WO2000028389A1 - System for controlling the temperature of a technical process - Google Patents

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WO2000028389A1
WO2000028389A1 PCT/DE1999/003441 DE9903441W WO0028389A1 WO 2000028389 A1 WO2000028389 A1 WO 2000028389A1 DE 9903441 W DE9903441 W DE 9903441W WO 0028389 A1 WO0028389 A1 WO 0028389A1
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manipulated variable
variable
model
cooling
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PCT/DE1999/003441
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Bernd-Markus Pfeiffer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
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    • 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
    • G05B13/04Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/92Measuring, controlling or regulating
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B11/01Automatic controllers electric
    • G05B11/36Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P.I., P.I.D.
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2948/00Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92504Controlled parameter
    • B29C2948/92704Temperature
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2948/00Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92819Location or phase of control
    • B29C2948/92857Extrusion unit
    • B29C2948/92876Feeding, melting, plasticising or pumping zones, e.g. the melt itself
    • B29C2948/92895Barrel or housing

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating the temperature of a technical process according to the preamble of claim 1.
  • plastic extruders are used in plastics processing, especially in the manufacture of plastic profiles.
  • PVC profiles for window frames can be produced with a plastic extruder.
  • temperature control such plastic extruders are divided into several zones.
  • Plastic granulate is fed into the extruder in a first zone and is conveyed through further heating and cooling zones via extruder screws.
  • the plastic is given its product-specific shape by being pressed through the nozzle with the appropriate contour at high pressure.
  • Individual zones of the extruder for example the first zone, can only be heated, while other zones are provided with both heating and cooling. Temperatures are measured in the zones using thermocouples. Pulse-controlled electrical are used as actuators for a heater
  • Resistors on heating coils or heating plates for example an adjustable blower can be used as cooling.
  • temperature zones must either be heated or cooled, since the plastic has to be melted at the beginning, but later, high frictional energies are released by operating the system with the extrusion screw.
  • the effects of the heat of friction on the temperature can be modeled by a fault at the process input.
  • a PI or PID controller which can be used to regulate the temperature of a zone, should be set for good storage behavior with a constant setpoint, so that faults that affect the process can occur as quickly as possible be settled. Because of this "sharp" setting, overshoots occur when the setpoint changes, which in many cases cannot be tolerated in temperature control.
  • the value c g is recorded as an equivalent value and stored.
  • This manipulated variable is maintained until a turning point WP can be determined in the course of the controlled variable x.
  • a turning point is considered to be recognized when the slope of the step response SA has decreased for the first time in two successive sampling steps. So that the slope information is not falsified by measurement noise, the measured values of the controlled variable x are subjected to low-pass filtering.
  • a turning point WP is assumed even without a decreasing slope in the step response.
  • phase 3 which is initiated by the occurrence of the turning point WP, a PI structure of the linear controller R is now set, and the parameters of the PI controller are determined using the ITI model.
  • the gain factor K pi of the PI controller is set in the same way as a P controller for the Regulation of an ITI route in the asymptotic borderline had to be designed:
  • the reset time T n ⁇ of the PI controller is two to ten times, preferably six times, the time constant Ti.
  • Switching from controlled to regulated operation is bumpless by initializing the I component of a PI or PID controller when switching over.
  • the process amplification cannot be identified directly at first.
  • the PI controller is only designed very carefully because of the still incomplete information about the process P.
  • the gain K p2 of a process model can be determined with compensation to:
  • Xo - value of controlled variable x in the first steady state yi - value of manipulated variable y in the second steady state and yo - value of manipulated variable y in the first steady state.
  • it can be checked, for example, whether the control deviation lies below a predetermined limit value and / or the gradient of the controlled variable is less than a fraction of the gradient of the turning tangent WT.
  • a PT2 model is preferably used for process identification.
  • the step response of the PT2 model is considered with the ratio
  • the step response reaches its turning point WP at the time
  • a PI or PID controller is designed with this PT2 model.
  • the object of the invention is to create a device for regulating the temperature of a technical process, in particular in the case of a plastic extruder, which is distinguished both by good disturbance behavior and good management behavior.
  • This object is achieved by the new device for regulating the temperature of a technical process according to the features of claim 1.
  • Advantageous further developments of the control device are described in the subclaims.
  • the invention has the advantage that components of a standard controller can be used for implementation. A complicated case distinction, as was necessary with the familiar structure switchover, is no longer necessary.
  • the new control device can be interpreted as cascade control. In a lower-level control loop, an inert temperature range is made faster with a P controller or, advantageously, a PD controller. This subordinate control loop is controlled by an overlaid I controller in a stationary manner precisely to the setpoint. In practice, this structural decomposition shows a bumpless increase in the manipulated variable after a jump in the setpoint, with a slightly longer rise time compared to the known structure switchover, but finally reaches the steady state at the setpoint more quickly.
  • the behavior of temperature control systems can be described at least approximately by a VZ2 model. If a PD controller is used for the subordinate control loop, the mathematical methods of optimization in the state space for controller design can be used in an advantageous manner, which provide good control behavior as a mathematically exact method. The results of this optimization for different VZ2 processes can be approximated by a polynomial, so that simple setting rules for online use can be derived.
  • the controller design can thus be carried out with a simple computing unit after the route identification.
  • a control device can be implemented with little effort, which automatically adapts to an existing temperature control system during the initial start-up and during later operation.
  • FIG. 1 shows a control loop model which is used to explain a draft of an I controller and a subordinate PD controller
  • FIG. 2 shows a structure of a simulation model of the system with an upstream split range unit
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a control circuit with a control device for split-range operation
  • FIG. 4 shows a profile of the guide variable w (t) and the controlled variable x (t) in the circuit diagram according to FIG
  • FIG. 5 shows the associated course of the manipulated variable y (t)
  • FIGS. 6, 7 and 8 step responses of a process, a subordinate PD control loop and a closed control loop with a complete control device
  • FIG. 9 shows a response to a step-like cooling Fault at the process input
  • FIG. 10 shows a response to an abrupt fault at the process output
  • FIG. 11 shows a fictitious step response of a PID controller without a structural breakdown.
  • FIG. 1 shows the structural diagram of a control loop in which a PID controller is broken down into an I controller 1 and a PD controller 2.
  • a control difference x d formed from a reference variable w and a control variable x is fed to the I controller 1. From this, the I controller 1 generates an integral component ⁇ ⁇ . Only the controlled variable x is connected to an input of the PD controller 2.
  • the PD controller 2 supplies a proportional and a differential component y pd . Be in a summing element 3 the two parts y and y pd overlaid to a manipulated variable y. Before a process 4 arrives, a fault z e is applied .
  • process 4 supplies a controlled variable x pr , which in turn is superimposed on a disturbance variable z a at the output of the process.
  • the controlled variable x finally represents a temperature which is detected, for example, with thermocouples and fed back to the control device. The actual temperature is therefore:
  • the total manipulated variable y of the disassembled controller is:
  • G ze - transfer function of the behavior to a disturbance at the process entrance.
  • the transfer function G (s) of process 4 can thus be converted into an equivalent state space representation:
  • a state controller for this process has the form:
  • K pd ⁇ s) k pd (l + t pd s).
  • the unit matrix is used for Q.
  • the characteristic of the state controller can advantageously be varied with the weighting r of the actuating deflections: the greater the weighting factor r, the greater the changes in the manipulated variables deteriorate the value of the quality criterion and the more cautiously the operator reacts Regulator.
  • a weighting factor r between 0.0002 and 0.02, preferably equal to 0.002, is selected.
  • a standardization of the sizes w, y, x and x * is assumed to a value range up to 100%.
  • the solution to the described optimization task is possible with a software tool available under the name MATLAB with a single command line.
  • the software tool executes a complex mathematical algorithm that solves the associated continuous matrix-Riccati equation and is generally not suitable for use on controller assemblies in automation devices. Therefore, the optimization for a number of different VZ2 processes can advantageously be carried out offline and then attempts can be made to derive simple setting rules for online use from the results. This has the advantage that the controller can be easily adapted to different processes.
  • a d2 4.89 • 10 ⁇ 8 ⁇ - 5.9290 • 10 ⁇ 6 • f 4 + 2.7814 • 10 "4 • f 3 - 0.00648 • f 2 + 0.08486 • / + 0.162.
  • the lower-level control loop advantageously has a complex, well-damped pole pair for all lines.
  • the damping amounts to about 0.9 and is therefore close to the asymptotic limit case with the damping 1.
  • a major advantage of the shown dismantling of a PID controller is that the lower-level control loop with the transfer function G pd for a typical temperature range is about 20 times faster when the unregulated process G reacts to changes.
  • auxiliary variable ld 0.179. f + 3.35
  • the auxiliary variable ld should be limited to a minimum value of 3.5.
  • a simple P controller can also be used, which then generates a manipulated variable y p from the controlled variable x.
  • the structure shown in FIG. 1 is again used, with only the output variable y pd of the previous PD controller being replaced by the new output variable y p is.
  • the design of a PI controller disassembled in the manner shown is carried out in an analogous manner according to the scheme already described, so that it is sufficient to state the resulting setting formulas.
  • the reset time t l2 is determined to
  • the structure breakdown of a PI or PID controller shown has the advantage over the known structure switchover that faster readjustment tents can be implemented, in particular in the case of sudden disturbances and in the case of behavior that is exactly free from overshoot.
  • Structural decomposition shows a bumpless increase in the manipulated variable with a slightly longer rise time, but ultimately reaches the steady state at the setpoint more quickly.
  • a major advantage of the structure decomposition is, however, that there is no need to change the structure by intervening in the controller during operation. This means that the new controller with structure decomposition can also be used with advantage in processes with two actuators, especially in a temperature control system with heating and cooling.
  • the control device is also advantageously suitable for automatic commissioning, for example with a PC-supported controller commissioning method, since the structural breakdown can be defined when designing a software controller and loaded onto a controller as permanent parameterization.
  • FIG. 2 shows the model of a temperature control system with two actuators and an upstream split-range unit 5.
  • the model of the temperature control system is subdivided into a model 6 for heating, a model 7 for Kuhlen and a model 8, which serves to output the temperature of the steady state, which is heating and cooling.
  • Models 6 and 7 can, for example, be VZ2 elements with the same time constants, but differ in their amplification.
  • Output variables x h , x k and x b of models 6, 7 and 8 are superimposed in a summing element 9, which generates a resulting control variable x pr '.
  • the split-range unit 5 consists of two characteristic elements 10 and 11.
  • the characteristic element 10 With positive values of a manipulated variable y pr 'applied to the split-range unit 5, the characteristic element 10 outputs the manipulated variable unchanged to the model 6 for heating , while the characteristic element 11 supplies the value "0" to the model 7 for Kuhlen and thus switches off the cooling.
  • the heating is switched off by the characteristic element 10 and the value of the manipulated variable y pr ', weighted by a factor p, is transferred from the characteristic element 11 to the model 7 for cooling.
  • the simplest parameter, which characterizes the different behavior when heating and cooling, is the ratio of the maximum slope of the controlled variable x pr 'with the heating switched on to the maximum slope with the cooling switched on.
  • a steady-state amplification of the cooling cannot be determined without further ado, since for this purpose heating and cooling had to be operated simultaneously with known parameters of the model for heating.
  • an upstream controller due to the split range unit 5, outputs a non-zero manipulated variable y h to the model 6 for heating if the manipulated variable y pr 'is positive, and a non-zero manipulated variable y k to the model 7 for heating Cooling, if this is negative, there is no value for the manipulated variable y pr '
  • Heating and cooling can be activated at the same time. In normal operation of a temperature control, this would also be a pure waste of energy.
  • FIG. 3 shows a control circuit with a control device which also contains the parts which are necessary for automatic identification of the process on the basis of the model concept described above.
  • the mode of operation and the design of a controller 30 after the process has been identified have already been illustrated in FIG. 1, the mode of operation of a Split range unit 5 described with reference to Figure 2.
  • the same reference numerals are used for the same parts.
  • a process 32 is provided in FIG. 3 with a heater 33 and a cooler 34. The temperature of the process is fed back to controller 30 as controlled variable x.
  • a factor p is first set to the value "1" by a control unit 35, so that even negative values of the manipulated variable y are output by the characteristic element 11 without an additional weighting to the cooling 34 of the process 32.
  • An automatic identification process is initiated by a request signal 36 which the control unit 35 receives from an operating unit (not shown in FIG. 3).
  • the control unit 35 uses a signal 37 to flip a switch 38 so that the manipulated variable y is not specified by the controller 30 but by the control unit 35 with a signal 39.
  • a request signal 36 can be generated, for example, at the same time as the control device is started up for the first time that the command variable w jumps.
  • FIGS. 4 and 5 show the courses of the guide variable w, the controlled variable x and the manipulated variable y during the automatic identification of the process 32 and a subsequent fault compensation.
  • the time t in seconds is plotted on the abscissa of the diagrams in FIGS. 4 and 5, the temperature in ° C. on the ordinate in FIG. 4 and the manipulated variable in% on the ordinate in FIG.
  • the process 32 is in a first steady state, in which the value of the controlled variable is x 0 ° C.
  • the command variable w is set abruptly from previously 0 ° C. to the value 170 ° C.
  • the control unit 35 then sets the manipulated variable y to a constant value +80% with the signal 39, at which 80% of the heating power is transferred to the process 32 and the cooling 34 is switched off.
  • a The turning point in the course of the controlled variable x was determined by the control unit 35 and, as already known from the German patent application mentioned at the beginning with the official file number 19722431.8, a first ITI model was identified which describes the behavior of the process during the heating process at least approximately.
  • a VZ2 model can be determined from a turning tangent wh and the second stationary state, which describes the gain of the heater 33 and the dynamics of the process 32.
  • the split-range unit 5 switches off the heating 33 and sets the cooling 34 to 20% of the maximum cooling capacity.
  • the value of the control signal is kept constant at this value V LLM TUN until an inflection point m curve of the controlled variable x (see FIG. 4) can be seen.
  • the determined ratio of the gains k lh and k lk is given by the control unit 35 to the characteristic element 11 of the split-range unit 5 (see FIG. 3) for an adjustment of the gain of negative signals with the factor p:
  • control unit 35 parameterizes the I controller 1 and the PD controller 2 of the controller 30 and flips the switch 38, so that the manipulated variable y 'generated in the controller 30 is given to the split range unit 5 as the manipulated variable y.
  • This happens approximately at time t 7800 s (see FIG. 5).
  • the controller 32 heats the process 32 back up to the operating point at the temperature 170 ° C.
  • the reaction to a sudden disturbance z e of the high 40% at the process entrance is shown, as it arises in a plastic extruder at the start of production due to the start-up of the Ford screw.
  • the disturbance z e only causes a brief deflection to approximately 180 ° C. and the controlled variable x already returns to the setpoint 170 ° C. after a short time.
  • a process model as shown in FIG. 2, was used in the simulations of the control loop.
  • Model 6 for heating and model 7 for Kuhlen are each VZ2 models with the same dynamics.
  • the time constant t x was set to 3700 s, the time constant t 2 to 350 s.
  • the ratio of the gains k lh : k lk was found to be 0.43, which is sufficiently close to the theoretical ideal value of 0.5.
  • the reset time t x ⁇ of the I controller 1 is set to 1098 s, the gain k pd and the lead time t pd of the PD controller 2 to 3.6402 and 215 s, respectively.
  • a binary signal 40 which is fed to the control unit 35, can be used in the control device to set whether identification should be carried out during a cooling process.
  • the regular device can be adapted to the particular circumstances of the zones of a plastic extruder, so that it can also be used for pure heating zones. This is advantageous since both forms, ie zones with heating and cooling and zones with pure heating, usually occur in a mixture on a plastic extruder.
  • blower cooling it is advantageous to initiate the cooling process to identify the gain of the model for cooling from the working point.
  • the cooling capacity is strongly influenced by the ratio of the process temperature to the ambient temperature. If different working points have to be set for different plastics in a plastic extruder, this dependency can be compensated for by a characteristic element in the signal path of the factor p in FIG. 3. In extreme cases, when the process temperature is equal to the ambient temperature, the fan cooling becomes ineffective.
  • step responses of the transfer functions G, G pd and G c ⁇ shown above are shown in FIGS. 6, 7 and 8.
  • the time scale on the abscissa is the same in each case.
  • the step response of the route with the transfer function G only reaches 90% of the stationary final value 6 at about 10,000 s, which corresponds to the gain k of the process.
  • FIG. 6 the step response of the route with the transfer function G only reaches 90% of the stationary final value 6 at about 10,000 s, which corresponds to the gain k of the process.
  • the lower-level control loop reacts with a PD controller 2 to a unit step in the integral component y much faster and already reaches 90% of the stationary end value after about 1000 s.
  • FIGS. 9, 10 and 11 show step responses of transmission elements with the transmission functions G ze , G za or with a transmission function which was determined for comparison with a control circuit using an undismantled PID controller.
  • the time t is plotted linearly in seconds on the abscissa of FIGS. 9, 10 and 11.
  • the control loop with a disassembled PID controller reacts to a unit step of the disturbance variable z e with a deflection of the control variable x that hardly exceeds the value 0.2.
  • the fault is almost completely corrected. From the course of the controlled variable x in FIGS.
  • a control device for carrying out the method can advantageously be implemented with an internal sequence control with several different phases, which differ in the operating modes of the control device and in the models. that are used as the basis for the process identification.
  • the control device can equally be implemented as a hardware circuit or as a computing unit with a program memory into which a suitable operating program has been loaded.

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Abstract

The invention relates to a system for controlling temperature, especially of a plastic extruder. Said system has a controller which is subdivided into an I-controller (1) which produces an integral-action component (y1) from a system deviation (xd), and a PD controller (2) which produces a proportional and a differential component (ypd) from a controlled variable (x). By superimposing said components in a summing element (3) a manipulated variable is produced. The novel controlling system is characterized by a good response to setpoint changes and simultaneously by a good interference behavior. The invention is used for adaptive controllers.

Description

Beschreibungdescription
Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines technischen ProzessesDevice for regulating the temperature of a technical process
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines technischen Prozesses nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for regulating the temperature of a technical process according to the preamble of claim 1.
In der KunststoffVerarbeitung, insbesondere der Fertigung von Kunststoffprofllen, werden sogenannte Kunststoff-Extruder eingesetzt. Mit einem Kunststoff-Extruder können beispielsweise PVC-Profile für Fensterrahmen hergestellt werden. Bezuglich der Temperaturregelung sind derartige Kunststoff- Extruder m mehrere Zonen unterteilt. In den Extruder wird Kunststoffgranulat bei einer ersten Zone zugeführt und über Extruder-Schnecken durch weitere Heiz- und Kuhlzonen gefordert. In einer Düse erhalt der Kunststoff seine produktspezifische Form, indem er mit hohem Druck durch die Düse entsprechender Kontur hindurchgepreßt wird. Einzelne Zonen des Extruders, beispielsweise die erste Zone, können nur beheizt werden, wahrend andere Zonen sowohl mit einer Heizung als auch mit einer Kühlung versehen sind. Temperaturen werden in den Zonen über Thermoelemente gemessen. Als Stellglieder für eine Heizung dienen pulsformig angesteuerte elektrischeSo-called plastic extruders are used in plastics processing, especially in the manufacture of plastic profiles. For example, PVC profiles for window frames can be produced with a plastic extruder. With regard to temperature control, such plastic extruders are divided into several zones. Plastic granulate is fed into the extruder in a first zone and is conveyed through further heating and cooling zones via extruder screws. In a nozzle, the plastic is given its product-specific shape by being pressed through the nozzle with the appropriate contour at high pressure. Individual zones of the extruder, for example the first zone, can only be heated, while other zones are provided with both heating and cooling. Temperatures are measured in the zones using thermocouples. Pulse-controlled electrical are used as actuators for a heater
Widerstände auf Heizspulen oder Heizplatten, als Kühlung kann beispielsweise ein verstellbares Geblase verwendet werden. Je nach Betriebszustand müssen Temperaturzonen entweder geheizt oder gekühlt werden, da zu Beginn der Kunststoff geschmolzen werden muß, spater aber durch den Betrieb der Anlage mit der Extrusionsschnecke hohe Reibungsenergien freigesetzt werden. Die Auswirkungen der Reibungswarme auf die Temperatur können durch eine Störung am Prozeßeingang modelliert werden. Ein PI- oder PID-Regler, der zur Regelung der Temperatur einer Zone vorgesehen werden kann, sollte auf ein gutes Stor- verhalten bei konstantem Sollwert eingestellt werden, damit Störungen, die auf den Prozeß einwirken, möglichst schnell ausgeregelt werden. Wegen dieser "scharfen" Einstellung treten aber bei Änderungen des Sollwerts Uberschwinger auf, die bei Temperaturregelungen in vielen Fallen nicht tolerierbar sind. Beim Entwurf des PI- oder PID-Reglers besteht somit ein Zielkonflikt zwischen einem Entwurf auf gutes Storverhal- ten oder einem Entwurf auf gutes Fuhrungsverhalten des Regelkreises. Es hat sich herausgestellt, daß ein gutes Fuhrungsverhalten bei Temperaturregelstrecken mit PI- oder PID-Reglern kaum gemeinsam mit einem guten Storverhalten zu errei-Resistors on heating coils or heating plates, for example an adjustable blower can be used as cooling. Depending on the operating state, temperature zones must either be heated or cooled, since the plastic has to be melted at the beginning, but later, high frictional energies are released by operating the system with the extrusion screw. The effects of the heat of friction on the temperature can be modeled by a fault at the process input. A PI or PID controller, which can be used to regulate the temperature of a zone, should be set for good storage behavior with a constant setpoint, so that faults that affect the process can occur as quickly as possible be settled. Because of this "sharp" setting, overshoots occur when the setpoint changes, which in many cases cannot be tolerated in temperature control. When designing the PI or PID controller, there is a conflict of objectives between a design for good storage behavior or a design for good control behavior of the control loop. It has been found that good control behavior in temperature control systems with PI or PID controllers can hardly be achieved together with good storage behavior.
Als Ausweg aus diesem Zielkonflikt wird in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 19722431.8 eine Strukturumschaltung vorgeschlagen. Bei großen, positiven Sprüngen der Fuhrungsgroße, z. B. beim Hochheizen eines kalten Extruders auf den Arbeitspunkt, wird der I-Anteil des Reglers abgeschaltet. D. h., statt eines PI- oder PID-Reglers wird m diesen Situationen ein P- bzw. ein PD-Regler benutzt. In Sollwertnahe wird der I-Anteil wieder stoßfrei dem Regler zugeschaltet. Eine derartige Strukturumschaltung ist in der Praxis πedoch kompliziert und mit hohem Aufwand zu realisieren, da für verschiedene Betriebsfalle verschiedene Reglerstrukturen einzustellen sind. Sie erfordert zudem viel Speicherplatz für die verschiedenen Reglerstrukturen sowie für die Umschaltmechanismen, die in Software realisiert werden müssen. In Zonen, die sowohl mit einer Heizung als auch mit einer Kühlung versehen sind, wäre eine Strukturumschaltung nicht nur für positive, sondern auch für negative Sollwertsprunge erforderlich. Bei einem Regler, der lediglich eine Heizung ansteuern muß, kann auf eine Strukturumschaltung bei negativen Sollwertsprungen verzichtet werden, weil die Stellgroße nach unten durch Abschalten der Heizung begrenzt ist und weil das Regelkreisverhalten bei größeren negativen Sollwertsprungen von der Stellgliedbeschrankung dominiert wird. Maßnahmen zur Begrenzung eines Weglaufens des I-Anteils bei Erreichen der Beschrankung des Stellglieds können somit bereits ein Uberschwingen der Regelgroße vermindern. Das Modell eines Prozesses, der mit einer Heizung und einer Kühlung ausgestattet ist, besitzt jedoch verschiedene Verstärkungen für Heizen und Kühlen, so daß die bei einer Strukturumschaltung durchzuführenden Fallunterscheidungen erheblich problemati- scher werden. Zudem ist die Strukturumschaltung nur bei Sollwertsprüngen wirksam, nicht jedoch bei plötzlich auftretenden großen Störeinwirkungen.As a way out of this conflict of objectives, the German patent application with the official file number 19722431.8 proposes a change in structure. With large, positive jumps in leadership size, e.g. B. when heating up a cold extruder to the operating point, the I component of the controller is switched off. In other words, instead of a PI or PID controller, a P or a PD controller is used in these situations. In the vicinity of the setpoint, the I component is again connected to the controller without bumps. In practice, however, such a structure changeover is complicated and expensive to implement, since different controller structures have to be set for different operating cases. It also requires a lot of storage space for the various controller structures and for the switching mechanisms that have to be implemented in software. In zones that are provided with both heating and cooling, a structural change would not only be necessary for positive, but also for negative setpoint jumps. In the case of a controller that only has to control a heating system, there is no need to change the structure in the event of negative setpoint jumps because the manipulated variable is limited by switching off the heating and because the control loop behavior is dominated by the actuator limitation in the event of larger negative setpoint jumps. Measures to limit the I component from running away when the actuator has reached the limit can thus already reduce overshoot of the controlled variable. The model However, a process which is equipped with heating and cooling has different reinforcements for heating and cooling, so that the case distinctions to be carried out during a structural changeover become considerably more problematic. In addition, the structure switchover is only effective in the event of setpoint jumps, but not in the event of sudden major interferences.
Anhand Figur 12 soll im folgenden die Funktionsweise der in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 19722431.8 vorgeschlagenen Regeleinrichtung bei einer Prozeßidentifikation erläutert werden. In Phase 1, die bis zum Zeitpunkt t0 reicht, wird eine Stellgröße y = 0 an einen Prozeß angelegt. In einer Temperaturregelung entspricht diese Phase der Situa- tion, daß bei abgeschalteter Heizung die konstante Stellgröße y = 0 an den Prozeß ausgegeben wird. Die Regelgröße x befindet sich in einem ersten stationären Zustand x = x0 = cg. Der Wert cg wird als Gleichwert erfaßt und abgespeichert.The mode of operation of the control device proposed in the German patent application with the file number 19722431.8 in the case of a process identification is to be explained below with reference to FIG. 12. In phase 1, which extends to time t 0 , a manipulated variable y = 0 is applied to a process. In a temperature control, this phase corresponds to the situation that when the heating is switched off, the constant manipulated variable y = 0 is output to the process. The controlled variable x is in a first stationary state x = x 0 = c g . The value c g is recorded as an equivalent value and stored.
Sobald ein Bediener einen hinreichend großen Sollwertsprung vorgibt, wird in Phase 2 eingetreten und die maximale Stellgröße y = y2 = ymax durch eine Steuereinheit in einem gesteuerten Betrieb an den Prozeß angelegt. In einer Temperaturregelung entspricht dies der vollen Heizleistung. Diese Stellgröße wird so lange beibehalten, bis ein Wendepunkt WP im Verlauf der Regelgröße x festgestellt werden kann. Ein Wendepunkt gilt als erkannt, wenn in zwei aufeinanderfolgenden Abtastschritten die Steigung der Sprungantwort SA zum erstenmal rückläufig ist. Damit die Steigungsinformation nicht durch Meßrauschen verfälscht wird, werden die Meßwerte der Regelgröße x einer Tiefpaßfilterung unterzogen. Wenn die Regelabweichung xd sich um einen vorgegebenen Wert zwischen 50 und 80 % der Sprunghöhe,- der vorzugsweise 60 % beträgt, verringert hat, wird auch ohne rückläufige Steigung der Sprungantwort ein Wendepunkt WP angenommen. Anhand einer Tangente WT im Wendepunkt WP, die auch als Wendetangente bezeichnet wird, kann eine Verzugszeit tu, die sich aus dem Schnittpunkt der Wendetangente WT mit der Gerade x = x0 ergibt, berechnet werden zu:As soon as an operator specifies a sufficiently large setpoint jump, step 2 is entered and the maximum manipulated variable y = y 2 = y max is applied to the process by a control unit in a controlled mode. In a temperature control, this corresponds to the full heating output. This manipulated variable is maintained until a turning point WP can be determined in the course of the controlled variable x. A turning point is considered to be recognized when the slope of the step response SA has decreased for the first time in two successive sampling steps. So that the slope information is not falsified by measurement noise, the measured values of the controlled variable x are subjected to low-pass filtering. If the control deviation xd has decreased by a predetermined value between 50 and 80% of the step height, which is preferably 60%, a turning point WP is assumed even without a decreasing slope in the step response. Using a tangent WT at the turning point WP, which is also referred to as a turning tangent, a delay time t u can be derived from the Intersection point of the WT tangent with the straight line x = x 0 results, are calculated as:
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0001
mit tw - Zeitpunkt des Wendepunkts WP, t0 - Zeitpunkt des Sollwertsprungs, tnι - eine Hilfsgröße, xw - Wert der Regelgröße x im Wendepunkt WP, x0 - Wert der Regelgröße x im ersten stationären Zustand und dxwith t w - time of the turning point WP, t 0 - time of the setpoint jump, t n ι - an auxiliary variable, x w - value of the controlled variable x at the turning point WP, x 0 - value of the controlled variable x in the first steady state and dx
- Steigung der Wendetangente WT . dt- slope of the WT tangent. German
Mit diesen Informationen wird ein ITl-Prozeßmodell identifi- ziert mit der ÜbertragungsfunktionWith this information, an IT process model is identified with the transfer function
G(s) = s (T,s + 1)G (s) = s (T, s + 1)
deren Verstärkungtheir reinforcement
Figure imgf000006_0002
Figure imgf000006_0002
und Zeitkonstanteand time constant
= 2tu = 2t u
gesetzt werden.be set.
In Phase 3, die durch das Auftreten des Wendepunktes WP eingeleitet wird, wird nun eine Pl-Struktur des linearen Reglers R eingestellt, und die Parameter des PI-Reglers werden anhand des ITl-Modells ermittelt. Der Verstärkungsfaktor Kpi des PI-Reglers wird so eingestellt, wie ein P-Regler für die Regelung einer ITl-Strecke im asymptotischen Grenzfall entworfen werden mußte:In phase 3, which is initiated by the occurrence of the turning point WP, a PI structure of the linear controller R is now set, and the parameters of the PI controller are determined using the ITI model. The gain factor K pi of the PI controller is set in the same way as a P controller for the Regulation of an ITI route in the asymptotic borderline had to be designed:
*P! = TΎK1 * P! = T Ύ K 1
In einer zunächst vorsichtigen Einstellung, bei der Uber- schwinger weitgehend vermieden werden und ein ausreichend schnelles Regelverhalten erreicht wird, betragt die Nachstellzeit Tnι des PI-Reglers das Zwei- bis Zehnfache, vor- zugsweise das Sechsfache, der Zeitkonstanten Ti .In an initially careful setting in which overshoots are largely avoided and a sufficiently fast control behavior is achieved, the reset time T n ι of the PI controller is two to ten times, preferably six times, the time constant Ti.
Die Umschaltung von gesteuertem auf geregelten Betrieb erfolgt stoßfrei, indem der I-Anteil eines PI- oder PID-Reglers bei der Umschaltung entsprechend initialisiert wird.Switching from controlled to regulated operation is bumpless by initializing the I component of a PI or PID controller when switching over.
Da das ITl-Modell nach einem Sollwertsprung nicht in einen neuen Beharrungszustand einlauft, d. h. einen Prozeß ohne Ausgleich modelliert, kann die Prozeßverstarkung zunächst nicht direkt identifiziert werden. Damit aber große Ver- starkungsfaktoren des mit dem PI-Regler geregelten Prozesses mit Ausgleich nicht zu Problemen fuhren, wird der PI-Regler wegen der noch unvollständigen Informationen über den Prozeß P nur sehr vorsichtig ausgelegt. Sobald mit dieser groben Regelung jedoch ein stationärer Zustand erreicht wird, kann die Verstärkung Kp2 eines Prozeßmodells mit Ausgleich bestimmt werden zu:Since the ITI model does not run into a new steady state after a setpoint jump, ie models a process without compensation, the process amplification cannot be identified directly at first. However, so that large amplification factors of the process controlled with the PI controller with compensation do not lead to problems, the PI controller is only designed very carefully because of the still incomplete information about the process P. As soon as a steady state is reached with this rough regulation, the gain K p2 of a process model can be determined with compensation to:
Figure imgf000007_0001
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mitWith
Xi - Wert der Regelgröße x im zweiten stationären Zustand,Xi - value of the controlled variable x in the second steady state,
Xo - Wert der Regelgroße x im ersten stationären Zustand, yi - Wert der Stellgröße y im zweiten stationären Zustand und yo - Wert der Stellgröße y im ersten stationären Zustand. Als Kriterium für das Erreichen des zweiten stationären Zu- stands kann beispielsweise überprüft werden, ob die Regelabweichung unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt und/oder die Steigung der Regelgroße kleiner als ein Bruch- teil der Steigung der Wendetangente WT ist.Xo - value of controlled variable x in the first steady state, yi - value of manipulated variable y in the second steady state and yo - value of manipulated variable y in the first steady state. As a criterion for reaching the second steady state, it can be checked, for example, whether the control deviation lies below a predetermined limit value and / or the gradient of the controlled variable is less than a fraction of the gradient of the turning tangent WT.
Mit der Kenntnis der Prozeßverstarkung Kp2 können nun auch die Informationen aus der Wendetangente WT zur Ermittlung eines exakteren Modells, beispielsweise eines PT2- oder eines PTlTt-Modells, weitergehend ausgewertet werden. Die Ubertra- gungsfunktion eines PT2-Modells lautet im Laplace-Bereich:With the knowledge of the process amplification K p2 , the information from the turn tangent WT can now be further evaluated to determine a more precise model, for example a PT2 or a PTlTt model. The transfer function of a PT2 model in the Laplace area is:
G(s) = Kp2 G (s) = Kp2
(T?s + 1) (T^s + 1)(T ? S + 1) (T ^ s + 1)
die Ubertragungsfunktion eines PTlTt-Modellsthe transfer function of a PTlTt model
KK
G(s) p2 -ItsG (s) p2 -I t s
(Zs + 1)(Zs + 1)
Die Ausgleichszeit ta der Sprungantwort, die sich aus den Schnittpunkten der Wendetangente WT mit der Gerade bei x = xrj, die den ersten stationären Zustand markiert, und der Gerade bei x = cg + Kp2 y2, die einen stationären Zustand markiert, der von der Regelgroße x angefahren werden wurde, wenn an den Prozeß P die im gesteuerten Betrieb wahrend der Phase 2 angelegte Stellgroße y2 auch im geregelten Betrieb beibehalten werden wurde, ergibt, wird berechnet zu:The compensation time t a of the step response, which results from the intersection of the turning tangent WT with the straight line at x = xrj, which marks the first stationary state, and the straight line at x = c g + K p2 y 2 , which marks a stationary state , which was approached by the controlled variable x, if the manipulated variable y 2 created in the controlled operation during phase 2 was also maintained in the controlled operation at the process P, is calculated to:
t = t + t t = $*- + C - *?. dx„, I dtt = t + tt = $ * - + C - * ?. dx ", I dt
th2 - eine zweite Hilfsgroße, y2 - Wert der wahrend Phase 2 im gesteuerten Betrieb angelegten Stellgroße y und cg - Gleichwert, der sich als stationärer Zustand einstellt, wenn die Stellgroße y = 0 an den Prozeß P angelegt wird.t h2 - a second auxiliary variable, y 2 - value of the manipulated variable y and c g - equivalence, which is established as a steady state when the manipulated variable y = 0 is applied to process P.
Falls die Ausgleichszeit ta großer oder gleich dem Zehnfachen der Verzugszeit tu ist, wird vorzugsweise ein PT2-Modell zur Prozeßidentifikation verwendet. Zur Berechnung der Zeitkonstanten T2 und T3 des PT2-Modells wird ein aus dem Buch "Regelungstechnik I" von Heinz Unbehauen, 7. Auflage, Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 1992, Seiten 363 bis 367, bekanntes Verfahren herangezogen und weiterentwickelt. Betrachtet wird die Sprungantwort des PT2-Modells mit dem VerhältnisIf the compensation time t a is greater than or equal to ten times the delay time t u , a PT2 model is preferably used for process identification. A method known from the book "Regelstechnik I" by Heinz Unbehauen, 7th edition, Vieweg Verlag, Braunschweig / Wiesbaden, 1992, pages 363 to 367, is used and further developed to calculate the time constants T 2 and T 3 of the PT2 model. The step response of the PT2 model is considered with the ratio
ff
der beiden Zeitkonstanten T2 und T3. Die Sprungantwort erreicht ihren Wendepunkt WP zum Zeitpunktof the two time constants T 2 and T 3 . The step response reaches its turning point WP at the time
lnf f f - 1lnf f f - 1
Aus dem Verlauf der Sprungantwort werden die Ausgleichszeit ta ZUThe compensation time t a CLOSES from the course of the step response
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
und die Verzugszeit tu zuand the delay time t u too
t, = —^— In (-2- - t + r, + T2 T3 - T, X, bestimmt. Daraus erhält man nach Einsetzen von ft, = - ^ - In (- 2 - - t + r, + T 2 T 3 - T, X, certainly. After inserting f
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001
Damit dieses nichtlineare Gleichungssystem analytisch nach T2 und f aufgelöst werden kann, müssen die Exponentialfunktionen durch lineare Näherungen, die zumindest für den praktisch relevanten Bereich 2 < f < 20 gute Ergebnisse liefern, approximiert werden. Eine geeignete Approximation liefern die beiden folgenden Gleichungen mit Konstanten pi bis p4 :So that this nonlinear system of equations can be solved analytically according to T 2 and f, the exponential functions have to be approximated by linear approximations, which provide good results at least for the practically relevant range 2 <f <20. The following two equations with constants pi to p 4 provide a suitable approximation:
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
p3 = 1,0722 P4 = 2,0982p 3 = 1.0722 P 4 = 2.0982
P3 f + 4 P 3 f + 4
Mit diesen Gleichungen werden die Zeitkonstanten T2 und T3 des PT2-Modells berechnet zu:The time constants T 2 and T 3 of the PT2 model are calculated using these equations:
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000010_0003
Mit diesem PT2-Modell wird ein PI- oder PID-Regler entworfen.A PI or PID controller is designed with this PT2 model.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines technischen Prozesses, ins- besondere bei einem Kunststoff-Extruder, zu schaffen, die sich sowohl durch ein gutes Störverhalten als auch durch ein gutes Führungsverhalten auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch die neue Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines technischen Prozesses gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost. In den Unteranspruchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Regeleinrichtung beschrie- ben.The object of the invention is to create a device for regulating the temperature of a technical process, in particular in the case of a plastic extruder, which is distinguished both by good disturbance behavior and good management behavior. This object is achieved by the new device for regulating the temperature of a technical process according to the features of claim 1. Advantageous further developments of the control device are described in the subclaims.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß zur Realisierung auf Komponenten eines Standardreglers zurückgegriffen werden kann. Eine komplizierte Fallunterscheidung, wie sie bei der bekann- ten Strukturumschaltung erforderlich war, entfallt. Die neue Regeleinrichtung kann als Kaskadenregelung interpretiert werden. In einem unterlagerten Regelkreis wird eine trage Temperaturstrecke mit einem P-Regler oder vorteilhaft einem PD-Regler schneller gemacht. Dieser unterlagerte Regelkreis wird durch einen überlagerten I-Regler stationär genau auf den Sollwert geregelt. Diese Strukturzerlegung zeigt in der Praxis nach einem Sollwertsprung einen stoßfreien Anstieg der Stellgroße mit einer gegenüber der bekannten Strukturumschaltung etwas längeren Anstiegszeit, erreicht aber schließlich schneller den eingeschwungenen Zustand am Sollwert.The invention has the advantage that components of a standard controller can be used for implementation. A complicated case distinction, as was necessary with the familiar structure switchover, is no longer necessary. The new control device can be interpreted as cascade control. In a lower-level control loop, an inert temperature range is made faster with a P controller or, advantageously, a PD controller. This subordinate control loop is controlled by an overlaid I controller in a stationary manner precisely to the setpoint. In practice, this structural decomposition shows a bumpless increase in the manipulated variable after a jump in the setpoint, with a slightly longer rise time compared to the known structure switchover, but finally reaches the steady state at the setpoint more quickly.
Im allgemeinen kann das Verhalten von Temperaturregelstrecken zumindest näherungsweise durch ein VZ2-Modell beschrieben werden. Wird für den unterlagerten Regelkreis ein PD-Regler verwendet, so können in vorteilhafter Weise die mathematischen Methoden der Optimierung im Zustandsraum zum Reglerentwurf eingesetzt werden, die als mathematisch exakte Methode ein gutes Regelverhalten liefern. Die Ergebnisse dieser Optimierung für verschiedene VZ2-Prozesse können durch ein Polynom angenähert werden, so daß einfache Einstellregeln für den Online-Einsatz abzuleiten sind. Somit kann der Reglerentwurf nach der Streckenidentifikation mit einer einfachen Recheneinheit durchgeführt- werden. Mit geringem Aufwand ist eine Regeleinrichtung implementierbar, die sich automatisch bei der ersten Inbetriebnahme und wahrend des spateren Betriebs an eine bestehende Temperaturregelstrecke adaptiert. Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile naher erläutert.In general, the behavior of temperature control systems can be described at least approximately by a VZ2 model. If a PD controller is used for the subordinate control loop, the mathematical methods of optimization in the state space for controller design can be used in an advantageous manner, which provide good control behavior as a mathematically exact method. The results of this optimization for different VZ2 processes can be approximated by a polynomial, so that simple setting rules for online use can be derived. The controller design can thus be carried out with a simple computing unit after the route identification. A control device can be implemented with little effort, which automatically adapts to an existing temperature control system during the initial start-up and during later operation. Based on the drawings, in which an exemplary embodiment of the invention is shown, the invention as well as embodiments and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 ein Regelkreismodell, das zur Erläuterung einem Entwurf eines I-Reglers und eines unterlagerten PD-Reglers zugrundegelegt wird, Figur 2 eine Struktur eines Simulationsmodells der Strecke mit einer vorgeschalteten Split-Range-Einheit,1 shows a control loop model which is used to explain a draft of an I controller and a subordinate PD controller, FIG. 2 shows a structure of a simulation model of the system with an upstream split range unit,
Figur 3 ein Schaltbild eines Regelkreises mit einer Regeleinrichtung für Split-Range-Betrieb, Figur 4 einen Verlauf der Fuhrungsgroße w(t) und der Regelgröße x(t) in dem Schaltbild nach Figur 3 bei Selbsteinstellung des Reglers mit einem Heiz- und3 shows a circuit diagram of a control circuit with a control device for split-range operation, FIG. 4 shows a profile of the guide variable w (t) and the controlled variable x (t) in the circuit diagram according to FIG
Kühlversuch sowie anschließender Storungskompensa- tion, Figur 5 den zugehörigen Verlauf der Stellgroße y(t), Figuren 6, 7 und 8 Sprungantworten eines Prozesses, eines unterlagerten PD-Regelkreises und eines geschlossenen Regelkreises mit einer vollständigen Regeleinrichtung, Figur 9 eine Antwort auf eine sprungformige Störung am Prozeßeingang, Figur 10 eine Antwort auf eine sprungformige Störung am Prozeßausgang und Figur 11 zum Vergleich eine fiktive Sprungantwort eines PID- Reglers ohne Strukturzerlegung.FIG. 5 shows the associated course of the manipulated variable y (t), FIGS. 6, 7 and 8 step responses of a process, a subordinate PD control loop and a closed control loop with a complete control device, FIG. 9 shows a response to a step-like cooling Fault at the process input, FIG. 10 shows a response to an abrupt fault at the process output and FIG. 11 shows a fictitious step response of a PID controller without a structural breakdown.
Figur 1 zeigt das Strukturbild eines Regelkreises, in welchem ein PID-Regler in einen I-Regler 1 und einen PD-Regler 2 zerlegt ist. Auf den I-Regler 1 ist eine aus einer Führungsgröße w und einer Regelgröße x gebildete Regeldifferenz xd geführt. Daraus erzeugt der I-Regler 1 einen Integralanteil γ± . Auf einen Eingang des PD-Reglers 2 ist lediglich die Regelgroße x geschaltet. Der PD-Regler 2 liefert einen Proportional- und einen Differentialanteil ypd. In einem Summierglied 3 werden die beiden Anteile y und ypd zu einer Stellgroße y überlagert. Vor dem Eingang eines Prozesses 4 wird eine Störung ze aufgeschaltet . Als Antwort auf eine derart gestörte Stellgröße ypr liefert der Prozeß 4 eine Regelgroße xpr, der wiederum am Ausgang des Prozesses eine Störgröße za überlagert wird. Die Regelgroße x schließlich stellt eine Temperatur dar, die beispielsweise mit Thermoelementen erfaßt und auf die Regeleinrichtung zurückgeführt wird. Der Istwert der Temperatur ergibt sich also zu:FIG. 1 shows the structural diagram of a control loop in which a PID controller is broken down into an I controller 1 and a PD controller 2. A control difference x d formed from a reference variable w and a control variable x is fed to the I controller 1. From this, the I controller 1 generates an integral component γ ± . Only the controlled variable x is connected to an input of the PD controller 2. The PD controller 2 supplies a proportional and a differential component y pd . Be in a summing element 3 the two parts y and y pd overlaid to a manipulated variable y. Before a process 4 arrives, a fault z e is applied . In response to such a manipulated variable y pr , process 4 supplies a controlled variable x pr , which in turn is superimposed on a disturbance variable z a at the output of the process. The controlled variable x finally represents a temperature which is detected, for example, with thermocouples and fed back to the control device. The actual temperature is therefore:
x(s) = G(s)(y(s) + ze (s)) + za (s)x (s) = G (s) (y (s) + z e (s)) + z a (s)
mitWith
G(s) - Laplace-transformierte Ubertragungsfunktion des Pro- zesses 4.G (s) - Laplace-transformed transfer function of process 4.
Die Gesamtstellgroße y des zerlegten Reglers ist:The total manipulated variable y of the disassembled controller is:
y(s) = Kt (s)(w(s) - x(s)) - Kpd (s)x(s)y (s) = K t (s) (w (s) - x (s)) - K pd (s) x (s)
mitWith
K.(s) - Ubertragungsfunktion des I-Reglers 1 und K. (s) - transfer function of the I controller 1 and
KPd(s) - Ubertragungsfunktion des PD-Reglers 2.K Pd (s) - transfer function of the PD controller 2.
Das Verhalten des Regelkreises in verschiedenen Situationen wird durch folgende Ubertragungsfunktionen charakterisiert:The behavior of the control loop in different situations is characterized by the following transfer functions:
Ubertragungsverhalten des unterlagerten PD-Regelkreises :Transmission behavior of the subordinate PD control loop:
) = Gpd(s)y(s),) = G pd (s) y (s),
Figure imgf000013_0001
ze(s) = za(s) ≡ 0
Figure imgf000013_0001
z e (s) = z a (s) ≡ 0
mitWith
Gpd - Übertragungsfunktion des unterlagerten Regelkreises. Fuhrungsverhalten des geschlossenen Regelkreises:G pd - transfer function of the subordinate control loop. Leadership behavior of the closed control loop:
x(s) = Gd(s)w(s),x (s) = G d (s) w (s),
Gpd(s)K, (s)G pd (s) K, (s)
Gr,(s) = ,G r , (s) =,
\ + Gpd(s)K, (s) ze(s) = za(s) ≡ 0\ + G pd (s) K, (s) z e (s) = z a (s) ≡ 0
mitWith
Gcl - Ubertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises.G cl - transfer function of the closed control loop.
Reaktion auf eine Störung am Prozeßeingang:Reaction to a fault at the process input:
x(s) = Gze(s)ze(s), G" S) = ' l + G(s)K(s) w(s) = 0, K(s) = K, (s) + Kpd(s)x (s) = G ze (s) z e (s), G " S) = 'l + G (s) K (s) w (s) = 0, K (s) = K, (s) + K pd (s)
mitWith
Gze - Ubertragungsfunktion des Verhaltens auf eine Störung am Prozeßeingang.G ze - transfer function of the behavior to a disturbance at the process entrance.
Reaktion auf eine Störung am Prozeßausgang:Response to a fault at the process output:
x(s) = G2a(s)za(s) , 1 z T+ G(s)K(s) w(s) = 0x (s) = G 2a (s) z a (s), 1 z T + G (s) K (s) w (s) = 0
mitWith
Gza - Ubertragungsfunktion des Verhaltens auf eine Störung am Prozeßausgang.G za - transfer function of the behavior to a fault at the process output.
An den Übertragungsfunktionen G2e und Gza ist zu erkennen, daß es für das Storverhalten gleichgültig ist, ob der Regler zerlegt ist oder nicht. Da Prozesse bei der Temperaturregelung ein verzögerungsbehaftetes Verhalten zeigen, wird zur Modellierung des Prozesses 4 ein VZ2-Modell verwendet mit der Übertragungsfunktion:It can be seen from the transfer functions G 2e and G za that it does not matter whether the controller is disassembled or not. Since processes in temperature control show behavior with delays, a VZ2 model is used to model process 4 with the transfer function:
G(s)G (s)
(t,5 + l)(t25 -f- l)(t, 5 + l) (t 2 5 -f- l)
mit k - Prozeßverstärkung, ti - erste Zeitkonstante des Prozesses und t2 - zweite Zeitkonstante des Prozesses 4.with k - process amplification, ti - first time constant of the process and t 2 - second time constant of the process 4.
In einer Zustandsdarstellung haben VZ2-Prozesse zwei Zustände: den Istwert x und dessen zeitliche Änderung x* = dx/dt. Die Übertragungsfunktion G(s) des Prozesses 4 kann damit in eine äquivalente Zustandsraumdarstellung überführt werden:In a status display, VZ2 processes have two statuses: the actual value x and its change over time x * = dx / dt. The transfer function G (s) of process 4 can thus be converted into an equivalent state space representation:
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
£ [l 0], d = 0£ [l 0], d = 0
mit x - Zustandsvektor,with x - state vector,
A - Systemmatrix, b - Eingangsvektor, c' - transponierter Ausgangsvektor und d - Durchgangsfaktor. Ein Zustandsregler für diesen Prozeß hat die Form:A - system matrix, b - input vector, c '- transposed output vector and d - pass factor. A state controller for this process has the form:
y = -k x = ~(k,x + k2x')y = -kx = ~ (k, x + k 2 x ')
und läßt sich daher mitand can therefore be with
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
als PD-Regler mit einer Verstärkung kpd und einer Vorhaltzeit tpd realisieren, der im Laplace-Bereich durch eine Übertragungsfunktion kpd beschrieben wird mitrealize as a PD controller with a gain k pd and a derivative time t pd , which is described in the Laplace area by a transfer function k pd with
Kpd{s) = kpd (l + tpd s).K pd {s) = k pd (l + t pd s).
Diese Darstellung eröffnet die Möglichkeit, den PD-Regler für einen VZ2-Prozeß mit den strengen mathematischen Methoden der Optimierung im Zustandsraum zu entwerfen. Vorteilhaft kann dazu ein quadratisches GütekriteriumThis representation opens up the possibility of designing the PD controller for a VZ2 process using the strict mathematical methods of optimization in the state space. A quadratic quality criterion can be advantageous for this
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0002
mitWith
J - Güteindex,J - quality index,
Q - Einheitsmatrix und r - ein GewichtungsfaktorQ - unit matrix and r - a weighting factor
minimiert werden, das bei einem dynamischen Ausgleichsvorgang sowohl Abweichungen der Zustände als auch Ausschläge der Stellgröße berücksichtigt. Da alle Zustände für gleich wich- tig erachtet werden, kommt für Q die Einheitsmatrix zur Verwendung. In vorteilhafter Weise kann mit der Gewichtung r der Stellausschläge die Charakteristik des Zustandsreglers variiert werden: Je größer der Gewichtungsfaktor r ist, desto stärker verschlechtern Stellgrößenänderungen den Wert des Gütekriteriums und desto vorsichtiger reagiert somit der Regler. Um den tragen Prozeß 4 mit dem PD-Regler 2 möglichst stark zu beschleunigen, wird ein Gewichtungsfaktor r zwischen 0,0002 und 0,02, vorzugsweise gleich 0,002, gewählt. Dabei wird von einer Normierung der Großen w, y, x und x* auf einen Wertebereich bis 100 % ausgegangen.can be minimized, which takes into account both deviations of the states and deflections of the manipulated variable in a dynamic compensation process. Since all states are considered to be of equal importance, the unit matrix is used for Q. The characteristic of the state controller can advantageously be varied with the weighting r of the actuating deflections: the greater the weighting factor r, the greater the changes in the manipulated variables deteriorate the value of the quality criterion and the more cautiously the operator reacts Regulator. In order to accelerate the wear process 4 with the PD controller 2 as much as possible, a weighting factor r between 0.0002 and 0.02, preferably equal to 0.002, is selected. A standardization of the sizes w, y, x and x * is assumed to a value range up to 100%.
Die Losung der beschriebenen Optimierungsaufgabe ist bei einem unter der Bezeichnung MATLAB erhältlichen Software-Tool mit einer einzigen Befehlszeile möglich. Ausgeführt wird durch das Software-Tool jedoch ein komplexer mathematischer Algorithmus, der die zugehörige kontinuierliche Matrix- Riccati-Gleichung lost und im allgemeinen nicht für den Einsatz auf Reglerbaugruppen von Automatisierungsgeraten geeignet ist. Daher kann m vorteilhafter Weise die Optimierung für eine Reihe verschiedener VZ2-Prozesse offline durchgeführt und anschließend versucht werden, aus den Ergebnissen einfache Einstellregeln für den Online-Einsatz abzuleiten. Das hat den Vorteil, daß der Regler mit einfachen Mitteln an verschiedene Prozesse adaptiert werden kann.The solution to the described optimization task is possible with a software tool available under the name MATLAB with a single command line. However, the software tool executes a complex mathematical algorithm that solves the associated continuous matrix-Riccati equation and is generally not suitable for use on controller assemblies in automation devices. Therefore, the optimization for a number of different VZ2 processes can advantageously be carried out offline and then attempts can be made to derive simple setting rules for online use from the results. This has the advantage that the controller can be easily adapted to different processes.
Die Optimierung ergibt, daß für verschiedene Prozesse eine Kreisverstarkung des unterlagerten Regelkreises von 21,4 einzustellen ist. Die Verstärkung kpd des PD-Reglers wird daher zuThe optimization shows that a loop gain of 21.4 must be set for the lower-level control loop for different processes. The gain k pd of the PD controller therefore becomes too
21,421.4
vorgegeben. Die kleinere Zeitkonstante des VZ2-Modells wird als zweite Zeitkonstante t2 gewählt. Die Vorhaltzeitgiven. The smaller time constant of the VZ2 model is chosen as the second time constant t 2 . The lead time
t pd ~ ad2 *2t pd ~ a d2 * 2
richtet sich nach der kleineren Zeitkonstante t2, wobei die Hilfsgroße αd2 nichtlinear vom Verhältnis f = tχ/t2 der beiden Zeitkonstanten ti und t2 abhangt. Anhand der Ergebnisse der Optimierung des Reglers im Zustandsraum wird für den rele- vanten Bereich 1 < f < 40 ein Polynom fünfter Ordnung ermittelt , welches die Ergebnisse numerisch approximiert :depends on the smaller time constant t 2 , whereby the auxiliary quantity α d2 depends non-linearly on the ratio f = tχ / t 2 of the two time constants ti and t 2 . Based on the results of the optimization of the controller in the state space, the rele- vanten range 1 <f <40 a fifth order polynomial is determined, which approximates the results numerically:
ad2 =4,89 • 10~8 ■ - 5,9290 • 10~6 • f4 + 2,7814 • 10"4 • f3 - 0,00648 • f2 + 0,08486 • / + 0,162.a d2 = 4.89 • 10 ~ 8 ■ - 5.9290 • 10 ~ 6 • f 4 + 2.7814 • 10 "4 • f 3 - 0.00648 • f 2 + 0.08486 • / + 0.162.
Wenn der PD-Regler nach diesen Formeln eingestellt wird, hat der unterlagerte Regelkreis in vorteilhafter Weise für alle Strecken ein komplexes, gut gedämpftes Polpaar. Die Dampfung betragt etwa 0,9 und liegt damit nahe am asymptotischen Grenzfall mit der Dampfung 1. Ein wesentlicher Vorteil der gezeigten Zerlegung eines PID-Reglers ist, daß der unterlagerte Regelkreis mit der Ubertragungsfunktion Gpd für eine typische Temperaturstrecke etwa um den Faktor 20 schneller als der ungeregelte Prozeß G auf Änderungen reagiert.If the PD controller is set according to these formulas, the lower-level control loop advantageously has a complex, well-damped pole pair for all lines. The damping amounts to about 0.9 and is therefore close to the asymptotic limit case with the damping 1. A major advantage of the shown dismantling of a PID controller is that the lower-level control loop with the transfer function G pd for a typical temperature range is about 20 times faster when the unregulated process G reacts to changes.
Für den Entwurf des überlagerten I-Reglers 1 mit einer UbertragungsfunktionFor the design of the superimposed I controller 1 with a transfer function
('.. • s) sollte berücksichtigt werden, daß in der Praxis kein idealer, sondern ein realer PD-Regler 2 mit verzögertem D-Anteil zum Einsatz kommt, der eine weitere Zeitkonstante in den unterlagerten Regelkreis einbringt. Die Nachstellzeit t^ des I-Reglers 1 kann von der bereits optimierten Vorhaltzeit tpd des PD-Reglers 2 abhangig gemacht werden:('.. • s ) it should be taken into account that in practice not an ideal, but a real PD controller 2 with a delayed D component is used, which adds another time constant to the lower-level control loop. The reset time t ^ of the I controller 1 can be made dependent on the already optimized derivative action time t pd of the PD controller 2:
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Figure imgf000018_0001
In einer Simulationsreihe werden solche Werte für die Hilfsgroße αld gesucht, die ein uberschwingfreies Fuhrungsverhal- ten des geschlossenen Regelkreises mit der Ubertragungsfunktion Gcι gewahrleisten .- Dabei ergibt sich für die Hilfsgroße αld ein linearer Zusammenhang:In a series of simulations, values are sought for the auxiliary variable α ld that ensure overshoot-free guiding behavior of the closed control loop with the transfer function G c ι. This results in a linear relationship for the auxiliary variable α ld :
αld = 0,179 . f + 3,35 Aus Sicherheitsgründen sollte die Hilfsgröße ld auf einen Minimalwert 3,5 begrenzt werden.α ld = 0.179. f + 3.35 For safety reasons, the auxiliary variable ld should be limited to a minimum value of 3.5.
Anstelle des PD-Reglers 2 kann auch ein einfacher P-Regler eingesetzt werden, welcher dann aus der Regelgröße x eine Stellgröße yp erzeugt. Zur Erläuterung des Entwurfs einer Regeleinrichtung mit einem I-Regler 1 und einem P-Regler 2 wird wieder von der in Figur 1 dargestellten Struktur ausgegangen, wobei lediglich die Ausgangsgröße ypd des bisheri- gen PD-Reglers durch die neue Ausgangsgröße yp zu ersetzen ist. Der Entwurf eines auf die gezeigte Art zerlegten PI- Reglers erfolgt in analoger Weise nach dem bereits beschriebenen Schema, so daß es genügt, die resultierenden Einstellformeln anzugeben. Der P-Regler mit einer Ubertragungsfunk- tion Kp = kp für den unterlagerten Regelkreis kann nicht als Zustandsregler aufgefaßt werden, sondern wird direkt auf eine Dämpfung von 0,9 ausgelegt, indem die Reglerverstärkung zuInstead of the PD controller 2, a simple P controller can also be used, which then generates a manipulated variable y p from the controlled variable x. To explain the design of a control device with an I controller 1 and a P controller 2, the structure shown in FIG. 1 is again used, with only the output variable y pd of the previous PD controller being replaced by the new output variable y p is. The design of a PI controller disassembled in the manner shown is carried out in an analogous manner according to the scheme already described, so that it is sufficient to state the resulting setting formulas. The P controller with a transfer function K p = k p for the lower-level control loop cannot be regarded as a state controller, but is designed directly for an attenuation of 0.9 by increasing the controller gain
0,437f -0,133 k„ =0.437f -0.133 k „=
" k"k
gewählt wird. Die Nachstellzeit tl2 des überlagerten I-Reglers mit der Übertragungsfunktionis chosen. The reset time t l2 of the higher-level I controller with the transfer function
\2\ 2
(t,ι - ή(t, ι - ή
wird von der Zeitkonstantewill depend on the time constant
t„, = 1Lt ", = 1L
des geschlossenen unterlagerten Kreises abhängig gemacht. Die Nachstellzeit tl2 wird bestimmt zuof the closed subordinate circle. The reset time t l2 is determined to
Figure imgf000019_0001
a ψ = -5,10414 10"6 f4 + 0,000487705 f3 - 0,0168150 f2 + 0,263083 f + 1,13409
Figure imgf000019_0001
a ψ = -5.10414 10 "6 f 4 + 0.000487705 f 3 - 0.0168150 f 2 + 0.263083 f + 1.13409
Die gezeigte Strukturzerlegung eines PI- oder PID-Reglers hat gegenüber der bekannten Strukturumschaltung den Vorteil, daß sich schnellere Nachstellzelten, insbesondere bei sprung- formigen Störungen und bei exakt uberschwmgfreiem Verhalten, realisieren lassen.The structure breakdown of a PI or PID controller shown has the advantage over the known structure switchover that faster readjustment tents can be implemented, in particular in the case of sudden disturbances and in the case of behavior that is exactly free from overshoot.
Bei einem Sollwertsprung erzeugt die bekannte Strukturumschaltung einen Sprung der Stellgroße und ein sehr schnelles Anschwingverhalten. Der Regelkreis braucht aber mit der bekannten Strukturumschaltung etwas Zeit für das endgültige Einschwingen auf den Sollwert. Ein PI- oder PID-Regler mitIn the event of a setpoint jump, the known structure switchover causes a jump in the manipulated variable and a very fast start-up behavior. However, with the known structure switchover, the control loop needs some time for the final settling to the setpoint. A PI or PID controller with
Strukturzerlegung zeigt dagegen einen stoßfreien Anstieg der Stellgroße mit einer etwas längeren Anstiegszeit, erreicht aber schließlich den eingeschwungenen Zustand am Sollwert schneller. Ein wesentlicher Vorteil der Strukturzerlegung ist jedoch, daß auf eine Strukturumschaltung mit Eingriffen in den Regler wahrend des laufenden Betriebs verzichtet werden kann. Damit ist der neue Regler mit Strukturzerlegung auch bei Prozessen mit zwei Stellgliedern, insbesondere bei einer Temperaturregelstrecke mit einer Heizung und einer Kühlung, mit Vorteil einsetzbar. Die Regeleinrichtung ist zudem vorteilhaft für eine automatische Inbetriebnahme geeignet, beispielsweise mit einem PC-gestutzten Regler-Inbetriebnahmeverfahren, da die Strukturzerlegung beim Entwurf eines Software-Reglers festgelegt und als dauerhafte Parametπerung auf einen Regler geladen werden kann.Structural decomposition, on the other hand, shows a bumpless increase in the manipulated variable with a slightly longer rise time, but ultimately reaches the steady state at the setpoint more quickly. A major advantage of the structure decomposition is, however, that there is no need to change the structure by intervening in the controller during operation. This means that the new controller with structure decomposition can also be used with advantage in processes with two actuators, especially in a temperature control system with heating and cooling. The control device is also advantageously suitable for automatic commissioning, for example with a PC-supported controller commissioning method, since the structural breakdown can be defined when designing a software controller and loaded onto a controller as permanent parameterization.
In Figur 2 ist das Modell einer Temperaturregelstrecke mit zwei Stellgliedern und einer vorgeschalteten Split-Range- Einheit 5 dargestellt. Das Modell der Temperaturregelstrecke untergliedert sich in ein Modell 6 für Heizen, ein Modell 7 für Kuhlen sowie ein Modell 8, das zur Ausgabe der Temperatur des Beharrungszustands dient, welcher sich bei ausgeschalte- ter Heizung und Kühlung einstellt. Die Modelle 6 und 7 können beispielsweise VZ2-Glιeder mit gleichen Zeitkonstanten sein, die sich jedoch in ihrer Verstärkung unterscheiden. Ausgangsgroßen xh, xk und xb der Modelle 6, 7 bzw. 8 werden m einem Summierglied 9 überlagert, welches eine resultierende Regelgroße xpr' erzeugt. Die Split-Range-Emheit 5 besteht aus zwei Kennlinien-Gliedern 10 und 11. Bei positiven Werten einer an die Split-Range-Emheit 5 angelegten Stellgroße ypr' gibt das Kennlinien-Glied 10 die Stellgroße unverändert an das Modell 6 für Heizen aus, wahrend das Kennlinien-Glied 11 den Wert "0" an das Modell 7 für Kuhlen liefert und somit die Kühlung ausschaltet. Andererseits wird bei negativen Werten der Stellgroße ypr' durch das Kennlinien-Glied 10 die Heizung ausgeschaltet und von dem Kennlinien-Glied 11 der mit einem Faktor p gewichtete Wert der Stellgroße ypr' auf das Modell 7 für Kuhlen gegeben.FIG. 2 shows the model of a temperature control system with two actuators and an upstream split-range unit 5. The model of the temperature control system is subdivided into a model 6 for heating, a model 7 for Kuhlen and a model 8, which serves to output the temperature of the steady state, which is heating and cooling. Models 6 and 7 can, for example, be VZ2 elements with the same time constants, but differ in their amplification. Output variables x h , x k and x b of models 6, 7 and 8 are superimposed in a summing element 9, which generates a resulting control variable x pr '. The split-range unit 5 consists of two characteristic elements 10 and 11. With positive values of a manipulated variable y pr 'applied to the split-range unit 5, the characteristic element 10 outputs the manipulated variable unchanged to the model 6 for heating , while the characteristic element 11 supplies the value "0" to the model 7 for Kuhlen and thus switches off the cooling. On the other hand, in the case of negative values of the manipulated variable y pr ', the heating is switched off by the characteristic element 10 and the value of the manipulated variable y pr ', weighted by a factor p, is transferred from the characteristic element 11 to the model 7 for cooling.
Die einfachste Kenngroße, die das unterschiedliche Verhalten beim Heizen und Kuhlen charakterisiert, ist das Verhältnis von maximaler Steigung der Regelgroße xpr' bei eingeschalteter Heizung zu maximaler Steigung bei eingeschalteter Kühlung. Eine stationäre Verstärkung der Kühlung ist nicht ohne weiteres zu ermitteln, da man hierzu bei bekannten Parametern des Modells für Heizen Heizung und Kühlung gleichzeitig be- treiben mußte. Da ein vorgeschalteter Regler aufgrund der Split-Range-Emheit 5 jedoch eine von Null verschiedene Stellgroße yh an das Modell 6 für Heizen ausgibt, wenn die Stellgroße ypr' positiv ist, und eine von Null verschiedene Stellgroße yk an das Modell 7 für Kuhlen, wenn diese negativ ist, gibt es keinen Wert der Stellgroße ypr' , bei welchemThe simplest parameter, which characterizes the different behavior when heating and cooling, is the ratio of the maximum slope of the controlled variable x pr 'with the heating switched on to the maximum slope with the cooling switched on. A steady-state amplification of the cooling cannot be determined without further ado, since for this purpose heating and cooling had to be operated simultaneously with known parameters of the model for heating. However, since an upstream controller, due to the split range unit 5, outputs a non-zero manipulated variable y h to the model 6 for heating if the manipulated variable y pr 'is positive, and a non-zero manipulated variable y k to the model 7 for heating Cooling, if this is negative, there is no value for the manipulated variable y pr '
Heizung und Kühlung gleichzeitig aktiviert werden. Im Normalbetrieb einer Temperaturregelung wäre dies auch reine Energieverschwendung .Heating and cooling can be activated at the same time. In normal operation of a temperature control, this would also be a pure waste of energy.
Um die Verstärkung des Modells 7 für Kuhlen zu identifizieren, ist folgende Modellvorstellung hilfreich. Die Warme- verluste des Prozesses an die Umgebung werden dabei vernach- lässigt. Das Verhalten des Prozesses während der Anfangsphase des Aufheizens läßt sich dann in Abhängigkeit einer Stellgröße yh für Heizen zumindest näherungsweise durch ein IT1- Modell, d. h. durch einen verzugsbehafteten Integrator, beschreiben:In order to identify the amplification of model 7 for Kuhlen, the following model presentation is helpful. The heat losses of the process to the environment are neglected relaxes. The behavior of the process during the initial phase of heating can then be described at least approximately as a function of a manipulated variable y h for heating by an IT1 model, ie by a delayed integrator:
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0001
GA*) = s(t2hs + l) G A * ) = s (t 2h s + l)
mit Gih(s) - Übertragungsfunktion in der Anfangsphase des Heizvorgangs, kih - Verstärkung für Heizen und t2h _ zweite Zeitkonstante des Modells 6 für Heizen.with Gi h (s) - transfer function in the initial phase of the heating process, ki h - amplification for heating and t 2h _ second time constant of model 6 for heating.
In entsprechender Weise wird auch das Verhalten in der Anfangsphase einer Kühlung durch den folgenden verzugsbehafteten Integrator beschrieben:The behavior in the initial phase of cooling is described in a corresponding manner by the following delayed integrator:
xk(s) = G,k (s)yk (s) ,x k (s) = G, k (s) y k (s),
s(t2ks + \)s (t 2k s + \)
mitWith
Gik(s) - Übertragungsfunktion des Modells 7 in der Anfangsphase für Kühlen, ik - Verstärkung und t2k - zweite Zeitkonstante des Modells 7 für Kühlen.Gi k (s) - transfer function of model 7 in the initial phase for cooling, ik - amplification and t 2k - second time constant of model 7 for cooling.
Figur 3 zeigt einen Regelkreis mit einer Regeleinrichtung, die auch die Teile enthält, die zu einer automatischen Identifikation des Prozesses anhand der oben beschriebenen Modellvorstellung erforderlich sind. Die Funktionsweise und der Entwurf eines Reglers 30 nach erfolgter Prozeßidentifikation wurden bereits anhand Figur 1, die Funktionsweise einer Split-Range-Einheit 5 anhand Figur 2 beschrieben. Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszeichen verwendet.FIG. 3 shows a control circuit with a control device which also contains the parts which are necessary for automatic identification of the process on the basis of the model concept described above. The mode of operation and the design of a controller 30 after the process has been identified have already been illustrated in FIG. 1, the mode of operation of a Split range unit 5 described with reference to Figure 2. The same reference numerals are used for the same parts.
Ein Prozeß 32 ist in Figur 3 mit einer Heizung 33 und einer Kühlung 34 versehen. Die Temperatur des Prozesses wird als Regelgröße x auf den Regler 30 zurückgeführt.A process 32 is provided in FIG. 3 with a heater 33 and a cooler 34. The temperature of the process is fed back to controller 30 as controlled variable x.
Vor einem Identifikationsvorgang wird zunächst ein Faktor p durch eine Steuereinheit 35 auf den Wert "1" gesetzt, so daß auch negative Werte der Stellgröße y durch das Kennlinien- Glied 11 ohne eine zusatzliche Gewichtung an die Kühlung 34 des Prozesses 32 ausgegeben werden. Ein automatischer Identifikationsvorgang wird durch ein Anforderungssignal 36 eingeleitet, das die Steuereinheit 35 von einer in Figur 3 nicht dargestellten Bedieneinheit empfängt. Mit einem Signal 37 legt die Steuereinheit 35 einen Schalter 38 um, damit die Stellgröße y nicht durch den Regler 30, sondern durch die Steuereinheit 35 mit einem Signal 39 vorgegeben wird. Ein Anforderungssignal 36 kann beispielsweise gleichzeitig mit der ersten Inbetriebnahme der Regeleinrichtung bei einem ersten Sprung der Führungsgröße w erzeugt werden.Before an identification process, a factor p is first set to the value "1" by a control unit 35, so that even negative values of the manipulated variable y are output by the characteristic element 11 without an additional weighting to the cooling 34 of the process 32. An automatic identification process is initiated by a request signal 36 which the control unit 35 receives from an operating unit (not shown in FIG. 3). The control unit 35 uses a signal 37 to flip a switch 38 so that the manipulated variable y is not specified by the controller 30 but by the control unit 35 with a signal 39. A request signal 36 can be generated, for example, at the same time as the control device is started up for the first time that the command variable w jumps.
In den Figuren 4 und 5 sind die Verlaufe der Fuhrungsgroße w, der Regelgröße x und der Stellgroße y wahrend der automati- sehen Identifikation des Prozesses 32 und einer anschließenden Störungskompensation aufgezeichnet. An den Abszissen der Diagramme in den Figuren 4 und 5 ist die Zeit t in Sekunden, an der Ordinate in Figur 4 die Temperatur in °C und an der Ordinate in Figur 5 die Stellgröße in % aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t = 0 s befindet sich der Prozeß 32 in einem ersten stationären Zustand, bei welchem der Wert der Regelgröße x 0 °C beträgt. Zum Zeitpunkt t = 0 s wird die Führungsgröße w sprungförmig von zuvor 0 °C auf den Wert 170 °C gesetzt. Die Steuereinheit 35 setzt daraufhin mit dem Signal 39 die Stell- große y auf einen konstanten Wert +80 %, bei welchem 80 % der Heizleistung auf den Prozeß 32 gegeben werden und die Kühlung 34 abgeschaltet ist. Etwa zum Zeitpunkt t = 1100 s wird ein Wendepunkt im Verlauf der Regelgroße x durch die Steuereinheit 35 festgestellt und, wie bereits aus der eingangs erwähnten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 19722431.8 bekannt, ein erstes ITl-Modell ldentifi- ziert, welches das Verhalten des Prozesses beim Heizvorgang zumindest naherungsweise beschreibt. Mit einem m Abhängig¬ keit des ersten ITl-Modells bestimmten Reglerverhalten regelt die Steuereinheit 35 zwischen etwa den Zeitpunkten t = 1100 s und t = 6800 s den Prozeß 32 in die Nahe eines zweiten sta- tionaren Zustands, bei welchem die Regelgroße x den Wert 170 °C der Fuhrungsgroße w erreicht. In bereits bekannter Weise kann aus einer Wendetangente wh und dem zweiten stationären Zustand ein VZ2-Modell ermittelt werden, das die Verstärkung der Heizung 33 und die Dynamik des Prozesses 32 beschreibt.FIGS. 4 and 5 show the courses of the guide variable w, the controlled variable x and the manipulated variable y during the automatic identification of the process 32 and a subsequent fault compensation. The time t in seconds is plotted on the abscissa of the diagrams in FIGS. 4 and 5, the temperature in ° C. on the ordinate in FIG. 4 and the manipulated variable in% on the ordinate in FIG. At a time t = 0 s, the process 32 is in a first steady state, in which the value of the controlled variable is x 0 ° C. At the point in time t = 0 s, the command variable w is set abruptly from previously 0 ° C. to the value 170 ° C. The control unit 35 then sets the manipulated variable y to a constant value +80% with the signal 39, at which 80% of the heating power is transferred to the process 32 and the cooling 34 is switched off. At about time t = 1100 s, a The turning point in the course of the controlled variable x was determined by the control unit 35 and, as already known from the German patent application mentioned at the beginning with the official file number 19722431.8, a first ITI model was identified which describes the behavior of the process during the heating process at least approximately. With a m Depending ¬ ness of the first ITL model specific controller behavior controls the control unit 35 is between about the points in time t = 1100 s and t = 6800 s the process 32 in the vicinity of a second static tionaren state in which the controlled variable x is The guide size w reached 170 ° C. In a manner already known, a VZ2 model can be determined from a turning tangent wh and the second stationary state, which describes the gain of the heater 33 and the dynamics of the process 32.
Aus dem zweiten stationären Zustand bei 170 °C heraus setzt die Steuereinheit 35 das Signal 39 auf den Wert -20 %, der über den Schalter 38 zum Zeitpunkt t = 6800 s auf das Stell- Signal y gegeben wird. Bei diesem Wert des Stellsignals y schaltet die Split-Range-Emheit 5 die Heizung 33 aus und stellt die Kühlung 34 auf 20 % der maximalen Kühlleistung. Der Wert des Stellsignals wird konstant auf diesem Wert VLLM TUN gehalten, bis ein Wendepunkt m Verlauf der Regelgroße x (siehe Figur 4) erkennbar ist.From the second stationary state at 170 ° C., the control unit 35 sets the signal 39 to the value -20%, which is given to the control signal y via the switch 38 at the time t = 6800 s. At this value of the control signal y, the split-range unit 5 switches off the heating 33 and sets the cooling 34 to 20% of the maximum cooling capacity. The value of the control signal is kept constant at this value V LLM TUN until an inflection point m curve of the controlled variable x (see FIG. 4) can be seen.
Eine einfache und wirkungsvolle Identifikation der Verstärkung wahrend des Kuhlvorgangs wird erreicht, indem abweichend von dem tatsachlichen, das Prozeßverhalten beschreibenden VZ2-Modell wahrend der Anfangsphase des Kuhlvorgangs wie schon wahrend der Anfangsphase des Heizvorgangs jeweils die oben beschriebenen ITl-Modelle angenommen werden. Entsprechend der in Figur 2 dargestellten Struktur ergibt sich dann der Istwert der Regelgroße x nach der Formel:A simple and effective identification of the gain during the cooling process is achieved by adopting the IT1 models described above, deviating from the actual VZ2 model describing the process behavior, during the initial phase of the cooling process and during the initial phase of the heating process. In accordance with the structure shown in FIG. 2, the actual value of the controlled variable x is then obtained using the formula:
x Xh ~ k< da sich die Wirkungen von Heizung und Kühlung im Summierglied 9 überlagern.x Xh ~ k < since the effects of heating and cooling are superimposed in the summing element 9.
In der Anfangsphase der Kühlung zum Zeitpunkt t = 6800 s, in welcher der Prozeß vom Arbeitspunkt aus plötzlich gekühlt wird, überlagern sich zwei Effekte: ein Sprung der Kühlleistung von 0 auf yLLM TUN sowie ein Sprung der Heizleistung vom stationären Wert y am Arbeitspunkt zurück auf den Wert 0 mit einer Sprunghöhe -y. Die gemessene SteigungIn the initial phase of cooling at time t = 6800 s, in which the process is suddenly cooled from the working point, two effects overlap: a jump in the cooling capacity from 0 to y LLM TUN and a jump in the heating capacity from the stationary value y at the working point back to the value 0 with a jump height -y . The measured slope
dx wk = kΛ(-y) + kΛy. LLM TUN dtdx wk = k Λ (-y ) + k Λ y . LLM DO
am Kühl-Wendepunkt , die in Figur 4 durch die Wendetangente wk markiert wird, setzt sich also aus zwei Anteilen zusammen, von denen der eine Anteil, nämlich klh(-y) , bereits von derat the cooling turning point, which is marked in FIG. 4 by the turning tangent wk, is composed of two parts, of which one part, namely k lh (-y ), already consists of the
Wendetangente wh beim Heizvorgang und dem stationären Endwert ermittelt werden konnte. Diese Gleichung kann nach der gesuchten Verstärkung klk beim Kühlen aufgelöst werden:Turn tangent wh could be determined during the heating process and the stationary end value. This equation can be solved for the desired gain k lk during cooling:
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0001
Das ermittelte Verhältnis der Verstärkungen klh und klk wird für eine Anpassung der Verstärkung negativer Signale mit dem Faktor p von der Steuereinheit 35 auf das Kennlinien-Glied 11 der Split-Range-Einheit 5 (siehe Figur 3) gegeben:The determined ratio of the gains k lh and k lk is given by the control unit 35 to the characteristic element 11 of the split-range unit 5 (see FIG. 3) for an adjustment of the gain of negative signals with the factor p:
_ ,/,_, /,
Danach parametriert die Steuereinheit 35 den I-Regler 1 und den PD-Regler 2 des Reglers 30 und legt den Schalter 38 um, so daß die im Regler 30 erzeugte Stellgröße y' als Stellgröße y auf die Split-Range-Einheit 5 gegeben wird. Dies geschieht etwa zum Zeitpunkt t = 7800 s (siehe Figur 5) . Durch den Regler 30 wird der Prozeß 32 wieder zum Arbeitspunkt bei der Temperatur 170 °C hochgeheizt. Nach erfolgreicher Erst- emstellung ist in den Figuren 4 und 5 die Reaktion auf eine plötzliche Störung ze der Hohe 40 % am Prozeßeingang dargestellt, wie sie an einem Kunststoff-Extruder bei Produktionsbeginn durch die Inbetriebnahme der Forderschnecke entsteht. Die Störung tritt etwa zum Zeitpunkt t = 12500 s auf. Als Reaktion auf diese Störung geht die Regeleinrichtung m vorteilhafter Weise stoßfrei vom Heizbetrieb in den Kuhlbetrieb über, wie es am Verlauf der Stellgroße y nach dem Zeitpunkt t = 12500 s gut erkennbar ist. Entsprechend dem Verlauf der Regelgroße x m Figur 4 verursacht die Störung ze nur einen kurzen Ausschlag auf ca. 180 °C und die Regelgroße x erreicht bereits nach kurzer Zeit wieder den Sollwert 170 °C.Thereafter, the control unit 35 parameterizes the I controller 1 and the PD controller 2 of the controller 30 and flips the switch 38, so that the manipulated variable y 'generated in the controller 30 is given to the split range unit 5 as the manipulated variable y. This happens approximately at time t = 7800 s (see FIG. 5). The controller 32 heats the process 32 back up to the operating point at the temperature 170 ° C. After successful initial 4 and 5, the reaction to a sudden disturbance z e of the high 40% at the process entrance is shown, as it arises in a plastic extruder at the start of production due to the start-up of the Ford screw. The fault occurs approximately at time t = 12500 s. In response to this disturbance, the control device m advantageously switches from heating mode to cooling mode in a bumpless manner, as can be clearly seen in the course of manipulated variable y after time t = 12500 s. According to the course of the controlled variable xm FIG. 4, the disturbance z e only causes a brief deflection to approximately 180 ° C. and the controlled variable x already returns to the setpoint 170 ° C. after a short time.
Bei den Simulationen des Regelkreises wurde em Prozeßmodell verwendet, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Das Modell 6 für Heizen und das Modell 7 für Kuhlen sind jeweils VZ2- Modelle mit gleicher Dynamik. Die Zeitkonstante tx wurde auf 3700 s, die Zeitkonstante t2 auf 350 s gesetzt. Beim Kuhlen wurde eine Verstärkung k = 12, beim Heizen eine Verstärkung k = 6 angenommen. Diese Werte sind vom Verhalten eines realen Kunststoff-Extruders abgeleitet.A process model, as shown in FIG. 2, was used in the simulations of the control loop. Model 6 for heating and model 7 for Kuhlen are each VZ2 models with the same dynamics. The time constant t x was set to 3700 s, the time constant t 2 to 350 s. A gain k = 12 was assumed for cooling and a gain k = 6 for heating. These values are derived from the behavior of a real plastic extruder.
Als Ergebnis der Ersteinstellung wurde für den Prozeß eine Verstärkung k = 5,8788 beim Heizen, eine erste Zeitkonstante ti = 3613 s und eine zweite Zeitkonstante t2 = 370 s bestimmt. Als Verhältnis der Verstärkungen klh : klk wurde der Wert 0,43 ermittelt, der dem theoretischen Idealwert von 0,5 hinreichend nahekommt. Entsprechend diesem Ergebnis der Prozeßidentifikation wird die Nachstellzeit txχ des I-Reglers 1 auf 1098 s, die Verstärkung kpd und die Vorhaltzeit tpd des PD-Reglers 2 auf 3,6402 bzw. 215 s gesetzt.As a result of the initial setting, a gain k = 5.8788 during heating, a first time constant ti = 3613 s and a second time constant t 2 = 370 s were determined for the process. The ratio of the gains k lh : k lk was found to be 0.43, which is sufficiently close to the theoretical ideal value of 0.5. In accordance with this result of the process identification, the reset time t x χ of the I controller 1 is set to 1098 s, the gain k pd and the lead time t pd of the PD controller 2 to 3.6402 and 215 s, respectively.
Mit einem binaren Signal 40, das auf die Steuereinheit 35 gefuhrt ist, kann in der Regeleinrichtung eingestellt werden, ob eine Identifikation wahrend eines Kuhlvorgangs durchgeführt werden soll. Durch diese Maßnahme kann die Regel- emrichtung an die jeweiligen Gegebenheiten der Zonen eines Kunststoff-Extruders angepaßt werden, so daß sie auch für reine Heizzonen eingesetzt werden kann. Das ist vorteilhaft, da an einem Kunststoff-Extruder meist beide Formen, d. h. Zonen mit Heizung und Kühlung sowie Zonen mit reiner Heizung, gemischt auftreten.A binary signal 40, which is fed to the control unit 35, can be used in the control device to set whether identification should be carried out during a cooling process. With this measure, the regular device can be adapted to the particular circumstances of the zones of a plastic extruder, so that it can also be used for pure heating zones. This is advantageous since both forms, ie zones with heating and cooling and zones with pure heating, usually occur in a mixture on a plastic extruder.
Insbesondere bei einer Geblasekuhlung ist es vorteilhaft, den Kuhlvorgang zur Identifikation der Verstärkung des Modells für Kuhlen aus dem Arbeitspunkt heraus einzuleiten. Die Kühlleistung wird nämlich stark vom Verhältnis der Prozeßtemperatur zur Umgebungstemperatur beeinflußt. Wenn in einem Kunststoff-Extruder für verschiedene Kunststoffe jeweils unterschiedliche Arbeitspunkte eingestellt werden müssen, kann diese Abhängigkeit durch em Kennlmien-Glied im Signalpfad des Faktors p in Figur 3 kompensiert werden. Im Extremfall, wenn die Prozeßtemperatur gleich der Umgebungstemperatur ist, wird die Geblasekuhlung unwirksam.In the case of blower cooling in particular, it is advantageous to initiate the cooling process to identify the gain of the model for cooling from the working point. The cooling capacity is strongly influenced by the ratio of the process temperature to the ambient temperature. If different working points have to be set for different plastics in a plastic extruder, this dependency can be compensated for by a characteristic element in the signal path of the factor p in FIG. 3. In extreme cases, when the process temperature is equal to the ambient temperature, the fan cooling becomes ineffective.
Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Kaskadenregelung sind in den Figuren 6, 7 und 8 Sprungantworten der oben berechneten Ubertragungsfunktionen G, Gpd und Gcι dargestellt. D. h., an die Simulationsmodelle der jeweiligen Übertragungsglieder wurde ein Sprung der Hohe 1 zum Zeitpunkt t = 0 s angelegt. Der Zeitmaßstab auf der Abszisse ist jeweils gleich. Am linken Ende der Abszisse ist der Zeitpunkt t = 0 s, am rechten Ende der Zeitpunkt t = 25000 s markiert. Die Sprungantwort der Strecke mit der Ubertragungsfunktion G erreicht gemäß Figur 6 erst bei etwa 10000 s 90 % des sta- tionaren Endwerts 6, welcher der Verstärkung k des Prozesses entspricht. Wie in Figur 7 dargestellt, reagiert der unterlagerte Regelkreis mit einem PD-Regler 2 auf einen Einheitssprung des Integralanteils y wesentlich schneller und erreicht bereits nach ca. 1000 s 90 % des stationären Endwerts. Die Strecke 6 wird somit durch den PD-Regler 2 wesentlich beschleunigt. Bei einem Einheitssprung der Fuhrungsgroße w zum Zeitpunkt t = 0 s erreicht die Regelgroße x, wie in Figur 8 dargestellt, genau und uberschwingungsfrei den Wert 1 der Sollgroße w. Bereits nach ca. 2000 s hat sie 90 % des stationären Endwerts überschritten.To illustrate the mode of action of the cascade control, step responses of the transfer functions G, G pd and G c ι shown above are shown in FIGS. 6, 7 and 8. In other words, a jump of height 1 at time t = 0 s was applied to the simulation models of the respective transmission elements. The time scale on the abscissa is the same in each case. The time t = 0 s is marked on the left end of the abscissa, and the time t = 25000 s is marked on the right end. According to FIG. 6, the step response of the route with the transfer function G only reaches 90% of the stationary final value 6 at about 10,000 s, which corresponds to the gain k of the process. As shown in FIG. 7, the lower-level control loop reacts with a PD controller 2 to a unit step in the integral component y much faster and already reaches 90% of the stationary end value after about 1000 s. The route 6 is thus significantly accelerated by the PD controller 2. If the leadership variable w jumps at time t = 0 s, the control variable reaches x, as in FIG. 8 shows the value 1 of the target size w exactly and without overshoot. Already after approx. 2000 s, it exceeded 90% of the stationary end value.
Die Figuren 9, 10 und 11 zeigen Sprungantworten von Übertragungsgliedern mit den Übertragungsfunktionen Gze, Gza bzw. mit einer Ubertragungsfunktion, die zum Vergleich für einen Regelkreis mit einem unzerlegten PID-Regler ermittelt wurde. An der Abszisse der Figuren 9, 10 und 11 ist die Zeit t in Sekunden linear aufgetragen. Am linken Ende der Skala befindet sich der Zeitpunkt t = 0 s, am rechten Ende der Zeitpunkt t = 3000 s. Auf einen Einheitssprung der Störgröße ze reagiert gemäß Figur 9 der Regelkreis mit zerlegtem PID- Regler mit einem Ausschlag der Regelgroße x, der den Wert 0,2 kaum übersteigt. Bereits nach 2500 s ist die Störung fast vollständig ausgeregelt. An den Verlaufen der Regelgroße x in den Figuren 10 und 11 ist zu erkennen, daß die simulierte Antwort auf eine Störung za am Prozeßausgang prinzipiell dem Fuhrungsverhalten mit einem unzerlegten PID-Regler, d. h. einem PID-Regler, bei welchem die Regeldifferenz auf den I- und den PD-Regler gefuhrt ist, entspricht und einen Uber- schwinger von etwa 15 % aufweist. Die unterschiedliche Polarität, die sich aufgrund der Vorzeichen an den Summations- gliedern in Figur 1 ergibt, fuhrt dabei zu spiegelbildlichen Verlaufen. Eine sprungfόrmige Störung am Prozeßausgang tritt jedoch in der Praxis nicht auf, da sich bei einer Temperaturregelung die Regelgroße x, nämlich die Temperatur eines realen tragen Systems, nicht schlagartig andern kann. Bei einem Vergleich der Verlaufe der Regelgroße x in den Figu- ren 8 und 11 wird deutlich, daß der Regler 30 mit Strukturzerlegung bei einem schnelleren Anstieg uberschwingungsfrei den neuen Sollwert erreicht.FIGS. 9, 10 and 11 show step responses of transmission elements with the transmission functions G ze , G za or with a transmission function which was determined for comparison with a control circuit using an undismantled PID controller. The time t is plotted linearly in seconds on the abscissa of FIGS. 9, 10 and 11. At the left end of the scale is the time t = 0 s, at the right end the time t = 3000 s. According to FIG. 9, the control loop with a disassembled PID controller reacts to a unit step of the disturbance variable z e with a deflection of the control variable x that hardly exceeds the value 0.2. Already after 2500 s the fault is almost completely corrected. From the course of the controlled variable x in FIGS. 10 and 11 it can be seen that the simulated response to a fault z a at the process output principally affects the management behavior with an undismantled PID controller, ie a PID controller in which the control difference is based on the I - and the PD controller is guided, corresponds and has an overshoot of about 15%. The different polarity that results from the signs on the summation elements in FIG. 1 leads to mirror-image courses. However, a sudden disturbance at the process output does not occur in practice, since the controlled variable x, namely the temperature of a real inert system, cannot change suddenly in a temperature control. A comparison of the courses of the controlled variable x in FIGS. 8 and 11 clearly shows that the controller 30 with structure breakdown reaches the new setpoint without any overshoot and with a faster rise.
Eine Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft mit einer internen Ablaufsteuerung mit mehreren verschiedenen Phasen realisiert werden, die sich in den Betriebsarten der Regeleinrichtung sowie den Modellen unter- scheiden, die der Prozeßidentifikation zugrundegelegt werden. Die Regeleinrichtung kann gleichermaßen als Hardware-Schaltung oder als Recheneinheit mit einem Programmspeicher, in den ein geeignetes Betriebsprogramm geladen wurde, ausgeführt werden. A control device for carrying out the method can advantageously be implemented with an internal sequence control with several different phases, which differ in the operating modes of the control device and in the models. that are used as the basis for the process identification. The control device can equally be implemented as a hardware circuit or as a computing unit with a program memory into which a suitable operating program has been loaded.

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines technischen Prozesses (4), insbesondere bei einem Kunststoff-Extruder, gekennzeichnet durch einen I-Regler (1), der aus einer Regeldifferenz (xd) , die aus einer Fuhrungsgroße (w) und einer Regelgroße (x) gebildet wird, einen Integralanteil (yx) erzeugt, durch einen P-Regler oder einen PD-Regler (2), der in einem unterlagerten Regelkreis aus der Regelgroße (x) einen Proportionalanteil (yp) bzw. einen Proportional- und einen Differentialanteil (ypd) erzeugt, und durch em Summierglied (3) zur Überlagerung der von den Reglern (1, 2) erzeugten Anteile (yx, yp, ypd) zu einer Stellgroße (y) für den Prozeß (4) .1. Device for controlling the temperature of a technical process (4), in particular in a plastic extruder, characterized by an I controller (1), which consists of a control difference (x d ), which consists of a guide variable (w) and a control variable (x) is formed, an integral component (y x ) is generated by a P controller or a PD controller (2), which in a subordinate control loop from the controlled variable (x) has a proportional component (y p ) or a proportional component. and generates a differential component (y pd ), and by means of a summing element (3) for superimposing the components (y x , y p , y pd ) generated by the controllers (1, 2) into a manipulated variable (y) for the process (4 ).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines PD-Reglers (2) im unterlagerten Regelkreis die Verstärkung kpd und Vorhaltzeit tpd nach einem Verfahren berechnet sind, bei welchem em VZ2-Modell bestimmt wird, welches das Prozeßverhalten zumindest naherungsweise beschreibt, und em Reglerentwurf nach den mathematischen Methoden der Optimierung im Zustandsraum durchgeführt wird.2. Device according to claim 1, characterized in that in the case of a PD controller (2) in the lower-level control loop, the gain k pd and derivative time t pd are calculated by a method in which em VZ2 model is determined, which the process behavior at least describes approximately, and a controller design is carried out according to the mathematical methods of optimization in the state space.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, daß zur Optimierung im Zustandsraum em Gutekriterium3. Device according to claim 2, characterized in that for the optimization in the state space em good criterion
Figure imgf000030_0001
Figure imgf000030_0001
mit x_ = (x, x*) - transponierter Zustandsvektor, x - Zustandsvektor,with x_ = (x, x * ) - transposed state vector, x - state vector,
Q - Einheitsmatrix, y - Stellgroße und r - em Gewichtungsfaktor zwischen 0,0002 und 0,02Q - unit matrix, y - manipulated variable and r - em weighting factor between 0.0002 and 0.02
minimiert wird. is minimized.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß im Falle eines PD-Reglers (2) im unterlagerten Regelkreis ein VZ2-Modell bestimmt wird, welches das Prozeßverhalten zumindest näherungsweise beschreibt, daß die Verstärkung kpd und die Vorhaltzeit tpd des Reglers (2) zumindest näherungsweise bestimmt sind nach den Formeln4. Device according to claim 1, characterized in that in the case of a PD controller (2) in the lower-level control loop, a VZ2 model is determined, which at least approximately describes the process behavior, that the gain k pd and the derivative time t pd of the controller ( 2) are determined at least approximately according to the formulas
Figure imgf000031_0001
tpd=ad2-t2 und
Figure imgf000031_0001
t pd = a d2 -t 2 and
d2 =4,89 10""8-/5- 5,9290 -10~6-/4 +2,7814- 10"4 ■ -0,00648 f2 +0,08486 / + 0,162 d2 = 4.89 10 "" 8 - / 5 - 5.9290 -10 ~ 6 - / 4 + 2.7814- 10 "4 ■ -0.00648 f 2 +0.08486 / + 0.162
mit k - Streckenverstärkung, ti, t2 - Zeitkonstanten der Strecke, αd2 - eine Hilfsgröße und f = tι/t2 - Verhältnis der Streckenzeitkonstanten.with k - segment gain, ti, t 2 - time constants of the segment, α d2 - an auxiliary variable and f = tι / t 2 - ratio of the segment time constants.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachstellzeit tu des I-Reglers (1) zumindest näherungsweise bestimmt ist nach der Formel5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the reset time tu of the I controller (1) is at least approximately determined according to the formula
tΛ = (0,179- +3,35) -t pdt Λ = (0.179- +3.35) -t pd
mit f = tι/t2 - Verhältnis der Streckenzeitkonstanten ti und t2 und tpd - Vorhaltzeit des PD-Reglers (2).with f = tι / t 2 - ratio of the path time constants ti and t 2 and t pd - derivative action time of the PD controller (2).
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines P-Reglers im unterlagerten Regelkreis ein VZ2-Modell bestimmt wird, welches das Prozeßverhalten zumin- dest näherungsweise beschreibt, daß die Verstärkung kp des P-Reglers zumindest näherungsweise bestimmt ist nach der Formel 0,437f -0,1336. Device according to claim 1, characterized in that in the case of a P controller in the lower-level control circuit, a VZ2 model is determined, which at least approximately describes the process behavior, that the gain k p of the P controller is at least approximately determined according to of the formula 0.437f-0.133
*„ =* "=
mit f = tι/t2 - Verhältnis der Streckenzeitkonstanten tx und t2 sowie k - Streckenverstärkung.with f = tι / t 2 - ratio of the path time constants t x and t 2 as well as k - path gain.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachstellzeit ti2 des I-Reglers zumindest näherungsweise bestimmt ist nach den Formeln7. Device according to claim 6, characterized in that the reset time t i2 of the I controller is at least approximately determined according to the formulas
Figure imgf000032_0001
Figure imgf000032_0001
/ = — - — t "' 1 + 2 '/ = - - - t "'1 + 2 '
«^ = -5,10414 - 10"6 • f4 +0,000487705 • f 3 - 0,0168150 f2 + 0,263083 f + 1,13409«^ = -5.10414 - 10 " 6 • f 4 +0.000487705 • f 3 - 0.0168150 f 2 + 0.263083 f + 1.13409
mitWith
GiP - eine Hilfsgröße und tPi - Zeitkonstante des geschlossenen unterlagerten Regelkreises .Gi P - an auxiliary variable and t P i - time constant of the closed subordinate control loop.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein erstes Stellglied (33) , insbesondere zum Heizen des Prozesses (32), und ein zweites Stellglied (34), insbesondere zum Kühlen des Prozesses (32), vorgesehen sind, daß zur Identifikation des Prozesses eine Steuereinheit (35) vorhanden ist,8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least a first actuator (33), in particular for heating the process (32), and a second actuator (34), in particular for cooling the process (32), are provided, that a control unit (35) is present to identify the process,
- welche bei einem Identifikationsvorgang aus einem ersten stationären Zustand heraus die Stellgröße (y) des ersten Stellglieds (33) auf einen ersten konstanten Wert (80 %) setzt und die Stellgröße des zweiten Stellglieds (34) abschaltet,which sets the manipulated variable (y) of the first actuator (33) to a first constant value (80%) during an identification process and switches off the manipulated variable of the second actuator (34),
- welche, nachdem ein erster Wendepunkt im Verlauf der Regelgröße (x) festgestellt wurde, ein erstes ITl-Modell des Prozesses (32) identifiziert, - welche den Prozeß in Abhängigkeit von dem ersten IT1- Modell zumindest in die Nähe eines zweiten, vom ersten stationären Zustand abweichenden stationären Zustands (170 °C) regelt, - welche anhand der Wendetangente (wh) im ersten Wendepunkt und anhand der Werte der Stellgröße (y) sowie der Regelgröße (x) im ersten und im zweiten stationären Zustand ein VZ2-Modell identifiziert, welches die Dynamik des Prozesses (32) und die Verstärkung für das erste Stellglied (33) beschreibt,which, after a first turning point in the course of the controlled variable (x) has been determined, identifies a first ITI model of the process (32), - Which regulates the process depending on the first IT1 model at least in the vicinity of a second stationary state (170 ° C) deviating from the first steady state, - Which on the basis of the turning tangent (wh) at the first turning point and on the basis of the values of the manipulated variable (y) and the controlled variable (x) in the first and in the second steady state identify a VZ2 model which describes the dynamics of the process (32) and the gain for the first actuator (33),
- welche aus dem zweiten stationären Zustand heraus das erste Stellglied (33) abschaltet und die Stellgröße des zweiten Stellglieds (34) auf einen zweiten konstanten Wert (20 %) setzt, - welche, nachdem ein zweiter Wendepunkt im Verlauf der- Which switches the first actuator (33) out of the second steady state and sets the manipulated variable of the second actuator (34) to a second constant value (20%) - Which, after a second turning point in the course of
Regelgröße (x) festgestellt wurde, eine Prozeßverstärkung kik für das zweite Stellglied (34) bestimmt nach der FormelControl variable (x) was determined, a process gain ki k for the second actuator (34) determined according to the formula
fr _ Wk /dt + klh -y fr _ Wk / dt + k lh -y
Kιk - y UM TUN K ιk - y TO DO
mit dxwk/dt - Steigung der Tangente (wk) im zweiten Wendepunkt, kih - Prozeßverstärkung des identifizierten ersten ITl- Modells, y - Wert der im zweiten stationären Zustand ausgegebenen Stellgröße (y) und yLMruN ~ zweiter konstanter Wert der Stellgröße.with dx wk / dt - slope of the tangent (wk) at the second turning point, k ih - process amplification of the identified first ITl model, y - value of the manipulated variable (y) output in the second steady state and yLMruN ~ second constant value of the manipulated variable.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich- ne t , daß das erste Stellglied (33) eine Heizung und das zweite9. Device according to claim 8, characterized in that the first actuator (33) is a heater and the second
Stellglied (34) eine Kühlung ist, daß der zweite stationäre Zustand (170 °C) einem typischenActuator (34) cooling is that the second steady state (170 ° C) is a typical
Arbeitspunkt des Prozesses (32) entspricht. Working point of the process (32) corresponds.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Summierglied (3) eine Split-Range-Einheit (5) nachgeschaltet ist, derart, daß der Wertebereich der durch das Summierglied (3) erzeugten Stellgröße (y) in zwei Teilbereiche unterteilt ist, daß bei einem Wert der Stellgröße (y) in einem ersten Teilbereich (0 bis 100 %) eine Stellgröße für eine Heizung (33) ausgegeben und eine Kühlung (34) abgeschaltet wird und daß bei einem Wert der Stellgröße (y) in einem zweiten Teilbereich (-100 % bis 0) eine Stellgröße für die Kühlung (34) ausgegeben und die Heizung (33) abgeschaltet wird.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the summing member (3) is followed by a split range unit (5), such that the range of values of the manipulated variable (y) generated by the summing member (3) in two sub-areas It is subdivided that at a value of the manipulated variable (y) in a first sub-range (0 to 100%) a manipulated variable for heating (33) is output and cooling (34) is switched off and that at a value of the manipulated variable (y) in a control variable for the cooling (34) is output and the heating (33) is switched off in a second partial range (-100% to 0).
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich- ne t , daß der Wertebereich der durch das Summierglied (3) erzeugten11. Device according to claim 10, characterized in that the range of values generated by the summing element (3)
Stellgröße einen positiven und einen negativen Teilbereich umfaßt, daß bei einem Wert der Stellgröße im positiven Teilbereich die Stellgröße unverändert an die Heizung (33) ausgegeben wird und daß bei einem Wert der Stellgröße im negativen Teilbereich die Stellgröße (y) mit einem Faktor (p) gewichtet an die Kühlung (34) ausgegeben wird, der dem Verhältnis der Ver- Stärkung kih der Heizung (33) zur Verstärkung kik der Kühlung (34) entspricht. The manipulated variable includes a positive and a negative partial range, that if the manipulated variable in the positive partial range is used, the manipulated variable is output unchanged to the heater (33) and that if the manipulated variable is in the negative partial range, the manipulated variable (y) with a factor (p) weighted output to the cooling (34), which corresponds to the ratio of the reinforcement k ih of the heater (33) to the reinforcement k ik of the cooling (34).
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