Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Reglers gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Das Verfahren wird vorzugsweise für die Stellungsregelung eines pneumatischen Aktuators in einem Stellventil eingesetzt. Die Stellungsregelung wird hierbei durch das Zuführen bzw. Abführen von Luft mittels zumindest zweier Ventile durchgeführt. Die Stellungsregelung weist dabei durch die Ventile drei mögliche Zustände auf: Belüften, Entlüften und Halten. Diese Zustände werden über eine Steuereinheit geregelt.

Üblicherweise weist ein Regelkreis eine Führungsgröße, einen Regler, eine Regelstrecke mit Störgröße, eine Regelgröße und eine Rückführung auf. Die rückgeführte Regelgröße bildet dabei zusammen mit der Führungsgröße die Regelabweichung. Die Regelabweichung wird dabei durch den Regler in eine Stellgröße umgewandelt. Durch die Regelstrecke wird die Stellgröße durch den Einfluss der Störgröße in eine Regelgröße umgewandelt. Um drei Regelzustände realisieren zu können, wird in der Regel ein Dreipunktregler als Regler eingesetzt. Die Regelung mit einem Dreipunktregler kann dabei mit einer rückgeführten Regelgröße umgesetzt werden. Dies führt auf der einen Seite zu wenig Schaltspielen und schnellen Stellzeiten, aber auf der anderen Seite zu einer geringen Regelgüte. Eine weitere Möglichkeit der Regelung mit einem Dreipunktregler stellt das Rückführen eines zweiten Signals dar. Neben der Regelgröße wird ein weiteres Signal zurückgeführt, wobei dies durch ein DT1 -Glied zeitlich abgeleitet und mit einem vorbestimmten Wert verglichen wird. Dadurch weist die Regelung neben der Regelabweichung, eine angepasste Regelabweichung auf. Dies führt auf der einen Seite zu einer hohen Regelgüte, aber auf der anderen Seite zu vielen Schaltspielen und langsamen Stellzeiten. Da die Lebensdauer der Ventile auf eine bestimmte Anzahl an Schaltspielen begrenzt ist, führen viele Schaltspiele zu einem Versagen nur kurzer Zeit. Die DE 10 2019 201 798 A1 offenbart ein Antriebssystem, dass eine Trajektorien-Planungseinheit aufweist, welches ein zweiteiliges Trajektoriensignal ausbildet, wobei ein erster Signalabschnitt gerade und ein zweiter Signalabschnitt einen asymptotischen Signalverlauf aufweist. Durch die Kombination von verschiedenen Regelgliedern wird der Signalverlauf durch die Trajektorien-Planungseinheit generiert. Die Trajektorien-Planungseinheit ist dabei im Antriebssystem der Stelleinheit, umfassend einer Regeleinheit und einer Aktoreinheit vorgeschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Reglers der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass die Regelung eine geringe Regelabweichung, geringe Schaltzeit und eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren zur Steuerung eines Reglers durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Kombination von zwei Regelungstypen, die jeweiligen Nachteile vermieden werden.

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Regelung durch mindestens zwei Rückführungen von mindestens zwei Zuständen aus, wobei eine erste Zustandsrückführung mit einem ersten Zustand als eine Regelgröße x ausgebildet ist und zusammen mit dem Sollwert w eine Regeldifferenz e bildet, und dass eine zweite Zustandsrückführung mit dem zweiten Zustand als eine erste, zeitliche Ableitung dx/dt des ersten Zustands x ausgebildet ist und durch ein Produkt mit einem einstellbaren Parameter Vr die Regeldifferenz e korrigiert wird, wobei der korrigierte Wert als eine angepasste Regeldifferenz e* ausgebildet ist, und wobei der Parameter Vr abhängig von der Regeldifferenz e ist.

Die erfindungsgemäße Ausarbeitung erweist sich als besonders vorteilhaft, da durch das Verfahren eine Regelung mit wenig Schaltspielen, einer hohen Regelgüte und schnellen Stellzeiten realisiert wird.

Vorzugsweise wird die zeitliche Ableitung des ersten Zustands durch ein DT1 -Glied realisiert. DT1- Glieder eignen sich besonders gut, da durch beispielsweise ein D0-Glied hohe Frequenzen stark verstärkt werden. Dies würde zu unnötigen Stellvorgängen und verfälschten Signalen führen. Durch ein DT1 -Glied sind die Verstärkungen für hohe Frequenzen auf einen unschädlichen Wert begrenzt. Bevorzugt ist der erste Zustand x als eine Ventilpositionsgröße des Stellventils und der einstellbare Parameter Vr als eine Zeiteinheit ausgebildet. Hierdurch wird eine direkte Regelung des Aktuators im Stellventil ermöglicht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, weist eine Kennlinie des einstellbaren Parameters Vr zur Regeldifferenz e eine Trapezform auf, wobei ein Startpunkt der Kennlinie eil nicht gleich dem Nullpunkt ist. Durch die Kennlinie können kleinere Totzonen eingestellt werden.

Vorzugsweise ist zur Steuerung des Reglers eine Steuereinheit vorgesehen. Hierbei kann durch die Steuereinheit eine Stellventilposition aufgezeichnet werden und entsprechend einer Führungsgröße w eine Ist-Position eingestellt werden.

Bevorzugt ist der Antrieb als ein druckmittelbetriebener Antrieb ausgebildet, wodurch eine hohe Kraftdichte des Antriebs realisiert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind für den Regler zwei Ventile vorgesehen, um die benötigten drei Zustände realisieren zu können. Dies ist vorteilhaft, da durch die Ventile hohe Stellgeschwindigkeiten realisiert werden können.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Ventilen um 2/2-Wege-Magnetventile, umfassend eines Magnetkerns, einer Spule und einem zwischen Offen- und Geschlossen-Stellung schaltenden Anker, wobei der Regler durch die Verschaltung der Ventile als ein 3/2-Wege-Ventil wirkt. Hierdurch wird eine Steuerung eines einfachwirkenden Aktuators realisiert.

Bevorzugt sind die Magnetventile als direktgesteuerte Ventile mit Rückhaltefedern ausgebildet. Durch die Ausbildung der Ventile als direktgesteuerte Magnetventile mit Rückhaltefedern, schalten die Ventile bei Wegnahme der Spannung durch die Federkraft und/oder unter Zuhilfenahme des Vordrucks in die vorbestimmte sichere Position.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können beide Ventile unabhängig voneinander angesteuert werden, wodurch eine Realisierung von drei Zuständen ermöglicht wird. Vorzugsweise weisen die Magnetventile drei fluidische Anschlüsse auf, wobei ein erster Anschluss als ein Zuluft-Anschluss, ein zweiter Anschluss als ein Abluft-Anschluss und ein dritter Anschluss als ein Entlüftungsanschluss ausgebildet ist. Der Entlüftungsanschluss entlüftet insbesondere gegen den atmosphärischen Druck. Durch die drei fluidischen Anschlüsse wird insbesondere ein Entlüften durch den Entlüftungsanschluss einfach ermöglicht.

Um eine pneumatische Steuerung des Aktuators zu ermöglichen, ist zumindest ein Magnetventil zum Belüften und zumindest ein anderes Magnetventil zum Entlüften des Stellventils ausgebildet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Regler vier 2/2-Wege- Magnetventilen, wobei der Regler als ein 5/3-Wege-Ventil wirkt. Dies ermöglicht eine Steuerung eines doppeltwirkenden Aktuators mit zwei Druckkammern.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Regelkreises zur Regelung des Stellungsreglers mit einer Dreipunktregelung;

Fig. 2 eine schematische Komplettansicht des Prozessanordnung zum Betreiben eines Prozess- Stellventils;

Fig. 3 eine Darstellung zweier Diagramme, die zum einen die Ventilpositionsgröße gegenüber der Zeit und zum anderen den Regelausgang gegenüber der Zeit darstellen für eine Regelung nach dem Stand der Technik, und

Fig. 4 eine Darstellung zweier Diagramme, die zum einen die Ventilpositionsgröße gegenüber der Zeit und zum anderen den Regelausgang gegenüber der Zeit darstellen für die erfindungsgemäße Regelung. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des Regelkreises 10 für die Regelung des Stellungsreglers 12 mit einem Dreipunktregler 14.

Der Regelkreis 10 aus Fig. 1 umfasst die Führungsgröße w, den Dreipunktregler 14, der Regelstrecke 16, einer ersten Zustandsrückführung 18 und einer zweiten Zustandsrückführung 20. Die erste Zustandsrückführung 18 führt die Regelgröße x zurück und bildet mit der Führungsgröße w die Regelabweichung e. Die zweite Zustandsrückführung 20 umfasst ein DT1 -Glied 22 und einer Kennlinie 24 eines einstellbaren Parameters Vr.

Die zweite Zustandsrückführung 20 führt die Regelgröße x zum DT1 -Glied 22 zurück. Die Regelgröße x wird durch das DT1 -Glied 22 nach der Zeit abgeleitet dx/dt. Die abgeleitete Regelgröße dx/dt wird mit dem einstellbaren Parameter Vr multipliziert. Das entstandene Produkt bildet zusammen mit der Regelabweichung e die korrigierte Regelabweichung e*.

Die korrigierte Regelabweichung e* wird vom Dreipunktregler 14 in die Stellgröße y umgewandelt. Die Stellgröße y wird anschließend über die Regelstrecke 16 in die Regelgröße x umgewandelt.

Das DT1 -Glied 22 ist beispielsweise aus einer Reihenschaltung eines D-Glieds und eines PT1 -Glieds ausgebildet.

Die Kennlinie 24 des einstellbaren Parameters Vr weist einen trapezförmigen Verlauf auf. Die Kennlinie 24 ist mit einer x-Achse, auf der die Regelabweichung e aufgebracht ist. Diese ist in Fig. 1 als Betrag ausgebildet. Die Kennlinie 24 begrenzt dabei die zweite Zustandsrückführung auf den Wertebereich der Regelabweichung e im Bereich eil < |e| < eG, wobei eU in Fig. 1 ungleich dem Nullpunkt ist. Die y- Achse der Kennlinie 24 weist den einstellbaren Parameter Vr auf. Die Kennlinie 24 weist in axialer Richtung entlang der y-Achse ein Plateau auf. Dieses Plateau wird durch den maximal einstellbaren Parameter Vrjnax gebildet. Die Kennlinie 24 kann sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieachse, die in axialer Richtung entlang der y-Achse verläuft und mittig das Plateau schneidet, ausgebildet sein. Der einstellbare Parameter Vr ist somit abhängig von der Regelabweichung e.

Die Regelstrecke 16 wird durch die eingesetzten Magnetventile 26, 28, den einfachen pneumatischen Antrieb 30 und ein Ventil 32 gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Regelgröße x als eine Ventilpositionsgröße und der einstellbare Parameter Vr als eine Zeiteinheit ausgebildet.

In Fig. 2 ist eine schematische Komplettansicht der Prozessanordnung 34 zum Betreiben eines Prozess-Stellventils 36 dargestellt.

Der Prozessanordnung 34 umfasst ein Prozess-Stellventil 36 und einen Stellungsregler 12.

Das Prozess-Stellventil 36 ist durch ein Ventil 32, einen Positionssensor 40 und einen Aktuator 42 aufgebaut.

Der Stellungsregler 12 umfasst eine Steuereinheit 44, ein erstes Magnetventil 26 und ein zweites Magnetventil 28. Das zweite Magnetventil 48 ist mit einem Entlüftungsanschluss 30b verbunden, der insbesondere gegen atmosphärischen Druck entlüftet. Das erste Magnetventil 26 ist mit einem Zuluftanschluss 30b verbunden. Bei den beiden Magnetventilen 26,28 handelt es sich vorzugsweise um 2/2-Wege-Magnetventile. Der Steuereinheit 44 wird durch einen Steueranschluss 31 eine Führungsgröße w, beispielsweise ein 4-20 mA Signal durch eine Leitwarte zugeführt. Die Steuereinheit 44 ist über die Ventilpositionsrückführung mit dem Positionssensor 40 verbunden. Die Regelung der beiden Magnetventile 26, 28 zur Steuerung der Ventilposition des Prozess-Stellventils 36 wird durch die Steuereinheit 44 vorgenommen.

Das erste Magnetventil 26 und das zweite Magnetventil 28 wirken jeweils binär mit einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung. Hierdurch werden vier Zustände ermöglicht, wobei der Zustand, bei dem beide Ventile 26,28 in einer Offen-Stellung sind, unzulässig ist. Die drei Zustände sind als Belüften, Entlüften und Halten zur Steuerung des Aktuators 42 im Prozess-Stellventil 36 ausgebildet. Das erste Magnetventil 26 ist zum Belüften und das zweite Magnetventil 28 zum Entlüften ausgebildet. Die beiden Magnetventile 26, 28 sind so ausgebildet, dass Sie in einem stromlosen Zustand in jeweils einer Ausgangsposition durch jeweils eine Rückhaltefeder gehalten werden. In der Ausgangsposition ist das erste Magnetventil 26 geschlossen und das zweite Magnetventil 28 geöffnet. Dies stellt den Zustand Entlüften dar. Für den Zustand Belüften werden beide Ventile geschalten, somit ist das erste Magnetventil 26 in einer Offen-Stellung und das zweite Magnetventil 28 in einer Geschlossen-Stellung. Der Zustand Halten ist durch ein Schalten des zweiten Magnetventils 28 ausgebildet, dadurch befindet sich beide Magnetventile 26,28 in einer Geschlossen-Stellung. Die drei Zustände werden über den Dreipunktregler 14 in dem Regelkreis 10 aus Fig. 1 geregelt.

In einer weitern nicht dargestellten Ausführungsform wird der Stellungsregler 38 zum Betreiben eines doppeltwirkenden Aktuators verwendet. Dieser weist vier Magnetventile. Bevorzugt werden vier 2/2- Wege-Ventile verwendet. Der Stellungsregler 12 wirkt als ein 5/3-Wege-Ventil.

In Fig. 3 ist im oberen Teil die Ventilpositionsgröße auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse für eine Regelung, die durch zwei Zustandsrückführungen ausgebildet ist, wobei eine die Ventilpositionsgröße und eine andere das Produkt aus der zeitlich abgeleiteten Ventilpositionsgröße dx/dt mit einem Parameter rückführt, dargestellt ist. Der gestrichelt dargestellte Graph stellt die Führungsgröße w dar und der durch eine durchgezogene Linie dargestellte Graph zeigt die Regelgröße x. Die Stellzeit für diese Regelung ist langsam, weist jedoch eine hohe Regelgüte auf.

Im unteren Teil ist der Reglerausgang y auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse dargestellt. Dieser Teil zeigt sehr viele Schaltspiele der Regelung.

Fig. 4 zeigt die beiden Graphen aus Fig. 3 für die erfindungsgemäße Regelung. Dies zeigt, dass durch die Kombination der Funktionalität der beiden Zustandsrückführungen 18, 20, wobei die zweite Zustandsrückführung 20 erst ab einer vorbestimmten Regelgröße x aktiv wird, eine Regelung mit wenig Schaltspielen, hoher Regelgüte und schnellen Stellzeiten realisiert wird.

Bezugszeichen liste

10 Regelkreis

12 Stellungsregler

14 Dreipunktregler

16 Regelstrecke

18 erste Zustandsrückführung

20 zweite Zustandsrückführung

22 DT1-Regelglied

24 Kennlinie des einstellbaren Parameters Vr

26 erstes Magnetventil

28 zweites Magnetventil

30a Entlüftungsanschluss

30b Zuluftanschluss

31 Steueranschluss

32 Ventil

34 Prozessanordnung

36 Prozess-Stellventil

40 Positionssensor

42 Aktuator

44 Steuereinheit