DE69216733T2

DE69216733T2 - PID-Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE69216733T2
Application number: DE69216733T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Nagami; Yumi Saito; Tamio Omron Takatsuki Ueda; Zhiming Zhang
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-09-19
Also published as: EP0533498B1; JP3275327B2; EP0533498A1; US5331541A; DE69216733D1; JPH0580806A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft PID/Proportional, Integral, Differential)- Regeleinrichtung bzw. -einheit und genauer gesagt eine verbesserte selbstregelnde PID- Regeleinheit, die PID-Parameter in Einklang mit einem geregelten System automatisch auf optimale Werte einstellen kann. Die PID-Regelung ist auch als Proportional-plus- Intergral-plus-Differentialregelung bekannt.
In einer herkömmlichen PID-Regeleinheit werden PID-Regelparameter durch ein selbsteinstellendes Verfahren unter Verwendung eines Grenzzyklus bestimmt, in dem eine Antwortwellenform durch Anlegen eines vorbestimmten Musters einer manipulierten Variablen an ein geregeltes System oszilliert wird und PID- Regelparameter durch Identifizieren der Charakteristik des geregelten Systems unter Berücksichtigung der Antwortwellenform passend eingestellt werden.
Ein weiteres System, das einen Grenzzyklus verwendet, ist in US-A4754391 geoffenbart. Als Reaktion auf eine Anweisung von außen oder das Detektieren eines abnormalen Zustands wird eine PID-Regelung unterbrochen und eine nichtlineare Rückkopplung an das geregelte System angelegt. Umgerechnete Regelparameter werden von Eigenschaften des erzielten stabilen Grenzzyklus abgeleitet.
In einer weiteren herkömmlichen PID-Regeleinheit werden hingegen PID- Regelparameter durch ein Sprungantwortverfahren bestimmt, in dem eine sprungmanipulierte Variable an ein geregeltes System angelegt wird, PID- Regelparameter durch Identifizieren der Charakteristik des geregelten Systems unter Berücksichtigung seiner Antwortwellenform eingestellt werden und anschließend eine herkömmliche Regelung mit geschlossener Schleife durchgeführt wird. Das erste herkömmliche selbsteinstellende Verfahren weist jedoch dahingehend Nachteile auf, als es einige geregelte Systeme gibt, in denen es nicht angewendet werden kann oder in denen die Identifizierung zeitaufwendig ist, da die Antwortwellenform oszilliert wird. Das Sprungantwortverfahren erfordert einen Versuchsbetrieb vor der herkömmlichen Regelung mit geschlossener Schleife, um die Charakteristik des geregelten Systems zu identifizieren.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine selbstregelnde PID-Regeleinheit bereitzustellen, die kein Oszillieren einer Antwortwellenform oder irgendeinen Versuchsbetrieb erfordert, um PID-Regelparameter einzustellen.
Demzufolge bietet die vorliegende Erfindung eine selbstregelnde PID-Regeleinheit, umfassend:
sprungmanipulierte Variablenausgabemittel zur Ausgabe einer sprung- bzw. schrittmanipulierten Variablen; und
PID-Regelmittel zur Erzeugung einer manipulierten Variablen auf der Basis eines Fehlers zwischen einem Bezugswert und einer geregelten Variablen, die aus dem geregelten System erhalten wird; worin die Einheit weiters umfaßt:
Regelmodusumschaltmittel zum Anlegen der sprungmanipulierten Variablen an das geregelte System, um eine Charakteristik des geregelten Systems durch ein Sprung- bzw. Schrittantwortverfahren zu identifizieren;
Identifizierungsmittel zum sukzessiven Errechnen durch eine vorbestimmte Sampling- Periode der Tot- bzw. Leerzeit und der Steigung bzw. Neigung in Einklang mit einer Änderung der geregelten Variablen durch eine Sprung bzw. Schrittantwort des geregelten Systems, die durch die sprungmanipulierte Variable angelegt wird, um einen Output zu liefern, wobei das Regelmodusumschaltmittel das Anlegen der sprung- bzw. schrittmanipulierten Variablen stoppt, um zur PID-Regelung durch die PID-Regelmittel zu gelangen, wenn die Tot- bzw. Leerzeit und die Steigung bzw. Neigung, die sukzessive in Einklang mit einer Änderung der geregelten Variablen erhalten werden, einen vorbestimmten Zustand erreichen, wobei die PID-Reglung das geregelte System durch eine PID-Schleife regelt; und
Einstellmittel zum Errechnen von PID-Regelparametern auf der Basis der Tot- bzw. Leerzeit und der Steigung bzw. Neigung, die durch das Identifizierungsmittel errechnet werden, nachdem der vorbestimmte Zustand erreicht ist, der für das PID-Regelmittel einzustellen ist.
Um gemäß dieser PID-Regeleinheit die Charakteristik eines geregelten Systems zu identifizieren, werden die Tot- bzw. Leerzeit und die Steigung bzw. Neigung sukzessive auf der Basis einer Antwortwellenform errechnet, die durch Anlegen einer sprungmanipulierten Variablen erzeugt wird, wobei die Sequenz sich zu einer PID- Regelung bewegt, wenn die errechnete Tot- bzw. Leerzeit und Steigung bzw. Neigung einen vorbestimmten Zustand erreichen, und die PID-Regelparameter auf der Basis der einzustellenden Tot- bzw. Leerzeit und Steigung bzw. Neigung errechnet werden, wodurch die herkömmliche Selbsteinstellung zum Oszillieren einer Antwortwellenform nicht notwendigerweise verwendet werden muß und sich an eine Sprungantwort eine PID-Regelung anschließen kann.
Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigelegten Abbildungen, worin:
Fig.1 ein schematisches Blockschaltbild einer PID-Regeleinheit gemäß einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung ist;
Figuren 2(A) und (B) Wellenformen zeigen, um die Errechnung der Steigung Rn und der Totzeit Ln der PID-Regeleinheit zu erklären; und
Fig.3 ein Flußdiagramm des Ablaufs in der Einheit ist.
Bezug nehmend auf Fig.1 sieht man selbstregelnde PID-Regeleinheit bzw. -vorrichtung 1 als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, worin PID- Regelparameter gemäß einem geregelten System automatisch auf optimale Werte eingestellt werden. Diese Regelvorrichtung erfordert keine herkömmliche Oszillation einer Antwortwellenform und auch keinen Versuchsbetrieb, abgesehen von einer herkömmlichen Regelung mit geschlossener Schleife. Die PID-Regelvorrichtung 1 enthält eine sprungmanipulierte Variablenausgabeeinheit 3 zur Erzeugung einer Sprungvariablen mit einer 1000/0 manipulierten Variablen, eine PID-Regeleinheit 4 für eine PID-Regelung, eine Regelmodusumschalteinheit 6 zum Anlegen der sprungmanipulierten Variablen an ein geregeltes System 2 und zum Abbrechen des Anlegens der sprüngmanipulierten Variablen, um sich mittels der PID-Regeleinheit 4 zur PID-Regelung zu bewegen, wenn die Totzeit Ln und die Steigung Rn, die man sukzessive aus einer weiter unten beschriebenen Identifizierungseinheit 5 erhält, einen vorbestimmten Zustand erreichen, um die Charakteristik des geregelten Systems zu identifizieren, die Identifizierungseinheit 5 zum sukzessiven Errechnen durch eine vorbestimmte Samplingperiode der Totzeit Ln und der Steigung Rn, die mit einer Änderung einer geregelten Variablen des geregelten Systems 2 korrespondieren, die an die Einstelleinheit 7 und die Identifizierungseinheit 5 anzulegen ist, und die Einstelleinheit 7 zum Errechnen von PID-Regelparametern auf der Basis der Totzeit Ln und der Steigung Rn, die durch die Einheit 5 errechnet werden, nachdem der oben erwähnte vorbestimmte Zustand erreicht ist, und zum Ändern der PID-Regelparameter der PID-Regeleinheit 4 auf die errechneten PID-Regelparameter, wenn die Identifizierung vollständig ausgeführt ist.
Die Regelmodusumschalteinheit 6 schaltet die an das geregelte System 2 angelegte manipulierte Variable auf die maximale sprungmanipulierte Variable aus der sprungmanipulierten Variablenausgabeeinheit 3, um zu einer Selbsteinstellung zu gelangen, um PID-Regelparameter einzustellen, wenn der Bezugswert geändert wird und sich die aktuell geregelte Variable außerhalb eines Proportionalitätsbereichs befindet. Wenn die Totzeit Ln und die Steigung Rn, die man sukzessive aus der Identifizierungseinheit erhält, einen vorbestimmten Zustand erreichen, d.h. die folgende Gleichung (1) in dieser Ausführungsform nicht mehr erfüllt wird, bricht das Anlegen der sprungmanipulierten Variable ab, und die PID-Regelung durch die PID-Regeleinheit 4 wird eingeleitet:
aktuell geregelte Variable (y) + Steigung (Rn') x Totzeit (Ln') < Bezugswert (1)
worin "Rn'" die bis dahin maximale errechnete Steigung darstellt und "Ln'" die mit der Steigung Rn' korrespondierende Totzeit darstellt.
Demzufolge setzt sich in dieser Ausführung das Anlegen der sprungmanipulierten Variable fort, solange der Bezugswert nicht überschritten wird, und der Vorgang bewegt sich zur PID-Regelung, wenn die obige Gleichung (1) nicht mehr erfüllt wird.
Die Identifizierungseinheit 5 errechnet sukzessive die Totzeit Ln und die Steigung Rn gemäß einer Änderung einer geregelten Variablen durch Sprungantwort des geregelten Systems bezüglich der sprungmanipulierten Variablen (siehe Figuren 2(A) und (B) zum Anlegen an die Regelmodusumschalteinheit 6 und die Einstelleinheit 7. Fig.2(A) zeigt die maximale Steigung R und die Totzeit L, wenn ein Anfangszustand ein Gleichgewichtszustand ist, und Fig.2(B) zeigt die maximale Steigung R und die Totzeit Ln, wenn ein Anfangszustand nicht im Gleichgewicht ist. Die Steigung Rn der vorliegenden Ausführungsform wird als Durchschnittswert von acht Samplings mit einer 0,5 Sekunden-Samplingperiode errechnet. Der Detektierpunkt von Steigung Rn ist ein Mittelpunkt der acht Samplings, und die Totzeit Ln wird durch Errechnen der Zeit von einem Zeitpunkt, in dem eine sprungmanipulierte Variable angelegt wird, bis zu einem Zeitpunkt, wenn die Steigung Rn kreuzt, gebildet (siehe Figuren 2(A) und 2(B)). Die maximale Steigung R wird erhalten, wenn man keine größere Steigung Rn erzielt, selbst wenn sich das Anlegen der sprungmanipulierten Variable fortsetzt. Wenn demzufolge die Identifizierung vollständig ausgeführt ist, erhält man die maximale Steigung R. Somit errechnet die Identifizierungseinheit 5 sukzessive alle 9,5 Sekunden die Steigung Rn und die Totzeit Ln.
Die Einstelleinheit 7 der vorliegenden Ausführungsform beurteilt, ob die maximale Steigung R vor einem Zeitpunkt, an dem der oben erwähnte vorbestimmte Zustand erreicht und das Anlegen der sprungmanipulierten Variable abgeschlossen ist, präzise aus der Identifizierungseinheit 5 erhalten wurde oder nicht. Wenn die maximale Steigung R erhalten wurde, gilt die Identifizierung als ausreichend, und PID- Regelparameter werden basierend auf der maximalen Steigung und der korrespondierenden Totzeit errechnet, um die PID-Regeleinheit 4 darauf einzustellen, sodaß die PID-Regelung durch die eingestellten PID-Regelparameter ausgeführt wird.
Wenn die maximale Steigung R vor dem Abschluß des Anlegens der sprungmanipulierten Variablen nach Erreichen des vorbestimmten Zustands aus der Identifizierungseinheit 5 nicht erhalten wurde, wird die Identifizierung als unzureichend betrachtet. Demzufolge fährt - wie später beschrieben - die Identifizierungseinheit 5 damit fort, die Steigung Rn und die Totzeit Ln zu errechnen, wobei die geregelte Variable während der Dauer der Totzeit Ln überwacht wird, um PID-Regelparameter basierend auf der maximalen Steigung Rn und der Totzeit Ln, die bis dahin geliefert werden, zu errechnen. Wenn die Proportionalverstärkung Kp kleiner als die Proportionalverstärkung der zuvor durch die PID-Regeleinheit 4 eingestellten PID- Regelparameter ist, d.h. sich auf einer Sicherheitsseite befindet, werden die PID- Regelparameter der Regeleinheit 4 durch die errechneten PID-Regelparameter ersetzt. Anschließend setzt sich die Errechnung der Steigung Rn und der Totzeit Ln während der Totzeit Ln fort, um die PID-Regelparameter in gleicher Weise zu errechnen. Wenn die Proportionalverstärkung Kp der errechneten Parameter kleiner ist oder sich auf einer Sicherheitsseite befindet, werden die PID-Regelparameter der Einheit 4 durch die errechneten PID-Regelparameter ersetzt.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die springmanipulierte Variablenausgabeeinheit 3, die PID-Regeleinheit 4, die Regelmodusumschalteinheit 6, die Identifizierungseinheit 5 und die Einstelleinheit 7 durch einen Mikrocomputer gebildet.
Somit identifiziert die PID-Regelvorrichtung 1 die Charakteristik eines Anstiegs des geregelten Systems 2 durch ein Sprungantwortverfahren bei Änderung des Bezugswerts, bewegt sich zu einer PID-Regelung, wenn die sukzessive beim Anstieg erhaltene Totzeit und Steigung einen vorbestimmten Zustand erreichen, und errechnet die PID- Regelparameter basierend auf der bisher erhaltenen Totzeit und Steigung. Wenn die Identifizierung vollständig ausgeftihrt ist, werden die errechneten PID-Regelparameter sofort eingestellt. Wenn sie nicht vollständig ausgeführt ist, überwacht die PID- Regelvorrichtung 1 den Zustand weiter, um eine Proportionalverstärkung der neu errechneten PID-Regelparameter mit der Proportionalverstärkung der zuvor eingestellten PID-Regelparameter zu vergleichen, und die aktuell errechneten PID-Regelparameter werden eingestellt, wenn sich die Parameter auf einer sicheren (stabilen) Seite befinden.
Bezug nehmend auf Fig.3 sieht man ein Flußdiagramm der PID-Regelvorrichtung. In einem Anfangsschritt nl wird abgefragt, ob ein Bezugswert geändert ist. Wenn der Bezugswert geändert ist, bewegt sich die Sequenz zu einem Schritt n2, wo abgefragt wird, ob sich die aktuell geregelte Variable außerhalb eines Proportionalitätsbereichs befindet. Wenn sie sich außerhalb befindet, bewegt sich die Sequenz zu einer Selbsteinstellung, um eine 100% sprungmanipulierte Variable anzulegen (Schritt n3). In einem Schritt n4 werden die Totzeit Ln und die Steigung Rn für die Identifizierung basierend auf Änderung der geregelten Variable durch eine an das geregelte System angelegte Sprungantwort sukzessive errechnet. In einem Schritt n5 wird abgefragt, ob die durch die Identifizierung erzeugte Totzeit Ln und Steigung Rn die oben erwähnte Gleichung (1) erfüllen. Wenn sie sie erfüllen, wird die Sequenz von Schritt n3 bis Schritt n5 wiederholt, bis eine Nein-Antwort in Schritt n5 erzeugt wird. Wenn die Gleichung (1) nicht erfüllt wird, bricht das Anlegen der sprungmanipulierten Variable ab, und die Sequenz bewegt sich in Schritt n6 zur PID-Regelung. In Schritt n7 wird abgefragt, ob durch die Identifizierung bis dahin die maximale Steigung R erhalten wurde.
Wenn die maximale Steigung R erhalten wurde, wird die Identifizierung als ausreichend angeseehen, PID-Regelparameter werden basierend auf der maximalen Steigung und ihrer korrespondierenden Totzeit L in Schritt n8 errechnet, und die PID-Regelparameter der PID-Regeleinheit 4 werden zum Abschluß durch die errechneten PID- Regelparameter in Schritt n9 verändert.
Wenn die maximale Steigung R in Schritt n7 nicht erhalten wird, wird die Identifizierung als nicht ausreichend angesehen und die PID-Regelparameter basierend auf der größten Steigung Rn und Totzeit Ln unter den bis zu diesem Punkt in Schritt n10 erhaltenen Steigungen errechnet. In Schritt n11 wird abgefragt, ob die Proportionaverstärkung größer als die zuvor in der PID-Regeleinheit 4 eingestellte Proportionalverstärkung bzw. auf einer Gefahrenseite ist. Wenn die Verstärkung Kp nicht größer ist oder sich auf einer sicheren Seite befindet, werden die PID- Regelparameter der PID-Regeleinheit 4 in Schritt n12 zu den errechneten PID- Regelparametern verändert. Wenn die Verstärkung Kp in Schritt nil größer ist, bewegt sich die Sequenz ohne Änderung der PID-Regelparameter zum Schritt n13.
In Schritt n13 werden die Steigung Rn und Totzeit Ln errechnet, bis weitere Totzeit Ln nach dem Ende des Anlegens der sprungmanipulierten Variable vergeht, und in Schritt n14 werden PID-Regelparameter basierend auf der größten Steigung und Totzeit unter den bis zu diesem Punkt erhaltenen Steigungen errechnet. In Schritt nl 5 wird abgefragt, ob die Proportionaverstärkung Kp größer als die Proportionalverstärkung der in der PID- Regeleinheit eingestellten PID-Regelparameter ist. Wenn die Proportionaverstärkung Kp in Schritt n15 nicht größer ist, werden die aktuell errechneten PID-Regelparameter auf die PID-Regeleinheit 4 eingestellt, um in Schritt n16 abgeschlossen zu sein. Wenn die Verstärkung Kp größer ist, wird die Sequenz ohne Änderung der PID-Regelparameter abgeschlossen, da die eingestellten PID-Regelparameter korrekt sind.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die PID-Regelung nach der Identifizierung der Charakteristik des Anstiegs ausgeführt, sodaß ein herkömmliches Oszillieren der Antwortwellenform nicht erforderlich ist und jeder Versuchsbetrieb abgesehen von einer allgemeinen Regelung mit geschlossener Schleife ebenfalls überflüssig ist. Wenn in der vorliegenden Ausführungsform keine maximale Steigung R erhalten wurde oder die Identifizierung nicht ausreicht, bewegt sich die Sequenz zur PID-Regelung, es wird durch Vergleich von proportionalen Verstärkungen abgefragt, ob die PID-Regelparameter verändert sind, wodurch PID-Regelparameter daran gehindert werden, sich zur Gefahrenseite zu verändern, und das Regesystem wird stabilisiert. Die Identifizierung wird ausgehend von der Anstiegscharakteristik ausgeführt, doch sie kann gegebenenfalls auch ausgehend von der Abfallscharakteristik ausgeführt werden. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform durch Vergleich proportionaler Verstärkungen abgefragt wird, ob PID-Regelparameter verändert sind, können die PID- Regelparameter ohne Vergleichen proportionaler Verstärkungen sofort verändert werden.
Dies war eine Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform einer PID-Regeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, doch man beachte, daß diese nicht darauf beschränkt ist.
Es ist anzumerken, daß die PID-Regelung ein bekanntes Verfahren ist, das proportionale, integrale und differentiale Regelungen kombiniert. Dies wird in der Folge beschrieben.
Damit ein automatischer Regler mit geschlossener Schleife eine Prozeßvariable an ihrem eingestellten Punkt halten kann, muß er wissen, ob die Variable den korrekten Wert besitzt. Eine JA- oder NEIN-Antwort ist jedoch nicht ausreichend; der Regler muß auch zumindest wissen, ob der Wert der Variable zu hoch oder zu niedrig ist. Für eine bessere Regelung muß er wissen, um wie viel der Wert zu hoch oder zu niedrig ist, er muß also - anders ausgedrückt - die Größe des Regelfehlers kennen. Für eine noch bessere Regelung muß er möglicherweise wissen, wie lange der Fehler bestanden hat. Für eine noch bessere Regelung muß er eventuell wissen, wie schnell sich die Variable verändert.
Diese verschiedenen Verfeinerungen der Regelung führen zu verschiedenen Regelmodi, die nachstehend beschrieben sind, z.B. die binäre Regelung. Ein Regelmodus stellt eine konkrete Art dar, in der der Input einer Reglers den Output beeinflußt.
Die binäre Regelung, die auch als Ein-Aus- und Zweipunktregelung bekannt ist, ist die einfachste aller Regelmodi. Sie weist Unzulänglichkeiten auf und ist die am wenigsten anpaßbare aller Regelarten, doch ist sie in vielen Fällen durchaus zweckmäßig und wird häufig in Prozeßanlagen eingesetzt. Sie ist auch die am wenigsten kostspielige Regelung und jene Art von Regelung, die fast immer in Heimthermostaten verwendet wird.
Der Output eines binären Reglers ist entweder EIN oder AUS. Sein Wert hängt von den folgenden Faktoren ab:
- der Richtung des Regelfehlers
- der direkten oder umgekehrten Reglerwirkung.
Bei der binären Regelung ist die Prozeßdifferenz bzw. der Betriebsbereich zwischen den EIN- und AUS-Vorgängen üblicherweise klein wie z.B. bei der Zimmertemperaturregelung. Es gibt jedoch Fälle, in denen der Ein-Aus-Bereich absichtlich vergrößert wird, um die Betriebsfrequenz von Geräten zu minimieren, z.B. einer Pumpe. Dies kommt häufig bei der Regelung des Pegels in einer Sickergrube zum Tragen. In eine Sickergrube fließen Flüssigkeiten durch Schwerkraft ab. Wenn die Sickergruppe voll ist, startet ein binärer Pegeregler eine Pumpe, die so lange in Betrieb ist, bis die Sickergrube leer ist. Der Regler stoppt dann die Pumpe, und die Sequenz wiederholt sich. Diese Art binärer Regelung ist als Abstandsdifferenzregelung bekannt.
Die binäre Regelung ist einfach ein Umschaltvorgang, wobei das gleiche Instrument für jeden anderen Umschaltvorgang verwendet werden kann, z.B. zum Betätigen eines Alarms. In diesem Fall ist das Instrument als Schalter, nicht als Regler gekennzeichnet.
Fast alle Regelsysteme arbeiten mit variierenden Prozeßlasten. Die Prozeßlast ist jene Material- oder Energiemenge, die manipuliert werden muß, um die geregelte Variable zu regeln. Die Last hängt davon ab, ob das System mit voller Leistung oder geringerer Leistung arbeitet, sowie vom Wetter, der Qualität der Einbringung und anderen Faktoren.
Die binäre Regelung ist theoretisch und tatsächlich nicht imstande, die geregelte Variable für mehr als eine Prozeßlast innerhalb eines bestimmten Betriebsbereichs zu halten. Bei anderen Lasten bewegt sich der Bereich nach oben oder nach unten, je nachdem, ob die Last zunahm oder abnahm. Die Verschiebung des Regelbereichs wird als Abweichung oder Schräge bezeichnet, die je nach Größe der Laständerung klein oder groß ist.
Die Abweichung ist ein Grund, warum es ein thermostatisch geregeltes und schlecht isoliertes Haus erforderlich macht, daß der eingestellte Punkt manuell angehoben wird, damit die Temperatur im Haus angenehm bleibt, wenn es kälter wird. Dieser Thermostat ist ein binärer Regler, dessen Betriebsbereich sank, da die Heizlast des Hauses zunahm.
Die auch als Einzelmodusregeng bekannte Proportionaregelung bietet einen modulierten Output, der jeden beliebigen Wert vom untersten bis zum höchsten Punkt des Outputbereichs aufweisen kann. Der Wert hängt von verschiedenen Faktoren wie z.B. der Richtung und Größe des Regelfehlers, der Verstärkung oder der Empfindlichkeit des Reglers und der Reglerwirkung (entweder direkt oder umgekehrt) ab.
Die Empfindlichkeit wird normalerweise als Proportionalverstärkung oder oft einfach als Verstärkung ausgedrückt, die der Größe der Reaktion dividiert durch die Größe des Reizes entspricht. Verstärkung wird als Outputänderung definiert, die einer bestimmten Inputänderung entspricht (dividiert durch die Inputänderung). Bei den meisten Reglern ist die Proportionaverstärkung einstellbar. (Anstelle des bevorzugten Ausdrucks Proportionalverstärkung wird manchmal der gegenteilige Begriff Proportionalitätsbereich verwendet. Der Proportionalitätsbereich ist die Inputänderung dividiert durch die Outputänderung und wird auch üblicherweise als Prozentsatz angegeben.)
Wie ein binärer Regler unterliegt ein Proportionalregler Abweichungen und ist nicht imstande, die geregelte Variable über mehr als eine Prozeßlast an ihrem eingestellten Punkt zu halten. Die Abweichung ist der Grund, warum ein thermostatisch geregeltes Autokühlsystem bei kaltem Wetter mehr kühlt als bei warmem Wetter. In diesem Fall ist der Thermostat ein selbsttätiger Regler, der nur für Proportionalregelung sorgt.
Proportional-plus-Integralregelung ist auch als Zweimodusregelung, PI-Regelung und automatische Rückstellregelung bekannt. Der integrale Modus wird auch als astatische Regelung bezeichnet. Ebenso wie bei der Proportionalregeung wird der Regleroutput moduliert, doch der Wert des Output hängt von folgenden Faktoren ab:
- der Richtung, Größe und Dauer des Regelfehlers
- der Verstärkung des Reglers, die von der Proportionalverstärkung und der Integralverstärkung abhängig ist, die beide einstellbar sind.
- der Reglerwirkung (direkt oder umgekehrt).
Aufgrund des Integralmodus weist dieser Regler keine Regelabweichung auf. Bei jeder neuen konstanten Last führt der Regler die geregelte Variable zu ihrem eingestellten Punkt zurück.
Die Proportional-plus-Integral-plus-Differentialregelung wird auch als Dreimodusregeung und PID-Regelung bezeichnet. Den Differentialmodus nennt man auch Vorhalt. Ein Dreimodusregler moduliert seinen Output, dessen Wert von den folgenden Faktoren abhängt:
- der Richtung, Größe, Dauer und Änderungsrate des Regelfehlers
- der Verstärkung des Reglers, die von der Proportionalverstärkung, Integralverstärkung und Differentialverstärkung abhängt, die alle einstellbar sind
- der Reglerwirkung (direkt oder umgekehrt).
Die obige Beschreibung der Regel modi dient lediglich der Veranschaulichung.

Claims

1. Selbstregelnde PID(Proportional, Integral, Differential)-Regeleinheit, umfassend:

sprung- bzw. schrittmanipulierte Variablenausgabemittel (9) zur Ausgabe einer sprung- bzw. schrittmanipulierten Variablen; und

PID-Regelmittel (4) zur Erzeugung einer manipulierten Variablen basierend auf einem Fehler zwischen einem Bezugswert und einer geregelten Variablen, die aus dem geregelten System (2) erhalten wird;

dadurch gekennzeichnet, daß sie weiters umfaßt:

Regelmodusumschaltmittel (6) zum Anlegen (n3) der sprung- bzw. schrittmanipulierten Variablen an das geregelte System, um eine Charakteristik des geregelten Systems (2) durch ein Sprung- bzw. Schrittantwortverfahren zu identifizieren;

Identifizierungsmittel (5) zum sukzessiven Errechnen (n4) durch eine vorbestimmte Samplingperiode der Tot- bzw. Leerzeit und Steigung bzw. Neigung gemäß einer Änderung der geregelten Variablen (2) mittels einer Sprung- bzw. Schrittantwort des geregelten Systems, angelegt durch die sprung- bzw. schrittmanipulierte Variable, um einen Output zu liefern, wobei das Regelmodusumschaltmittel (6) das Anlegen der sprung- bzw. schrittmanipulierten Variablen stoppt, um zur PID-Regelung durch das PID-Regelmittel zu gelangen, wenn die sukzessive gemäß einer Änderung der geregelten Variablen erhaltene Tot- bzw. Leerzeit und Steigung bzw. Neigung einen vorbestimmten Zustand erreichen, wobei die PID-Regelung die Regelung des geregelten Systems durch eine PID-Schleife ist; und

Einstelimittel (7) zum Errechnen (n8, n10, n14) von PID-Regelparametern basierend auf der Tot- bzw. Leerzeit und Steigung bzw. Neigung, die durch das Identifizierungsmittel (5) nach dem Erreichen des vorbestimmten Zustands errechnet werden, auf die (das) PID-Regelmittel (4) eingestellt wird bzw. werden.

2. PID-Regeleinheit nach Anspruch 1, worin das sprung- bzw. schrittmanipulierte Variablenausgabemittel (3) die maximale sprung- bzw. schrittmanipulierte Variable erzeugt.

3. PID-Regeleinheit nach Anspruch 1 oder 2, worin das bzw. die Einstellmittel (7) die errechneten PID-Regelparameter nur dann einstellt bzw. einstellen (n12, n16), wenn die Proportionalverstärkung der errechneten PID-Regelparameter kleiner als eine Proportionaverstärkung von zuvor im PID-Regelmittel (4) eingestellten PID- Regelparametern ist.