DE3020648A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung bzw. kontrolle technischer prozesse - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur regelung bzw. kontrolle technischer prozesseInfo
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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 zoB. 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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- Io -
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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- li -
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
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.
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 CQ 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) = Kp + ^ +K0S (6)
G(s) = Kp + ^ +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) = Kpe(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 7ref 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 (5)
- München, den 50. Mai I98OProfessor Antti NIEMI, Yr,j ö Liipolantle 5 , SF-O27OO Kaunialnen (Finnland)Verfahren und Vorrichtung zur Regelung bzw. Kontrolle technischer ProzessePatentansprüche ;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,030050/0859INSPECTED
- 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.030050/0859
- 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 werdena) 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 Ergebnissesmit einer dritten Konstanten, und 030050/08S9d) durch Summieren der endgültigen Ergebnisse aus a), b) und c) 0030050/0859
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