare Funktion von MAXLIMIT und MINLIMIT. MAXLIMIT und MINLIMIT werden durch das adaptive Prozeßmodul eingestellt.
Das adaptive Regelmodul ist mit dem Skaliermodul verbunden und empfängt auf Klemme 24 einen Sensormeßwert für das geregelte Medium. Durch den nachstehend in Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Prozeß bildet das adaptive Regelmodul aktualisierte MAXLIMIT- und MINLIMIT-Werte, die dem Skaliermodul auf Klemmen 21' und 22' zugeführt werden. Das Skaliermodul wandelt dann aufgrund des neuen MAXLIMIT und MINLIMIT die zur Bildung der zweiten Ausgabe verwendete Kurve ab.
Das zweite Regelmodul 30' empfängt auf seinen Klemmen 23' beziehungsweise 31' das zweite Ausgangssignal beziehungsweise den Sensormeßwert für das geregelte Medium. Das zweite Regelmodul erzeugt ein drittes Ausgangssignal, das der Differenz zwischen den Eingaben in das Modul entspricht. Dieses dritte Ausgangssignal wird der Regelvorrichtung übermittelt.
Der adaptive Kaskadenregelalgorithmus arbeitet so, daß er dem Skaliermodul aktualisierte MAXLIMIT- und MINLIMIT-Werte liefert. In Fig. 2 ist zu beachten, daß die vom Benutzer eingegebenen Minimal- und Maximalsollwertgrenzparameter (in Fig. 1 dargestellt) nicht mehr erforderlich sind.
Der dem adaptiven Algorithmus zugrundeliegende Kerngedanke besteht darin, den zeitlichen Verlauf der Regelgröße bei sich verändernden Lastbedingungen zu überwachen und auf ihren ersten und zweiten Grenzwert zu achten. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten und zweiten Grenzwert um maximal und minimal erreichbare Werte. Diese Daten werden dann zur Einstellung der Höchst- und Mindestgrenzen (MAXLIMIT und MINLIMIT) am Sollwert der Regelgröße genutzt. Bei der klassischen Kaskadenregelung (Fig. 1) werden die Grenzwerte häufig nicht richtig eingestellt (ein von Hand erfolgender Vorgang), und die Regeleinheit kann dann nicht ihre optimale Leistung erzielen, weil dem Sollwert ein ungeeigneter Wert aufgezwungen wird. Der adaptive Algorithmus berechnet die richtigen Werte für diese Grenzparameter und bewirkt so, daß die Regeleinheit fortwährend mit maximaler Leistung arbeitet.
Der Algorithmus prüft im wesentlichen vier Fälle, um festzustellen, ob die Mindest- oder Höchstgrenzen des Sollwerts anzupassen waren. Diese vier Fälle sind zusammen mit einer Beschreibung der Abhilfemaßnahmen des Algorithmus in Tabelle 1 beschrieben.
Mit Hilfe eines Zeitintervallgebers überprüft der Algorithmus die vier möglichen Fälle während eines jeden "Intervallzeitraums". Typische Werte für die Intervallzeit bei einer Anwendung zur Regelung der Ausblaslufttemperatur in der Klima- und Lüftungstechnik liegen bei 7 bis 10 Minuten.

TABELLE 1

Auslösebedingung Reaktion des Algorithmus

Fall 1 (Mindestsollwert) - Die Meßgröße hat das MINLIMIT unterschritten. Den Wert des MINLIMIT senken
Fall 2 (Mindestsollwert) - Die Meßgröße kann das MINLIMIT nicht erreichen, selbst bei voll EIN- geschalteter Ausgabe (bei einem direkt wirkenden Regler - siehe Anmerkung in Fig. 3). Den Wert des MINLIMIT erhöhen.
Fall 3 (Höchstsollwert) - Die Meßgröße kann das MAXLIMIT nicht erreichen, selbst bei AUS-geschalteter Ausgabe (bei einem direkt wirkenden Regler - siehe Anmerkung in Fig. 3). Den Wert des MAXLIMIT senken
Fall 4 (Höchstsollwert) - Die Meßgröße hat das MAXLIMIT überschritten. Den Wert des MAXLIMIT erhöhen.
Wie der Algorithmus intern arbeitet, um diese vier Fälle zu prüfen, veranschaulicht das in Fig. 3 dargestellte Fließdiagramm. Der Betrag, um den die Mindest- und Höchstsollwertgrenzen erhöht bzw. gesenkt werden (wie in Tabelle 1 erwähnt), wird durch den Wert der Größe "ADJUST" bestimmt, wie nachstehend noch besprochen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Algorithmus MINLIMIT und MAXLIMIT Grenzbedingungen auferlegen, so daß absolute Unter- und Obergrenzen existieren, die nicht unter- beziehungsweise überschritten werden. So muß beispielsweise in einem Kühlsystem aus Gründen der Sicherheit und/oder des Komforts verhindert werden, daß die Ausblastemperatur zu tief absinkt und zu kalter Zugluft führt oder eventuell eine Kühlschlange einfriert. Ferner besteht eine Annäherungs-Grenze, um zu verhindern, daß das MINLIMIT und MAXLIMIT einander zu nahe kommen. Was nun Fig. 3 betrifft, so zeigt diese eine bevorzugte Ausführungsform des adaptiven Regelprozesses. Dabei ist zu beachten, daß der nachstehend beschriebene Prozeß sich auf ein sogenanntes "direkt wirkendes" Regelsystem wie eine Ausblasluftkühlregelung bezieht. Mit nur geringfügigen Anpassungen kann der Prozeß auch für den Einsatz bei einem umgekehrt wirkenden Regelsystem realisiert werden.
Nach dem Start bei Block 100 stellt der Prozeß fest, ob der adaptive Regelprozeß bei Block 105 freigegeben ist. Wenn nicht, so rückt der Prozeß zu Block 125, wo Vorgabewerte für MAXLIMIT und MINLIMIT verwendet werden, und der Prozeß versetzt sich bei Block 120 in einen Wartemodus. Nach einer vom Benntzer definierten Warteperiode startet der Prozeß bei Block 100 aufs Neue. In einer bevorzugten Ausführungsform beläuft sich diese Periode auf zehn Sekunden. Diese Periode ist jedoch anwendungsspezifisch.
Ist der adaptive Regelprozeß freigegeben, so wird bei Block 110 ein adaptiver Zeitintervallgeber inkrementiert. Dann stellt der Prozeß bei Block 115 fest, ob das aktuelle adaptive Regelzeitintervall abgelaufen ist. Wenn nicht, versetzt sich der Prozeß bei Block 120 in einen Wartemodus. Wenn ja, rückt der Prozeß nach Block 128, wo der Zeitintervallgeber auf Null zurückgesetzt wird. Dann rückt der Prozeß in den "Adjust"-Wert-Abschnitt bei Block 130 vor. Dieser Prozeß wird zur Anpassung von MAXLIMIT und MINLIMIT an sich ändernde Lastbedingungen verwendet.
Bei Block 135 wird VAR, der Meßwert der Regelgröße, mit der Differenz zwischen MINLIMIT und dem OFFSET verglichen. OFFSET stellt einen Unempfindlichkeitsbereich dar, dessen Wert im Rahmen der Auslegung gewählt wird. Mit einbezogen wird der OFFSET, um Schalthysterese zu berücksichtigen. Ist VAR größer als die Differenz, so rückt der Prozeß nach Block 145 weiter ist. VAR kleiner als die Differenz, dann wird MINLIMIT auf MINLIMIT minus ADJUST gesetzt. Die Beschreibung, wie ADJUST zu berechnen ist, folgt nachstehend. Nach der Berechnung des neuen MINLIMIT rückt der Prozeß dann nach Block 185 weiter.
Bei Block 145 wird das VAR mit der Summe von MINLIMIT und OFFSET verglichen und stellt fest, ob das System mit voller Ausgabe arbeitet. Beläuft sich VAR auf weniger als die Summe, oder arbeitet das System nicht mit voller Ausgabe, so rückt der Prozeß auf Block 160. Ist VAR größer als die Summe, und ist das System auf volle Ausgabe geschaltet, so berechnet der Prozeß bei Block 150 ein neues MINLIMIT gleich MINLIMIT plus ADJUST. Bei Block 155 sorgt der Prozeß dann dafür, daß MINLIMIT kleiner gehalten wird als der VAR-Wert. Überträfe MINLIMIT den VAR-Wert, so wird es dann durch den Prozeß gleich dem VAR-Wert gesetzt. So wird sichergestellt, daß die Addition des ADJUST-Werts nicht dazu führt, daß das neue MINLIMIT über dem aktuellen Ansprechpunkt des Systems. (VAR) zu liegen kommt. Der Prozeß rückt dann auf Block 185.
Bei Block 160 vergleicht der Prozeß VAR mit der Differenz zwischen MAXLIMIT und OFFSET und stehlt fest, ob da s System ausgeschaltet ist. Ist VAR größer als die Differenz oder ist das System nicht ausgeschaltet, so rückt der Prozeß auf Block 175. Ist VAR kleiner als die Differenz und ist das System ausgeschaltet, so berechnet der Prozeß bei Block 165 ein neues MAXLIMIT gleich MAXLIMIT minus ADJUST. Bei Block 170 stellt der Prozeß sicher, daß MAXLIMIT über dem VAR-Wert gehalten wird und rückt dann auf Block 185. Sänke MAXLIMIT unter den VAR-Wert, so wird es dann durch den Prozeß gleich dem VAR-Wert gesetzt. So wird sichergestellt, daß die Subtraktion des ADJUST-Werts nicht dazu führt, daß das neue MAXLIMIT unter dem aktuellen Ansprechpunkt des Systems (VAR) zu liegen kommt.
Bei Block 175 vergleicht der Prozeß VAR mit der Summe von MAXLIMIT und OFFSET. Ist VAR kleiner als die Summe, so rückt der Prozeß auf Block 120. Ist VAR größer als die Summe, so berechnet der Prozeß bei Block 180 ein neues MAXLIMIT gleich MAXLIMIT plus ADJUST. Dann rückt der Prozeß auf Block 185.
Bei Block 185 vergleicht der Prozeß das berechnete neue MAXLIMIT und/oder MINLIMIT mit absoluten Ober- und Untergrenzen. Die absoluten Ober- und Untergrenzen sind vom End Benntzer gewählte Werte mit der jeweiligen Anwendung entsprechenden Vorgabewerten. Zugrundeliegen kann ihnen Komfort, Betriebssicherheit oder andere Kriterien. Mit den Vorgabewerten kann die Regeleinheit in den meisten Fällen betrieben werden, ohne daß sie vom Benntzer modifiziert werden müßten. Typische Werte: für eine Ausblaslufttemperaturregeleinheit kann die absolute Untergrenze 45 Grad F betragen, und die Obergrenze könnte sich auf 110 Grad F belaufen. Auch kontrolliert der Prozeß, ob das neue MAXLIMIT und/oder MINLIMIT der Annäherungs-Einstellung entspricht. Durch die Annäherungsgrenze wird sichergestellt, daß das MINLIMIT und MAXLIMIT nicht zu nahe beieinander zu liegen kommen und zu eventueller Pendelung oder Instabilität führen. Der Wert der Annäherungsgrenze ist je nach Anwendung zu wählen. Beispielsweise bewirkt bei der Ausblaslufttemperaturregelung lung für die Raumkomfortkühlung der Bereich der gesteuerten Vorrichtung (von 0% bis 1 00% des Regelausgangssignals) typischerweise eine Änderung von etwa 20 Grad F der Ausblaslufttemperatur. Die Größe, dieses Bereichs hängt von Luftströmung, Außenlufttemperatur und Feuchtigkeit usw. ab. Die Annäherungsgrenze sollte so gewählt werden, daß sie kleiner ist als etwa 40% des kleinsten zu erwartenden Temperaturbereichs. Ist der Annäherungswert jedoch zu klein, so ergibt sich bei der Berechnung des Sollwerts eine zur Aufrechterhaltung einer stabilen Regelung nicht hinreichend größe Auf lösung, und der Wert ist daher über etwa 25% des kleinsten zu erwartenden Temperaturbereichs zu halten. Die Annäherungsgrenze würde dabei typischerweise vom Konstrukteur der Regelung, der über das anwendungsspezifische Wissen verfügt, in das Produkt hartcodiert werden. Bei einer Mehrzweckregeleinheit könnte die Annäherungsgrenze jedoch ein vom Benntzer einstellbarer Wert sein. Liegt beispielsweise der kleinste zu erwartende Bereich der Ausblaslufttemperaturen bei 50 bis 70 Grad F (einem Bereich von 20 Grad F), dann wäre die Annäherungsgrenze auf etwa 5 bis 8 Grad F (25 bis 40% von 20 Grad F) einzustellen.].
Dann rückt der Prozeß auf Block 190, wo eine RAMPENRATE eingestellt wird. Die RAMPENRATE dient zur Anpassung des neuen MAXLIMIT oder MINLIMIT an seinen neuen Wert über einen bestimmten Zeitraum. Lag beispielsweise die alte Mindestsollwertgrenze bei 52 Grad F und berechnet der Prozeß einen neuen gewünschten Grenzwert von 50 Grad F, so läuft der Sollwert während der zwischen adaptiven Kaskadenregelungsberechnungen vergangenen Zeit rampenförmig auf 50 hinunter. Diese Zeit zwischen den Berechnungen wird durch den "adaptiven Zeitintervallgeber" (in Blöcken 110 und 115 der Fig. 3 dargestellt) gesteuert. Bei der Ausblaslufttemperaturregelungsanwendung wurde das Zeitintervall auf etwa 8 Minuten hartcodiert. Die Rampenrate beträgt daher 2/8 oder 0,25 Grad F/min.] Der Prozeß kehrt dann zu Block 120 zurück.
In Fig. 3 berechnet der mit "ADJUST-Wert berechnen" bezeichnete Block den Betrag, um den die Sollwerte pro Intervall entweder aufwärts oder abwärts zu ändern sind. Der "ADJUST-Wert berechnen"-Block kann auf verschiedenartige Weise realisiert werden. Das hier angewendete Verfahren zieht den aktuellen Differenzwert zwischen der gemessenen Regelgröße ("VAR" in Fig. 3) und ihrem Sollwert heran. Diese Differenz wird als der Proportionalfehlerwert bezeichnet.
Den Proportionalfehler als jenen Betrag heranzuziehen, um den die Sollwertgrenzen angepaßt werden, hat den Vorteil der schnellen, stabilen Reaktion auf Veränderungen der Lastbedingungen. Ist das System aktuell weit vom Sollwert entfernt, so ist der Sollwertgrenzanpassungsbetrag groß (um für eine schnelle Reaktion zu sorgen). Dagegen sind die Anpassungen klein, wenn nahe dem Sollwert gearbeitet wird (um für Stabilität zu sorgen).
ADJUST kann wie folgt berechnet werden. Der ADJUST-Wert wird auf mehrere verschiedene Weisen berechnet, je nachdem, wo der Meßwert der Regelgröße zu jenem Zeitpunkt liegt, bei dem eine Anpassung erforderlich ist. Es gibt zwei Arbeitsabläufe, wie nachstehend jeweils beschrieben: Im ersten Fall liegt der Sollwert aktuell entweder an der unteren oder der oberen Sollwertgrenze. In diesem Fall ist der ADJUST-Wert ein Vielfaches des "Proportionalfehler"-Werts der Primär- Größe (d. h. bei der Ausblastemperaturregelungsanwendung ist dies die. Differenz zwischen dem Zonenlufttemperatursensor und dessen Sollwert). Im zweiten Fall liegt der Sollwert aktuell zwischen den unteren oder oberen Sollwertgrenzen. In diesem Fall ist der ADJUST-Wert ein Vielfaches Des "Proportionalfehler"-Werts der Sekundärgröße (d. h. bei der Ausblastemperaturregelungsanwendung ist dies die Differenz zwischen dem Ausblaslufttemperatursensor und dessen Sollwert).
Bei der Ausblaslufttemperaturregelungsanwendung beträgt der in Fall 1 benutzte "Mehrfach"-Wert 3,0 für Kühlbetrieb und 2,0 für Heizbetrieb. Der in Fall 2 angewendete Mehrfachwert beträgt 1,0 sowohl für Kühlen als auch für Heizen.
In der folgenden Tabelle ist das Verfahren zum Berechnen das ADJUST-Werts, wie es in der Ausblasregelungsanwendung realisiert ist, zusammengefaßt:
Lage der Sekundär-(Regel-)Größe Sich ergebender ADJUST-Wert
Kühlmodus: ALT auf MINLIMIT ADJUST=3*ZLT_prop_err
Kühlmodus: ALT -kann MINLIMIT nicht erreichen ADJUST=ALT_prop_err
Kühlmodus: ALT auf MAXLIMIT ADJUST=3*ZLT_prop_err
Kühlmodus: ALT kann MAXLIMIT nicht erreichen ADJUST=ALT_prop_err
Heizmodus: ALT auf MIN_SOLLWERT ADJUST=2*ZLT_prop_err
Heizmodus: ALT kann MINLIMIT nicht erreichen ADJUST=ALT_prop_err
Heizmodus: ALT auf MAXLIMIT ADJUST=2*ZLT_prop_err
Heizmodus: ALT kann MAXLIMIT nicht erreichen ADJUST=ALT_prop_err
Definitionen: ALT = Ausblaslufttemperatur,
ZLT = Zonenlufttemperatur
prop_err = Proportionalfehler, d. h. die Differenz zwischen einer. Meßgröße und ihrem Sollwert.
Primärgröße = Die durch das Regelsystem auf ihrem Sollwert zu haltende Größe, wenngleich die Regeleinheit diese Größe nur indirekt regelt (d. h. Raum- oder "Zonen"- Temperatur).
Sekundärgröße = Die vom Regelsystem direkt geregelte Größe, die die Primärgröße beeinflußt (d. h. Ausblaslufttemperatur).
Folgende Tabelle stellt die gleichen Angaben für eine allgemeine Regelungsanwendung dar:
Lage der Sekundär-(Regel-)Größe Sich ergebender ADJUST-Wert
Sekundär-VAR bei MINLIMIT ADJUST=X*(Primär-VAR minus Primär- Sollwert)
Sekundär-VAR kann MINLIMIT nicht erreichen ADJUST=Y*(Sekundär- VAR minus Sekundär- Sollwert)
Sekundär-VAR bei MAXLIMIT ADJUST=X*(Primär-VAR minus Primär- Sollwert)
Sekundär-VAR kann MAXLIMIT nicht erreichen ADJUST=Y*(Sekundär- VAR minus Sekundär- Sollwert)

Für das Beispiel der Ausblasluftregelung:

X = 3,0 bei Kühlung
X = 2,0 bei Heizung
Y = 1,0 (immer).
Eine andere Möglichkeit zur Realisierung des "ADJUST- Wert berechnen"-Blocks besteht darin, irgendeinen konstanten Wert zu verwenden, der experimentell ermittelt oder vom Benntzer eingestellt wird. Es gibt auch noch weitere Möglichkeiten.
Um die Reaktion auf Laständerungen noch weiter zu beschleunigen, kann der Algorithmus auch einen Skalierwert (wie etwa 2,0 oder 3,0), multipliziert mit dem Proportionalfehlernachstellbetrag, verwenden. Bei einer Erweiterung des zulässigen Sollwertbereichs (d. h. Senkung des MINLIMIT oder Erhöhung des MAXLIMIT) kann der ADJUST-Wert etwa verdoppelt werden und dann in die aktuelle Sollwertgrenze eingebracht werden. So kann das der Regelung unterworfene System rasch auf den Sollwert zurückkehren.
Diesen Algorithmus nutzende Regeleinheiten könnten zur Steuerung verschiedenartigster industrieller Geräte und Prozesse ausgelegt werden. Validiert wurde der Algorithmus durch Realisierung in einer Regeleinheit für Klima-, und Lüftungstechnikgeräte, an der viele Simulationsuntersuchungen durchgeführt worden sind. Wie schon erwähnt ist die Anwendung zur Ausblasluftregelung eine mögliche Verwendung der hier beschriebenen adaptiven Kaskadenregelung. Ein derartiges System ist in Fig. 4 dargestellt.
In Fig. 4 handelt es sich bei Regeleinheit 405 um die Hauptregelung, um sicherzustellen, daß die Temperatur im Raum 400 sich wie gewünscht verhält. Regeleinheit 405 ist mit einem Lüfter 410, einer Austauschereinheit 415, einem Ventil 416, einer Ausblaslufttemperatureinheit 420 und einem Raumtemperatursensor 425 verbunden. Außenluft 440 und Rückluft 35 werden vereint und durch Lüfter 410 bewegt, um Ausblasluft 430 zu erzeugen.
Während des Betriebs mißt der Temperatursensor 425 die Temperatur in Raum 400. Diese Temperatur wird Regeleinheit 405 übermittelt. Regeleinheit 405, die, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt, einen Prozessor, Speicher und eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, empfängt die Temperaturdaten und realisiert Regelmodul 10' mit Hilfe eines vom Benntzer eingegebenen Sollwerts und der Temperaturdaten als aktuellen Sensormeßwert. Dann realisiert die Regeleinheit das Skaliermodul 20' und das zweite Regelmodul 30' und erzeugt so das dritte Ausgangssignal. Das adaptive Prozeßmodul 40 wird durch die Regeleinheit zu vorgegebenen Zeitintervallen wie oben definiert realisiert. Sowohl das adaptive Prozeßmodul als auch das zweite Regelmodul empfangen einen Sensormeßwert für das geregelte Medium von der Ausblaslufttemperatureinheit 420.
Das dritte Ausgangssignal wird dem Ventil 416 übermittelt, um den Fluß des Prozeßfluids (nicht dargestellt) durch die Austauschereinheit 415 zu regeln. Bei der Austauschereinheit 415 kann es sich um eine Entspannungsschlange oder einen Wärmetauscher handeln. Das Ventil kann als Reaktion auf das dritte Ausgangssignal in mehreren Stellungen geöffnet werden. Durch Regelung des Durchflusses durch die Austauschereinheit wird die Temperatur der die Austauschereinheit durchströmenden Luft variiert.
Vorstehend ist eine nützliche, neue und nicht offensichtliche adaptive Kaskadenregelung beschrieben worden. Durch Realisierung der adaptiven Kaskadenregelung erzielt man eine bessere Steuerung des geregelten Systems über unterschiedliche Lastbedingungen, wobei seitens des Benutzers weniger einzugeben ist. Die Erfinder haben diese schriftliche Beschreibung als Beispiel und nicht als Einschränkung zur Verfügung gestellt, wobei der Rahmen der Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche abgesteckt wird.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Prozeßregeleinheit (405), wobei ein Ausgangssignal einer ersten Steuereinheit (10) als Eingangssignal für eine zweite Steuereinheit verwendet wird, wobei die Eingabe für die zweite Steuereinheit (30) eine Höchstgrenze und eine Mindestgrenze aufweist und das Verfahren zur Kaskadenregelung durch die Schritte einer:

Feststellung, ob die Meßgröße einer ersten vorgegebenen Beziehung genügt, indem sie unter der Mindestgrenze (MINLIMIT) liegt, in welchem Falle der Wert der Mindestgrenze (MINLIMIT) gesenkt wird;

Feststellung, ob die Meßgröße die Mindestgrenze (MINLIMIT) bei voll EIN-geschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Falle der Wert der Mindestgrenze (MINLIMIT) erhöht wird;

Feststellung, ob die Meßgröße die Höchstgrenze (MAXLIMIT) bei AUS-geschalteter Steuereinheitsausgabe nioht erreichen kann, in welchem Falle der Wert der Höchstgrenze (MAXLIMIT) gesenkt wird; und einer

Feststellung, ob die Meßgröße einer zweiten vorgegebenen Beziehung genügt, indem sie über der Höchstgrenze (MAXLIMIT) liegt, in welchem Falle der Wert der Höchstgrenze (MAXLIMIT) erhöht wird, gekennzeichnet ist;

2. Kaskadenregelsystem (405), wobei das Kaskadenregelsystem eine Meßgröße regelt, die adaptive Prozeßeinheit mit einem geregelten Mediumsensor verbunden und zwischen eine erste Steuereinheit (10) und eine zweite (30) geschaltet ist, die Eingabe für die zweite Steuereinheit eine Höchstgrenze und eine Mindestgrenze aufweist, und das System durch:

einen Prozessor (405);

einen Speicher zum Speichern von Befehlen für den Prozessor, wobei der Prozessor durch den Speicher bedingt ein geregeltes Mediumsensorsignal von dem geregelten Mediumsensor sowie ein erstes Ausgangssignal aus der ersten Steuereinheit empfängt und ein zweites Ausgangssignal erzeugt wird, wobei die Speicherbefehle den Prozessor dazu veranlassen, festzustellen, ob die Meßgröße einer ersten vorgegebenen Beziehung genügt, indem sie unter der Mindestgrenze (MINLIMIT) liegt, in welchem Falle der Wert der Mindest grenze (MINLIMIT) gesenkt wird, festzustellen, ob die Meßgröße die Mindestgrenze (MINLIMIT) bei voll EIN-geschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Falle der Wert der Mindestgrenze (MINLIMIT) erhöht wir d, fest zustellen, ob die Meßgröße die Höchstgrenze (MAXLIMIT) bei AUSgeschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Falle der Wert der Höchstgrenze (MAXLIMIT) gesenkt wird, und festzustellen, ob die Meßgröße einer zweiten vorgegebenen Beziehung genügt, indem sie über der Höchstgrenze (MAXLIMIT) liegt, in welchem Falle der Wert der Höchstgrenze (MAXLIMIT) erhöht wird, gekennzeichnet ist.

3. Kaskadenregelsystem nach Anspruch 2 mit:

einer Skaliereinheit (20¹), die ein Ausgangssignal als Funktion eines Regeleingangssignals sowie Höchstgrenzwerte (MAXLIMIT) und Mindestgrenzwerte (MINLIMIT) erzeugt;

einer adaptiven Prozeßeinheit (40), die mit der Skaliereinheit verbunden und dazu geeignet ist, festzustellen, ob die Meßgröße einer ersten vorgegebenen Beziehung genügt, indem sie unter der Mindestgrenze (MINLIMIT) liegt, in welchem Falle der Wert der Mindestgrenze (MINLIMIT) gesenkt wird, festzustellen, ob die Meßgröße die Mindestgrenze (MINLIMIT) bei voll EIN-geschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Falle der Wert der Mindestgrenze (MINLIMIT) erhöht wird, festzustellen, ob die Meßgröße die Höchstgrenze (MAXLIMIT) bei AUSgeschalteter Steuereinheitsausgabe nicht erreichen kann, in welchem Fälle der Wert der Höchstgrenze (MAXLIMIT) gesenkt wird, und festzustellen, ob die Meßgröße einer zweiten vorgegebenen Beziehung genügt, indem sie über der Höchstgrenze (MAXLIMIT) liegt, in welchem Falle der Wert der Höchstgrenze (MAXLIMIT) erhöht wird.