EP3811161A1 - Adaptive two-position controller and method for adaptive two-position control - Google Patents

Adaptive two-position controller and method for adaptive two-position control

Info

Publication number
EP3811161A1
EP3811161A1 EP19730323.3A EP19730323A EP3811161A1 EP 3811161 A1 EP3811161 A1 EP 3811161A1 EP 19730323 A EP19730323 A EP 19730323A EP 3811161 A1 EP3811161 A1 EP 3811161A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
manipulated variable
fall
rise
value
mean
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19730323.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sebastian Leonow
Martin Mönnigmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ruhr Universitaet Bochum
Original Assignee
Ruhr Universitaet Bochum
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ruhr Universitaet Bochum filed Critical Ruhr Universitaet Bochum
Publication of EP3811161A1 publication Critical patent/EP3811161A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
    • G05B13/024Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G05B13/0245Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance not using a perturbation signal

Definitions

  • the invention relates to a method for two-point control of an actuator, based on a binary sensor signal from a sensor unit that detects a process variable that can be influenced by the actuator such that it outputs a first sensor signal value when a first switching value is exceeded and a second sensor signal value when the value falls below a second switching value
  • Actuator is controlled with a manipulated variable that either accepts a first manipulated variable or a second manipulated variable.
  • the invention relates to a two-point controller for controlling an actuator based on a binary sensor signal, having an input for a binary sensor signal and an output for a manipulated variable for controlling an actuator.
  • the invention relates to an actuator which has the two-point controller according to the invention.
  • Two-point controllers are discontinuous controllers that operate
  • a binary output signal with two manipulated variable values is thus output on the basis of a binary sensor signal from a sensor unit that detects a process variable.
  • Two-point controllers are usually used when the manipulated variable is not continuously variable, but only between two states (e.g.
  • Process variable outputs the corresponding signal, but provides a binary sensor signal.
  • a pump in a wastewater pumping station can be operated using a Operate two-point controller, in which the pump is only switched on or off cyclically as required, whereby an activation or deactivation in
  • Actuators whose manipulated variable can be continuously adjusted, i.e. where the manipulated variable can be controlled with intermediate values between the on and off states, make it possible to adapt the manipulated variable value to the requirements.
  • the speed can be regulated as a manipulated variable value, thus preventing repeated repetitive switching on and off.
  • a fill level sensor is required for the need-based control of the speed, which continuously determines the level and sets an energy-optimized speed based on the level.
  • the disadvantage is that a level sensor is required, which is more maintenance-intensive and more expensive than a sensor unit that emits a binary signal.
  • the object of the invention is based on a simple, robust and
  • the underlying object is achieved by a method which has the features of claim 1, advantageous embodiments being set out in the dependent claims 2 to 14.
  • a controller solving the underlying task has the features of claim 15.
  • An actuator according to the invention has the features of claim 16.
  • the underlying process is characterized in that the first
  • the actuating value of the actuator and the second actuating value of the actuator as a function of a fall time, which corresponds to the duration of the first sensor signal value, and a rise time, which corresponds to the duration of the second sensor signal value, can be dynamically adjusted during operation of the actuator such that they converge with one another.
  • the manipulated variable of the actuator is set to the first manipulated value or the second manipulated value depending on the sensor signal value.
  • a heating device that heats a container or room and represents an actuator in the sense of the invention is switched off when a certain process variable value or one
  • Temperature is reached and the first sensor signal value is present. A drop in the temperature in the container or room leads to the temperature falling below a second switching value, so that the sensor outputs a second sensor signal value and the heating device for heating the container or room is switched on. After the temperature has been exceeded, the heating device turns on again
  • the heater is alternately turned on and off with the temperature fluctuating between the switching values.
  • the setting of the first switching value and the subsequent second switching value is referred to below as a cycle.
  • the first signal value is present in the period between exceeding the first switching value and falling below the second switching value. During this period, the actuator is actuated with a manipulated variable that leads to the
  • Process variable falls, accordingly the duration of the first signal value is called the fall time.
  • the second signal value lies between
  • the actuator is actuated with a manipulated value that leads to an increase in the process variable. Accordingly, the duration of the second signal value is referred to as the rise time.
  • the heating device which heats a container or room and at which the temperature is the process variable, is driven with a lower heating power which is so low that the temperature in the container drops when the first switching value has been exceeded and the first sensor signal value is present.
  • the heating device is operated with the lower heating power until the temperature falls below the second switching value and the sensor unit supplies the second sensor signal.
  • the heating device is controlled so that it is operated with an upper heating power that is so high that the temperature in the
  • the actuator is activated with the signal for the upper heating power as long as the second sensor signal is present.
  • the fall time and the rise time are determined from the duration of the sensor signals.
  • the manipulated values are dynamically adjusted based on the rise and fall times.
  • Dynamic adaptation in the sense of the invention is to be understood as a recalculation of the first manipulated variable and the second manipulated variable for each subsequent cycle.
  • the method according to the invention provides for the first manipulated variable and the second manipulated variable to be dynamically adapted, specifically in such a way that the two values converge with one another.
  • the actuator is controlled with a manipulated variable in which the difference between the first and second manipulated variable is smaller than in the previous cycle.
  • the switching frequency also decreases because the difference between the first and second manipulated variable is getting smaller and the process variable changes more slowly.
  • the decrease in the switching frequency also leads to a reduction in wear and energy consumption.
  • the difference from lower to upper heating power in a heating device operated with the method becomes smaller and smaller from cycle to cycle, so that the amplitude of the manipulated variable change decreases successively.
  • the switching frequency also decreases because the temperature of the container or
  • the first manipulated variable and the second manipulated variable are preferably adapted dynamically such that the fall time and the rise time successively assume the same value.
  • the first and the second manipulated value are adjusted accordingly after each cycle so that the fall time and the rise time approach each other. For example, to increase the waste time compared to
  • Control loop in which the process variable constantly changes from outside, represents the optimal operating point.
  • the heating device that heats a container or room, this means that the value at one
  • a symmetrical switching of the actuator around an optimal operating point is thus achieved, which permits low-wear and efficient operation of the actuator.
  • Corresponding manipulated variable amplitude, and the fall time is determined when the
  • a second step in which the actuator is activated with the second manipulated value, which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude, and the rise time is determined when the sensor unit outputs the second sensor signal value, and
  • a third step in which a new manipulated variable is determined from the fall time and the rise time.
  • the first manipulated variable and the second manipulated variable are based on a manipulated variable mean and a
  • Command value amplitude set In the event that the sensor unit outputs the first sensor signal value, the actuator is activated with the first control value, this being the difference between the manipulated variable mean and the
  • Corresponding manipulated variable amplitude In the case of a control loop in which the process variable reacts positively to a change in the manipulated variable, such control of the actuator leads to the process variable falling. In this case, the duration of the first sensor signal value corresponds to the fall time. As soon as the second
  • Switching value is exceeded, which leads to the sensor unit outputting the first sensor signal value.
  • the duration of the second sensor signal value corresponds to the rise time.
  • a new manipulated variable mean value is determined, on the basis of which the first manipulated value and the second manipulated value are recalculated when the first and second steps are repeated.
  • the repeated execution of the first, the second and the third step achieves a targeted regulation of the manipulated variable around the manipulated variable mean value, the manipulated variable fluctuating around the manipulated variable mean value with the manipulated variable amplitude.
  • the mean value of the manipulated variable and the manipulated variable amplitude are advantageously determined on the basis of measured values; the determination of these quantities then does not require user intervention.
  • heating device that heats a container or room
  • the sensor unit After falling below the second switching value, the sensor unit outputs the second sensor signal value and the second step is carried out, the heating device having an upper one
  • Heating power is controlled, which corresponds to the sum of an average heating power and the amplitude. As a result, the temperature in the container or room rises. As soon as the first switching value is exceeded, the sensor unit outputs the first sensor signal value, the duration of this value being the rise time equivalent. In the third step, based on the fall time and the rise time, a new average heating output is calculated as the manipulated variable mean value, which is used when the first and second steps are carried out again.
  • the heating power of the heating device thus fluctuates with the amplitude around the average heating power.
  • a second step in which the actuator is activated with the second manipulated variable, which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude, and in which the fall time is determined when the sensor unit outputs the first sensor signal value, and
  • a third step in which a new manipulated variable is determined from the fall time and the rise time.
  • This variant affects control loops in which the process variable reacts negatively to an increase in the manipulated variable.
  • the actuator is actuated with a first manipulated variable, which is the difference between the manipulated variable mean and
  • the manipulated variable amplitude corresponds to the fact that the process variable increases.
  • the process variable is increased when the sensor unit receives the second
  • Speed amplitude corresponds and is controlled in the second step with an upper speed, the sum of an average speed and one
  • the method preferably has a fourth step in which the manipulated variable amplitude is reduced.
  • Reducing the manipulated variable amplitude means that the first manipulated variable and the second manipulated variable are adjusted so that they converge with one another. As a result, the level of the switching steps to be performed by the actuator decreases, so that the actuator is operated with little wear and energy efficiency. For example, the speed amplitude is reduced in a pump, so that switching losses are reduced when switching between the lower and the upper speed.
  • Method step is carried out repeatedly until a non-zero minimum manipulated variable amplitude is reached.
  • a repeated reduction in the manipulated variable amplitude leads to the first manipulated variable converging to the second manipulated variable.
  • Actuator controlled at least with a manipulated variable, in which the manipulated variable fluctuates with a minimum manipulated variable amplitude around a manipulated variable mean.
  • Such operation is particularly necessary to avoid any disruption to the Determine control loop that lead to an increase or a reduction in the rise or fall time.
  • the minimum manipulated variable amplitude around a manipulated variable mean.
  • the manipulated variable amplitude is selected so that the energy losses and
  • One embodiment of the method according to the invention provides that the fall time and the rise time are compared with one another
  • the new manipulated variable mean being increased if the rise time is greater than the fall time, or
  • the new manipulated variable mean is reduced if the rise time is less than the fall time.
  • the manipulated variable mean value is the optimal operating point for a control loop in which the process variable constantly changes from outside.
  • the difference between the fall time and the rise time indicates that a new correction of the manipulated variable mean value is necessary.
  • the manipulated variable value must be increased if the rise time is greater than the fall time.
  • a reduction of the manipulated variable mean value is necessary if the rise time is less than the fall time. This is a constant adaptation of the
  • k is a correction factor that depends on the fall time
  • the correction factor preferably depends on the ratio between the fall time and the rise time.
  • a correction factor which depends on the fall time and the rise time, is added to the manipulated variable mean value in order to adapt the manipulated variable mean value to changes in the process variable.
  • the factor depends in particular on the relationship between the rise time and the fall time, so that an adjustment between the rise time and the fall time is achieved if the mean value of the manipulated variable is corrected several times.
  • the correction factor is multiplied by the manipulated variable amplitude, which leads to the fact that the correction with reduction of the manipulated variable amplitude becomes smaller and smaller from cycle to cycle and that the manipulated variable mean value approaches an optimal value.
  • An approximation takes place in particular when an externally induced change in the process variable is constant, for example when the outflow quantity for a container to be filled is constant over time.
  • Forming the root of the ratio between the rise time and the fall time has the advantage that the correction takes place smoothly, or the change in the new manipulated variable mean is smaller than when the ratio between the rise time and fall time is used purely.
  • a start step is first carried out in which the actuator is controlled with a manipulated variable which leads to the first switching value being exceeded or the second switching value being exceeded
  • the start step is used to bring the control loop into a state in which the first four process steps are carried out repeatedly and the
  • Process variable alternates between the first switching value and the second switching value.
  • a manipulated variable is set that causes the process variable to increase until it reaches the first switching value
  • a first step is carried out in which the actuator is controlled with the first manipulated variable which corresponds to the difference between a manipulated variable mean value and a manipulated variable amplitude, so that the process variable falls.
  • the aforementioned steps are carried out in such a way that the process variable alternates around the switching values, in particular between the first and the second
  • Switching value alternates.
  • the actuator is controlled with a manipulated value that leads to a drop in the
  • Process size leads. As soon as the value falls below the second switching value, in this case the actuator is actuated with a first manipulated value in a first step, which corresponds to the difference between a manipulated variable mean value and a manipulated variable amplitude, so that the process variable increases. Then the
  • the aforementioned method steps are carried out in such a way that the process variable alternates around the switching values.
  • the starting step is preferably carried out to bring the control loop into a state in which it is based on the binary
  • Sensor signal of a sensor unit can be operated alternately.
  • a preferred embodiment of the invention provides for the fall time and / or the rise time to be compared with an average of the two times and for a deviation to be reset.
  • the manipulated variable mean value (u_mean) and the manipulated variable amplitude (delta) are set to their output values.
  • the comparison between the rise time and the descent time takes place in order to detect any faults in the control loop, since a significant change in the process variable is reflected in a change in the rise time or descent time. If there is such a difference between the rise time and the descent time determined, the manipulated variable is reset, in particular by the
  • the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude can be set back to their initial values. In this way, malfunctions in the process variable are identified and remedied.
  • One embodiment of the invention provides that the first switching value and the second switching value have the same value.
  • This embodiment variant aims at a sensor unit which has only one switching value, a first sensor signal being output when this switching value is exceeded and a second signal value being output when this switching value is undershot.
  • the inertia of the control loop causes the process variable to alternate around the individual switching value.
  • Embodiment corresponds to the simplest form of a sensor unit
  • a float switch for example a float switch or a thermostat.
  • the actuator is preferably a pump, a valve, a pickling device or a cooling device.
  • the underlying method can be used for actuators whose manipulated variable can be continuously adjusted.
  • the process variable is, for example, a flow rate, a level or a pressure
  • the process variable e.g. is the degree of opening of the valve.
  • the cooling device is the process variable, for example a temperature, the manipulated variable in the meat processing device being an electrically generated output.
  • the actuator is preferably a speed-controlled pump, the manipulated variable being the speed of the pump.
  • the invention also relates to a two-point controller for regulating an actuator based on a binary sensor signal, having an input for the binary sensor signal and an output for a manipulated variable for controlling the
  • the two-point controller being set up to carry out the method according to the invention.
  • Such a two-point controller can preferably be implemented by a microcontroller that carries out the underlying method.
  • the implementation of the underlying method by means of an analog circuit is particularly preferred, since this can be implemented with simple components such as operational amplifiers and logic gates, and thereby advantages, e.g. in certification for safety-critical applications.
  • the invention also relates to an actuator which has a controller according to the invention.
  • Manipulated variable depends, namely a container or room that is heated by means of a heating device
  • Fig. 1 b shows an application in which the process variable is negative
  • Manipulated variable depends, namely a container that is emptied by means of a pump
  • Fig. 2a shows the time course of a process variable, which by means of
  • Outputs sensor unit, 2c shows the time course of the manipulated variable with which the actuator is controlled, as well as the corresponding manipulated variables and the corresponding manipulated variable amplitude
  • Fig. 3 shows a process diagram illustrating the features of the
  • Fig. 4 schematically shows a two-point controller according to the invention, which is realized by means of analog components.
  • 1 a shows an application example of the underlying method, in which the process variable P is positive from a manipulated variable u
  • Actuator 1 is influenced. It is a container 3 which is heated by means of a pickling device 1, the level P, in the example the temperature, being measured inside the container by means of a sensor unit 2.
  • Sensor unit supplies a binary sensor signal y, which depends on the level P.
  • the sensor unit 2 outputs a first sensor signal value y1 when the process variable P exceeds a first switching value Sw1. If the
  • Process variable P falls below a second switching value Sw2, the sensor unit 2 outputs a second sensor signal value yO.
  • the pickling device 1 is the actuator and the thermal output of the pickling device 1 is the manipulated variable u, which is controlled by means of the two-point controller 10.
  • the straight arrows represent the flow direction of the medium to be heated. The flow rate of the medium varies as required.
  • 1 b shows an application example in which the process variable P is negatively dependent on the manipulated variable u. It is a container 3 which is emptied by means of a pump 1, the level P inside the container 3 being measured by means of a sensor unit 2 which provides a binary sensor signal y. In this application, the level P falls with increasing manipulated variable u, or the speed of the pump 1.
  • the control value u is controlled by the
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show, by way of example, the course of the process over time, the process variable P being positively dependent on the manipulated variable u, that is to say increasing as the manipulated variable u increases.
  • the time t is given in seconds.
  • Process variable P an. 2b shows the binary sensor signal y, the first sensor signal value y1 being present when the process variable P is the first
  • Switching value Sw1 exceeds.
  • the first signal value y1 is present until the process variable P falls below the second switching value Sw2, at which moment the second sensor signal value yO is output by the sensor unit.
  • the manipulated variable u of the actuator 1 is controlled on the basis of the binary sensor signal y, the manipulated variable u in the present case assuming a first manipulated value u1 when the first sensor signal value y1 is present.
  • the process variable P falls, so that the duration of the first sensor signal value y1 corresponds to a fall time t_fall.
  • the process variable P falls when the actuator 1 assumes the second manipulated value u2, so that the duration of the second sensor signal value yO corresponds to a rise time t_rise.
  • the durations of the sensor signal values y1 and y2 are used in the underlying method to dynamically adapt the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 during the operation of the actuator 1 such that they converge with one another.
  • the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 approach each other during the operation of the actuator 1.
  • the switching jumps between the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 become smaller and smaller, which leads to a reduction in switching losses when the actuator 1 is set.
  • This advantageously enables an energy-efficient and low-wear operation of the actuator 1, that is to say, for example a pump or a pickling device.
  • the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 are adjusted so that the fall time t_fall and the rise time t_rise converge to the same value.
  • the first place value u1 and the second place value u2 are preferably calculated on the basis of a manipulated variable mean value u_mean and a manipulated variable amplitude delta.
  • the first manipulated variable u1 corresponds to the difference between the manipulated variable mean u_mean and the manipulated variable amplitude delta. It is applied when the sensor unit 2 outputs the first sensor signal value y1, that is, when the process variable P exceeds the first switching value Sw1. As a result of the control with a reduced manipulated variable u, the process variable P falls until it falls below the second switching value Sw2 and the sensor unit 2 outputs the second sensor signal value y2.
  • the duration of the first sensor signal value y1 corresponds to the fall time t_fall.
  • the actuator 1 is driven with the second manipulated value u2, which then corresponds to the sum of the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta.
  • the increased manipulated variable u causes the process variable P to increase, the second sensor signal value y2 being present until the process variable P has exceeded the first switching value Sw1.
  • the actuator 1 is then actuated with the first manipulated variable u1, based on a newly determined manipulated variable mean value u_mean and a newly determined manipulated variable amplitude delta, which are determined on the basis of the fall time t_fall and the rise time t_rise.
  • the manipulated variable amplitude delta is successively reduced, so that the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 converge with one another.
  • the mean value of the manipulated variable is gradually adjusted u_mean, which converts after a plurality of cycles to a value at which the fall time t_fall and the rise time t_rise are the same.
  • the time profiles from FIGS. 2a, 2b and 2c are based on a method which is represented by the method diagram from FIG. 3, which is usually referred to as a structogram.
  • the manipulated variable u is controlled as a function of the state of the control method, a distinction being made between states 1, 2 and 3.
  • State 2 corresponds to a first step 102, in which the actuator is controlled with a manipulated variable u which corresponds to the difference between the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta.
  • a manipulated variable u which corresponds to the difference between the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta.
  • the control with such a manipulated variable u causes the process variable P to increase.
  • State 2 is running.
  • State 3 corresponds to a second step 103, in which a manipulated variable u is set which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta.
  • the left column of state 3 is executed, the rise time t_rise being determined.
  • a new manipulated variable mean value u_mean is determined on the basis of the rise time t_rise and the fall time t_fall.
  • the new manipulated variable mean u_mean is based on the
  • the manipulated variable mean is greater than the previous manipulated variable mean.
  • the new manipulated variable mean u_mean is in this case smaller than the old manipulated variable mean u_mean.
  • Adaptation of the manipulated variable mean value u_mean is shown in FIG. 2c by the light gray line.
  • a fourth step 105 is carried out in the exemplary embodiment, in which the
  • Manipulated variable amplitude 0.9 times the old manipulated variable amplitude delta. If the reduction is carried out again, the manipulated variable amplitude delta decreases exponentially. After reducing the manipulated variable amplitude, state 2 is carried out, the newly determined one for calculating the manipulated variable u
  • the manipulated variable mean u_mean and the newly determined manipulated variable amplitude delta can be used.
  • the manipulated variable u corresponds to the difference between the new manipulated variable mean u_mean and the new manipulated variable amplitude delta. Due to the control with a reduced manipulated variable, the
  • Process variable P decreases again.
  • the first step 102, the second step 103, the third step 104 and the fourth step 105 are carried out in succession and repeatedly, the manipulated variable mean value u_mean being adapted and the
  • Manipulated variable amplitude delta is successively reduced. After several cycles, the manipulated variable mean value u_mean approaches a value at which the fall time t_fall is equal to the rise time t_rise.
  • the manipulated variable amplitude delta is reduced until a minimal one
  • the manipulated variable mean u_mean reaches a value at which the rise time t_rise is equal to the fall time t_fall.
  • the constant fluctuation of the process variable P and the associated repeated determination of the times t_fall and t_rise is necessary in order to be able to recognize any disturbances in the process variable P from the outside.
  • state 2 is when the first
  • the manipulated variable mean u_mean and the manipulated variable amplitude delta. 3 the query of suppression is represented by reference number 107. By suppressing the recalculation it is achieved that the control can quickly adapt to disturbances, so that the process variable P does not deviate too much from the desired value.
  • the mean value u_mean is corrected upwards
  • this disturbance could mean that the temperature has dropped due to the opening of the container, so that the output of the heating device must be increased in order to compensate for the temperature drop.
  • the manipulated variable u can be varied between 0 and 10 and represents an abstract value. It can be, for example, a voltage with which an actuator is operated. Based on the application example from FIG. 1 a, the heating power of the heating device would correspond to a value that is proportional to the manipulated variable u from FIG. 2 c. In an embodiment variant, not shown, the method can be transferred from the diagram in FIG. 3 to an application example in FIG. 1 b.
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of a controller 10 according to the invention is shown in FIG. 4
  • the circuit diagram shown corresponds to an upper level, in which the individual blocks are each made up of analog circuits.
  • the binary output signal y of the sensor unit 2 is applied to an input 11 and is output as a manipulated variable u at the output 12 by means of analog components, for example operational amplifiers and memory elements.
  • Sensor signal y is applied to an input of a state machine 13, which has five states s1 to s5.
  • State s1 serves to initialize the controller.
  • state s4 the new manipulated variable mean u_mean is calculated.
  • state s5 the manipulated variable amplitude delta is reduced and the time measurement is reset.
  • the states are subsequently changed by the state machine 13 in the sequence 1, 2, 3, 4, 5, 2, 3, 4, 5, 2 ...
  • the state machine 13 outputs a signal rise, with which a first switch 21 is activated, so that the second manipulated variable u2 is present at the output 12, which leads to an increase in the process variable P.
  • State machine 13 fails a signal, a switch 22 is controlled so that the first control value u1 is present at the output 12 and the process variable P falls.
  • Memory block 14 for the manipulated variable mean value u_mean set a voltage Vin1 which corresponds to the voltage from a voltage source 24, in the present case 5 volts. This supply voltage is also in a second memory block 15 for the
  • the memory blocks 14 and 15 are sample-and-hold circuits with two predeterminable input values.
  • the first memory block 14 and the second supply as output voltages
  • Memory block 15 each 5 volts, which are applied to the inputs of an adder 18 and a differentiator 19.
  • a signal is applied to an input of a first integrator 16, the duration of the signal corresponding to the first signal value being output by means of the integrator 16 as voltage Vout. This voltage is applied to a mean calculation block 20 as t_fall.
  • Integrators 17 is also used as the input of the mean value calculation block 20.
  • the mean value calculation block 20 uses the fall time t_fall, the rise time t_rise, the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta to determine a new manipulated variable mean value newUmean, which is applied to an input Vin2 of the first memory block 14.
  • Command value mean value newUmean carried out and this voltage set as output voltage in the first memory block 14 by activating the input setVin2. This output voltage is applied to the adder 18 and to the
  • the manipulated variable amplitude delta in the memory block 15 is reduced.
  • the manipulated variable u at output 12 depends on the newly set manipulated variable mean of the first
  • the manipulated variable amplitude is not reduced if a reset is set by the mean value calculation block 20, which is applied to a flip-flop 30 and is combined with the second AND gate 29. In the same way Neither is a new manipulated variable mean value u_mean set when the reset is present, since the output s4 of the state machine and the output Q of the flip-flop 30 are linked to one another via a first AND gate 28.
  • Supply voltage of the voltage source 24 is set as the manipulated variable mean.
  • the supply voltage of the voltage source 24 is shown as
  • Manipulated variable amplitude set The reset is set by the mean value calculation block 20 if the fall time t_fall or the rise time t_rise deviates from the mean value of both times t_span.
  • Such an analog circuit can be implemented as an integrated module which is inserted into an actuator 1, the actuator 1 being, for example, a pump, a valve, a heating device or a cooling device.
  • an energy-efficient and low-wear control of an actuator 1 can thus be implemented with little effort if a sensor unit 2 is used which provides a binary sensor signal y.

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Abstract

The invention relates to a method for the two-position control of an actuator (1) on the basis of a binary sensor signal (y) of a sensor unit (2), which senses a process variable (P), which can be influenced by the actuator (1), in such a way that the sensor unit outputs a first sensor signal value (y1) when a first switching value (Sw1) is exceeded and a second sensor signal value (y0) when a second switching value (Sw1, Sw2) is fallen below, wherein: the actuator (1) is controlled with a manipulated variable (u), which assumes either a first control value (u1) or a second control value (u2); the first control value (u1) and the second control value (u2) are dynamically adapted during the operation of the actuator (1), in dependence on a fall time (t_fall) corresponding to the duration of the first sensor signal value (y1) and a rise time (t_rise) corresponding to the duration of the second sensor signal value (y0), in such a way that the first and second control values converge. The invention further relates to a two-position controller (10) designed to carry out the method and to an actuator (1) comprising said two-position controller (10).

Description

Adaptiver Zweipunktregler und Verfahren zur adaptiven Zweipunktregelung  Adaptive two-point controller and method for adaptive two-point control
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zweipunktregelung eines Stellgliedes, auf Grundlage eines binären Sensorsignals einer Sensoreinheit, die eine vom Stellglied beeinflussbare Prozessgröße derart erfasst, dass sie bei Überschreiten eines ersten Schaltwertes einen ersten Sensorsignalwert und bei Unterschreiten eines zweiten Schaltwertes einen zweiten Sensorsignalwert ausgibt, wobei das Stellglied mit einer Stellgröße angesteuert wird, die entweder einen ersten Stellwert oder einen zweiten Stellwert annimmt. Zudem betrifft die Erfindung einen Zweipunktregler zur Regelung eines Stellglieds auf Grundlage eines binären Sensorsignals, aufweisend einen Eingang für ein binäres Sensorsignal und einen Ausgang für eine Stellgröße zur Ansteuerung eines Stellglieds. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Stellglied, das den erfindungsgemäßen Zweipunktregler aufweist. The invention relates to a method for two-point control of an actuator, based on a binary sensor signal from a sensor unit that detects a process variable that can be influenced by the actuator such that it outputs a first sensor signal value when a first switching value is exceeded and a second sensor signal value when the value falls below a second switching value Actuator is controlled with a manipulated variable that either accepts a first manipulated variable or a second manipulated variable. In addition, the invention relates to a two-point controller for controlling an actuator based on a binary sensor signal, having an input for a binary sensor signal and an output for a manipulated variable for controlling an actuator. Furthermore, the invention relates to an actuator which has the two-point controller according to the invention.
Bei Zweipunktreglern handelt es sich um unstetig arbeitende Regler, die ein Two-point controllers are discontinuous controllers that operate
Stellglied mit zwei Stellwerten ansteuern, wobei je nachdem, ob der Istwert über oder unter dem Sollwert liegt, ein oberer oder ein unterer Stellwert ausgegeben wird. Es wird somit auf Grundlage eines binären Sensorsignals einer Sensoreinheit, die eine Prozessgröße erfasst, ein binäres Ausgangssignal mit zwei Stellgrößenwerten ausgegeben. Zweipunktregler kommen in der Regel dann zum Einsatz, wenn die Stellgröße nicht stetig variabel ist, sondern nur zwischen zwei Zuständen (z.B. Control the actuator with two manipulated values, whereby an upper or a lower manipulated value is output, depending on whether the actual value is above or below the setpoint. A binary output signal with two manipulated variable values is thus output on the basis of a binary sensor signal from a sensor unit that detects a process variable. Two-point controllers are usually used when the manipulated variable is not continuously variable, but only between two states (e.g.
ein/aus) wechseln kann, und/oder wenn die Sensoreinheit kein stetiges der on / off) and / or if the sensor unit is not a constant one
Prozessgröße entsprechendes Signal ausgibt, sondern ein binäres Sensorsignal zur Verfügung stellt. Process variable outputs the corresponding signal, but provides a binary sensor signal.
Mit einem Zweipunktregler lässt sich ein Regelkreis für die Regelung einer With a two-point controller, a control loop for controlling a
Prozessgröße, beispielsweise eines Füllstands oder einer Temperatur, mit einer kostengünstigen Sensoreinheit realisieren, die ein binäres Ausgangssignal liefert, beispielsweise mit einem Schwimmerschalter oder einem Bimetallschalter. Zum Beispiel lässt sich eine Pumpe einer Abwasserpumpstation mittels eines Zweipunktreglers betreiben, bei dem die Pumpe lediglich zyklisch ober nach Bedarf an oder ausgeschaltet wird, wobei eine Aktivierung oder Deaktivierung in Realize the process variable, for example a fill level or a temperature, with an inexpensive sensor unit that delivers a binary output signal, for example with a float switch or a bimetal switch. For example, a pump in a wastewater pumping station can be operated using a Operate two-point controller, in which the pump is only switched on or off cyclically as required, whereby an activation or deactivation in
Abhängigkeit des Pegelstandes in einem Pumpensumpf gesteuert durch einen Schwimmerschalter erfolgt. Dabei führen allerdings häufige Ein-Aus-Wechsel zu einem erhöhten Verschleiß und zu einem erhöhten Energieverbrauch. Dependence of the level in a pump sump is controlled by a float switch. However, frequent on-off changes lead to increased wear and energy consumption.
Stellglieder, deren Stellgröße wertkontinuierlich einstellbar ist, d.h. bei denen die Stellgröße mit Zwischenwerten zwischen den Ein- und Auszuständen ansteuerbar ist, ermöglichen es den Stellgrößenwert an den Bedarf anzupassen. Beispielsweise lässt sich bei Pumpenaggregaten, die einen Frequenzumformer zur Drehzahlregelung aufweisen, die Drehzahl als Stellgrößenwert bedarfsgerecht regeln und so ein sich ständig wiederholendes Ein- und Ausschalten verhindern. Für die bedarfsgerechte Regelung der Drehzahl ist nach der DE 10 2013 007 026 A1 ein Füllstandssensor erforderlich, der den Pegelstand kontinuierlich bestimmt und auf Grundlage des Pegelstandes eine energieoptimierte Drehzahl einstellt. Der Nachteil besteht darin, dass ein Füllstandsensor erforderlich ist, der im Vergleich zu einer ein binäres Signal ausgebenden Sensoreinheit wartungsintensiver und kostspieliger ist. Actuators whose manipulated variable can be continuously adjusted, i.e. where the manipulated variable can be controlled with intermediate values between the on and off states, make it possible to adapt the manipulated variable value to the requirements. For example, in pump units that have a frequency converter for speed control, the speed can be regulated as a manipulated variable value, thus preventing repeated repetitive switching on and off. According to DE 10 2013 007 026 A1, a fill level sensor is required for the need-based control of the speed, which continuously determines the level and sets an energy-optimized speed based on the level. The disadvantage is that a level sensor is required, which is more maintenance-intensive and more expensive than a sensor unit that emits a binary signal.
Aufgabe der Erfindung ist es auf Grundlage einer einfachen, robusten und The object of the invention is based on a simple, robust and
kostengünstigen Sensoreinheit ein Verfahren zur Regelung eines Stellgliedes zur Verfügung zu stellen, das das Stellglied energieeffizient und verschleißarm betreibt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung einen Regler zur Verfügung zu stellen, der auf Grundlage einer einfachen, robusten und kostengünstigen Sensoreinheit eine energieeffiziente und verschleißarme Regelung eines Stellgliedes ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der zugrundeliegenden Erfindung ein Stellglied zur To provide cost-effective sensor unit a method for controlling an actuator, which operates the actuator in an energy-efficient and low-wear manner. It is also an object of the invention to provide a controller which, based on a simple, robust and inexpensive sensor unit, enables an actuator to be controlled in an energy-efficient and low-wear manner. Furthermore, it is an object of the underlying invention an actuator for
Verfügung zu stellen, das mittels des erfindungsgemäßen Reglers energieeffizient und verschleißarm betreibbar ist. To make available that can be operated in an energy-efficient and low-wear manner by means of the controller according to the invention.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, wobei vorteilhafte Ausführungen in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 aufgeführt sind. Ein die zugrundeliegende Aufgabe lösender Regler weist die Merkmale des Anspruch 15 auf. Ein erfindungsgemäßes Stellglied hat die Merkmale des Anspruchs 16. Das zugrundeliegende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste The underlying object is achieved by a method which has the features of claim 1, advantageous embodiments being set out in the dependent claims 2 to 14. A controller solving the underlying task has the features of claim 15. An actuator according to the invention has the features of claim 16. The underlying process is characterized in that the first
Stellwert des Stellglieds und der zweite Stellwert des Stellglieds in Abhängigkeit von einer Abfallzeit, die der Dauer des ersten Sensorsignalwerts entspricht, und einer Anstiegszeit, die der Dauer des zweiten Sensorsignalwerts entspricht, im Betrieb des Stellglieds derart dynamisch angepasst werden, dass sie zueinander konvergieren. The actuating value of the actuator and the second actuating value of the actuator as a function of a fall time, which corresponds to the duration of the first sensor signal value, and a rise time, which corresponds to the duration of the second sensor signal value, can be dynamically adjusted during operation of the actuator such that they converge with one another.
Bei einem Verfahren, das die Merkmale aus dem Oberbegriff aufweist, wird die Stellgröße des Stellglieds je nach Sensorsignalwert auf den ersten Stellwert oder den zweiten Stellwert eingestellt. Beispielsweise wird eine Heizvorrichtung, die einen Behälter oder Raum beheizt und ein Stellglied im Sinne der Erfindung darstellt, ausgeschaltet, wenn ein bestimmter Prozessgrößenwert, respektive eine In a method that has the features from the preamble, the manipulated variable of the actuator is set to the first manipulated value or the second manipulated value depending on the sensor signal value. For example, a heating device that heats a container or room and represents an actuator in the sense of the invention is switched off when a certain process variable value or one
Temperatur, erreicht ist und der erste Sensorsignalwert anliegt. Ein Absinken der Temperatur im Behälter oder Raum führt dazu, dass die Temperatur unter einen zweiten Schaltwert fällt, so dass der Sensor einen zweiten Sensorsignalwert ausgibt und die Heizvorrichtung zum Beheizen des Behälters oder Raumes eingeschaltet wird. Nach Überschreiten der Temperatur wird die Heizvorrichtung wieder Temperature is reached and the first sensor signal value is present. A drop in the temperature in the container or room leads to the temperature falling below a second switching value, so that the sensor outputs a second sensor signal value and the heating device for heating the container or room is switched on. After the temperature has been exceeded, the heating device turns on again
ausgeschaltet. Als Folge dessen wird die Heizvorrichtung abwechselnd aus und eingeschaltet, wobei die Temperatur zwischen den Schaltwerten schwankt. Das Einstellen des ersten Schaltwertes und des darauffolgenden zweiten Schaltwertes wird im Folgenden als Zyklus bezeichnet. switched off. As a result, the heater is alternately turned on and off with the temperature fluctuating between the switching values. The setting of the first switching value and the subsequent second switching value is referred to below as a cycle.
Der erste Signalwert liegt in dem Zeitraum zwischen Überschreiten des ersten Schaltwerts und unterschreiten des zweiten Schaltwertes an. In diesem Zeitraum wird das Stellglied mit einem Stellwert angesteuert, der dazu führt, dass die The first signal value is present in the period between exceeding the first switching value and falling below the second switching value. During this period, the actuator is actuated with a manipulated variable that leads to the
Prozessgröße fällt, dementsprechend wird die Dauer des ersten Signalwertes als Abfallzeit bezeichnet. Der zweite Signalwert liegt in dem Zeitraum zwischen Process variable falls, accordingly the duration of the first signal value is called the fall time. The second signal value lies between
Unterschreiten des zweiten Schaltwertes und Überschreiten des ersten Schaltwertes an. Das Stellglied wird in diesem Zeitraum mit einem Stellwert angesteuert, der zum Ansteigen der Prozessgröße führt, dementsprechend wird die Dauer des zweiten Signalwertes als Anstiegszeit bezeichnet. Falling below the second switching value and exceeding the first switching value. During this period, the actuator is actuated with a manipulated value that leads to an increase in the process variable. Accordingly, the duration of the second signal value is referred to as the rise time.
Zum Beispiel wird die Heizvorrichtung, die einen Behälter oder Raum beheizt und bei der die Temperatur die Prozessgröße ist, mit einer unteren Heizleistung angesteuert, die derart niedrig ist, dass die Temperatur im Behälter fällt, wenn der erste Schaltwert überschritten worden ist und der erste Sensorsignalwert anliegt. Die Heizvorrichtung wird solange mit der unteren Heizleistung betrieben, bis die Temperatur unter den zweiten Schaltwert fällt und die Sensoreinheit das zweite Sensorsignal liefert. Sobald das zweite Sensorsignal anliegt, wird die Heizvorrichtung so angesteuert, dass es mit einer oberen Heizleistung betrieben wird, die so hoch, dass die Temperatur im For example, the heating device, which heats a container or room and at which the temperature is the process variable, is driven with a lower heating power which is so low that the temperature in the container drops when the first switching value has been exceeded and the first sensor signal value is present. The heating device is operated with the lower heating power until the temperature falls below the second switching value and the sensor unit supplies the second sensor signal. As soon as the second sensor signal is present, the heating device is controlled so that it is operated with an upper heating power that is so high that the temperature in the
Behälter bzw. Raum steigt. Das Stellglied wird solange mit dem Signal für die obere Heizleistung angesteuert, wie das zweite Sensorsignal anliegt. Aus der Dauer der Sensorsignale werden die Abfallzeit und die Anstiegszeit bestimmt. Container or room rises. The actuator is activated with the signal for the upper heating power as long as the second sensor signal is present. The fall time and the rise time are determined from the duration of the sensor signals.
Auf Grundlage der Anstiegszeit und der Abfallzeit werden die Stellwerte dynamisch angepasst. Unter einer dynamischen Anpassung im Sinne der Erfindung ist eine erneute Berechnung des ersten Stellwertes und des zweiten Stellwertes für jeden darauffolgenden Zyklus zu verstehen. The manipulated values are dynamically adjusted based on the rise and fall times. Dynamic adaptation in the sense of the invention is to be understood as a recalculation of the first manipulated variable and the second manipulated variable for each subsequent cycle.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen, dass der erste Stellwert und der zweite Stellwert dynamisch angepasst werden, und zwar so, dass die beiden Werte zueinander konvergieren. Das Stellglied wird somit bei jedem neuen Zyklus mit einer Stellgröße angesteuert, bei der die Differenz aus erstem und zweitem Stellwert kleiner ist als beim vorherigen Zyklus. Mit abnehmender Amplitude der Stellgrößenveränderung nehmen die Schaltverluste und der Verschleiß des The method according to the invention provides for the first manipulated variable and the second manipulated variable to be dynamically adapted, specifically in such a way that the two values converge with one another. With each new cycle, the actuator is controlled with a manipulated variable in which the difference between the first and second manipulated variable is smaller than in the previous cycle. With decreasing amplitude of the manipulated variable change, the switching losses and the wear of the
Stellgliedes ab. Im Übrigen nimmt auch die Schalthäufigkeit ab, da die Differenz aus erstem und zweitem Stellwert immer kleiner wird und sich damit die Prozessgröße langsamer ändert. Die Abnahme der Schalthäufigkeit führt ebenfalls zur Reduzierung des Verschleißes und des Energieverbrauchs. Actuator. Incidentally, the switching frequency also decreases because the difference between the first and second manipulated variable is getting smaller and the process variable changes more slowly. The decrease in the switching frequency also leads to a reduction in wear and energy consumption.
Beispielsweise wird bei einer Heizvorrichtung, die zum Beheizen eines Behälters oder Raumes vorgesehen ist, die Differenz von unterer zu oberer Heizleistung bei einer mit dem Verfahren betriebenen Heizvorrichtung von Zyklus zu Zyklus immer kleiner, so dass die Amplitude der Stellgrößenveränderung sukzessive abnimmt.For example, in a heating device which is provided for heating a container or room, the difference from lower to upper heating power in a heating device operated with the method becomes smaller and smaller from cycle to cycle, so that the amplitude of the manipulated variable change decreases successively.
Auch die Schalthäufigkeit nimmt ab, da sich die Temperatur des Behälters bzw. The switching frequency also decreases because the temperature of the container or
Raumes mit abnehmender Amplitude der Stellgrößenveränderung langsamer ändert. Auf diese Weise werden unter anderem Verschleiß und Schaltverluste reduziert. Vorzugsweise werden der erste Stellwert und der zweite Stellwert dynamisch so angepasst, dass die Abfallzeit und die Anstiegszeit sukzessive einen gleichen Wert annehmen. Der erste und der zweite Stellwert werden dementsprechend nach jedem Zyklus so angepasst, dass sich die Abfallzeit und die Anstiegszeit einander annähern. Beispielsweise wird zur Erhöhung der Abfallzeit gegenüber der Room changes more slowly with decreasing amplitude of the manipulated variable change. In this way, wear and switching losses are reduced, among other things. The first manipulated variable and the second manipulated variable are preferably adapted dynamically such that the fall time and the rise time successively assume the same value. The first and the second manipulated value are adjusted accordingly after each cycle so that the fall time and the rise time approach each other. For example, to increase the waste time compared to
Anstiegszeit der erste Stellwert weniger erhöht als der zweite Stellwert reduziert wird, so dass sich die Prozessgröße beim Abfallen langsamer ändert. Durch Angleichung der Abfallzeit an die Anstiegszeit wird erreicht, dass der erste und der zweite Rise time of the first manipulated variable is increased less than the second manipulated variable is reduced, so that the process variable changes more slowly when falling. By aligning the fall time with the rise time, it is achieved that the first and the second
Stellwert symmetrisch um einen Wert schwanken. Dieser Wert stellt bei einem Vary the manipulated value symmetrically by one value. This value represents a
Regelkreis, bei dem sich die Prozessgröße von außen beeinflusst konstant ändert, den optimalen Betriebspunkt dar. Beim Beispiel der Heizvorrichtung, die einen Behälter oder Raum beheizt, bedeutet dies, dass der Wert bei einem Control loop, in which the process variable constantly changes from outside, represents the optimal operating point. In the example of the heating device that heats a container or room, this means that the value at one
gleichbleibenden Wärmeverlust den optimalen Betriebspunkt darstellt. constant heat loss represents the optimal operating point.
Vorteilhafterweise wird so ein symmetrisches Schalten des Stellgliedes um einen optimalen Betriebspunkt erzielt, das einen verschleißarmen und effizienten Betrieb des Stellgliedes erlaubt. Advantageously, a symmetrical switching of the actuator around an optimal operating point is thus achieved, which permits low-wear and efficient operation of the actuator.
Eine Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren wiederholt die folgenden Schritte umfasst: An embodiment of the invention is characterized in that the method repeatedly comprises the following steps:
- einen ersten Schritt, bei dem das Stellglied mit dem ersten Stellwert angesteuert wird, der der Differenz aus einem Stellgrößenmittelwert und einer  - A first step in which the actuator is controlled with the first manipulated variable, which is the difference between a manipulated variable mean and one
Stellgrößenamplitude entspricht, und die Abfallzeit bestimmt wird, wenn die Corresponding manipulated variable amplitude, and the fall time is determined when the
Sensoreinheit den ersten Sensorsignalwert ausgibt, Sensor unit outputs the first sensor signal value,
- einen zweiten Schritt, bei dem das Stellglied mit dem zweiten Stellwert angesteuert wird, der der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert und der Stellgrößenamplitude entspricht, und die Anstiegszeit bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit den zweiten Sensorsignalwert ausgibt, und  a second step, in which the actuator is activated with the second manipulated value, which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude, and the rise time is determined when the sensor unit outputs the second sensor signal value, and
- einen dritten Schritt, bei dem ein neuer Stellgrößen mittel wert aus der Abfallzeit und der Anstiegszeit bestimmt wird.  - A third step, in which a new manipulated variable is determined from the fall time and the rise time.
Bei dieser Ausführung der Erfindung werden der erste Stellwert und der zweite Stellwert auf Grundlage eines Stellgrößenmittelwertes und einer In this embodiment of the invention, the first manipulated variable and the second manipulated variable are based on a manipulated variable mean and a
Stellgrößenamplitude eingestellt. Für den Fall, dass die Sensoreinheit den ersten Sensorsignalwert ausgibt, wird das Stellglied mit dem ersten Stellwert angesteuert, wobei dieser der Differenz aus dem Stellgrößenmittelwert und der Command value amplitude set. In the event that the sensor unit outputs the first sensor signal value, the actuator is activated with the first control value, this being the difference between the manipulated variable mean and the
Stellgrößenamplitude entspricht. Eine derartige Ansteuerung des Stellgliedes führt bei einem Regelkreis, bei dem die Prozessgröße positiv auf eine Änderung der Stellgröße reagiert, dazu, dass die Prozessgröße fällt. In diesem Falle entspricht die Dauer des ersten Sensorsignalwertes der Abfallzeit. Sobald der zweite Corresponding manipulated variable amplitude. In the case of a control loop in which the process variable reacts positively to a change in the manipulated variable, such control of the actuator leads to the process variable falling. In this case, the duration of the first sensor signal value corresponds to the fall time. As soon as the second
Sensorsignalwert anliegt, also die Prozessgröße unter den zweiten Schaltwert gefallen ist, wird der zweite Schritt ausgeführt, wobei das Stellglied mit dem zweiten Stellwert angesteuert wird, der der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert und der Stellgrößenamplitude entspricht. Dies führt dazu, dass die Prozessgröße bei der Ausführung des zweiten Schrittes ansteigt. Und zwar so lange bis der erste Sensor signal value is present, that is, the process variable has fallen below the second switching value, the second step is carried out, the actuator being actuated with the second manipulated value, which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude. This means that the process size increases when the second step is carried out. Until the first one
Schaltwert überschritten ist, was dazu führt, dass die Sensoreinheit den ersten Sensorsignalwert ausgibt. Die Dauer des zweiten Sensorsignalwertes entspricht der Anstiegszeit. Beim dritten Schritt wird auf Grundlage der bestimmten Abfallzeit und Anstiegszeit ein neuer Stellgrößenmittelwert bestimmt auf dessen Grundlage bei einer wiederholten Ausführung des ersten und des zweiten Schrittes jeweils der erste Stellwert und der zweite Stellwert neu berechnet werden. Durch die wiederholte Ausführung des ersten, des zweiten und des dritten Schrittes wird eine gezielte Regelung der Stellgröße um den Stellgrößenmittelwert erzielt, wobei die Stellgröße um den Stellgrößenmittelwert mit der Stellgrößenamplitude schwankt. Die Switching value is exceeded, which leads to the sensor unit outputting the first sensor signal value. The duration of the second sensor signal value corresponds to the rise time. In the third step, on the basis of the determined fall time and rise time, a new manipulated variable mean value is determined, on the basis of which the first manipulated value and the second manipulated value are recalculated when the first and second steps are repeated. The repeated execution of the first, the second and the third step achieves a targeted regulation of the manipulated variable around the manipulated variable mean value, the manipulated variable fluctuating around the manipulated variable mean value with the manipulated variable amplitude. The
Bestimmung des Stellgrößenmittelwertes und der Stellgrößenamplitude erfolgt vorteilhafterweise auf der Basis von Messwerten; die Bestimmung dieser Größen benötigt dann kein Eingreifen des Anwenders. The mean value of the manipulated variable and the manipulated variable amplitude are advantageously determined on the basis of measured values; the determination of these quantities then does not require user intervention.
Bei einer Heizvorrichtung, die einen Behälter oder Raum beheizt, bedeutet dies beispielsweise, dass die Heizvorrichtung im ersten Schritt mit einem Signal für eine Heizleistung angesteuert wird, die der Differenz aus einer mittleren Heizleistung und einer Amplitude entspricht, wobei die Temperatur innerhalb des Behälters bzw. In the case of a heating device that heats a container or room, this means, for example, that the heating device is activated in the first step with a signal for a heating power that corresponds to the difference between an average heating power and an amplitude, the temperature inside the tank or
Raumes aufgrund der reduzierten Heizleistung fällt. Nach Unterschreiten des zweiten Schaltwertes gibt die Sensoreinheit den zweiten Sensorsignalwert aus und der zweite Schritt wird ausgeführt, wobei die Heizvorrichtung mit einer oberen Due to the reduced heating output. After falling below the second switching value, the sensor unit outputs the second sensor signal value and the second step is carried out, the heating device having an upper one
Heizleistung angesteuert wird, die der Summe aus einer mittleren Heizleistung und der Amplitude entspricht. In Folge dessen steigt die Temperatur im Behälter bzw. Raum. Sobald der erste Schaltwert überschritten ist, gibt die Sensoreinheit den ersten Sensorsignalwert aus, wobei die Dauer dieses Wertes der Anstiegszeit entspricht. Im dritten Schritt wird auf Grundlage der Abfallzeit und der Anstiegszeit eine neue mittlere Heizleistung als Stellgrößenmittelwert berechnet, die bei erneuter Ausführung des ersten und des zweiten Schrittes herangezogen wird. Die Heating power is controlled, which corresponds to the sum of an average heating power and the amplitude. As a result, the temperature in the container or room rises. As soon as the first switching value is exceeded, the sensor unit outputs the first sensor signal value, the duration of this value being the rise time equivalent. In the third step, based on the fall time and the rise time, a new average heating output is calculated as the manipulated variable mean value, which is used when the first and second steps are carried out again. The
Heizleistung der Heizvorrichtung schwankt somit mit der Amplitude um die mittlere Heizleistung. The heating power of the heating device thus fluctuates with the amplitude around the average heating power.
Eine alternative Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren wiederholt die folgenden Schritte umfasst: An alternative embodiment of the invention provides that the method repeatedly comprises the following steps:
- einen ersten Schritt, bei dem das Stellglied mit dem ersten Stellwert angesteuert wird, der der Differenz aus einem Stellgrößenmittelwert und einer  - A first step in which the actuator is controlled with the first manipulated variable, which is the difference between a manipulated variable mean and one
Stellgrößenamplitude entspricht, und bei dem die Anstiegszeit bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit den zweiten Sensorsignalwert ausgibt, Corresponds to the manipulated variable amplitude, and in which the rise time is determined when the sensor unit outputs the second sensor signal value,
- einen zweiten Schritt, bei dem das Stellglied mit dem zweiten Stellwert angesteuert wird, der der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert und der Stellgrößenamplitude entspricht, und bei dem die Abfallzeit bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit den ersten Sensorsignalwert ausgibt, und  a second step, in which the actuator is activated with the second manipulated variable, which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude, and in which the fall time is determined when the sensor unit outputs the first sensor signal value, and
- einen dritten Schritt, bei dem ein neuer Stellgrößen mittel wert aus der Abfallzeit und der Anstiegszeit bestimmt wird.  - A third step, in which a new manipulated variable is determined from the fall time and the rise time.
Diese Ausführungsvariante betrifft Regelkreise, bei denen die Prozessgröße negativ auf eine Erhöhung der Stellgröße reagiert. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Drehzahl einer Pumpe, die dafür vorgesehen ist einen Behälter zu entleeren, dazu, dass der Abfluss erhöht wird und damit der Pegel fällt, also die Prozessgröße negativ reagiert. In diesem Fall führt eine Ansteuerung des Stellgliedes mit einem ersten Stellwert, der der Differenz aus dem Stellgrößenmittelwert und der This variant affects control loops in which the process variable reacts negatively to an increase in the manipulated variable. For example, an increase in the speed of a pump that is intended to empty a container leads to an increase in the outflow and thus a drop in the level, that is to say the process variable reacts negatively. In this case, the actuator is actuated with a first manipulated variable, which is the difference between the manipulated variable mean and
Stellgrößenamplitude entspricht, dazu, dass die Prozessgröße steigt. Ein Anstieg der Prozessgröße wird dann vorgenommen, wenn die Sensoreinheit den zweiten The manipulated variable amplitude corresponds to the fact that the process variable increases. The process variable is increased when the sensor unit receives the second
Sensorsignalwert ausgibt, also sobald der zweite Schaltwert unterschritten ist bis der erste Schaltwert überschritten wird. Sobald der erste Schaltwert überschritten ist gibt die Sensoreinheit den ersten Sensorsignalwert aus und es wird der zweite Schritt ausgeführt, bei dem das Stellglied mit dem zweiten Stellwert angesteuert wird, der der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert und der Stellgrößenamplitude entspricht. Dies führt dazu, dass die Prozessgröße fällt, wobei die Abfallzeit als Dauer des ersten Sensorsignalwertes bestimmt wird. Im dritten Schritt wird auf Grundlage der Abfallzeit und der Anstiegszeit ein neuer Stellgrößenmittelwert berechnet, der wiederum bei der erneuten Ausführung des ersten und des zweiten Schrittes herangezogen wird. Beim Beispiel der Pumpe, die einen Behälter entleert, würde dies bedeuten, dass die Pumpe im ersten Schritt mit einer unteren Drehzahl angesteuert wird, die der Differenz aus einer mittleren Drehzahl und einer Outputs sensor signal value, i.e. as soon as the second switching value is undershot until the first switching value is exceeded. As soon as the first switching value is exceeded, the sensor unit outputs the first sensor signal value and the second step is carried out, in which the actuator is controlled with the second manipulated value, which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude. This causes the process variable to drop, the fall time being determined as the duration of the first sensor signal value. The third step is based on the Fall time and the rise time a new manipulated variable mean is calculated, which in turn is used when the first and second steps are carried out again. In the example of the pump emptying a container, this would mean that the pump is controlled in the first step at a lower speed, that is the difference between an average speed and a
Drehzahlamplitude entspricht und beim zweiten Schritt mit einer oberen Drehzahl angesteuert wird, die der Summe einer mittleren Drehzahl und einer Speed amplitude corresponds and is controlled in the second step with an upper speed, the sum of an average speed and one
Drehzahlamplitude entspricht. Der Abfluss aus dem Behälter wird somit so geregelt, dass der Pegel zwischen dem ersten Schaltwert und dem zweiten Schaltwert hin und her schwankt. Speed amplitude corresponds. The outflow from the container is thus regulated so that the level fluctuates back and forth between the first switching value and the second switching value.
Bevorzugt weist das Verfahren einen vierten Schritt auf, bei dem eine Reduzierung der Stellgrößenamplitude erfolgt. The method preferably has a fourth step in which the manipulated variable amplitude is reduced.
Durch die Reduzierung der Stellgrößenamplitude wird erreicht, dass der erste Stellwert und der zweite Stellwert so angepasst werden, dass sie zueinander konvergieren. Als Folge dessen nimmt die Höhe der vom Stellglied auszuführenden Schaltsprünge ab, so dass ein verschleißarmer und energieeffizienter Betrieb des Stellgliedes erzielt wird. Beispielsweise wird bei einer Pumpe die Drehzahlamplitude reduziert, so dass beim Schalten zwischen der unteren und der oberen Drehzahl Schaltverluste reduziert werden. Reducing the manipulated variable amplitude means that the first manipulated variable and the second manipulated variable are adjusted so that they converge with one another. As a result, the level of the switching steps to be performed by the actuator decreases, so that the actuator is operated with little wear and energy efficiency. For example, the speed amplitude is reduced in a pump, so that switching losses are reduced when switching between the lower and the upper speed.
Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass der vierte A preferred embodiment of the method provides that the fourth
Verfahrensschritt wiederholt ausgeführt wird, bis eine von null verschiedene minimale Stellgrößenamplitude erreicht ist. Method step is carried out repeatedly until a non-zero minimum manipulated variable amplitude is reached.
Eine wiederholte Reduzierung der Stellgrößenamplitude führt dazu, dass der erste Stellwert zum zweiten Stellwert konvergiert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es darauf an, die Abfallzeit und die Anstiegszeit zu bestimmen, um auf deren Grundlage den ersten und den zweiten Stellwert anzupassen, so dass eine wenn auch minimale Schwankung der Prozessgröße gewünscht ist. Dafür wird das A repeated reduction in the manipulated variable amplitude leads to the first manipulated variable converging to the second manipulated variable. In the method according to the invention, it is important to determine the fall time and the rise time in order to adapt the first and the second manipulated value on the basis thereof, so that an albeit minimal fluctuation in the process variable is desired. For that it will
Stellglied zumindest mit einer Stellgröße angesteuert, bei der die Stellgröße mit einer minimalen Stellgrößenamplitude um einen Stellgrößenmittelwert schwankt. Ein derartiger Betrieb ist insbesondere erforderlich, um etwaige Störungen des Regelkreises zu ermitteln, die zu einer Erhöhung oder zu einer Reduzierung der Anstiegszeit oder der Abfallzeit führen. Vorzugsweise wird die minimale Actuator controlled at least with a manipulated variable, in which the manipulated variable fluctuates with a minimum manipulated variable amplitude around a manipulated variable mean. Such operation is particularly necessary to avoid any disruption to the Determine control loop that lead to an increase or a reduction in the rise or fall time. Preferably the minimum
Stellgrößenamplitude so gewählt, dass die Energieverluste und The manipulated variable amplitude is selected so that the energy losses and
Verschleißerscheinung beim Stellglied möglichst minimal sind. Sign of wear on the actuator is as minimal as possible.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abfallzeit und die Anstiegszeit miteinander verglichen werden, One embodiment of the method according to the invention provides that the fall time and the rise time are compared with one another,
- wobei der neue Stellgrößenmittelwert vergrößert wird, wenn die Anstiegszeit größer ist als die Abfallzeit, oder  - The new manipulated variable mean being increased if the rise time is greater than the fall time, or
- wobei der neue Stellgrößenmittelwert verkleinert wird, wenn die Anstiegszeit kleiner als die Abfallzeit ist.  - The new manipulated variable mean is reduced if the rise time is less than the fall time.
Mittels eines Vergleichs der Abfallzeit mit der Anstiegszeit lässt sich feststellen, ob der Stellgrößenmittelwert bei einem Regelkreis, bei dem sich die Prozessgröße von außen beeinflusst konstant ändert, den optimalen Betriebspunkt darstellt. Ein By comparing the fall time with the rise time, it can be determined whether the manipulated variable mean value is the optimal operating point for a control loop in which the process variable constantly changes from outside. On
Unterschied zwischen der Abfallzeit und der Anstiegszeit deutet darauf hin, dass eine erneute Korrektur des Stellgrößenmittelwertes erforderlich ist. Der Stellgrößenwert muss vergrößert werden, wenn die Anstiegszeit größer ist als die Abfallzeit. Eine Verkleinerung des Stellgrößenmittelwertes ist erforderlich, wenn die Anstiegszeit kleiner als die Abfallzeit ist. Damit wird eine ständige Adaption des The difference between the fall time and the rise time indicates that a new correction of the manipulated variable mean value is necessary. The manipulated variable value must be increased if the rise time is greater than the fall time. A reduction of the manipulated variable mean value is necessary if the rise time is less than the fall time. This is a constant adaptation of the
Stellgrößenmittelwertes an Änderung der Prozessgröße erzielt. Average control value achieved by changing the process variable.
Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der neue Stellgrößenmittelwert gemäß u_mean = u_mean + k * delta An embodiment of the invention provides that the new manipulated variable mean value according to u_mean = u_mean + k * delta
bestimmt wird, wobei k ein Korrekturfaktor ist, der von der Abfallzeit und der is determined, where k is a correction factor that depends on the fall time and the
Anstiegszeit abhängt. Bevorzugt hängt der Korrekturfaktor vom Verhältnis zwischen Abfallzeit und Anstiegszeit ab. Rise time depends. The correction factor preferably depends on the ratio between the fall time and the rise time.
Zum Stellgrößenmittelwert wird ein Korrekturfaktor addiert, der von der Abfallzeit und der Anstiegszeit abhängt, um eine Anpassung des Stellgrößenmittelwertes an Änderungen der Prozessgröße zu erzielen. Der Faktor hängt insbesondere vom Verhältnis von Anstiegszeit und Abfallzeit ab, so dass bei einer mehrfachen Korrektur des Stellgrößenmittelwertes eine Angleichung zwischen Anstiegszeit und Abfallzeit erzielt wird. Der Korrekturfaktor wird mit der Stellgrößenamplitude multipliziert, was dazu führt, dass die Korrektur mit Reduzierung der Stellgrößenamplitude von Zyklus zu Zyklus immer kleiner wird und sich der Stellgrößenmittelwert einem optimalen Wert annähert. Eine Annäherung erfolgt insbesondere dann, wenn eine von außen induzierte Änderung der Prozessgröße konstant ist, beispielsweise wenn die Abflussmenge bei einem zu füllenden Behälter zeitlich konstant ist. A correction factor, which depends on the fall time and the rise time, is added to the manipulated variable mean value in order to adapt the manipulated variable mean value to changes in the process variable. The factor depends in particular on the relationship between the rise time and the fall time, so that an adjustment between the rise time and the fall time is achieved if the mean value of the manipulated variable is corrected several times. The correction factor is multiplied by the manipulated variable amplitude, which leads to the fact that the correction with reduction of the manipulated variable amplitude becomes smaller and smaller from cycle to cycle and that the manipulated variable mean value approaches an optimal value. An approximation takes place in particular when an externally induced change in the process variable is constant, for example when the outflow quantity for a container to be filled is constant over time.
Vorzugsweise wird der Korrekturfaktor beim erfindungsgemäßen Verfahren nach k = 1 - t_fall / t_rise The correction factor in the method according to the invention is preferably k = 1 - t_fall / t_rise
bestimmt, wenn die Anstiegszeit größer als die Abfallzeit ist, und nach determined if the rise time is greater than the fall time, and after
k = t_rise / t_fall - 1  k = t_rise / t_fall - 1
bestimmt, wenn die Anstiegszeit kleiner als die Abfallzeit ist. determined if the rise time is less than the fall time.
Auf diese Weise wird der neue Stellgrößenmittelwert vergrößert, wenn die In this way, the new manipulated variable mean is increased when the
Anstiegszeit größer ist als die Abfallzeit, und verkleinert, wenn die Anstiegszeit kleiner als die Abfallzeit ist, und zwar in Abhängigkeit des Verhältnisses zwischen Anstiegszeit und Abfallzeit. Sind Anstiegszeit und Abfallzeit identisch, ist k = 0, so dass eine Korrektur des neuen Stellgrößenmittelwertes nicht erfolgt. Rise time is greater than the fall time, and decreases when the rise time is less than the fall time, depending on the relationship between the rise time and the fall time. If the rise time and fall time are identical, k = 0, so that the new manipulated variable mean value is not corrected.
Eine alternative Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass der An alternative embodiment variant of the method provides that the
Korrekturfaktor correction factor
k = 1 - sqrt ( t_fall / t_rise )  k = 1 - sqrt (t_fall / t_rise)
ist, wenn die Anstiegszeit größer als die Abfallzeit ist, und der Korrekturfaktor is when the rise time is greater than the fall time, and the correction factor
k = sqrt ( t_rise / t_fall ) - 1  k = sqrt (t_rise / t_fall) - 1
ist, wenn die Anstiegszeit kleiner als die Abfallzeit ist. is when the rise time is less than the fall time.
Die Bildung der Wurzel aus dem Verhältnis zwischen Anstiegszeit und Abfallzeit hat den Vorteil, dass die Korrektur sanft erfolgt, respektive die Änderung des neuen Stellgrößenmittelwerts kleiner ist als bei einer reinen Verwendung des Verhältnisses zwischen Anstiegszeit und Abfallzeit. Forming the root of the ratio between the rise time and the fall time has the advantage that the correction takes place smoothly, or the change in the new manipulated variable mean is smaller than when the ratio between the rise time and fall time is used purely.
Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahren wird zunächst ein Startschritt ausgeführt, bei dem das Stellglied mit einer Stellgröße angesteuert wird, die dazu führt, dass der erste Schaltwert überschritten oder der zweite Schaltwert In a preferred embodiment of the method, a start step is first carried out in which the actuator is controlled with a manipulated variable which leads to the first switching value being exceeded or the second switching value being exceeded
unterschritten wird. Der Startschritt wird verwendet, um den Regelkreis in einen Zustand zu bringen, in dem die ersten vier Verfahrensschritte wiederholt ausgeführt werden und die is undercut. The start step is used to bring the control loop into a state in which the first four process steps are carried out repeatedly and the
Prozessgröße zwischen dem ersten Schaltwert und dem zweiten Schaltwert alterniert. Bei einem Regelkreis, bei dem die Prozessgröße positiv von der Stellgröße abhängt und unterhalb der Schaltwerte liegt, wird eine Stellgröße eingestellt, die dazu führt, dass die Prozessgröße ansteigt bis sie den ersten Schaltwert Process variable alternates between the first switching value and the second switching value. In a control loop in which the process variable depends positively on the manipulated variable and is below the switching values, a manipulated variable is set that causes the process variable to increase until it reaches the first switching value
überschreitet. Anschließend werden die vorgenannten Schritte durchgeführt, wobei in diesem Fall ein erster Schritt ausgeführt wird, bei dem das Stellglied mit dem ersten Stellwert angesteuert wird, der der Differenz aus einem Stellgrößenmittelwert und einer Stellgrößenamplitude entspricht, so dass die Prozessgröße fällt. In der Folge werden die vorgenannten Schritte so durchgeführt, dass die Prozessgröße um die Schaltwerte alterniert, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten exceeds. The above-mentioned steps are then carried out, in which case a first step is carried out in which the actuator is controlled with the first manipulated variable which corresponds to the difference between a manipulated variable mean value and a manipulated variable amplitude, so that the process variable falls. Subsequently, the aforementioned steps are carried out in such a way that the process variable alternates around the switching values, in particular between the first and the second
Schaltwert alterniert. Bei einem Regelkreis, bei dem die Prozessgröße negativ von der Stellgröße abhängt und bei dem die Prozessgröße größer ist als die Schaltwerte, wird das Stellglied mit einem Stellwert angesteuert, der zu einem Abfall der Switching value alternates. In a control loop in which the process variable is negatively dependent on the manipulated variable and in which the process variable is larger than the switching values, the actuator is controlled with a manipulated value that leads to a drop in the
Prozessgröße führt. Sobald der zweite Schaltwert unterschritten ist, wird in diesem Fall in einem ersten Schritt das Stellglied mit einem ersten Stellwert angesteuert, der der Differenz aus einem Stellgrößenmittelwert und einer Stellgrößenamplitude entspricht, so dass die Prozessgröße ansteigt. Anschließend werden die Process size leads. As soon as the value falls below the second switching value, in this case the actuator is actuated with a first manipulated value in a first step, which corresponds to the difference between a manipulated variable mean value and a manipulated variable amplitude, so that the process variable increases. Then the
vorgenannten Verfahrensschritte so ausgeführt, dass die Prozessgröße um die Schaltwerte alterniert. Der Startschritt wird vorzugsweise durchgeführt, um den Regekreis in einen Zustand zu bringen, in dem er auf Grundlage des binären The aforementioned method steps are carried out in such a way that the process variable alternates around the switching values. The starting step is preferably carried out to bring the control loop into a state in which it is based on the binary
Sensorsignals einer Sensoreinheit alternierend betrieben werden kann. Sensor signal of a sensor unit can be operated alternately.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Abfallzeit und/oder die Anstiegszeit mit einem Mittelwert aus beiden Zeiten verglichen wird und bei einer Abweichung ein Zurücksetzen erfolgt. Insbesondere werden Stellgrößenmittelwert (u_mean) und die Stellgrößenamplitude (delta) auf deren Ausgangswerte eingestellt. A preferred embodiment of the invention provides for the fall time and / or the rise time to be compared with an average of the two times and for a deviation to be reset. In particular, the manipulated variable mean value (u_mean) and the manipulated variable amplitude (delta) are set to their output values.
Der Vergleich zwischen Anstiegszeit und Abstiegszeit findet statt, um etwaige Störungen des Regelkreises zu erkennen, da sich eine signifikante Änderung der Prozessgröße in einer Änderung der Anstiegszeit oder Abstiegszeit bemerkbar macht. Wird eine derartige Abweichung zwischen Anstiegszeit und Abstiegszeit festgestellt, erfolgt ein Zurücksetzen der Stellgröße, insbesondere indem der The comparison between the rise time and the descent time takes place in order to detect any faults in the control loop, since a significant change in the process variable is reflected in a change in the rise time or descent time. If there is such a difference between the rise time and the descent time determined, the manipulated variable is reset, in particular by the
Stellgrößenmittelwert und die Stellgrößenamplitude auf ihre Ausgangswerte zurück eingestellt werden. Auf diese Weise werden Störungen der Prozessgröße erkannt und behoben. The manipulated variable mean value and the manipulated variable amplitude can be set back to their initial values. In this way, malfunctions in the process variable are identified and remedied.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Schaltwert und der zweite Schaltwert den geleichen Wert aufweisen. One embodiment of the invention provides that the first switching value and the second switching value have the same value.
Diese Ausführungsvariante zielt auf eine Sensoreinheit ab, die nur einen Schaltwert aufweist, wobei bei Überschreiten dieses Schaltwertes ein erstes Sensorsignal ausgegeben wird und bei Unterschreiten dieses Schaltwertes ein zweiter Signalwert ausgeben wird. In diesem Fall führt die Trägheit des Regelkreises dazu, dass die Prozessgröße um den einzelnen Schaltwert alterniert. Durch Bestimmung der Abfallzeit, die der Dauer des ersten Signalwerts entspricht und der Anstiegszeit, die der Dauer des zweiten Signalwerts entspricht, können der erste Stellwert und der zweite Stellwert so angepasst werden, dass sie zueinander konvergieren. Die vorgenannten Verfahrensschritte können analog angewendet werden. Diese This embodiment variant aims at a sensor unit which has only one switching value, a first sensor signal being output when this switching value is exceeded and a second signal value being output when this switching value is undershot. In this case, the inertia of the control loop causes the process variable to alternate around the individual switching value. By determining the fall time, which corresponds to the duration of the first signal value and the rise time, which corresponds to the duration of the second signal value, the first manipulated variable and the second manipulated variable can be adapted such that they converge with one another. The aforementioned method steps can be applied analogously. This
Ausführungsform entspricht der einfachsten Form einer Sensoreinheit, Embodiment corresponds to the simplest form of a sensor unit,
beispielsweise einem Schwimmerschalter oder einem Thermostat. for example a float switch or a thermostat.
Bevorzugt ist das Stellglied eine Pumpe, ein Ventil, eine Fleizvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung. The actuator is preferably a pump, a valve, a pickling device or a cooling device.
Das zugrundeliegende Verfahren kann für Stellglieder verwendet werden, deren Stellgröße kontinuierlich einstellbar ist. Bei einem Ventil ist die Prozessgröße dann beispielsweise eine Durchflussmenge, ein Pegelstand oder ein Druck, wobei die Prozessgröße z.B. der Öffnungsgrad des Ventils ist. Für eine Heiz- oder The underlying method can be used for actuators whose manipulated variable can be continuously adjusted. In the case of a valve, the process variable is, for example, a flow rate, a level or a pressure, the process variable e.g. is the degree of opening of the valve. For a heating or
Kühlvorrichtung ist die Prozessgröße beispielsweise eine Temperatur, wobei die Stellgröße bei der Fleizvorrichtung eine elektrisch erzeugte Leistung ist. The cooling device is the process variable, for example a temperature, the manipulated variable in the meat processing device being an electrically generated output.
Vorzugsweise ist das Stellglied eine drehzahlgesteuerte Pumpe, wobei die Stellgröße die Drehzahl der Pumpe ist. Bei den vorgenannten Stellgliedern lässt sich auf Grundlage eines binären Sensorsignals mit dem zugrundeliegenden Verfahren ein verschleißarmer und energieeffizienter Betrieb realisieren. Die Erfindung betrifft auch einen Zweipunktregler zur Regelung eines Stellgliedes auf Grundlage eines binären Sensorsignals, aufweisend einen Eingang für das binäre Sensorsignal und einem Ausgang für eine Stellgröße zur Ansteuerung des The actuator is preferably a speed-controlled pump, the manipulated variable being the speed of the pump. With the aforementioned actuators, low-wear and energy-efficient operation can be implemented on the basis of a binary sensor signal using the underlying method. The invention also relates to a two-point controller for regulating an actuator based on a binary sensor signal, having an input for the binary sensor signal and an output for a manipulated variable for controlling the
Stellglieds, wobei der Zweipunktregler dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Actuator, the two-point controller being set up to carry out the method according to the invention.
Ein derartiger Zweipunktregler lässt sich bevorzugt durch einen Mikrocontroller realisieren, der das zugrundeliegende Verfahren ausführt. Besonders bevorzugt ist die Umsetzung des zugrundeliegenden Verfahrens durch eine analoge Schaltung, da diese mit einfachen Bauteilen wie Operationsverstärkern und Logikgattern realisiert werden kann und dadurch Vorteile, z.B. bei der Zertifizierung für sicherheitskritische Anwendungen, bietet. Such a two-point controller can preferably be implemented by a microcontroller that carries out the underlying method. The implementation of the underlying method by means of an analog circuit is particularly preferred, since this can be implemented with simple components such as operational amplifiers and logic gates, and thereby advantages, e.g. in certification for safety-critical applications.
Die Erfindung betrifft auch ein Stellglied, das einen erfindungsgemäßen Regler aufweist. The invention also relates to an actuator which has a controller according to the invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert, wobei Embodiments of the invention are explained below with reference to figures, wherein
Fig. 1 a eine Anwendung zeigt, bei der die Prozessgröße positiv von der 1 a shows an application in which the process variable is positive from the
Stellgröße abhängt, nämlich ein Behälter oder Raum, der mittels einer Heizvorrichtung beheizt wird,  Manipulated variable depends, namely a container or room that is heated by means of a heating device,
Fig. 1 b eine Anwendung zeigt, bei der die Prozessgröße negativ von der Fig. 1 b shows an application in which the process variable is negative
Stellgröße abhängt, nämlich ein Behälter, der mittels einer Pumpe entleert wird,  Manipulated variable depends, namely a container that is emptied by means of a pump,
Fig. 2a den zeitlichen Verlauf einer Prozessgröße darstellt, die mittels des Fig. 2a shows the time course of a process variable, which by means of
zugrundeliegenden Verfahrens beeinflusst wird,  underlying process is influenced,
Fig. 2b den zeitlichen Verlauf eines Sensorsignals darstellt, den eine 2b shows the time course of a sensor signal, the one
Sensoreinheit ausgibt, Fig. 2c den zeitlichen Verlauf der Stellgröße darstellt, mit der das Stellglied angesteuert wird, sowie den entsprechenden Stellgrößen mittel wert und die entsprechende Stellgrößenamplitude, Outputs sensor unit, 2c shows the time course of the manipulated variable with which the actuator is controlled, as well as the corresponding manipulated variables and the corresponding manipulated variable amplitude,
Fig. 3 ein Verfahrensdiagramm zeigt, das die Merkmale des Fig. 3 shows a process diagram illustrating the features of the
zugrundeliegenden Verfahrens aufweist, die zu den zeitlichen Verläufen aus den Figuren 2a, 2b und 2c führen, und  underlying method, which lead to the temporal courses of Figures 2a, 2b and 2c, and
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Zweipunktregler schematisch darstellt, der mittels analoger Bauelemente realisiert ist. Fig. 4 schematically shows a two-point controller according to the invention, which is realized by means of analog components.
Durch Fig. 1 a ist ein Anwendungsbeispiel des zugrundeliegenden Verfahrens dargestellt, bei dem die Prozessgröße P positiv von einer Stellgröße u eines 1 a shows an application example of the underlying method, in which the process variable P is positive from a manipulated variable u
Stellgliedes 1 beeinflusst wird. Es handelt sich dabei um einen Behälter 3, der mittels einer Fleizvorrichtung 1 beheizt wird, wobei der Pegel P, im Beispiel die Temperatur, innerhalb des Behälters mittels einer Sensoreinheit 2 gemessen wird. Die Actuator 1 is influenced. It is a container 3 which is heated by means of a pickling device 1, the level P, in the example the temperature, being measured inside the container by means of a sensor unit 2. The
Sensoreinheit liefert ein binäres Sensorsignal y, das vom Pegel P abhängt. Sensor unit supplies a binary sensor signal y, which depends on the level P.
Insbesondere gibt die Sensoreinheit 2 einen ersten Sensorsignalwert y1 aus, wenn die Prozessgröße P einen ersten Schaltwert Sw1 überschreitet. Wenn die In particular, the sensor unit 2 outputs a first sensor signal value y1 when the process variable P exceeds a first switching value Sw1. If the
Prozessgröße P einen zweiten Schaltwert Sw2 unterschreitet, gibt die Sensoreinheit 2 einen zweiten Sensorsignalwert yO aus. Im dargestellten Fall ist die Fleizvorrichtung 1 das Stellglied und die erzeugte Wärmeleistung der Fleizvorrichtung 1 die Stellgröße u, die mittels des Zweipunktreglers 10 gesteuert wird. Die geraden Pfeile stellen die Fließrichtung des zu beheizenden Mediums dar. Die Durchflussrate des Mediums variiert nach Bedarf. Process variable P falls below a second switching value Sw2, the sensor unit 2 outputs a second sensor signal value yO. In the illustrated case, the pickling device 1 is the actuator and the thermal output of the pickling device 1 is the manipulated variable u, which is controlled by means of the two-point controller 10. The straight arrows represent the flow direction of the medium to be heated. The flow rate of the medium varies as required.
Fig. 1 b zeigt ein Anwendungsbeispiel, bei dem die Prozessgröße P negativ von der Stellgröße u abhängt. Es handelt sich dabei um einen Behälter 3, der mittels einer Pumpe 1 entleert wird, wobei der Pegel P innerhalb des Behälters 3 mittels einer Sensoreinheit 2 gemessen wird, die ein binäres Sensorsignal y zur Verfügung stellt. Bei diesem Anwendungsfall fällt der Pegel P mit steigender Stellgröße u, respektive der Drehzahl der Pumpe 1 . Die Regelung der Stellgröße u erfolgt durch den 1 b shows an application example in which the process variable P is negatively dependent on the manipulated variable u. It is a container 3 which is emptied by means of a pump 1, the level P inside the container 3 being measured by means of a sensor unit 2 which provides a binary sensor signal y. In this application, the level P falls with increasing manipulated variable u, or the speed of the pump 1. The control value u is controlled by the
Zweipunktregler 10, der dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Verfahrens, wobei die Prozessgröße P positiv von der Stellgröße u abhängt, also bei Erhöhung der Stellgröße u ansteigt. Die Zeit t ist in Sekunden angegeben. Bei maximaler Stellgröße (u=10), wie sie am Anfang des Zeitstrahls vorliegt, steigt die Two-point controller 10, which is set up to carry out the method according to the invention. FIGS. 2a, 2b and 2c show, by way of example, the course of the process over time, the process variable P being positively dependent on the manipulated variable u, that is to say increasing as the manipulated variable u increases. The time t is given in seconds. At the maximum manipulated variable (u = 10), as it is at the beginning of the timeline, the increases
Prozessgröße P an. Durch Fig. 2b ist das binäre Sensorsignal y dargestellt, wobei der erste Sensorsignalwert y1 anliegt, wenn die Prozessgröße P den ersten Process variable P an. 2b shows the binary sensor signal y, the first sensor signal value y1 being present when the process variable P is the first
Schaltwert Sw1 überschreitet. Der erste Signalwert y1 liegt so lange an, bis die Prozessgröße P den zweiten Schaltwert Sw2 unterschreitet, in diesem Moment wird durch die Sensoreinheit der zweite Sensorsignalwert yO ausgegeben. Wie in Fig. 2c dargestellt ist, wird die Stellgröße u des Stellgliedes 1 auf Grundlage des binären Sensorsignals y gesteuert, wobei die Stellgröße u im vorliegenden Fall einen ersten Stellwert u1 annimmt, wenn der erste Sensorsignalwert y1 anliegt. Beim Anliegen des zweiten Sensorsignalwertes yO nimmt die Stellgröße den zweiten Stellwert u2 an. Dies lässt sich besonders gut im Zeitbereich zwischen t = 800 s und t = 1000 s erkennen, da in diesem Bereich die Schaltzeiten zwischen dem ersten Stellwert u1 und dem zweiten Stellwert u2 relativ groß sind. Solange das Stellglied 1 mit dem ersten Stellwert u1 angesteuert wird, fällt die Prozessgröße P, so dass die Dauer des ersten Sensorsignalwertes y1 einer Abfallzeit t_fall entspricht. Die Prozessgröße P fällt, wenn das Stellglied 1 den zweiten Stellwert u2 annimmt, so dass die Dauer des zweiten Sensorsignalwertes yO einer Anstiegszeit t_rise entspricht. Switching value Sw1 exceeds. The first signal value y1 is present until the process variable P falls below the second switching value Sw2, at which moment the second sensor signal value yO is output by the sensor unit. As shown in FIG. 2c, the manipulated variable u of the actuator 1 is controlled on the basis of the binary sensor signal y, the manipulated variable u in the present case assuming a first manipulated value u1 when the first sensor signal value y1 is present. When the second sensor signal value yO is applied, the manipulated variable takes on the second manipulated value u2. This can be seen particularly well in the time range between t = 800 s and t = 1000 s, since in this range the switching times between the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 are relatively long. As long as the actuator 1 is activated with the first manipulated value u1, the process variable P falls, so that the duration of the first sensor signal value y1 corresponds to a fall time t_fall. The process variable P falls when the actuator 1 assumes the second manipulated value u2, so that the duration of the second sensor signal value yO corresponds to a rise time t_rise.
Die Dauern der Sensorsignalwerte y1 und y2 werden bei dem zugrundeliegenden Verfahren dafür verwendet, den ersten Stellwert u1 und den zweiten Stellwert u2 beim Betrieb des Stellgliedes 1 dynamisch so anzupassen, dass sie zueinander konvergieren. Wie man in Fig. 2c erkennt, nähren sich der erste Stellwert u1 und der zweite Stellwert u2 im Betrieb des Stellgliedes 1 aneinander an. Dadurch werden die Schaltsprünge zwischen dem ersten Stellwert u1 und dem zweiten Stellwert u2 immer kleiner, was zu einer Reduzierung von Schaltverlusten beim Stellen des Stellgliedes 1 führt. Vorteilhafterweise lässt sich so ein energieeffizienter und verschleißarmer Betrieb des Stellgliedes 1 , also beispielsweise einer Pumpe oder einer Fleizvorrichtung, realisieren. Durch das Konvergieren des ersten Stellwertes u1 an den zweiten Stellwert u2 wird erreicht, dass die Unterschiede zwischen den Stellwerten kleiner sind, so dass die Änderung der Prozessgröße P langsamer erfolgt. Eine langsamere Änderung der Prozessgröße P hat zur Folge, dass die Abfallzeit t_fall und die Anstiegszeit t_rise von Zyklus zu Zyklus immer größer werden, so dass die Stellgröße u immer seltener geschaltet wird. Auch dies führt dazu, dass das Stellglied 1 im Betrieb weniger Energie verbraucht und der The durations of the sensor signal values y1 and y2 are used in the underlying method to dynamically adapt the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 during the operation of the actuator 1 such that they converge with one another. As can be seen in FIG. 2c, the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 approach each other during the operation of the actuator 1. As a result, the switching jumps between the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 become smaller and smaller, which leads to a reduction in switching losses when the actuator 1 is set. This advantageously enables an energy-efficient and low-wear operation of the actuator 1, that is to say, for example a pump or a pickling device. By converging the first manipulated variable u1 to the second manipulated variable u2, the differences between the manipulated values are smaller, so that the change in the process variable P is slower he follows. A slower change in the process variable P has the consequence that the fall time t_fall and the rise time t_rise increase from cycle to cycle, so that the manipulated variable u is switched less and less. This also leads to the fact that the actuator 1 consumes less energy during operation and the
Verschleiß am Stellglied 1 reduziert wird. Die Konvergenz der Stellwerte u1 und u2 lässt sich besonders gut in den Zeitbereichen um t = 200 s, t = 700 s und t = 1200 s erkennen. Wear on actuator 1 is reduced. The convergence of the manipulated values u1 and u2 can be seen particularly well in the time ranges around t = 200 s, t = 700 s and t = 1200 s.
Der erste Stellwert u1 und der zweite Stellwert u2 werden so angepasst, dass die Abfallzeit t_fall und die Anstiegszeit t_rise gegen den gleichen Wert konvergieren.The first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 are adjusted so that the fall time t_fall and the rise time t_rise converge to the same value.
Die Angleichung der Abfallzeit t_fall an die Anstiegszeit t_rise lässt sich in Fig. 2c in den Zeitbereichen vor t = 500 s, vor t= 1000 s und vor t = 1500 s erkennen. The adjustment of the fall time t_fall to the rise time t_rise can be seen in FIG. 2c in the time ranges before t = 500 s, before t = 1000 s and before t = 1500 s.
Vorzugsweise werden der erste Stellenwert u1 und der zweite Stellenwert u2 anhand eines Stellgrößenmittelwertes u_mean und einer Stellgrößenamplitude delta berechnet. Im dargestellten Fall entspricht der erste Stellwert u1 der Differenz aus dem Stellgrößenmittelwert u_mean und der Stellgrößenamplitude delta. Er wird angelegt, wenn die Sensoreinheit 2 den ersten Sensorsignalwert y1 ausgibt, also wenn die Proessgröße P den ersten Schaltwert Sw1 überschreitet. Als Folge der Ansteuerung mit einer reduzierten Stellgröße u fällt die Prozessgröße P, und zwar so lange, bis diese den zweiten Schaltwert Sw2 unterschreitet und die Sensoreinheit 2 den zweiten Sensorsignalwert y2 ausgibt. Die Dauer des ersten Sensorsignalwertes y1 entspricht der Abfallzeit t_fall. Sobald der zweite Sensorsignalwert y2 anliegt, wird das Stellglied 1 mit dem zweiten Stellwert u2 angesteuert, der dann der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert u_mean und der Stellgrößenamplitude delta entspricht.The first place value u1 and the second place value u2 are preferably calculated on the basis of a manipulated variable mean value u_mean and a manipulated variable amplitude delta. In the case shown, the first manipulated variable u1 corresponds to the difference between the manipulated variable mean u_mean and the manipulated variable amplitude delta. It is applied when the sensor unit 2 outputs the first sensor signal value y1, that is, when the process variable P exceeds the first switching value Sw1. As a result of the control with a reduced manipulated variable u, the process variable P falls until it falls below the second switching value Sw2 and the sensor unit 2 outputs the second sensor signal value y2. The duration of the first sensor signal value y1 corresponds to the fall time t_fall. As soon as the second sensor signal value y2 is present, the actuator 1 is driven with the second manipulated value u2, which then corresponds to the sum of the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta.
Die erhöhte Stellgröße u führt dazu, dass die Prozessgröße P ansteigt, wobei der zweite Sensorsignalwert y2 so lange anliegt, bis die Prozessgröße P den ersten Schaltwert Sw1 überschritten hat. Daraufhin wird das Stellglied 1 mit dem ersten Stellwert u1 angesteuert, wobei ein neu bestimmter Stellgrößenmittelwert u_mean und eine neu bestimmte Stellgrößenamplitude delta zu Grunde gelegt werden, die auf Grundlage der Abfallzeit t_fall und der Anstiegszeit t_rise bestimmt werden. Wie der Fig. 2c zu entnehmen ist, wird die Stellgrößenamplitude delta sukzessive reduziert, so dass der erste Stellwert u1 und der zweite Stellwert u2 zueinander konvergieren. Zudem erfolgt eine sukzessive Anpassung des Stellgrößenmittelwertes u_mean, der nach einer Mehrzahl an Zyklen gegen einen Wert konvergiert, bei dem die Abfallzeit t_fall und die Anstiegszeit t_rise gleich sind. The increased manipulated variable u causes the process variable P to increase, the second sensor signal value y2 being present until the process variable P has exceeded the first switching value Sw1. The actuator 1 is then actuated with the first manipulated variable u1, based on a newly determined manipulated variable mean value u_mean and a newly determined manipulated variable amplitude delta, which are determined on the basis of the fall time t_fall and the rise time t_rise. As can be seen from FIG. 2c, the manipulated variable amplitude delta is successively reduced, so that the first manipulated variable u1 and the second manipulated variable u2 converge with one another. In addition, the mean value of the manipulated variable is gradually adjusted u_mean, which converts after a plurality of cycles to a value at which the fall time t_fall and the rise time t_rise are the same.
Die Zeitverläufe aus den Figuren 2a, 2b und 2c basieren auf einem Verfahren, das durch das Verfahrensdiagramm aus Fig. 3 dargestellt ist, welches üblicherweise als Struktogramm bezeichnet wird. Die Stellgröße u wird in Abhängigkeit des Zustandes (state) des Reglungsverfahrens gesteuert, wobei zwischen den Zuständen 1 , 2 und 3 unterschieden wird. The time profiles from FIGS. 2a, 2b and 2c are based on a method which is represented by the method diagram from FIG. 3, which is usually referred to as a structogram. The manipulated variable u is controlled as a function of the state of the control method, a distinction being made between states 1, 2 and 3.
Der Zustand 1 entspricht einem Startschritt 101 , bei dem das Stellglied 1 mit einer Stellgröße u angesteuert wird, die dazu führt, dass der erste Schaltwert Sw1 überschritten wird, respektive der erste Sensorsignalwert y1 , also y = 1 , anliegt.The state 1 corresponds to a start step 101, in which the actuator 1 is controlled with a manipulated variable u, which leads to the first switching value Sw1 being exceeded or the first sensor signal value y1, ie y = 1, being present.
Dafür wird eine Stellgröße u angelegt, die der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert u_mean und der Stellgrößenamplitude delta entspricht, wobei die Ausgangswerte u_mean = 5 und delta = 5 sind. Sobald der erste Sensorsignalwert y1 von der Sensoreinheit 2 ausgegeben wird, also y = 1 ist, wird in den Zustand 2 geschaltet, was durch state = 2 und einen gestrichelten Pfeil dargestellt ist. For this purpose, a manipulated variable u is created which corresponds to the sum of the manipulated variable mean u_mean and the manipulated variable amplitude delta, the output values u_mean = 5 and delta = 5. As soon as the first sensor signal value y1 is output by the sensor unit 2, that is to say y = 1, the system switches to state 2, which is represented by state = 2 and a dashed arrow.
Der Zustand 2 entspricht einem ersten Schritt 102, bei dem das Stellglied mit einer Stellgröße u angesteuert wird, die der Differenz aus dem Stellgrößenmittelwert u_mean und der Stellgrößenamplitude delta entspricht. Für den ersten Zyklus bedeutet dies, dass u = 0 ist, da u_mean = 5 und delta = 5 sind. Die Ansteuerung mit einer derartigen Stellgröße u führt dazu, dass die Prozessgröße P steigt. Sobald die Prozessgröße P den ersten Schaltwert Sw1 erreicht hat, gibt die Sensoreinheit 2 den zweiten Sensorsignalwert yO, also y = 0 aus, so dass die rechte Spalte des State 2 corresponds to a first step 102, in which the actuator is controlled with a manipulated variable u which corresponds to the difference between the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta. For the first cycle, this means that u = 0 since u_mean = 5 and delta = 5. The control with such a manipulated variable u causes the process variable P to increase. As soon as the process variable P has reached the first switching value Sw1, the sensor unit 2 outputs the second sensor signal value yO, ie y = 0, so that the right column of the
Zustandes 2 ausgeführt wird. Es wird also die Abfallzeit t_fall bestimmt und in den Zustand 3 gewechselt, was durch state = 3 und einen gestrichelten Pfeil dargestellt ist. State 2 is running. The fall time t_fall is thus determined and changed to state 3, which is represented by state = 3 and a dashed arrow.
Der Zustand 3 entspricht einem zweiten Schritt 103, bei der eine Stellgröße u eingestellt wird, die der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert u_mean und der Stellgrößenamplitude delta entspricht. Beim ersten Zyklus ist die Stellgröße u = 10, da die Ausgangswerte u_mean = 5 und delta = 5 sind. Wegen der Ansteuerung mit der maximalen Stellgröße, steigt die Prozessgröße P an, wobei die Sensoreinheit 2 weiterhin den zweiten Sensorsignalwert yO, also y = 0, ausgibt. Sobald die Prozessgröße P den ersten Schaltwert Sw1 überschreitet, gibt die Sensoreinheit 2 den ersten Sensorsignalwert y1 aus, also y = 1 . Als Folge dessen wird die linke Spalte des Zustands 3 ausgeführt, wobei die Anstiegszeit t_rise bestimmt wird. State 3 corresponds to a second step 103, in which a manipulated variable u is set which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta. In the first cycle, the manipulated variable is u = 10 because the output values are u_mean = 5 and delta = 5. Due to the control with the maximum manipulated variable, the process variable P increases, with the sensor unit 2 continues to output the second sensor signal value yO, ie y = 0. As soon as the process variable P exceeds the first switching value Sw1, the sensor unit 2 outputs the first sensor signal value y1, ie y = 1. As a result, the left column of state 3 is executed, the rise time t_rise being determined.
Anschließend wird in einem dritten Schritt 104 auf Grundlage der Anstiegszeit t_rise und der Abfallzeit t_fall ein neuer Stellgrößenmittelwert u_mean bestimmt. Beim Ausführungsbeispiel wird bei der Bestimmung des neuen Stellgrößenmittelwertes u_mean zunächst abgefragt, ob die Anstiegszeit t_rise größer als die Abfallzeit t_fall ist. Ist dies der Fall, so wird ein Korrekturfaktor nach k = 1 - sqrt (t_fall / t_rise) bestimmt. Der neue Stellgrößenmittelwert u_mean wird auf Grundlage des Then, in a third step 104, a new manipulated variable mean value u_mean is determined on the basis of the rise time t_rise and the fall time t_fall. In the exemplary embodiment, when determining the new manipulated variable mean value u_mean, it is first queried whether the rise time t_rise is greater than the fall time t_fall. If this is the case, a correction factor according to k = 1 - sqrt (t_fall / t_rise) is determined. The new manipulated variable mean u_mean is based on the
Korrekturfaktors k bestimmt, wobei u_mean = u_mean + k * delta ist. In diesem Fall ist das Verhältnis aus Abfallzeit t_fall und Anstiegszeit t_rise größer 1 , so dass der Korrekturfaktor k positiv ist und damit der neue Correction factor k is determined, where u_mean = u_mean + k * delta. In this case, the ratio of fall time t_fall and rise time t_rise is greater than 1, so that the correction factor k is positive and thus the new one
Stellgrößenmittelwert größer als der vorherige Stellgrößenmittelwert ist. Für den Fall, dass die Abfallzeit größer als die Anstiegszeit ist, wird der Korrekturfaktor k gemäß k = sqrt (t_rise/t_fall) - 1 berechnet. In diesem Fall ist der Korrekturfaktor k negativ, da das Verhältnis aus beiden Zeiten kleiner 1 ist. Der neue Stellgrößenmittelwert u_mean ist für diesen Fall somit kleiner als der alte Stellgrößenmittelwert u_mean. Durch eine derartige The manipulated variable mean is greater than the previous manipulated variable mean. In the event that the fall time is greater than the rise time, the correction factor k is calculated according to k = sqrt (t_rise / t_fall) - 1. In this case, the correction factor k is negative because the ratio of both times is less than 1. The new manipulated variable mean u_mean is in this case smaller than the old manipulated variable mean u_mean. By such
Korrektur wird erreicht, dass sich der neue Stellgrößen mittel wert u_mean einem Wert annähert, bei dem die Anstiegszeit t_rise gleich der Abfallzeit t_fall ist. Diese Correction is achieved that the new manipulated variable approaches u_mean a value at which the rise time t_rise is equal to the fall time t_fall. This
Anpassung des Stellgrößenmittelwertes u_mean ist in Fig. 2c durch die hellgraue Linie dargestellt. Nach der Berechnung des neuen Stellgrößenmittelwertes ujnean wird in dem Ausführungsbeispiel ein vierter Schritt 105 durchgeführt, bei dem die Adaptation of the manipulated variable mean value u_mean is shown in FIG. 2c by the light gray line. After the calculation of the new manipulated variable mean value ujnean, a fourth step 105 is carried out in the exemplary embodiment, in which the
Stellgrößenamplitude delta reduziert wird. Vorliegend entspricht die neue Manipulated variable amplitude delta is reduced. This corresponds to the new one
Stellgrößenamplitude dem 0,9-fachen der alten Stellgrößenamplitude delta. Bei einer wiederholten Durchführung der Reduzierung nimmt die Stellgrößenamplitude delta somit exponentiell ab. Nach Reduzierung der Stellgrößenamplitude wird der Zustand 2 ausgeführt, wobei für die Berechnung der Stellgröße u der neu bestimmte Manipulated variable amplitude 0.9 times the old manipulated variable amplitude delta. If the reduction is carried out again, the manipulated variable amplitude delta decreases exponentially. After reducing the manipulated variable amplitude, state 2 is carried out, the newly determined one for calculating the manipulated variable u
Stellgrößenmittelwert u_mean und die neu bestimmte Stellgrößenamplitude delta herangezogen werden. Im vorliegenden Fall entspricht die Stellgröße u der Differenz aus dem neuen Stellgrößenmittelwert u_mean und der neuen Stellgrößenamplitude delta. Aufgrund der Ansteuerung mit einer reduzierten Stellgröße nimmt die The manipulated variable mean u_mean and the newly determined manipulated variable amplitude delta can be used. In the present case, the manipulated variable u corresponds to the difference between the new manipulated variable mean u_mean and the new manipulated variable amplitude delta. Due to the control with a reduced manipulated variable, the
Prozessgröße P wieder ab. Sobald die Prozessgröße P den zweiten Schaltwert Sw2 unterschreitet, gibt die Sensoreinheit 2 den zweiten Sensorsignalwert yO, also y = 0, aus, so dass der Regler in den Zustand 3 überführt wird, also den zweiten Schritt 103 ausführt. Dementsprechend werden der erste Schritt 102, der zweite Schritt 103, der dritte Schritt 104 und der vierte Schritt 105 nacheinander und wiederholt ausgeführt, wobei der Stellgrößenmittelwert u_mean angepasst wird und die Process variable P decreases again. As soon as the process variable P falls below the second switching value Sw2, the sensor unit 2 outputs the second sensor signal value yO, ie y = 0, so that the controller is switched to state 3, that is to say carries out the second step 103. Accordingly, the first step 102, the second step 103, the third step 104 and the fourth step 105 are carried out in succession and repeatedly, the manipulated variable mean value u_mean being adapted and the
Stellgrößenamplitude delta sukzessive reduziert wird. Nach mehreren Zyklen nähert sich der Stellgrößenmittelwert u_mean einem Wert an, bei dem die Abfallzeit t_fall gleich der Anstiegszeit t_rise ist. Manipulated variable amplitude delta is successively reduced. After several cycles, the manipulated variable mean value u_mean approaches a value at which the fall time t_fall is equal to the rise time t_rise.
Die Stellgrößenamplitude delta wird so lange reduziert, bis ein minimaler The manipulated variable amplitude delta is reduced until a minimal one
Stellgrößenamplitudenwert delta_min erreicht ist. Im Diagramm der Fig. 2c ist dies in den Bereichen vor t = 500 s, vor t = 1.000 s und vor t = 1500 s der Fall. Eine minimale Stellgrößenamplitude delta_min ist erforderlich, um Abfallzeiten t_fall und Anstiegszeiten t_rise auch dann bestimmen zu können, wenn der Manipulated variable amplitude value delta_min is reached. In the diagram of FIG. 2c, this is the case in the areas before t = 500 s, before t = 1,000 s and before t = 1500 s. A minimum manipulated variable amplitude delta_min is required in order to be able to determine fall times t_fall and rise times t_rise even if the
Stellgrößenmittelwert u_mean einen Wert erreicht, bei dem die Anstiegszeit t_rise gleich der Abfallzeit t_fall ist. Die fortwährende Schwankung der Prozessgröße P und die damit verbundene wiederholte Bestimmung der Zeiten t_fall und t_rise ist erforderlich, um etwaige Störungen der Prozessgröße P von außen erkennen zu können. The manipulated variable mean u_mean reaches a value at which the rise time t_rise is equal to the fall time t_fall. The constant fluctuation of the process variable P and the associated repeated determination of the times t_fall and t_rise is necessary in order to be able to recognize any disturbances in the process variable P from the outside.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im Zustand 2, wenn der erste In the present embodiment, state 2 is when the first
Sensorsignalwert y1 (y = 1 ) anliegt, ein Prüfschritt 106 durchgeführt, bei dem die Abfallzeit mit einem Mittelwert aus den beiden Zeiten t_span verglichen wird (siehe Fig. 3 linke Spalte state 2). Ist die Abfallzeit t_fall mehr als doppelt so groß wie der zweifache Mittelwert aus beiden Zeiten t_span, so erfolgt eine Zurücksetzung, indem der Stellgrößenmittelwert u_mean und die Stellgrößenamplitude delta auf ihre Ausgangswerte zurückgesetzt werden. Vorliegend u_mean = 5 und delta = 5. Zudem wird die Unterdrückung der Stellwertberechnung no_adj = 1 eingeschaltet, so dass bei dem Zyklus der auf eine Störung folgt, keine neue Berechnung des Sensor signal value y1 (y = 1) is present, a test step 106 is carried out, in which the Fall time is compared with an average of the two times t_span (see Fig. 3 left column state 2). If the fall time t_fall is more than twice as long as twice the mean value from both times t_span, a reset takes place by resetting the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta to their initial values. In the present case u_mean = 5 and delta = 5. In addition, the suppression of the manipulated variable calculation no_adj = 1 is switched on, so that no new calculation of the
Stellgrößenmittelwertes u_mean und der Stellgrößenamplitude delta erfolgt. In Fig. 3 ist die Abfrage der Unterdrückung durch das Bezugszeichen 107 dargestellt. Durch die Unterdrückung der Neuberechnung wird erreicht, dass sich die Regelung schnell an Störungen anpassen kann, so dass die Prozessgröße P nicht zu sehr vom gewünschten Wert abweicht. Im Zustand 3 wird der Prüfschritt 106 durchgeführt, wenn der erste Sensorsignalwert yO (y = 0) anliegt. The manipulated variable mean u_mean and the manipulated variable amplitude delta. 3, the query of suppression is represented by reference number 107. By suppressing the recalculation it is achieved that the control can quickly adapt to disturbances, so that the process variable P does not deviate too much from the desired value. In state 3, the test step 106 is carried out when the first sensor signal value yO (y = 0) is present.
In den Figuren 2a, 2b und 2c wird eine erste Störung zum Zeitpunkt t = 500 s induziert und eine zweite Störung zum Zeitpunkt t = 1000 s induziert. Bei der ersten Störung ist eine Korrektur des Stellgrößenmittelwertes u_mean nach oben In FIGS. 2a, 2b and 2c, a first disturbance is induced at time t = 500 s and a second disturbance is induced at time t = 1000 s. In the case of the first fault, the mean value u_mean is corrected upwards
erforderlich, wobei sich nach mehreren Schaltzyklen ein Stellgrößenmittelwert u_mean einstellt, der größer ist als der Stellgrößenmittelwert u_mean bei t = 500 s. Beim Beispiel der Beheizung einer Behälters mit einer Fleizvorrichtung könnte diese Störung damit gleichbedeutend sein, dass die Temperatur aufgrund eines Öffnen des Behälters abgesunken ist , so dass die Leistung der Heizvorrichtung erhöht werden muss, um den Temperaturabfall zu kompensieren. Bei der zweiten Störung erfolgt eine Korrektur des Stellgrößenmittelwertes u_mean nach unten, wobei sich etwa nach t = 1350 s ein Stellgrößenmittelwert u_mean einstellt, der dem bei t = 500 s entspricht. Die erste Störung wird also durch die zweite Störung zurückgenommen, bzw. der Temperaturabfall durch die Öffnung bei der ersten Störung kompensiert. required, whereby after several switching cycles an actuating value u_mean arises which is greater than the actuating value average u_mean at t = 500 s. In the example of heating a container with a pickling device, this disturbance could mean that the temperature has dropped due to the opening of the container, so that the output of the heating device must be increased in order to compensate for the temperature drop. In the case of the second fault, the manipulated variable mean value u_mean is corrected downward, with a manipulated variable mean value u_mean being obtained approximately after t = 1350 s, which corresponds to that at t = 500 s. The first malfunction is thus canceled out by the second malfunction, or the temperature drop through the opening is compensated for in the first malfunction.
Beim Ausführungsbeispiel ist die Stellgröße u zwischen 0 und 10 variierbar und stellt einen abstrakten Wert dar. Sie kann beispielsweise eine Spannung sein, mit der ein Aktor betrieben wird. Bezogen auf das Anwendungsbeispiel aus Fig. 1 a entspräche die Heizleistung der Heizvorrichtung einem Wert, der proportional zur Stellgröße u aus Fig. 2c ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante lässt sich das Verfahren aus dem Diagramm der Fig. 3 auf ein Anwendungsbeispiel der Fig. 1 b überführen. In the exemplary embodiment, the manipulated variable u can be varied between 0 and 10 and represents an abstract value. It can be, for example, a voltage with which an actuator is operated. Based on the application example from FIG. 1 a, the heating power of the heating device would correspond to a value that is proportional to the manipulated variable u from FIG. 2 c. In an embodiment variant, not shown, the method can be transferred from the diagram in FIG. 3 to an application example in FIG. 1 b.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reglers 10 ist in Fig. 4 An exemplary embodiment of a controller 10 according to the invention is shown in FIG. 4
dargestellt. Die abgebildete Schaltskizze entspricht einer oberen Gliederungsebene, in der die einzelnen Blöcke jeweils aus Analogschaltungen gebildet sind. Das binäre Ausgangssignal y der Sensoreinheit 2 wird in diesem Fall an einen Eingang 11 angelegt und mittels analoger Bauteile, beispielsweise Operationsverstärkern und Speichergliedern, als Stellgröße u am Ausgang 12 ausgegeben. Das binäre shown. The circuit diagram shown corresponds to an upper level, in which the individual blocks are each made up of analog circuits. In this case, the binary output signal y of the sensor unit 2 is applied to an input 11 and is output as a manipulated variable u at the output 12 by means of analog components, for example operational amplifiers and memory elements. The binary
Sensorsignal y wird an einen Eingang eines Zustandsautomaten 13 angelegt, wobei dieser fünf Zustände s1 bis s5 aufweist. Zustand s1 dient dazu den Regler zu initialisieren. Zustand s2 ist aktiv, wenn der erste Sensorsignalwert y1 , also y = 1 , anliegt. Der Zustand s3 ist aktiv, wenn der zweite Sensorsignalwert y2 anliegt, also y = 0 ist. Im Zustand s4 wird der neue Stellgrößenmittelwert u_mean berechnet. Beim Zustand s5 wird die Stellgrößenamplitude delta reduziert und die Zeitmessung zurückgesetzt. Die Zustände werden in der Folge 1 , 2, 3, 4, 5, 2, 3, 4, 5, 2 ... vom Zustandsautomat 13 gewechselt. Der Zustandsautomat 13 gibt ein Signal rise aus, mit dem ein erster Schalter 21 angesteuert wird, so dass am Ausgang 12 der zweite Stellwert u2 anliegt, was zum Ansteigen der Prozessgröße P führt. Gibt der Sensor signal y is applied to an input of a state machine 13, which has five states s1 to s5. State s1 serves to initialize the controller. State s2 is active when the first sensor signal value y1, ie y = 1, is present. State s3 is active when the second sensor signal value y2 is present, that is, y = 0. In state s4, the new manipulated variable mean u_mean is calculated. In state s5, the manipulated variable amplitude delta is reduced and the time measurement is reset. The states are subsequently changed by the state machine 13 in the sequence 1, 2, 3, 4, 5, 2, 3, 4, 5, 2 ... The state machine 13 outputs a signal rise, with which a first switch 21 is activated, so that the second manipulated variable u2 is present at the output 12, which leads to an increase in the process variable P. Does the
Zustandsautomat 13 ein Signal fall aus, wird ein Schalter 22 angesteuert, so dass am Ausgang 12 der erste Stellwert u1 anliegt und die Prozessgröße P fällt. State machine 13 fails a signal, a switch 22 is controlled so that the first control value u1 is present at the output 12 and the process variable P falls.
Im Zustand s1 , der dem Startschritt 101 entspricht, wird in einem ersten In state s1, which corresponds to start step 101, in a first
Speicherblock 14 für den Stellgrößenmittelwert u_mean eine Spannung Vin1 gesetzt, die der Spannung aus einer Spannungsquelle 24 entspricht, vorliegend 5 Volt. Diese Versorgungsspannung wird auch bei einem zweiten Speicherblock 15 für die Memory block 14 for the manipulated variable mean value u_mean set a voltage Vin1 which corresponds to the voltage from a voltage source 24, in the present case 5 volts. This supply voltage is also in a second memory block 15 for the
Stellgrößenamplitude delta gesetzt. Bei den Speicherblöcken 14 und 15 handelt es sich um sample-and-hold Schaltungen mit zwei vorgebbaren Eingangswerten. Als Ausgangsspannungen liefern der erste Speicherblock 14 und der zweite Manipulated variable amplitude delta set. The memory blocks 14 and 15 are sample-and-hold circuits with two predeterminable input values. The first memory block 14 and the second supply as output voltages
Speicherblock 15 jeweils 5 Volt, die an die Eingänge eines Addierers 18 und eines Differenzierers 19 angelegt sind. Der Addierer 18 liefert als Ausgangsspannung die Summe der beiden Spannungen, so dass bei aktiviertem ersten Schalter 21 am Ausgang u = u_mean + delta anliegt. Der Differenzierer 19 liefert als Ausgangsspannung die Differenz der Spannungen, so dass eine Stellgröße u = ujnean - delta am Ausgang 12 anliegt, wenn der zweite Schalter 22 aktiviert ist. Memory block 15 each 5 volts, which are applied to the inputs of an adder 18 and a differentiator 19. The adder 18 supplies the sum of the two voltages as the output voltage, so that when the first switch 21 is activated, u = u_mean + delta is present at the output. The differentiator 19 delivers as Output voltage is the difference between the voltages so that a manipulated variable u = ujnean - delta is present at output 12 when the second switch 22 is activated.
Im Zustand s2, also wenn der erste Sensorsignalwert y1 anliegt, wird ein Signal an einen Eingang eines ersten Integrators 16 angelegt, wobei die Dauer des Signals, das dem ersten Signalwert entspricht, mittels des Integrators 16 als Spannung Vout ausgegeben wird. Diese Spannung liegt an einem Mittelwertberechnungsblock 20 als t_fall an. In state s2, that is when the first sensor signal value y1 is present, a signal is applied to an input of a first integrator 16, the duration of the signal corresponding to the first signal value being output by means of the integrator 16 as voltage Vout. This voltage is applied to a mean calculation block 20 as t_fall.
Wenn der Zustand S3 aktiv ist, also wenn der zweite Sensorsignalwert yO anliegt, wird ein Signal auf einen zweiten Integrator 17 angelegt, dessen Ausgangsspannung Vout der Anstiegszeit t_rise entspricht. Die Ausgangsspannung des zweiten When the state S3 is active, that is, when the second sensor signal value y0 is present, a signal is applied to a second integrator 17, the output voltage Vout of which corresponds to the rise time t_rise. The output voltage of the second
Integrators 17 wird ebenfalls als Eingang des Mittelwertberechnungsblocks 20 verwendet. Der Mittelwertberechnungsblock 20 bestimmt aus der Abfallzeit t_fall, der Anstiegszeit t_rise, dem Stellgrößenmittelwert u_mean und der Stellgrößenamplitude delta einen neuen Stellgrößenmittelwert newUmean, der an einen Eingang Vin2 des ersten Speicherblocks 14 angelegt wird. Integrators 17 is also used as the input of the mean value calculation block 20. The mean value calculation block 20 uses the fall time t_fall, the rise time t_rise, the manipulated variable mean value u_mean and the manipulated variable amplitude delta to determine a new manipulated variable mean value newUmean, which is applied to an input Vin2 of the first memory block 14.
Sobald der Zustand s4 aktiviert wird, wird die Berechnung des neuen As soon as the state s4 is activated, the calculation of the new one
Stellgrößenmittelwertes newUmean durchgeführt und beim ersten Speicherblock 14 durch Aktivierung des Eingangs setVin2 diese Spannung als Ausgangsspannung gesetzt. Diese Ausgangsspannung liegt an dem Addierer 18 und an dem Command value mean value newUmean carried out and this voltage set as output voltage in the first memory block 14 by activating the input setVin2. This output voltage is applied to the adder 18 and to the
Differenzierer 19 an. Differentiators 19.
Beim drauf folgenden Aktivieren des Zustandes s5 werden der erste Integrator 16 und der zweite Integrator 17 zurückgesetzt. Zudem wird der Wert für die When state s5 is subsequently activated, the first integrator 16 and the second integrator 17 are reset. In addition, the value for the
Stellgrößenamplitude delta im Speicherblock 15 reduziert. Die Stellgröße u am Ausgang 12 hängt von dem neu gesetzten Stellgrößenmittelwert des ersten The manipulated variable amplitude delta in the memory block 15 is reduced. The manipulated variable u at output 12 depends on the newly set manipulated variable mean of the first
Speicherblocks 14 und der reduzierten Stellgrößenamplitude des zweiten Memory blocks 14 and the reduced manipulated variable amplitude of the second
Speicherblocks 15 ab. Memory blocks 15 from.
Eine Reduzierung der Stellgrößenamplitude findet nicht statt, wenn durch den Mittelwertberechnungsblock 20 ein reset gesetzt ist, der an einem Flip-Flop 30 anliegt und mit dem zweiten UND-Gatter 29 kombiniert ist. In gleicher Weise wird auch kein neuer Stellgrößenmittelwert u_mean gesetzt, wenn der reset vorliegt, da der Ausgang s4 des Zustandsautomaten und der Ausgang Q des Flip-Flops 30 über ein erstes UND-Gatter 28 miteinander verknüpft sind. Beim aktivierten reset wird über ein erstes ODER-Gatter 25 beim ersten Speicherblock 14 die The manipulated variable amplitude is not reduced if a reset is set by the mean value calculation block 20, which is applied to a flip-flop 30 and is combined with the second AND gate 29. In the same way Neither is a new manipulated variable mean value u_mean set when the reset is present, since the output s4 of the state machine and the output Q of the flip-flop 30 are linked to one another via a first AND gate 28. When the reset is activated, the first OR block 25 in the first memory block 14
Versorgungsspannung der Spannungsquelle 24 als Stellgrößenmittelwert gesetzt. Zudem wird beim aktivierten reset über ein zweites ODER-Gatter 26 beim zweiten Speicherblock 15 die Versorgungsspannung der Spannungsquelle 24 als Supply voltage of the voltage source 24 is set as the manipulated variable mean. In addition, when the reset is activated via a second OR gate 26 in the second memory block 15, the supply voltage of the voltage source 24 is shown as
Stellgrößenamplitude gesetzt. Der reset wird von dem Mittelwertberechnungsblock 20 gesetzt, wenn die Abfallzeit t_fall oder die Anstiegszeit t_rise von dem Mittelwert beider Zeiten t_span abweicht. Manipulated variable amplitude set. The reset is set by the mean value calculation block 20 if the fall time t_fall or the rise time t_rise deviates from the mean value of both times t_span.
Mit der Schaltung aus Fig. 4 lässt sich das zugrundeliegende Verfahren durch eine Analogschaltung realisieren, wobei diese lediglich einfache Bauteile wie With the circuit from FIG. 4, the underlying method can be implemented by means of an analog circuit, whereby these are only simple components such as
Operationsverstärker und Logikgatter benötigt. Operational amplifiers and logic gates required.
Eine derartige analoge Schaltung kann als integrierter Baustein ausgeführt werden, der in einen Stellglied 1 eingesetzt ist, wobei das Stellglied 1 beispielsweise eine Pumpe, ein Ventil, eine Heizvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung ist. Such an analog circuit can be implemented as an integrated module which is inserted into an actuator 1, the actuator 1 being, for example, a pump, a valve, a heating device or a cooling device.
Vorteilhafterweise lässt sich so ohne großen Aufwand eine energieeffiziente und verschleißarme Regelung eines Stellgliedes 1 realisieren, wenn eine Sensoreinheit 2 verwendet wird, die ein binäres Sensorsignal y zur Verfügung stellt. Advantageously, an energy-efficient and low-wear control of an actuator 1 can thus be implemented with little effort if a sensor unit 2 is used which provides a binary sensor signal y.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Stellglied 1 actuator
2 Sensoreinheit  2 sensor unit
10 Regler  10 controllers
11 Eingang  11 entrance
12 Ausgang  12 exit
13 Zustandsautomat  13 state machine
14 erster Speicherblock (ujnean) 14 first memory block (ujnean)
15 zweiter Speicherblock (delta)15 second memory block (delta)
16 erster Integrator (t_fall)16 first integrator (t_fall)
17 zweiter Integrator (t_rise)17 second integrator (t_rise)
18 Addierer 18 adders
19 Differenzierer  19 differentiators
20 Mittelwertberechnungsblock 20 mean calculation block
21 erster Schalter (u1 ) 21 first switch (u1)
22 zweiter Schalter (u2)  22 second switch (u2)
23 Masse  23 mass
24 Spannungsquelle  24 voltage source
25 erstes ODER-Gatter  25 first OR gate
26 zweites ODER-Gatter  26 second OR gate
27 drittes ODER-Gatter  27 third OR gate
28 erstes UND-Gatter  28 first AND gate
29 zweite UND-Gatter  29 second AND gate
30 Flip-Flop  30 flip-flop
101 Startschritt  101 starting step
102 erster Schritt  102 first step
103 zweiter Schritt  103 second step
104 dritter Schritt  104 third step
105 vierter Schritt  105 fourth step
106 Prüfschritt  106 test step
107 Unterdrückungsabfrage y Sensorsignal (binär) yi erster Sensorsignalwert 107 Suppression query y sensor signal (binary) yi first sensor signal value
yo zweiter Sensorsignalwert yo second sensor signal value
p Prozessgröße, Pegel p Process size, level
Sw1 erster Schaltwert  Sw1 first switching value
Sw2 zweiter Schaltwert  Sw2 second switching value
u Stellgröße u manipulated variable
u1 erster Stellwert u1 first manipulated variable
u2 zweiter Stellwert u2 second manipulated variable
t_fall Abfallzeit t_fall fall time
t_rise Anstiegszeit t_rise rise time
t_span Mittelwert aus Abfall- und Anstiegszeit t_span Average of the fall and rise times
u_mean Stellgrößenmittelwert u_mean command value mean
delta Stellgrößenamplitude delta manipulated variable amplitude
delta_min minimale Stellgrößenamplitude delta_min minimum manipulated variable amplitude
k Korrekturfaktor k correction factor
state Zustand des Reglers state State of the controller
no_adj Unterdrückung der Stellgrößenmittelwertsberechnung no_adj Suppression of the manipulated variable mean value calculation

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Zweipunktregelung eines Stellgliedes (1 ), auf Grundlage eines binären Sensorsignals (y) einer Sensoreinheit (2), die eine vom Stellglied (1 ) beeinflussbare Prozessgröße (P) derart erfasst, dass sie bei Überschreiten eines ersten Schaltwertes (Sw1 ) einen ersten Sensorsignalwert (y1 ) und bei 1. Method for two-point control of an actuator (1), based on a binary sensor signal (y) from a sensor unit (2), which detects a process variable (P) that can be influenced by the actuator (1) in such a way that when a first switching value (Sw1) is exceeded a first sensor signal value (y1) and at
Unterschreiten eines zweiten Schaltwertes (Sw1 , Sw2) einen zweiten  Falling below a second switching value (Sw1, Sw2) a second
Sensorsignalwert (yO) ausgibt, wobei das Stellglied (1 ) mit einer Stellgröße (u) angesteuert wird, die entweder einen ersten Stellwert (u1 ) oder einen zweiten Stellwert (u2) annimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stellwert (u1 ) und der zweite Stellwert (u2) in Abhängigkeit von einer Abfallzeit (t_fall), die der Dauer des ersten Sensorsignalwerts (y1 ) entspricht, und einer Anstiegszeit (t_rise), die der Dauer des zweiten Sensorsignalwerts (yO) entspricht, im Betrieb des Stellglieds (1 ) derart dynamisch angepasst werden, dass sie zueinander konvergieren.  Outputs sensor signal value (yO), wherein the actuator (1) is controlled with a manipulated variable (u) that accepts either a first manipulated variable (u1) or a second manipulated variable (u2), characterized in that the first manipulated variable (u1) and second manipulated variable (u2) as a function of a fall time (t_fall), which corresponds to the duration of the first sensor signal value (y1), and a rise time (t_rise), which corresponds to the duration of the second sensor signal value (yO), during operation of the actuator (1) adjusted so dynamically that they converge.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stellwert (u1 ) und der zweite Stellwert (u2) dynamisch so angepasst werden, dass die Abfallzeit (t_fall) und die Anstiegszeit (t_rise) gegen einen gleichen Wert konvergieren. 2. The method according to claim 1, characterized in that the first manipulated variable (u1) and the second manipulated variable (u2) are dynamically adjusted so that the fall time (t_fall) and the rise time (t_rise) converge to the same value.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the
Verfahren wiederholt die folgenden Schritte umfasst:  Procedure repeats the following steps:
- einen ersten Schritt (102), bei dem das Stellglied (1 ) mit dem ersten Stellwert (u1 ) angesteuert wird, der der Differenz aus einem Stellgrößenmittelwert  - A first step (102), in which the actuator (1) is controlled with the first manipulated variable (u1), which is the difference from a manipulated variable mean
(u_mean) und einer Stellgrößenamplitude (delta) entspricht, und die Abfallzeit (t_fall) bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit (2) den ersten Sensorsignalwert (y1 ) ausgibt,  (u_mean) and a manipulated variable amplitude (delta), and the fall time (t_fall) is determined when the sensor unit (2) outputs the first sensor signal value (y1),
- einen zweiten Schritt (103), bei dem das Stellglied (1 ) mit dem zweiten Stellwert (u2) angesteuert wird, der der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert (u_mean) und der Stellgrößenamplitude (delta) entspricht, und die Anstiegszeit (t_rise) bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit (2) den zweiten Sensorsignalwert (yO) ausgibt, und - a second step (103), in which the actuator (1) is controlled with the second manipulated variable (u2), which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value (u_mean) and the manipulated variable amplitude (delta), and the rise time (t_rise) is determined when the sensor unit (2) outputs the second sensor signal value (yO), and
- einen dritten Schritt (104), bei dem ein neuer Stellgrößenmittelwert (u_mean) aus der Abfallzeit (t_fall) und der Anstiegszeit (t_rise) bestimmt wird.  - A third step (104), in which a new manipulated variable mean value (u_mean) is determined from the fall time (t_fall) and the rise time (t_rise).
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the
Verfahren wiederholt die folgenden Schritte umfasst:  Procedure repeats the following steps:
- einen ersten Schritt, bei dem das Stellglied (1 ) mit dem ersten Stellwert (u1 ) angesteuert wird, der der Differenz aus einem Stellgrößenmittelwert (u_mean) und einer Stellgrößenamplitude (delta) entspricht, und die Anstiegszeit (t_rise) bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit (2) den zweiten Sensorsignalwert (yO) ausgibt,  - A first step in which the actuator (1) is controlled with the first manipulated variable (u1), which corresponds to the difference between a manipulated variable mean value (u_mean) and a manipulated variable amplitude (delta), and the rise time (t_rise) is determined when the Sensor unit (2) outputs the second sensor signal value (yO),
- einen zweiten Schritt, bei dem das Stellglied (1 ) mit dem zweiten Stellwert (u2) angesteuert wird, der der Summe aus dem Stellgrößenmittelwert (u_mean) und der Stellgrößenamplitude (delta) entspricht, und bei dem die Abfallzeit (t_fall) bestimmt wird, wenn die Sensoreinheit (2) den ersten Sensorsignalwert (y1 ) ausgibt, und  a second step, in which the actuator (1) is controlled with the second manipulated variable (u2), which corresponds to the sum of the manipulated variable mean value (u_mean) and the manipulated variable amplitude (delta), and in which the fall time (t_fall) is determined, when the sensor unit (2) outputs the first sensor signal value (y1), and
- einen dritten Schritt, bei dem ein neuer Stellgrößen mittel wert (u_mean) aus der Abfallzeit (t_fall) und der Anstiegszeit (t_rise) bestimmt wird.  - a third step in which a new manipulated variable is determined (u_mean) from the fall time (t_fall) and the rise time (t_rise).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Schritt (105) eine Reduzierung der Stellgrößenamplitude (delta) erfolgt. 5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that in a fourth step (105) there is a reduction in the manipulated variable amplitude (delta).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte 6. The method according to claim 5, characterized in that the fourth
Verfahrensschritt (105) wiederholt ausgeführt wird, bis eine von null  Method step (105) is repeated until one of zero
verschiedene minimale Stellgrößenamplitude (delta_min) erreicht ist.  different minimum manipulated variable amplitude (delta_min) is reached.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallzeit (t_fall) und die Anstiegszeit (t_rise) miteinander verglichen werden, 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fall time (t_fall) and the rise time (t_rise) are compared with one another,
- wobei der neue Stellgrößenmittelwertes (u_mean) vergrößert wird, wenn die Anstiegszeit (t_rise) größer ist als die Abfallzeit (t_fall), oder  - The new manipulated variable mean value (u_mean) being increased if the rise time (t_rise) is greater than the fall time (t_fall), or
- wobei der neue Stellgrößenmittelwert (u_mean) verkleinert wird, wenn die Anstiegszeit (t_rise) kleiner als die Abfallzeit (t_fall) ist. - The new manipulated variable mean (u_mean) is reduced if the rise time (t_rise) is less than the fall time (t_fall).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der neue 8. The method according to claim 7, characterized in that the new
Stellgrößenmittelwert (ujnean) gemäß  Average manipulated variable (ujnean) according to
u_mean = u_mean + k * delta  u_mean = u_mean + k * delta
bestimmt wird, wobei k ein Korrekturfaktor ist, der von der Abfallzeit (t_fall) und der Anstiegszeit (t_rise) abhängt, vorzugsweise von einem Verhältnis aus Abfallzeit (t_fall) und Anstiegszeit (t_rise).  is determined, where k is a correction factor which depends on the fall time (t_fall) and the rise time (t_rise), preferably on a ratio of fall time (t_fall) and rise time (t_rise).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor k = 1 - t_fall / t_rise 9. The method according to claim 8, characterized in that the correction factor k = 1 - t_fall / t_rise
ist, wenn die Anstiegszeit (t_rise) größer als die Abfallzeit (t_fall) ist, und der Korrekturfaktor  is when the rise time (t_rise) is greater than the fall time (t_fall) and the correction factor
k = t_rise / t_fall - 1  k = t_rise / t_fall - 1
ist, wenn die Anstiegszeit (t_rise) kleiner als die Abfallzeit (t_fall) ist.  is when the rise time (t_rise) is less than the fall time (t_fall).
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor k = 1 - sqrt ( t_fall / t_rise ) 10. The method according to claim 8, characterized in that the correction factor k = 1 - sqrt (t_fall / t_rise)
ist, wenn die Anstiegszeit (t_rise) größer als die Abfallzeit (t_fall) ist, und der Korrekturfaktor  is when the rise time (t_rise) is greater than the fall time (t_fall) and the correction factor
k = sqrt ( t_rise / t_fall ) - 1  k = sqrt (t_rise / t_fall) - 1
ist, wenn die Anstiegszeit (t_rise) kleiner als die Abfallzeit (t_fall) ist.  is when the rise time (t_rise) is less than the fall time (t_fall).
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Startschritt (101 ) ausgeführt wird, bei dem das Stellglied (1 ) mit einer Stellgröße (u) angesteuert wird, die dazu führt, dass der erste 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that first a starting step (101) is carried out, in which the actuator (1) is controlled with a manipulated variable (u), which leads to the fact that the first
Schaltwert (Sw1 ) überschritten oder der zweite Schaltwert (Sw2) unterschritten wird.  Switching value (Sw1) exceeded or the second switching value (Sw2) is undershot.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Prüfschritt (106) die Abfallzeit (t_fall) und/oder die Anstiegszeit (t_rise) mit einem Mittelwert aus beiden Zeiten (t_span) verglichen wird und bei einer Abweichung ein Zurücksetzen erfolgt, insbesondere wobei der 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in a test step (106) the fall time (t_fall) and / or the rise time (t_rise) is compared with an average of both times (t_span) and a reset is carried out in the event of a deviation , especially where the
Stellgrößenmittelwert (u_mean) und die Stellgrößenamplitude (delta) auf deren Ausgangswerte eingestellt werden. The manipulated variable mean value (u_mean) and the manipulated variable amplitude (delta) are set to their output values.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltwert (Sw1 ) und der zweite Schaltwert (Sw2) den gleichen Wert aufweisen. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first switching value (Sw1) and the second switching value (Sw2) have the same value.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (1 ) eine Pumpe, ein Ventil, eine Heizvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung ist. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the actuator (1) is a pump, a valve, a heating device or a cooling device.
15. Zweipunktregler (10) zur Regelung eines Stellgliedes (1 ) auf Grundlage eines binären Sensorsignals (y), aufweisend einen Eingang für das binäre 15. Two-point controller (10) for controlling an actuator (1) based on a binary sensor signal (y), having an input for the binary
Sensorsignal (y) und einem Ausgang für eine Stellgröße (u) zur Ansteuerung des Stellglieds (1 ), wobei der Zweipunktregler dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.  Sensor signal (y) and an output for a manipulated variable (u) for controlling the actuator (1), the two-point controller being set up to carry out the method according to claims 1 to 14.
16. Stellglied (1 ) aufweisend einen Regler (10) gemäß Anspruch 15. 16. Actuator (1) having a controller (10) according to claim 15.
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