Regeleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung nach dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1.

Aus dem Buch "Regelungstechnik" von Otto Föllinger, 6. Auf¬ lage, Hüthig Buchverlag, Heidelberg 1990, sind zur Regelung technischer Prozesse sowohl sogenannte konventionelle Regler als auch Zustandsregler bekannt. Konventionelle Regler, z. B. PI (D) -Regler, sind universell einsetzbar, einfach in der Handhabung und bezüglich ihrer Funktionsweise anschaulich und robust. Sie liefern bei vielen Prozessen zufriedenstellende Ergebnisse, die jedoch gerade bei Prozessen mit hoher Ordnung durchaus verbessert werden können. Zustandsregler hingegen haben den Ruf, mathematisch abstrakt, aufwendig, empfindlich und somit im Einsatz schwer handhabbar zu sein. Sie sind leistungsfähiger als PI(D) -Regler und können insbesondere bei Prozessen hoher Ordnung eine bessere Regelgüte erreichen. Ihr praktischer Einsatz wurde bisher durch den erwarteten hohen Aufwand für den Entwurf und Einsatz des Reglers weitgehend verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrich¬ tung zu schaffen, welche die Vorteile eines PI(D) -Reglers mit denen eines Zustandsreglers vereinigt, ohne deren Nachteile aufzuweisen, und die darüber hinaus einfach zu parametrieren ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Regeleinrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An¬ spruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Einstellungen der Re¬ geleinrichtung einfach und anschaulich vorzunehmen sind, da zur Vorgabe der Regeleigenschaften lediglich ein Parameter festgelegt werden muß. Die erforderliche Prozeßkenntnis be- schränkt sich auf die Kenngrößen, die gleichermaßen zur Di¬ mensionierung eines konventionellen Reglers benötigt werden. Dazu können die aus der eingangs genannten Literatur bekann¬ ten Verfahren zur Prozeßidentifikation eingesetzt werden. Bei einer Realisierung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung als Abtastregelung sind Umfang und Komplexität des Regel- algorithmus nicht wesentlich größer als bei einem kon¬ ventionellen PID-Regler. Gegenüber diesem weist die erfin¬ dungsgemäße Regelung jedoch eine kürzere Einschwingzeit auf, die zudem durch Parametrierung in weiten Bereichen variiert und den Umgebungsbedingungen angepaßt werden kann. Da der unterlagerte Zustandsregler so entworfen wird, daß er PTn- Verhalten aufweist, können zum Entwurf des konventionellen Reglers, z. B. eines PI-Reglers, dieselben Methoden (Einstellregeln für Kp und T _ß j) wie bei konventionellen Re- gelkreisen zum Einsatz kommen.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er¬ findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen geschlossenen Regelkreis mit einer erfin¬ dungsgemäßen Regeleinrichtung, Figur 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regel- einrichtung und

Figur 3 Zeitdiagramme von SprungantwortSignalen verschiede¬ ner Regelkreise.

Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine erfindungsgemäße Regelein- richtung 1 in einem einzelnen Modul oder Baustein integrier¬ bar. In diesem Modul sind die Komponenten PI-Regeleinrichtung

2, die eine Vergleichseinrichtung und einen PI-Regler ent¬ hält, Zustandsregler 3 und Beobachter 4 eingeschlossen. Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 1 wird wie eine konven¬ tionelle PI (D) -Regeleinrichtung im Regelkreis verschaltet, d. h., der Regeleinrichtung 1 werden Führungsgröße w und Re¬ gelgröße y zugeführt, aus denen sie eine Stellgröße u zur Beeinflussung einer Strecke 5 erzeugt. An der Strecke 5 wie¬ derum wird die Regelgröße y als Ausgangssignal abgegriffen. Die Stellgröße u wird auch vom Beobachter 4 benötigt, damit dieser daraus Zustandsgroßen x ableiten kann. Mit Hilfe die¬ ser Zustandsgroßen x ermittelt der Zustandsregler 3 einen Stellgrößenanteil u-~ , der einem Stellgrößenanteil u _r der PI- Regeleinrichtung 2 überlagert wird. Die Parametrierung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung 1 erfolgt durch Vorgabe eines Dynamikfaktors V. Der Zustandsregler 3 sowie der Beob¬ achter 4 benötigen weiterhin Prozeßkenngrößen, hier eine Ordnung n, eine Verstärkung K und eine Zeitkonstante T eines PTn-Modells der Strecke 5.

Zum Entwurf einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung wird die komplexe Übertragungsfunktion G(s) der Strecke im sogenannten Laplace- oder Frequenzbereich in entsprechende Zustandsgiei¬ chungen überführt. Eine allgemeine Übertragungsfunktion lau¬ tet:

Die zugehörige Zeitbereichsdarstellung erhält man durch Laplace-Rücktransformation als lineare Differentialgleichung n-ter Ordnung zu:

a _n y ⁽ⁿ⁾ +... +a _λ y + a ₀ y = b _n u ⁽ⁿ⁾ +... +b _t ύ + b ₀ u

Diese läßt sich durch Einführung geeigneter Zustandsvariablen xi ... x _n in ein System von n linearen

Differentialgleichungen erster Ordnung und eine Ausgangsglei¬ chung überführen:

x = Ax +bμ, x ₀ = x(t ₀ ), y = c ^τ x + du

Der konkrete Aufbau der Dynamikmatrix A, des Eingangsvektors b und des Ausgangsvektors c_ ^τ sowie der Durchgangswert d hän¬ gen davon ab, nach welcher Methode die Zustandsgieichungen gewonnen wurden. Der Übergang von der Übertragungsfunktion G(s) zu den Zustandsgieichungen ist also nicht eindeutig.

Demgegenüber gehört zu jeder Zustandsbeschreibung eines Sy¬ stems natürlich eine eindeutige Übertragungsfunktion:

G(s) = c ^τ (sl- Ay ^l b+d

Die Zustandsgieichungen werden vorteilhaft für die unterla¬ gerte Zustandsregelung in Regelungsnormalform angegeben:

x =

, b„ . b„ y -= -°~— ^, -A-ι-« _π -ι— X + - K--U

Sie kann fast ohne Rechnung aus den Polynomkoeffizienten der Übertragungsfunktion G(s) aufgestellt werden.

Ein Sonderfall der allgemeinen Übertragungsfunktion ist die PTn-Strecke mit der Übertragungsfunktion

^ ₌ ___ ____ ' (1 + Ts) ^tt

mit

K - Verstärkungsfaktor, T - Zeitkonstante und n - Ordnung der Strecke.

Mit Hilfe der binomischen Formeln gewinnt man die Darstel¬ lung:

K

G(s) =

T"s" +nT ⁿ - ^l s"- ¹ +n(n - l)T"- ² l 2\s ^n'2 +...+

+n(n- l)T ² /2\s ² +nTs + l

KI T" s ⁿ +n / Ts ⁿ - ¹ +...+0.5-ι(-ι- l)/ r-'s ² +n/ T''- ¹ s + l/ r b _n s" +a „»-i π-l .+a ₂ s' +α _j ^-l-α ₀

Die Übertragungsfunktion des zustandsgeregelten Systems wird allgemein beschrieben durch die Gleichung:

_G ^ s" +{-•„-- +r _a )s ^n~1 +...+(a ₁ +r ₂ )s+a ₀ +r,

Der unterlagerte Zustandsregelkreis weist PTn-Verhalten auf mit derselben Ordnung n, wenn sich seine Übertragungsfunktion G _r (s) umwandeln läßt in die Gleichung:

G,(-)= ^K'

(1+J»"

mit

K _r - Verstärkungsfaktor der zustandsgeregelten Strecke,

T _r - Zeitkonstante der zustandsgeregelten Strecke.

Wegen der Unveränderbarkeit des Zählers wird diese Gleichung zur Polynomdarstellung überführt in

Die sich einstellende neue Verstärkung berechnet sich dann ZU:

κ _r = κ(τ _r /τγ

Die Parameter des Zustandsreglers erhält man daraus durch Koeffizientenvergleich zu:

r ₂ = n(l/ 7?- ^l - V T ^κ - ¹ ), r ₃ = 0.5n(n - l)(l/ T _r "- ² -1/ T ^n~2 ),

Definiert man das Verhältnis der Zeitkonstanten als Dynamik¬ faktor V zu V = T/T _r , so gehen die Gleichungen für die Para¬ meter des Zustandsreglers über in:

r _n =γ(V-D

Wie diese Gleichungen zeigen, hängt die Berechnung der Para¬ meter des Zustandsreglers von den Kenngrößen K, T und n des Prozesses und von dem vorgegebenen Dynamikfaktor V ab. Die Parametrierung des Zustandsreglers reduziert sich bei bekann- ten Streckenkenngrößen auf die Vorgabe des Dynamikfaktors, die somit der einzige nach außen hin relevante Parameter des Zustandsreglers ist. Die Verstärkung K _r des Zustandsregel- kreises hat sich im Vergleich zur Verstärkung K der ungere¬ gelten Strecke um den Faktor 1/V ⁿ geändert. Der Parameter V bestimmt die Schnelligkeit des unterlagerten Zustandsregel- kreises, welcher für beliebige Werte von V PTn-Verhalten auf¬ weist.

Der PI-Regler mit der Übertragungsfunktion

T _N s

wird nach dem BetragsOptimum entworfen. Für den unterlagerten Zustandsregelkreis als Strecke des PI-Reglers erhält man so- mit:

^ n+2 V „ n + 2 T

^P n - \ ~\K ^N 3 V

Auch die Parameter des PI-Reglers sind demnach eindeutig durch den Dynamikfaktor V festgelegt, wenn die Streckenkenn¬ größen K, T und n bekannt sind. Damit ist der Dynamikfaktor V der einzige Parameter, der das Verhalten der Regeleinrichtung bestimmt.

Vorteilhaft kann die Reglerverstärkung Kp des PI-Reglers so modifiziert werden, daß ein Überschwingen der Regelgröße y praktisch vermieden wird:

77+2 V"

«-14K

Der Reglerentwurf in dem bisher beschriebenen Ausführungs- beispiel beschränkt sich auf das PTn-Modell und damit auf Strecken mit Ausgleich. Eine Erweiterung des Reglerentwurfs z. B. auf Modelle ohne Ausgleich ist in ähnlicher Weise mög- lieh.

Die Strecke wird dazu als ITn-Modell (G(s) = K/(s(l+sT) ⁿ ) ) angenommen. Der Entwurf des Zustandsreglers erfolgt jetzt aber mit dem Ziel, daß die zustandsgeregelte Strecke ITn-Ver- halten aufweist. Dabei soll die Zeitkonstante des Systems, bestehend aus ITn-Strecke und Zustandsregler, kleiner sein als die Zeitkonstante der ungeregelten Strecke. Die Parameter des überlagerten PI-Reglers werden anschließend nach einem speziellen Betragsoptimum für Strecken ohne Ausgleich ent- sprechend den Kenngrößen des Zustandsregelkreises automatisch berechnet nach den Formeln

T _N = T, (2n + j2n(n + D),

^K r ^T N mit

T _r - Zeitkonstante der zustandsgeregelten Strecke,

K _r - Verstärkung der zustandsgeregelten Strecke.

Eine andere Möglichkeit zum Entwurf einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist die Vorgabe der gewünschten 95%-Ein- schwingzeit TRK des Gesamtregelkreises. Die 95%-Einschwing¬ zeit TRK wird ermittelt zu

T _m = mm{t ₉₅ } mit 11.0- h(t)| < 0.05 für alle t > t _gi ,

wobei h(t) die Sprungantwort des Systems ist. Diese Vorgabegröße ist sehr viel anschaulicher als der oben definierte Dynamikfaktor V ohne den Einfluß des PI-Reglers. In Abhängigkeit von der Ordnung n der Strecke kann die Zeit- konstante T _r der unterlagerten Zustandsregelung mit PTn-Ver-

halten aus der folgenden Tabelle ermittelt werden, die durch Auswertung numerischer Simulationen erhalten wurde:

Durch die so erhaltenen Werte n und T _r ist der Zustandsregler festgelegt.

Bei allgemeineren Strecken, die nicht zwangsweise PTn-Verhal¬ ten aufweisen, sondern lediglich vollständig steuerbar sein müssen, ist das Ziel des n-fachen reellen Pols in einem un¬ terlagerten Zustandsregelkreis immer erreichbar. Hier kann in vorteilhafter Weise die 95%-Einschwingzeit Tg der unterla¬ gerten Zustandsregelung als anschauliche Vorgabegröße zur Kennzeichnung des angestrebten Führungsverhaltens verwendet werden. Mit zunehmender Streckenordnung n stimmt Tg wegen der abnehmenden Einflußmöglichkeiten des überlagerten PI-Reglers zudem immer besser mit der Einschwingzeit des gesamten PI-Zu¬ standsregelkreises überein. Den Zusammenhang zwischen dem Entwurfsparameter T _z und den Parametern n und T _r des zu er- zielenden PTn-Verhaltens kann man aus der folgenden Tabelle entnehmen:

Die Gleichungen für einen nach dem bereits erwähnten abge- schwächten Betragsoptimum entworfenen PI-Regler lauten nun:

0.7(«+2)

K _P = - ^P 4K(n- l)

(«+2)r _r

T =

An Figur 1 wird deutlich, daß man die erfindungsgemäße Regel¬ einrichtung 1 aus PI-Regeleinrichtung 2, unterlagertem Zu-

Standsregler 3 und Zustandsbeobachter 4 als einen neuen Reg¬ lertyp auffassen kann, der an die Stelle eines konventio¬ nellen PI(D) -Reglers getreten ist. Selbst die Ein- und Aus¬ gänge sind in beiden Fällen dieselben. Der Unterschied be- steht lediglich in den intern realisierten Regelungsverfahren und in der Anzahl und Wirkungsweise der nach außen in Er¬ scheinung tretenden Reglerparameter. Während der konventio¬ nelle PID-Regler noch mit drei vergleichsweise unanschauli¬ chen Parametern aufwartet, muß im Falle der leistungsfähige- ren erfindungsgemäßen Regeleinrichtung nur noch ein einziger, leicht verständlicher Schnelligkeitsparameter, nämlich der Dynamikfaktor V, die gewünschte Einschwingzeit TRK des Gesamtregelkreises oder die 95%-Einschwingzeit T-? der unter¬ lagerten Zustandsregelung gewählt werden. Figur 1 macht auch anschaulich klar, daß die bei PI(D) -Reglern bekannten Iden¬ tifikationsverfahren für Prozesse hier unverändert angewendet werden können. Anders als bei der PI(D) -Regelung, wo die Prozeßidentifikation ausschließlich wegen des Reglerentwurfs benötigt wird, ist sie im unterlagerten Zustandsregelkreis die Voraussetzung sowohl für den Zustandsregler- als auch für den Beobachterentwurf.

Der Beobachter 4 hat die Aufgabe, die Zustandsvariablen x möglichst genau zu rekonstruieren. Da der Entwurf des Zu- Standsreglers auf einer Beschreibung des Prozesses in Rege¬ lungsnormalform basiert, entsprechen die Zustandsvariablen des Beobachters ebenfalls der Regelungsnormalform.

Aus dem Blockschaltbild in Figur 2 ist der detaillierte Auf- bau einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung entnehmbar. Sie enthält einen P-Teil 6 und einen I-Teil 7 eines PI-Reglers, einen Beobachter 8, einen Zustandsregler 9, eine Stellgrößen¬ begrenzung 10, Parameterberechnungseinheiten 11 und 12 zur Berechnung der Parameter des PI-Reglers und der Parameter des Zustandsreglers, eine Anlaufeinheit 13 und eine Nachführein¬ heit 14. In einem Vergleicher 15 wird aus einem Sollwert w

und einer Regelgröße y eine Regeldifferenz e gebildet, die dem P-Teil 6 und einer Ansprechschwelle 16 zugeführt wird. Von dem P-Teil 6 und dem I-Teil 7 berechnete Stellgrößenan¬ teile up und ui werden in einem Summierer 17 addiert und er- geben, vermindert um einen Zustandsanteil u-- , die Ge¬ samtstellgröße u, vorbehaltlich etwaiger Hand- oder Nachführ¬ eingriffe und einer Wirksamkeit der Stellgrößenbegrenzung 10. Die Stellgröße u wird intern dem Beobachter 8 aufgeschaltet, der daraus die Zustandsvariablen x für den Zustandsregler 9 rekonstruiert. Der Abgriff der Stellgröße u für den Be¬ obachter 8 liegt hinter der Stellgrößenbegrenzung 10 und ei¬ nem Umschalter 18. Auf diese Weise kann sichergestellt wer¬ den, daß die Zustandsvariablen x entsprechend der wirkenden Stellgröße u berechnet werden, d. h. , daß sie auch bei Hand- und Nachführeingriffen die tatsächlichen Zustände widerspie¬ geln. Die Ansprechschwelle 16 wirkt in Verbindung mit der Nachführeinheit 14. Die Nachführeinheit 14 greift bei be¬ stimmten Betriebszuständen, wie z. B. Handeingriffen, in die Funktionen des I-Teils 7, des Beobachters 8 und der Stellgrö- ßenbegrenzung 10 ein. Die bisher aufgeführten Funktionen zählen zu den Online-Funktionen der Regeleinrichtung, d. h., sie müssen im laufenden Betrieb ständig bearbeitet werden. Daneben gibt es noch Offline-Funktionen, deren Bearbeitung nur bei Änderung der Einstellung und nach dem Einschalten des Reglers gefordert ist. Dazu zählen die Berechnung der Parameter Kp und Tjj für den P-Teil 6 bzw. den I-Teil 7, der Parameter r für den Zustandsregler 9 sowie die Anlaufroutine in der Anlaufeinheit 13.

Wenn die Regeleinrichtung in einem Abtastregelkreis einge¬ setzt wird, können normierte Signale für die Führungsgröße w, die Regelgröße y, eine im Handbetrieb eingestellte Stellgröße UH- eine in einer Betriebsart "Nachführen" vorgegebene Stellgröße UJJ sowie eine minimale Stellgröße u _m j_ _n und eine maximale Stellgröße u _max für den Stellgrößenbegrenzer 10 verwendet werden. Damit liegt auch die Stellgröße u als nor-

miertes Signal vor. Der Rechenaufwand für eine erfindungs¬ gemäße Regeleinrichtung ist etwa zwei- bis dreimal so groß wie der eines vergleichbaren PID-Reglers. Im einzelnen erhält man für den Vergleicher 15, den P-Teil 6 und den I-Teil 7 die folgenden zeitdiskreten Beziehungen:

e = w - y u _p = eK _P

und mit der Rechteckregel

r t _A ^* *Λ ^*

mit = ^u ι vom vorherigen Abtast- zyklus.

Die Ansprechschwelle 16 liefert die binäre Information, ob der Betrag der Regeldifferenz e die Schwelle A überschreitet. Ihr Ausgangssignal ist

1 für l > A und 0 für el < A

Der I-Teil 7 kann durch die Nachführeinheit 14 auf die Be¬ triebsart "Nachführen" umgeschaltet werden. Insgesamt sind sechs Methoden (Ml ... M6) möglich, die betriebszustandsab- hängig von der Nachführeinheit 14 ausgewählt werden.

mit u _λU = u vom vorherigen Abtastzyklus

• M6: U _j = ^- - u _z K.

Der Beobachter arbeitet nach den Zustandsgieichungen:

x ₁ = x ₂ / T x ₂ = x ₃ / T

1 «(« -1) n _{l rτ} ,

^■ 1 - ^Λ x2,-... - -x_ , x +u/ T

Die Ausgangsgleichung für die Regelgröße y wird nicht berück¬ sichtigt, da nur die Zustandsvariablen x interessieren. Die Eingangssignale des Beobachters 8 sind die Stellgrößen u so¬ wie die Kenngrößen des Prozeßmodells K, T und n. Bei dem Aus- führungsbeispiel sind die Zustandsgieichungen mit Hilfe der Rechteckregel in eine zeitdiskrete Form überführt. Die Bear¬ beitung erfolgt, indem die Zustandsvariablen x in der Reihen¬ folge fallender Indizes berechnet werden (x _n , ..., x ₂ , xι_) . Der Beobachter 8 wertet nur die Stellgröße u aus, nicht aber die Regelgröße y. Deshalb ist er nicht in der Lage, bei ver¬ schiedenen Anfangszuständen eine Angleichung an die Proze߬ zustände durchzuführen. Dies geschieht durch Nachführen des Beobachters 8, wobei

y ^x _\ - und x ₂ =...=x _n =0

K.

gesetzt wird. Der Beobachter 8 wird ebenfalls durch die Nach¬ führeinheit 14 auf die Betriebsart "Nachführen" umgeschaltet; dies ist nur einmalig während des Anlaufs notwendig. Zu be- achten ist, daß während des laufenden Betriebs die Regel¬ strecke nicht von der Regeleinrichtung getrennt werden darf, da sonst die Anfangszustände des Beobachters 8 nicht mehr mit den tatsächlichen Zuständen übereinstimmen würden.

Der Zustandsregler 9 arbeitet nach dem folgenden Algorithmus:

u _z = x _l r ₁ +x ₂ r ₂ +...+x„r„

Für diesen Zustandsregler erhält man Parameter r^ ... r _n nach den Formeln:

r.=(F"-l), r ₂ = n(V ^~ -' -D, n(n- l) ... _^ . ₂

-(V"-' -l) r„=H(F-l)

2!

Für einen vorgegebenen Dynamikfaktor V = 1 verschwinden die Parameter rι_ ... r _n des Zustandsreglers 9 und somit der Stellgrößenanteil ug• Damit verhält sich die erfindungsgemäße Regeleinrichtung wie ein konventioneller PI-Regler.

In dem Umschalter 18 werden alternativ eine berechnete Stell¬ größe, eine Handstellgröße UH oder eine Nachführstellgröße u^ auf die Stellgrößenbegrenzung 10 durchgeschaltet. Auswahl- kriterien sind Eingangssignale n _a und h _a der Regeleinrichtung oder Ansteuersignale von der Anlaufeinheit 13. Die wirksame Stellgröße u ist begrenzt auf einen Bereich zwischen u _m * _j _ _n und ^u max- Über- oder unterschreitet die Stellgröße u den zuläs¬ sigen Bereich, wird dies der Nachführeinheit 14 über ein Si- gnal gemeldet, die dann weitere Maßnahmen einleitet. In der Betriebsart "Nachführen" der Stellgrößenbegrenzung 10 als Folge einer Ansteuerung durch die Nachführeinheit 14 sind zwei verschiedene Maßnahmen vorgesehen:

»Ml: u = u _Alt

•Ml: u = ^- K

Die Parameterberechnung unterteilt sich in die Berechnung der Parameter Kp und TJJ in der Parameterberechnungseinheit 11 und die Berechnung der Parameter r in der Parameterberechnungs-

einheit 12. In beiden Fällen sind die Ergebnisse abhängig von den Kenngrößen K, T und n des Prozeßmodells. Die Parameter für den P-Teil 6 und den I-Teil 7 werden mit dem Betragsopti¬ mum als Entwurfsverfahren erhalten und können zusätzlich durch Vorgabe von Faktoren KPF bzw. TNF noch beeinflußt wer¬ den. Die Faktoren KPF und TNF schaffen die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Regeleinrichtung im praktischen Betrieb nachzuoptimieren. Um Stellgrößensprünge aufgrund von Änderun¬ gen der Parameter während des Betriebs zu vermeiden, wird die Berechnung von Kp und JJ überwacht. Sobald sich eine Änderung von mehr als einem Prozent ergibt, wird dies durch ein Signal p _a der Νachführeinheit 14 gemeldet, die daraufhin den I-Teil 7 auf die Betriebsart "Nachführen" umschaltet. Durch die Überwachung von Kp und Tjj werden vorteilhaft mit minimalem Aufwand Änderungen aller Parameter registriert. Somit ist die erfindungsgemäße Regeleinrichtung auch für nichtlineare und zeitvariante Prozesse geeignet.

Die Funktion der Anlaufeinheit 13 legt das Verhalten der Re- geleinrichtung nach dem Einschalten fest. Sie wird nur einma¬ lig sofort nach dem Einschalten ausgeführt. Dabei sind zwei Alternativen vorgesehen:

1. Die Regeleinrichtung nimmt die Betriebsart ein, die durch ihre Parametrierung vorgegeben wurde, z. B. die Betriebs¬ art "Automatik" für h _a = 0 und n _a = 0, oder

2. die Regeleinrichtung geht in Handbetrieb (Zwangshand). Dieser Handbetrieb kann nur verlassen werden, nachdem ma- nuell auf Handbetrieb (h _a = 1) umgeschaltet wurde.

Dazu ist die Anlaufeinheit 13 direkt mit dem Umschalter 18 verbunden. Ein Eingangssignal f _a legt fest, welche der Alter¬ nativen zum Tragen kommt (f _a = 0 bewirkt Zwangshand) .

Die Nachführeinheit 14 leitet aus der Bearbeitung der Anlauf- einheit 13 weitere Maßnahmen ab. Dabei können der I-Teil 7, der Beobachter 8 und die Stellgrößenbegrenzung 10 nachgeführt werden. Die zur Ausführung der einzelnen Maßnahmen erforder¬ lichen Einrichtungen sind Bestandteile der jeweiligen Kompo¬ nenten.

Die folgende Tabelle zeigt die Betriebszustände (Ursachen) , die zu Nachführmaßnahmen führen, sowie ihre Auswirkungen auf die einzelnen Komponenten. Darin sind die unterschiedlichen Nachführmaßnahmen mit Ml ... M6 bezeichnet.

Beim Beobachter 8 existiert nur eine Maßnahme. Die Nachführ- maßnahmen wirken normalerweise, solange die entsprechende Ur¬ sache vorhanden ist. Eine Ausnahme bilden die Parameterände-

rung und der Regleranlauf. In beiden Fällen wird nur für die Dauer eines Abtastzyklus nachgeführt (einmalige Maßnahme) .

In Figur 3 ist das Führungsverhalten verschiedener Regler an einer verzögerungsbehafteten Regelstrecke 6-ter Ordnung in Form von Zeitdiagrammen mit der Abszisse als Zeitachse und der Ordinate für die normierte Regelgröße dargestellt. Die Kurven 19 und 20 im oberen Teil wurden mit einem PI- bzw. ei¬ nem PID-Regler gewonnen, die jeweils nach dem Betragsoptimum entworfen waren. Zur Erzeugung der drei Kurven 21, 22 und 23 wurde dagegen eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung verwen¬ det, wobei die Unterschiede aus verschiedenen Reglereinstel¬ lungen resultieren. Zwei Punkte sind beim Führungsverhalten besonders auffällig: zum einen kann der Einschwingvorgang mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung schneller abgeschlos¬ sen werden als mit einem konventionellen PI(D) -Regler und zum andern kann bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung die Einschwingzeit durch Parametrierung in weiten Bereichen va¬ riiert werden, so daß sich die Regeleinrichtung insbesondere auch wie ein PI-Regler (Kurve 23) verhält. Vorteilhaft bestimmt ein einziger Parameter der erfindungsgemäßen Regel¬ einrichtung dabei die Dauer des Ausregelvorgangs. Obwohl in Figur 3 lediglich drei Kurven 21, 22 und 23 gezeigt sind, ist selbstverständlich ein kontinuierlicher Übergang zwischen diesen Stufen und auch über sie hinaus durch die Wahl des Pa¬ rameters möglich. Im Vergleich zu PI (D) -Reglern kann die Re¬ gelgüte wesentlich gesteigert werden. Der Gewinn ist dabei um so größer, je höher die Ordnung des Prozeßmodells ist. Be¬ vorzugte Einsatzgebiete sind daher z. B. die Dampftempera- tur-, Dampfdruck-, Enthalpie- oder Höhenstandsregelung. Bei einer Ordnung n<2 sind PID-Regler und die erfindungsgemäße Regeleinrichtung gleichwertig, da mit einem PID-Regler be¬ reits zwei Zeitkonstanten kompensierbar sind. Jedoch ist bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung die Einstellung ein- facher handhabbar als bei einem PID-Regler.

Die gezeigten Kurven 21, 22 und 23 gehen von idealen Bedin¬ gungen aus und demonstrieren, was theoretisch mit einer er¬ findungsgemäßen Regeleinrichtung erreichbar ist. Unter realen Bedingungen, wenn beispielsweise das Prozeßmodell ungenau ist oder wenn Begrenzungen wirken, kann das reale vom idealen Verhalten durchaus abweichen.

Die bessere Regelgüte erkauft man sich durch stärkere Bewe¬ gungen der Stellgröße, die mit steigendem Dynamikfaktor an Heftigkeit zunehmen. Diese Eigenschaft hat für den prakti¬ schen Einsatz zur Folge, daß man den Dynamikfaktor nicht be¬ liebig erhöhen kann. Man muß deshalb bei der Wahl des Dyna¬ mikfaktors einen Kompromiß schließen zwischen der gewünschten Regelgüte und der tolerierbaren Stellgliedbetätigung.

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung zeigt auch bei Einwir¬ ken von Störgrößen auf die Stellgröße u, die Strecke oder die Regelgröße y und bei Änderungen der Streckenkenngrößen ein robustes Verhalten. Das gute Funktionieren unter diesen Be- dingungen ist eine wesentliche Stärke der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, die einen praktischen Einsatz überhaupt erst möglich macht, da nur in den seltensten Fällen die tat¬ sächliche Regelstrecke exakt mit dem Modell übereinstimmt, das dem Reglerentwurf zugrunde liegt.