DE3020648A1

DE3020648A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung bzw. kontrolle technischer prozesse

Info

Publication number: DE3020648A1
Application number: DE19803020648
Authority: DE
Inventors: Antti Prof Niemi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1980-12-11
Also published as: GB2051424B; GB2051424A; FI791745A; US4358821A; FI59494B; FI59494C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelungs- bzw. Kontrollverfahren zur Einbeziehung der Durchflußmengen des zu regelnden bzw. zu kontrollierenden Prozesses unter Festlegung der einem Stellglied wie insbesondere einem Steuerventil ododgl. zugeführten Stellgröße (control signal). Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Regelung bzw. Kontrolle verschiedener Prozeßkenngrößen wird in der Technik durch handelsübliche Einheitsregelgeräte ododgl. ausgeführt. Sollte die Regelung durch andersartige Vorrichtungen wie z.B. durch einen Computer, in dem die Steuerziele zusammengefaßt sind, ausgeführt werden, so folgen die Regelberechnungen meist genormten Grundsätzen. Es ist ein Charkteristikum solcher Regel- oder Kontrollverfahren, daß z.B. jede zu regelnde Kenngröße des Prozesses getrennt eingeregelt bzw. kontrolliert und die Auswirkung der anderen sich ändernden Regelkenngrößen oder Werte auf die Eigenschaften des Regelkreises und auf die Arbeitsweise des Regel- oder Kontrollvorgangs außer Betracht gelassen wird.

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Schwankungen in der Durehflußmenge (flow) bei einem technischen Prozeß führen zu einer erheblichen Störung der Steuerung, Regelung bzw. Kontrolle der anderen Prozeßkenngrößen bzw. Werte. Die Durehflußmenge bei einem herkömmliehen Produktionsverfahren unterlöe gt zeitlichen Schwankungen, die ihrerseits durch Zufall, wie z_oB. durch Störungen im Verfahren oder in einem mit ihm in Reihe geschalteten Verfahren, oder durch eine absichtliche Veränderung wie ζ.Β» einer Steigerung oder einer Herabsetzung der Verarbeitungsgeschwindigkeit verursacht werden können. Die Änderungen in der Durehflußmenge können ebenfalls einen Teil des normalen Betriebs darstellen, wenn ZoB. das Verfahren Einrichtungen wie z.B. diskontinuierlich betriebene Zellstoffkocher umfaßt, oder wenn bei längerer Benutzung Rohrleitungen allmählich verstopft werden.

Wegen dieser Änderungen d/er Durehflußmenge (flow) müssen die dem Regelverfahren zugeordneten Regeleinheiten oder Regler auf den schlechtesten Fall oder in der Praxis auf die kleinste stattfindende Durehflußmenge eingestellt werden. Die zeitlichen von der Fließmenge abhängigen Prozeßkenngrößen oder Zeitparameter sind der Größe der Durehflußmenge umgekehrt proportional, so daß dementsprechend die

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Bandbreite oder der Frequenzumfang, innerhalb dessen das Verfahren einen bedeutenden Verstärkungsgrad in bezug auf die Eingangssignale bzw. Stellgrößen erreicht, der Durchflußmenge direkt proportional bzw. auf den Durchfluß bezogen ist. Sollte nun die Regeleinheit so eingestellt werden, daß der Nennwert der Durchflußmenge optimiert wird, und sollte nun der Durchfluß bzw. die Durchflußmenge kleiner werden, so würde dies - falls die Eigenschaften bzw. Parameter des Reglers nicht geändert werden - zu einer schmaleren Prozeßbandbreite führen. Dadurch würde die Regelwirkung sich verschlechtern. Sollte dann laäna der Fluß klein genug bzw. eine bestimmte Durchflußmengengrenze unterschritten werden, könnte es zu einem schwingenden oder instabilen Zustand kommen. Solche unerwünschten Schwingungen oder Instabilitäten sind von der Praxis her z.B. bei der Temperaturregelung einer Flüssigkeit durch einen Rohrwärmeaustauscher bekannt. Der Anteil des Zeitverzögerungsfaktors ist bei einem solchen Verfahren hoch» Dies deutet auf eine negative Phasenverschiebung hin, die ihrerseits stark von der Frequenz der Schwingungen und deshalb von einer Neigung zu Instabilitäten abhängt.

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In einigen Fällen ist der Versuch unternommen worden, die sich verändernde Durchflußmenge unter Berücksichtigung eines von ihr abhängigen Ausgleichsfaktors zu betrachten. Zum Beispiel wird die Dampfendtemperatur in einem Kessel, die durch in den Mittelteil des Überhitzers eingespritztes Wasser gesteuert wird, durch die Kühlwassermenge gelegentlich so geregelt, daß sie der D^mpfmenge direkt proportional ist» Die Endregelgröße (final controlled quantity), d.h. die Endtemperatur des Heißdampfes wird gesondert gemessen. Dabei wird die Führungsgröße (set point) des Reglers, der das Kühlwasser regelt, aufgrund des gemessenen Wertes eingestellte Weil nun die Geschwindigkeit, mit der die Endtemperatur des Dampfes auf die Kühlwassermenge anspricht, stark von der Dampfmenge abhängig ist, wird offenbar, daß das beschriebene Regelverfahren diese Abhängigkeit außer Betracht läßt, so daß der die Funktion eines Hauptreglers übernehmende Temperaturregler auf die kleinste vorkommende Dampfmenge eingestellt werden muß.

Wegen der sich ändernden Durchflußmenge ist der Stetigströmungsprozeß zeitvariabel, d.h. seine Parameter bzw. Kenngrößen unterliegen zeitlichen Schwankungen. Es ist theoretisch bewiesen worden, daß sich die Verweilzeitverteilung des Massenströmungsverfahrens in eine

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Zeitinvariantform der Darstellung reduzieren läßt, vorausgesetzt, daß die stetige Durchflußmenge Q₁₃ die den wesentlichen Faktor darstellt, der für die Zeitabhängigkeit verantwortlich ist, in Betracht gezogen wird, Indem man sich auf eine neue Variable ζ (Ao Niemi, Int. J. of Applied Radiation and Isotopes 28 (1977) PP» 855-860) umstellt.

z(t,xj) = z(t) = i / Q(v)dv (1)

wobei

V Volumen,

t,V Zeitvariable und

η festen Ursprung der Zeit

bedeuten.

Das Verweilen eines Materials innerhalb einer Stet Ig-Strömungsapparatur läßt sich als die Funktion einer Größe oder Kenngröße, d„h. des Differenzwertes z(t,rj)-z(0,n) = z(t)-z(e) selbst dann ausdrucken, wenn die Durchflußmenge (flow) Schwankungen unterliegt. Ist die funktioneile Form der Verweilverteilung des Prozesses bzw. Verfahrens bekannt und mißt man die Stell- oder Eingangsgröße (Input quantity) des Prozesses bzw. Verfahrens, so läßt sich die Regel- oder

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Ausgangsgröße (output quantity) des Prozesses bzw. Verfahrens anhand dieser Funktion auch dann ausrechnen, wenn die Durchflußmenge bzw. der Fluß Schwankungen unterliegt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozeßregelung bzw. Kontrolle, die sich bei der Regelung bzw. Kontrolle von Prozessen mit bekannten sowie unbekannten Strömungskenngrößen anwenden lassen, und die Schwankungen in der Strömung durch den Prozeß berücksichtigen. Die Vorrichtung kann bevorzugt als Proportional + Integral + Derivativ - Regler bzw. als PID-Regler ausgebildet sein, der gegenüber dem klassischen PID-Regler den Vorteil bietet, daß er sowohl bei einer schwankenden wie auch bei einer konstanten Durchflußmenge gut arbeitet, während andererseits die Arbeitsweise eines mit einem klassischen PID-Regler ausgestatteten Regelkreises sich verschlechtert, wenn die Durchflußmenge von dem konstanten Wert abweicht, der den Einstellbedingungen des Reglers entspricht.

Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, obwohl der Regler normalerweise kein mathematisches Modell

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des zu regelnden Prozesses beinhaltet, er auf jeden Fall die Regelabweichung, d.h. die Abweichung der Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) des Prozesses von der
Führungs- bzw. Referenzgröße (reference value), mathematisch bearbeitet und daß diese mathematischen Vorgänge von der Durchflußmenge bzw. dem Fluß durch den Prozeß abhängig gemacht werden können. Regler dieser Art lassen sich bei dem zu steuernden Prozeß wie herkömmliche handelsübliche Regler anschließen, die die zusätzliche erfaßte Information über die Prozeßdurchflußmenge berücksichtigen. Wie es bei solchen handelsüblichen Reglern der Fall ist,
lassen sich Regler dieser Art durch Ausprobieren auch
dann einstellen, wenn der mathematische Prozeß unbekannt bleibt. Unter Anwendung des Reglers werden auf einen

klassischen Regler bezogen für eine konstante Durchflußmenge gleichjgute, und für eine variable Durchflußmenge
sogar bessere Resultate erzielt.

Um den Aufbau eines erfindungsgemäßen Reglers und der Einstellmethode, die die besten Ergebnisse liefert, zu beschreiben, wird im folgenden dargelegt, daß der oben genannte variable Wert, der dem Zeit integral der Prozeßdurchflußmenge proportional ist, als Basis der Darstellungs- und

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Einstellmethode verwendet werden kann, die ansonsten den bekannten Methoden der Verfahrenstechnologie entsprechen.

Das Regelobjekt bzw. die Regelstrecke wird im praktischen Ingenieurwesen und ebenfalls in Lehrbüchern der Regelungstechnik am besten durch ein dynamisches, auf Differentialgleichungen basierendes Modell beschrieben. Solche dynamischen Prozeßmodelle lassen sich z.B. für den Idealfall eines Mischers aufbauen, um die Konzen tration C einer Komponenten des Prozeßsubstrats in Abhängigkeit von der Konzentration C_Q der Zufuhrmenge zu beschreiben.

^V It - ^C₀ - ftC (2)

außer den Konzentrationen die Durchflißmenge sich ebenfalls zeitabhängig ändert, Q = Q(t), so erhält man unter Verwendung der eingangs angegebenen Variablen (1):

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Trotz der variablen Durchflußmenge hat sich das Modell des Konzentrationsprozesses in Form eines konstanten Koeffizienten zur Darstellung gebracht. Eine entsprechende, allerdings kompliziertere Form der Darstellung erhält man für das System mehrerer Mischer, das für seine Beschreibung die gleichen Differentialgleichungen erster Ordnung benätigt, während ein Prozeß als gute Näherung als ein aus mehreren Mischern bestehendes Modell dargestellt werden kann. Das aus mehreren Differentialgleichungen erster Ordnung bestehende Modell läßt sich später in die Form einer Differentialgleichung höherer Ordnung umwandeln. Unter Anwendung der Laplace-Transformation bei dieser Gleichung erhält man die Transferfunktion des Prozesses. Von diesem Ausgangspunkt kommt man später zu der Frequenzkenngröße über den Prozeß hinweg durch die Änderung einer Variablen. Alle Methoden, Mengen und Funktionen, die hier gebraucht sind, sind bekannt und sie werden häufig bei der technischen Regelung angewandt. Einzelheiten sind Büchern über die Prinzipien der Regelungstechnik zu entnehmen.

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In dem Referat eines Zeitschriftenaufsatzes hat man erläutert, daß die Verweileigenschaften von Stetlgflußgefäßen sowie von Strömungssystemen anderer Art, wie bei Verfahren, in denen eine Stopselströtntmg oder Rückführung des Materials stattfindet, oder bei Verfahren, In denen eine allgemeine Zufallsmischeigenschaft vorhanden ist, mittels der Variablen ζ dargestellt werden können. Ist die funktionelle Form eines Modells wie bei den beiden eingangs genannten Fällen analytisch bestimmt, so wird mittels der Laplace-Transformation anhand der jeweiligen InvarlantwlchtungsfunktIon die Transferfunktion des Prozesses und daraus weiterhin die Frequenzgangeigenschaft ermittelt. Sollte andererseits die Verteilung bekannt sein, wie z.B. auf der Basis experimenteller Ergebnisse In der Form einer Zahlenfolge, die In einer Invarlantfarm als Funktion von ζ dargestellt worden Ist, so ist es möglich anhand der zahlenmäßigen Fourier-Transformation, sich auf diese Frequenzgangeigenschaft umzustellen^ die Anwendung der letztgenannten zur Transformation einer Invar lantf unkt lcn der Zeit Ist bekannt (J.. Hougen and R» Walsh, Chem. Engng Progress 57, Ko. 3* 1961, pp. 69-79).

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Die Vorgänge zur Einstellung des Regler^, denen die Transferfunktion,* ihre characteristische Funktion und grafische Darstellungen der Frequenzgangkenngröße,

beschrieben s ind die ihrerseits in Lehrbüchern der Regelungstechnik/und die die Regelung eines Verfahrens mit konstanten Parametern zum Ziel haben, zugrunde liegen, lassen sich nun anwenden, so daß der Regler auf einen einer variablen Durchflußmenge bzw« einem variablen Fluß unterliegenden Prozeß unter der Voraussetzung eingestellt werden kann, daß das Verfahren bzw. der Prozeß zunächst einmal in eine Invariantform zwecks Darstellung gebracht worden ist.

Sollte es gewünscht sein, z.B. einen PID-Regler anzuwenden, so werden geeignete Werte für die drei Reglerkenngrößen K , K₁ und K₀ durch bekannte grafische Methoden innerhalb des Frequenzbereiches ausgewählt. Benutzt man die Darstellung der Transferfunktion, so gelten folgende Abhängigkeit zwischen Stell- bzw. Eingangsgröße

folgende

(input) und Regel- bzw. Ausgangsgröße (output) und /Transfer funktion G(s) für einen solchen Regler:

U(s) = G(s)E(s) (5)

^Kt
G(s) = K_p + ^ +K₀S (6)

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wobei

E(ε) die Laplace-Transformation der Regelabweichung und U(s) die Laplace-TransformatIon der Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) des Reglers

bedeuten.

Die Auswahl der Werte dieser In Frage kommenden Parameter oder Kenngrößen entspricht bei dem neuen Verfahren vollkommen der Einstellung der Parameter oder Regel-kenngrößen eines Zeitinvariantprozesses, weil beim Betrieb im Frequenzbereich die Methoden bzw. Arbeitsschritte von der Art der ursprünglichen Darstellung unabhängig sind, aus der man in den Frequenzbereich gelangt ist.

Kein in einem tatsächlichen Produktionsvorgang benutzter, eine Regelfunktion stetig oder wiederholt vollziehender Regler führt diese Regelberechnungen In einem Transformbereich, sondern nur In dem Zeitbereich aus, wo die Transferfunktion oder Frequenzgangeigenschaft des Reglers mit deren umgekehrten Transformen in Einklang gebracht worden sind. In einer Weise, die der klassischen inversen Transformation in bezug auf den Zeitbereich entspricht, kehrt man nun

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mittels einer inversen Transformation von den Variablen des Frequenzbereiches zu der ursprünglichen Variablen ζ zurück. Dann führt der Regler seine mathematischen Operationen gemäß dieser Variablen aus:

u(z) = K_pe(z) + K₁ / e(z)dz + K₀ ^f^ (7)

Weil die Durchflußmenge (flow) fi, und weiterhin die Variable ζ durch kontinuierliche oder wiederholte Messungen und Integration bekannt sind, laßt sich die Ausgangsgröße bzw. das Ausgangssignal (output quantity) u des PID-Reglers auf einfachste Weise feststellen. Dieser Wert wird als Kontrollgröße bzw. als Stellgröße dem Stellglied in der-selben Weise zugeführt, wie bei der bekannten Verwendung eines Regelsystems mit konstanten Parametern oder Kenngrößen. Aus der Gleichung (1) ergibt sich, daß bei gleichbleibender, ihren ursprünglichen Nennwert aufrechterhaltender Durchflußmenge (flow) ft der Regler tatsächlich die Integration und Ableitung in bezug auf die normale Zeitvariable ausführt, so daß er die Punktion eines Reglers für andere Prozeßgrößen in der gleichen Weise wie der klassisehe PID-Regler übernimmt. Berücksichtigt man, daß nicht nur das Volumen V sondern auch die Durchflußmenge (flow) Q nunmehr konstant ist, so sieht man, daß die Koeffizienten K der Gleichung (7) anhand der entsprechenden Koeffizienten der

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klassischen Regelung einfach berechnet werden können, falls diese vorher bekannt waren und falls kein anderer Vorgang zur Einstellung notwendig 1st.

Sollte das Prozeßmodell nicht oder nur ungenau bekannt sein, so werden die herkömmlichen Regler einschließlich des PID-Reglers in der Praxis experimentell eingestellt, Eine ähnliche experimentelle Methode zur Einstellung läßt sich ebenfalls bei der Auswahl der Kenngrößen des hier vorgeschlagenen Reglers anwenden. Ein Blockschema eines den in erfindungsgemäßen Regler enthaltenden Regelkreises ist/der

Zeichnung dargestellt.

Die einzige Figur der Zeichnung stellt einen Rückführungsregelkreis bei einem stetigen bzw. kontinuierlichen Strömungsprozeß dar, In dem die Größe ζ gebildet wird, die dem Zeitintegral der Durchflußmenge (flow) direkt proportional ist. Der Regler bildet die proportionale Regelkomponente durch Multiplizieren der Regelabweichung mit einer Konstanten, die Integralregelkomponente durch Integrierung der Regelabweichung in bezug auf z, und die abgeleitete oder Derivativ-Regelkomponente durch Differentierung der Regelabweichung In bezug auf z„ Weiterhin legt der Regler

die

das Steuersignal bzw.^ Stellgröße des Prozesses als die Summe

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dieser Komponenten fest. Die DurchfluBmenge Q. läßt sich als weitere Möglichkeit an der Eingangsseite des Prozesses messen. J und 7_ref beziehen sich auf die Regelgröße (output quantity) des Prozesses und auf dessen Sollwert.

Durch ift-rre konsequente Anwendung desselben Prinzips lassen sich Regler einer anderen Art auslegen, die die Regelung mit ζ als Vorhalt (argument) ausführen, so daß sie ebenfalls für den Fall einer variablen Durchflußmenge anwendbar sind. Zum Beispiel lassen sich Phasenvorsprung- und Phasenverzögerungsausgleicher anwenden, die sich in Form von Differentialgleichungen, die auf ζ basieren, darstellen lassen. Diese Gleichungen umfassen zusätzlich zu den Stell- und Regelgrößen (input und output quantities) weiterhin deren z-Ableitungen. Unter Anwendung bekannter Methoden zur Lösung der Differentialgleichungen können diese in eine gelöste Form gebracht werden, die der Gleichung (7) entspricht, ohne jedoch mit dieser identisch zu sein» Die Regelgröße u(z) (output quantity) laßt sich stetig anhand dieser Gleichung feststellen, vorausgesetzt, daß die Stellgröße e(z) des Reglers als Funktion von ζ bekannt ist. Auf ähnliche Weise lassen sich bekannte Mitkopplungs-(feedforward)-Steueralgorithmen (siehe z.B. A. Niemi, Proc.

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of ISA Conf. (pp. 53-68) und Proc. of Joint Automatic Control Conf. (pp. 37-42), Philadelphia, Oct. 16-20, 1978, ISA, Pittsburg), die auf Information eines Modells des stetigen Strömungsprozesses basieren, in bezug auf ζ anstelle von t festlegen, wenn sie die variable Durchflußmenge berücksichtigen.

Ist der Prozeß durch Differentialgleichungen erster Ordnung darstellbar, so läßt sich der Regler Im Zeitbereich durch bekannte Methoden der Optimierungsregelung auslegen.

Insbesondere für lineare Systeme mit konstanten Koeffizienten und mit einem quadratischen Regelungskriterium geben Lehrbücher Standardmethoden zur Auslegung des Reglers mit der Zeitvariablen t als Vorhalt (arguiaent). Solche Methoden behalten ebenfalls für eine variable Durchflußmenge mit ζ als Vorhalt zur Festlegung der Rückführungsregelung ihre Gültigkeit. Sollte Insbesondere der Regler Integrationen oder Differentiationen zu vollziehen haben, dann ist es nützlich, eine Regelungsmethode anzuwenden, der die Variable ζ zugrunde liegt und die diese Arbeitsschritte in bezug auf diesen variablen Wert anstatt des zeltvariablen Wertes t ausführt.

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Die erflndungsgemäße Rege!methode vermeidet im Prinzipidie Auswirkungen der Durchflußmengenschwankungen bei der Regelung der Konzentration oder anderer Gütekenngrößen eines Materials vollständig. Sollten zusätzlich zu der durch Strömen und Mischen bewirkten Variation der Konzentration andere physikalische Prozesse innerhalb des Regelobjektes bzw. der Regelstrecke stattfinden, so hängen die dynamischen Eigenschaften des Prozesses oft nur teilweise von der Durchflußmenge (flow) ab. Ein solcher P^-rozeß und dessen Regelfunktion ist z.B. die Temperatur eines stetigen Strömungsprozesses und deren Regelung, wenn gleichzeitig Wärme an die Umgebung abgegeben wird» In diesem Fall ebenfalls ist die erfindungsgemäße Regelmethode nützlich, weilv'bei Vernachlässigung, wie bei einem klassischen Regler, der Auswirkungen der Änderungen der Wärmeverluste auf die Prozeßdynamik « die durch den bekannten Regler vernachlässigten Auswirkungen d^er variablen Durchflußmenge berücksichtigt. In bezug auf die Prozeßdynamik sind die Auswirkungen der Durchflußmenge um so bedeutsamer, je kleiner die Wärmeverluste an die Umgebung sind. Sind letztere vernachlässigbar klein, so werden dieselben Vorteile mit der erfindungsgemäßen Regelungsmethode erzielt wie bei einer Regelung der Konzentration (concentration).

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Die vorliegende Methode läßt sich mit Vorteil auch dann anwenden, wenn ein Teilprozeß an den absoluten zeitvariablen Wert gebunden ist. Dies könnte z.B. bei der Regelung der Konzentration in einem solchen Stetigströmungsreaktor der Pail sein, bei dem das Fortschreiten der Reaktion im wesentlichen von kinetischen Faktoren abhängig ist. Bei Berücksichtigung der Strömungsänderungen bedeutet im Vergleich zum bekannten Regler der erfindungsgemäße Regler sogar in diesem Fall eine Verbesserung.

Die vorgeschlagene Methode läßt sich ebenfalls durch Verwendung eines Computers, der z.B. als Mikrocomputer ausgebildet sein kann, als ein Regler einfach verwirklichen. Die durch das Verfahren nötigen Berechnungen sind leicht zu programmieren, wobei die Integration der Strömung in bezug auf Zeit und die Integration und Differentia§tion der Regelabweichung oder der anderen Einflußgrößen des Reglers in bezug auf ζ mitinbegriffen sind. Werden die Strömung und die Einflußgrößen des Reglers als Analogsignale ausgedrückt, so müssen sie zunächst in eine digitale Form gebracht werden.

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Analog-Digital-Wandler sind für diese Zwecke hinreichend bekannte Weiterhin ist die Übertragung digitaler Daten an einen Computer eine normale Punktion eines Echtzeitrechners. Ebenso ist die Zuleitung des Stellsignals des Reglers an ein Stellglied ein bekannter Vorgang, während ein Digital-Analog-Wandler ein bekanntes Bauteil ist, das dann verwendet wird, wenn die Regelung bzw„ Steuerung des Stellgliedes eines analogen Signals bedarf. Es lassen sich weiterhin andere Arten von Vorgangen durch den regelnden bzw. steuernden Computer mit Vorteil ausführen. Ein solcher Arbeitsschritt ist z.B. das Ziehen der Quadratwurzel in Zusammenhang mit dem Erfassen einer Strömung durch einen Lochelementmengenmesser. Weitere Bauteile einschließlich der Steuereinheit bzw ο Regeleinheit können ebenfalls jeweils mehreren Regelkreisen gemeinsam zugeordnet sein.

Bei Verwendung einiger Strömungserfassungseinrichtungen, die z.B. mit einem sich drehenden Mechanismus ausgestattet sind, kann es von Vorteil sein, ein Signal zu erfassen, das dem Zeit integral der Strömung oder der Materialmenge, die durch den Prozeß geflossen ist, proportional

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Ist, wobei dieser Vorgang vom Regler selbst getrennt in den Meßeinrichtungen stattfindet. Die erfaßte Materialmenge wird dann stetig (kontinuierlich.) oder wiederholt dem Regler mitgeteilt, der mit den genannten EInrichtungen zur Messung und Berechnung verbunden ist, und der ansonsten in der vorher erläuterten Weise arbeitet.

Der Abstand zwischen den diskreten oder getrennten Signalelementen oder das Meßintervall (Sampling-Intervall) kann meist sehr viel kleiner als die überwiegenden Parameter oder Kenngrößen des Prozesses ausgelegt sein, der meist verlangt, daß das z-Intervall viel geringer ist als 1. Sollte dies nicht der Fall sein, so muß man unter Umständen auf die speziellen Methoden der diskreten Regelung zurückgreifen. Sie sind den entsprechenden Methoden der stetigen Regelung analog» Die in Präge kommenden Methoden sind im einzelnen in Lehrbüchern über die Prinzipien der Regelungstechnik beschrieben. Diese Methoden sind zwar mit diskretizierter Zeit (discretized time) als die unabhängige Variable dargestellt worden, sie sind aber ebenfalls in den Fällen zu verwenden, bei denen die oben genannte Vatiable als die diskretizierte, unabhängige Variable <üre

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der MaterIa!menge, die durch den stetigen Prozeß fließt , proportional ist. Die erläuterte Methode ist deswegen bei der diskreten Regelung anwendbar., und zwar in derselben Weise und mit dergleichen Vorteilen wie bei stetiger Regelung.

Als weitere Möglichkeit läßt sich die Methode mit für analoge Signale ausgelegten Bauteilen verwirklichen. In diesem Fall ist zu berücksichtigen, daß z.B. bei elektrischen und pneumatischen analogen Bauteilen die Integration und Differentiation In bezug auf die ZeItvarlable und nicht etwa mit bezug auf ζ stattfindet, was z.B. bei der Gleichung (7) benötigt Ist. Unter Berücksichtigung der Bedeutung der Größe ζ gemäß der Gleichung (1) sieht man, daß z.B. der abgeleitete Term Im letzten Glied der Gleichung (7) durch die Ableitung der Regelabweichung in bezug auf Zeit kompensiert werden kann, wenn das Glied zusätzlich durch den Momentanwert der Strömung geteilt wird. Dementsprechend muß die Regelabweichung im Integranden des vorletzten GlIedes mit dem Momentanwert der Strömung multipliziert werden, wonach das sich ergebende Produkt zeItIntegriert wird. Die Einrichtungen zur Erfassung des Produktes der

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beiden variablen Größen sind übliche Bauteile der Analogrechnertechnologie. Die Einrichtungen zur Integration, Differentation, Addition, Subtraktion und Multiplikation mit einer Konstanten sind ihrerseits bekannte Bauteile ausftat analoger Rechner oder Regler.

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Claims

München, den 50. Mai I98O

Professor Antti NIEMI, Yr,j ö Liipolantle 5 , SF-O27OO Kaunialnen (Finnland)

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung bzw. Kontrolle technischer Prozesse

Patentansprüche ;

l.J Verfahren zur Einbeziehung einer sich ändernden Durchflußmenge in die Regelung von Prozeßgrößen, dadurch gekennzelehnet, daß die stattfindende Strömung gemessen wird, daß durch Integrieren des Meßergebnisses die Werte einer Variablen in direktem Verhältnis zu der Materialmenge ermittelt werden, die durch den Prozeß strömt, und die Steuerung des Prozesses in bezug auf diese Variable synchron durchgeführt wird,

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INSPECTED
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Integrierung in bezug auf Zeit eines Signals, das der Durchflußmenge im Prozeß direkt proportional ist, durch eine Regeleinheit, die auf der Basis der Ergebnisse des Integrierens und der Werte ihrer Stell- bzw. Eingangsgrößen (input quantities) die Werte Ihrer Regel- bzw. Ausgangsgrößen (output quantities) berechnet, die den verschiedenen Werten des Ergebnisses des Integrierens entsprechen und bei jedem von ihnen die Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) der Regeleinheit festlegt, wenn das genannte Ergebnis des Integrierens den ihm entsprechenden Wert erreicht»
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Differenz-

wert zwischen dem festgelegten Sollwert und dem gemessenen Istwert der Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) des Prozesses erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) der Regeleinheit dadurch errechnet werden, daß der genannte Differenzwert mit einer Konstante multipliziert wird und derselbe, in bezug auf die genannte Variable, die als Ergebnis des Integrierens erhalten wird, integriert oder differenziert oder integriert und differenziert wird.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung bzw. Komponente zur Integrierung der Menge, die der Strömung direkt proportional ist, außerhalb der Regeleinheit angeordnet ist.
5. Vorrichtung zur Einbeziehung der sich ändernden Durchflußmenge bei der Regelung von Prozeßgrößen, bei dem der Differenzwert zwischen dem gewünschten Sollwert und dem gemessenen Istwert der Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) des Prozesses gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Regel- bzw. Ausgangsgröße (output quantity) der Regeleinheit errechnet werden

a) durch Multiplizieren des Differenzwertes mit der Konstanten,

b) durch Multiplizieren des genannten Differenzwertes mit dem Momentanwert der Strömung, durch Integrieren des Produkts in bezug auf Zeit und durch Multiplizieren des Ergebnisses des Integrlerens mit einer zweiten Kontanten,

c) Starch Differenzleren des Differenzwertes in bezug auf Zeit, durch Dividieren der Ableitung bzw. des Differentialquotienten (derivative) durch den Momentanwert der Durchflußmenge und durch Multiplizieren des Ergebnisses

mit einer dritten Konstanten, und 030050/08S9

d) durch Summieren der endgültigen Ergebnisse aus a), b) und c) ₀

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