DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Regelung Erich Kleiner, Aug 2009 1. Definition, 2. Unterscheidungsmerkmale

AS_Regelung.doc 1

Regelung In der Automatisierungspraxis sind ist über die eigentlichen Regelungsfunktionen hinaus die Kenntnis besondere Funktionalitäten erforderlich. Diese werden hier erklärt. Inhalt: Seite: 1 Definition 1

2 Unterscheidungsmerkmale 2.1 Reglertypen 1 2.2 Stetiger Regler / Abtastregler 2 2.3 Stellgliedansteuerung (Proportional - / Schrittregler) 2 2.4 Realtime / Prädiktive Regelung 2 2.5 Hardware - Ausführung 3

3 Struktur 3.1 Leitebenen 4 3.2 Kaskaden 4 3.3 Störgrößenaufschaltung 4

4 Methoden 4.1 Betriebsarten HAND / AUTO 5 4.2 Abgleichmaßnahmen 6 4.3 Parameter - Umschaltung 7 4.4 Regler -Struktur - Umschaltung 7 4.5 Stellbereichs - Splitting 7 4.6 Autotuning 8

5 Signaldefinition und -Bereich 8

6 Fortgeschrittene Regelungsverfahren 6.1 Übersicht 9 6.2 Beispiel: prädiktive Regelung 10 6.3 Beispiel: adaptive Regelung 11 6.4 Beispiel: Iterativ lernende Regelung (ILR) 12

Literaturangaben zu 6: 12 1 Definition "Das R e g e l n, die R e g e l u n g, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfaßt, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst." (DIN IEC 60050) Die Formelbuchstaben sind seit 2006-12 endlich international verbindlich festgelegt: Bild 1.1: Formelbuchstaben Regelung u. Steuerung Gemäß internationaler Norm IEC 60027-6

In Automatisierungssystemen geht es meist um viele Regelgrößen, die durch ein Netzwerk von Reglern geregelt werden (siehe "Struktur"). Die Gesamtheit der Regler in einem Automatisierungssystem wird "Regelung" genannt. 2. Unterscheidungsmerkmale In Automatisierungssystemen sind folgende Unter-scheidungen von Regelungen interessant: 2.1 Regelcharakteristik Nach dem Verhalten von Reglern werden verschie-dene Regel - Charakteristiken unterschieden wie "P", "PI", "PID" u.a. Die Kenntnis des Verhaltens und der Algorithmen wird aus den "Regelungstechnik" - Vorlesungen vorausgesetzt. In Automatisierungssystemen werden meist Univer-sal - Regler eingesetzt (PID), deren Verhalten durch Einstellen ihrer Parameter festgelegt wird. Bild 2.1 zeigt dies an einem Beispiel (PIDCONA aus ABB Advant AC400 series): Bild 2.1: Regler - Parameter bei "Universalregler" Werden dabei Parameter auf 0 gesetzt, so wird z.B. aus einem PID - Regler bei TD = 0 ein PI - Regler. Bei einigen Produkten wird der dann nicht benötigte Teil des Programms nicht durchlaufen um Zykluszeit zu sparen. 2.2 Stetiger Regler / Abtastregler Im strengen Sinne wird die oben zitierte Definition nur von solchen Reglern erfüllt, die ihre Regelgröße wirklich "stetig", d.h. fortwährend, unterbrechungsfrei erhalten. Das trifft eigentlich nur für verdrahtete Sys- teme (und FPGAs) zu.

Bei den heute üblichen Speicher - programmierten, sequenziell arbeitenden Automatisierungseinrichtungen wird der Regelalgorithmus immer nur nach einem Zyklus des Prozessors wieder berechnet. Eingangs- und Ausgangsgrößen benötigen Zeit zur Wandlung von analoger in digitale Darstellung und umgekehrt, und bei Bus - Übertragung kommen ggf. weitere Zeiten dazu. (Bild 2.2)

Ant

i-alia

sing

Filt

er

*β

-1+ K

P

I K- —— T sI

KT s- ———— 1 + T s

D

F

D

+

PID

+ -

Abw.

Sollwert W

Istwert X

Stell -größe Y

Parameter: (in „Datenbank“)K P - Verstärkungβ Sollwert - FaktorTI IntegrationszeitTD DifferenzierzeitTF Filterzeit (in D - Teil)

Umschaltung: D - Anteil aus X oder Abweichung W - X

Tiefpass zur Unterdrückung zu schneller Änderungen(höhere Frequenzen als halbe Abtastfrequenz)

Soll-wert

wRegler

Bildung derFührungsgröße

Ausgangs-matrix

c

Regel-Differenz

e

(yR) Stellglied

RegelgliedRegelstreckeRegelstrecke Bildung der

AufgabengrößeBildung derAufgabengröße

Aufgaben-größe

q

Regel-größe

x

MesseinrichtungMesseinrichtung

rRückführ-größe

Störgrößez

Beispiel::Schmelzofen

Temp. des Gehäuses / der Schmelze(nicht messbar)

Temp. des Gehäuses / der Schmelze(nicht messbar)

Regelung Automatisierungssysteme DHBW 2. Unterscheidungsmerkmale Erich Kleiner, August 2006

2 AS_Regelung.doc

Bild 2.2: Abtastung einer kont. Zeit - Funktion x(t) Solche "Abtastregler" werden zwar durch spezielle Algorithmen realisiert, können jedoch wie "normale" Regler benutzt werden, wenn die Abtastzeit klein ge-nug ist gegenüber der möglichen Istwert - Änderung. Nach dem Shannon’schen Abtasttheorem ist Abtas-tung zulässig für Änderungen < 0,5 fT (mit fT = 1/T). Daumenregel: Abtastfrequenz > 10 * System- Grenzfrequenz. Für die Verfahrenstechnik trifft dies allgemein zu. Grobe Beispiele für Änderungszeiten: Drehzahl, Strom: ca. 1 .. 10 ms, Durchfluss, Druck: ca. 1 s, Niveau: ca. 5 s, Temperatur: über 20 s. 2.3 Stellglied - Ansteuerung (Bild 2.3.1) Erhält ein Stellglied seine Stellgröße vom Regler als Analogwert (intern meist digitalisiert), so spricht man von einem "Proportional - Ausgang". Das Stellglied muss dann selbst "positionieren", d.h. seine Position auf die Stellgröße einstellen, z.B. mit Hilfe eines elektro - hydraulischen Wandlers, ggf. mit Stellungs-Rückführung als Stellungsregler. Bild 2.3.1: Stellglied - Ansteuerungen

Wird ein Stellglied durch einen Elektromotor ver-stellt, so benötigt dieser Höher - / Tiefer - Befehle, die anhand der Stellglied - Daten genau "dosiert" werden müssen ("Inkremente"). Ein Regler, der solche Befehle ausgibt, wird "Schrittregler" ge-nannt, die Ausgabe "Inkremental - Ausgabe". Meist gibt es drei Zustände: Höher - Befehl / Tiefer - Befehl / kein Befehl, daher auch die Bezeichnung "Drei - Punkt - Schrittregler". Ein Schrittregler kann aus einem Regler mit Pro-portional - Ausgang durch Nachschalten eines "Positionierers" (mit Stellungs - Rückführung) gebildet werden. Hier geht die Zykluszeit der Automatisierungsein-richtung besonders stark in die Regelgüte mit ein, denn ein Befehl kann nur das Ein - oder Mehrfache der Prozessor - Zykluszeit lang sein. Zu hohe Zyk-luszeit bewirkt durch zu lange Befehle Überschwing-ungen. Die Art der Stellglied - Ansteuerung beeinflusst auch das Verhalten bei einer Störung des Reglers, z.B. bei Ausfall der Elektronik - Spannung. Das proportional angesteuerte Stellglied geht - ohne besondere Maßnahmen - in Ruhestellung (0 / 4 mA, d.h. meist geschlossen), der Prozess wird beein-flusst (gestört oder abgefahren). Das durch E - Motor verstellte Stellglied verharrt in seiner Stellung, so dass der Prozess zunächst mit den letzten Werten weiter in Betrieb bleibt. 2.4 Konventionelle / Modell - basierte Regelung Ein konventioneller Regler erhält fortlaufend aktuell seine Regelgröße, und bildet nur aus dieser und ggf. einer Störgröße jeweils neu seine Stellgröße mit der Hilfe fester Parameter. "Erfahrungen" aus der Ver-gangenheit werden nicht automatisch verwendet.

. Neuere Regelverfahren, die erst durch Einsatz von genügend Rechnerleistung möglich wurden, benutzen mathematische Streckenmodelle, in denen das Prozessverhalten vorgegeben ist (prädiktive Regelung) oder die anhand des Streckenverhaltens aktualisiert werden (adaptive Regelung), oder die Werte-verläufe (Trajektorien) enthalten und optimieren (iterative Verfahren). Aus den Modellen wird dann das optimale Reglerverhalten bzw. der Stellgrößen-verlauf abgeleitet (siehe Kap. 6)

PIDParameter

Proportional-Ausgang(0 .. 100 % als 0/4 .. 20 mA)

mAHilfsöl-Versorgung

E / H - Wandler E / H - Wandler mit Stellungs - Regler

PID

mA

Position

+ -

P

Regler

Stellglied(Beispiel: elektro - hydraul. Wandler)

M

Leistungs-Steller

Stellglied(E - Motor - verstellbar)

PID

+ -Positio-nierer

Höher / Tiefer- Befehle (24V)

Regler

Position

Stellglied-Verhalten:- Stellzeit,- Anfahr - /- Bremszeit, ..

Parameter

Regler mit Proportionalausgang Schrittregler

Proportional-Ausgang

Abtaster

Takt kT (Zyklus)

x(t) x(k)

0 T 2T 3T 0 T 2T 3T

x0

x(t) x(k)

t t

x1x2 x3

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Regelung Erich Kleiner, Aug 2009 1. Definition, 2. Unterscheidungsmerkmale

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2.5 HW - Ausführung Regler werden in der Praxis der Automatisierung ausgeführt als - „Kompakt - Regler" (alles in einem Gehäuse), - „Systemregler" (modulare Geräte), oder - „Dezentrale Regler“ (in Stellglieder integriert). „Kompakt - Regler" bedeutet, dass Messwert-erfassung, Regelung (Verarbeitung), Signalausgabe sowie Anzeige und Bedienung in einem Gehäuse untergebracht sind. Früher wurden Kompaktregler auf der Basis von Messgeräten oder mechanischen Schreibern ge-baut. Heutige Kompaktregler arbeiten digital und haben LCD- Anzeigen (Bilder 2.5.1 und 2.5.2). Ihre Features sind: - umfassende, typengeprüfte Funktionsbaustein-

bibliotheken, - einfache Konfiguration (statt Programmierung), - Selbstoptimierung, adaptive Regelalgorithmen, - PC-basierte Sim.-Programme anschließbar, - einfache vor-Ort- Bedienung und –Anzeige, - universelle Ein/Ausgänge, modular erweiterbar, - ser. Schnittstellen (RS485, Profibus, Interbus, CAN Bei kompakten Anwendungen halten Kompaktregler ca. 70% Marktanteil, Kosten: ab 300 € Mit „Systemregler" sind Realisierungen von Regel-ungsaufgaben in SPS / PLS gemeint. Sie bestehen aus Verarbeitung als Unterprogramme in den SPS/PLS - CPUs und Kanälen deren Ein- / Aus-gabegeräte (Bild 2.5.3). Bedienung und Beob-achtung erfolgen über die MMK – Koponenten von SPS / PLS. Features: - Umfangreiche Funktionsbausteinbibliothek (bei

manchen Systemen allerdings für Mehrkosten), - Komfortable Konfiguration durch das SPS/PLS –

Engineeringtool, - leichte Verknüpfung zu anderen Funktionalitäten

(übergeordnete Steuerungen und Regelungen, Kommunikation).

„Dezentrale Regler“ (auch „Prozess – nahe Regler“ genannt) sind in den Prozess ausgelagerte Einzelgrößen-regler. Sie sind in den CPUs „intelligenter“ RIOs (Remote I/O) realisiert oder in intelligenten Feldbusgeräten wie Stellantrieben, die z.B. Regelung, Leistungsteil, Antrieb und Ventil in einem Gehäuse enthalten (Bild 2.5.4). Vorteile dieser dezentralen Struktur: - Hohe Verfügbarkeit bei Prozessredundanz, - selektive Inbetriebnahme und Wartung, - Entlastung der übergeordneten SPS / PLS

(Zyklus, Speicher), - Entlastung der Feldbusse (weniger zeitkritische

Telegramme),

- weniger Verkabelungsaufwand (nur Leitungen für

Energie - Zufuhr und Feldbus - Anschluss nötig), - Platz - Einsparung in zentralen Elektronikräumen, - mehr Informationen über Feldgeräte verfügbar

(z.B. Stellglieder), da diese in integrierten Geräten billiger auf den Feldbus gebracht werden können.

Bild 2.5.1: Digitaler Kompaktregler (Metrawatt), Außen - Ansicht

Bild 2.5.2: Digitaler Kompaktregler (Metrawatt), Blockschaltbild

Funktionsplan

PIDxxxxxxxxxxxx

0,5103

KpTnTv

xxxxxx

Funktionsplan

PIDxxxxxxxxxxxx

0,5103

KpTnTv

xxxxxx

CP

U

Inte

rf.

I/O

I/O

I/O

I/O

RIO I/O I/O

CP

U

Inte

rf.

I/O

I/O

I/O

I/O

RIO I/O I/O

Bild 2.5.3: Systemregler in SPS / PLS

SPS / IPC / PLS für übergeordnete Aufgaben

Vor-Ort:

CP

UIn

terf

.I/O I/OKomp.-

ReglerIntellig.RIO

Intellig.Feldbus-Gerät

Intellig.Feldbus-Gerät

Bild 2.5.4: Dezentrale Regler

Regelung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 3. Struktur Erich Kleiner, August 2009

4 AS_Regelung.doc

3. Struktur 3.1 Leitebenen In umfangreichen Anlagen müssen meist viele Ein-zelgrößen so geregelt werden, dass die Gesamtan-lage ihre jeweilige Aufgabe erfüllt. Dazu ist auch in der Regelung eine Unterteilung der Gesamtaufgabe in möglichst kleine, überschaubare Teilaufgaben in einer hierarchischen Struktur sinnvoll. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: - kleine, übersichtliche Teilprogramme auch in den

höheren Ebenen, - Im Bedarfsfall (z.B. bei Störung) Bediener - Ein-

griff auf allen Ebenen möglich, ggf. mit Vorrang. Bei Automatisierungsinseln: - keine gegenseitige Störungs - Beeinflussung, - wenig Signalaustausch mit anderen Inseln. Bei Anlagen - Redundanz und entsprechend ge- trennter Hardware: - höhere Verfügbarkeit. Bild 3.1.1 zeigt mit der stark vereinfachten Dampf-erzeuger - Regelung ein Beispiel aus der Kraft-werksleittechnik. In der obersten Ebene befindet sich die Anlagen - (Block-) Regelung (z.B. Frequenz / Leistungsregelung der Turbogruppe), die der Dampferzeuger - Regelung in der Gruppenebene die Leistung als Sollwert vorgibt. Diese Regelung gibt wiederum den Einzelgrößen - Regelungen für Frischluft, Feuerleistung und Feuerraum - Druck deren Sollwerte vor, und zwar über Anpassungen (Bewertung, Zeitverhalten). In Prozess - und Grup-penleitebene geht es hier also um Sollwertführung, erst in der Einzelleitebene erfolgen Eingriffe in den Prozess. Bild 3.1.1: Leitebenen in der Regelung Die Bedienung kann verschieden realisiert werden. Im Beispiel kann der Bediener in Gruppen - und Einzelleitebene: - auf HAND schalten, das heißt einen Sollwert an

den untergeordneten Regler bzw. die Stellgröße an das Stellglied von Hand vorgeben,

- in AUTOMATIK einen "internen" Sollwert vorgeben (unabhängig vom Sollwert der höheren Ebene),

- in AUTOMATIK den "externen" Sollwert der höheren Ebene benutzen.

Für einen vollautomatischen Betrieb muss die dritte Betriebsart gewählt werden. Querverbindungen auf einer Ebene werden kaum benötigt.

3.2 Kaskaden In vielen Fällen ist eine Hintereinanderschaltung von zwei oder mehreren Reglern zu einer "Kaskade" sinnvoll um die Regelgüte zu verbessern. (Kakade: Ausgang eines Reglers ist Sollwert für den folgenden). Dies kommt hauptsächlich in der Einzelleitebene vor, manchmal jedoch auch in höheren Ebenen. Bild 3.2.1: Regler - Kaskaden, Beispiele

Bild3.2.1 zeigt links eine Durchfluss - Regelung (F) mit einem PI - Regler, dem ein P - Regler für die Druckdifferenz ∆P unterlagert ist. Bei "unruhigem" ∆P (durch Prozess - Störungen) kann der P - Regler schnell reagieren, und längerfristig kann der PI - Regler genau ausregeln. Dadurch ergibt sich eine bessere Regelgüte. Rechts ist eine Lageregelung dargestellt. Hier sorgt der übergeordnete P - Regler für eine schnelle Einstellung der gewünschten Lage. Ist sie erreicht, so wird keine Drehzahl mehr benötigt, der Ausgang kann auf 0 gehen (keine bleibende P - Abweichung). Die untergeordneten PI - Regler sorgen für genaues Anfahren der Position, ohne dass ein zu hoher Strom auftritt. 3.3 Störgrößenaufschaltung Verbesserung der Regelgüte durch Einbeziehung von Stör-ungen vor deren Auswirkung, z.B. Veränderung der Ein-spritzwassermenge durch die Prozessleistung ohne PI-Ver-halten (schneller), so dass sich nicht erst die Austritts-temperatur ändern muss damit der Regler eingreifen kann. Bei Optimierung kann so eine Abweichung ver-mieden werden.

Einzel -Leitebenehier:Einzelgrößen-Regelung,

Steuerung,

Eingabe /Ausgabe

Leistungssteller

Prozess

Gruppen -Leitebenehier:Dampferzeuger -Regelung(stark vereinfacht)

Prozess -Leitebene hier: Anlagen - Regelung

M

PI

F

W

- + AUTO

intern extern

Frischluft-Gebläse

Dampferzeuger M

PI

P

W

- + AUTO

intern extern

Saugzug-Gebläse

Anpassung Anpassung

PI

W

- + AUTO

intern extern

X X

X

Dampferzeuger-leistung

Fri

sch

luft

men

ge

Feu

eru

ng

Feu

erra

um

- U

nte

rdru

ck

So

llwer

t -

Fü

hru

ng

Pro

zess

- E

ing

riff

M

P

∆P

PI

F

WX2

X1

Bessere Regelgüte

bei „unruhigem“ X1

M

PI

I

Strom-Regler

G„Tacho-Generator“

PIDrehzahl-Regler

n

Spindel-Antrieb Weg

PLage-Regler

X1

X2

X3W

Schnelle, genaue Lageregelung

PI

W (Fest-) Sollwert

Σ

Heizflächeim Dampferzeuger(„Überhitzer“)

Einspritzkühlung

T Prozess-Leistung

(Differenzier- glied)

Wasser

Dampf

Bild 3.3.1: Störgrößen-aufschaltung

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Regelung Erich Kleiner, August 2009 4. Methoden

AS_Regelung.doc 5

4 Methoden 4.1 HAND / AUTOMATIK Auch für die Regelung gilt in Automatisierungssys-temen, dass im Bedarfsfall (z.B. Störung) automa-tische Abläufe / Eingriffe abschaltbar sein müssen. Ausserdem muss der Bediener von Hand eingreifen können um Stellglieder zuverfahren sowie Sollwerte zu ändern. Die Definitionen laut Norm sind im Teil "Steuerung" angegeben (DIN IEC 60050-351). Die Ausführung einer HAND / AUTO - Umschaltung ist abhängig von der Art des Reglerausgangs wie im Kapitel "Unterscheidungsmerkmale" gezeigt. Bei einem Proportio-

nalausgang muss auch im Hand - Be-trieb dauernd eine Stellgröße ausge-geben und ggf. von Hand verändert werd-en. Dazu ist ein Ana-logwert - Speicher nötig (tatsächlich heute: digitales Regis-ter), der von Hand verstellt wird und auf den in Betriebsart HAND umgeschaltet wird wie in Bild 4.1.1 gezeigt.

Bild 4.1.1: HAND/AUTO bei Proportionalausgang Bei einem Schritt-

regler (Bild 4.1.2) werden ja schon Höher / Tiefer - Be-fehle erzeugt, die im HAND - Betrieb ein-fach vom Bediener gegeben werden kön-nen.

In beiden Fällen kann

die HAND / AUTO - Umschaltung jedoch verschieden ausge-führt sein:

In Industrieanlagen

allgemein ist eine echte Umschaltung üblich: entweder der Bediener (HAND) oder der Regler

(AUTO) verstellt das Stellglied.

In der Kraftwerksleittechnik kann der Bediener immer eingreifen, der Regler jedoch nur in Betriebs-art AUTO.

Als Sollwert kann ein Wert

von einer übergeordneten Regelung verwendet werd-en ("extern") oder der Be-diener soll einen Sollwert durch Tasten vorgeben können ("intern"), die einen Analogwertspeicher verstellen. Zwischen dies-en beiden Werten kann mit "HAND / AUTO" umge-schaltet werden, siehe Bild 4.1.3.

Hier ist nur eine echte Umschaltung sinnvoll.

Bild 4.1.3: HAND / AUTO bei Sollwertführung. Aus den letzten Bildern wird ersichtlich, dass eine Regelung in der Praxis der Automatisierungssys-teme aus drei Teilen besteht wie in Bild 4.1.4 dar-gestellt: - Sollwert - Führung mit intern / extern (HAND /

AUTO) - Umschaltung, ggf. einschließlich analoger Rechenfunktionen zur Wertanpassung,

- Regler als P / PI / PID - Regler mit Vorgabe / Bildung der Regelparameter,

- Vorranglogik ("Steuerungsteil") mit HAND / AUTO - Umschaltung zum Einfügen von Verstellbefehlen von Hand oder durch eine Gruppensteuerung, ggf. mit Einbindung zusätzlicher Freigaben und Schutzbefehle.

Je nach Produkt sind diese Teilfunktionen in einem oder mehreren Standard - Funktionsbausteinen fertig vorhanden. Bild 4.1.4: Teile einer Regelung

PID R S

TIE

FE

R

HÖ

HE

R

HA

ND

/A

UT

O

HAND

Sol

lwer

tW

Istwert X

mA

>1

Analog-Speicher

Hilfsöl

- +

Stellgröße Y

PID

+-

& &

>1

M

Position

>1

R S

TIE

FE

R

HÖ

HE

R

HA

ND

/A

UT

O

HAND

Sol

lwer

tW

Istwert X

Tiefer / Höher -Befehle

Bild 4.1.2: HAND/AUTO beim Schrittregler

R S

TIE

FE

R

HÖ

HE

R

HA

ND

/A

UT

O

„Interner“Sollwert (HAND)

„Ext

erne

r“S

ollw

ert

(AU

TO

)

Analog-Speicher

- +

Sollwert an untergeordneteEinzelgrößenregelung

PID

Sol

lwer

t W

Istw

ert X

R S

„Interner“ Sollwert

Ext

.

Sol

lw.

Analog-Speicher

- +

H/A

Sollwert-Führung

PID

X W

Regler

R S

>1

- +

HAND

>1>1 >1Vorrang -Logik(Steuerungs - Teil)

Y

Hand - Eingriffe- + H/A

Befehleder Grupp.-Steuerung - + AUTO

mAHilfsöl

Stellglied

Hand - Eingriffe

Parameter

1. Regelung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 4. Methoden Erich Kleiner, August 2001

6 AS_Regelung.doc

4.2 Abgleich Bei HAND / AUTO - Umschaltungen dürfen Sollwert und Stellgröße meist keinen plötzlichen Sprung machen, das würde den Prozess stören. Zur "Stoß - freien" Umschaltung sind verschiedene Abgleich-maßnahmen üblich. Auch beim Start eines Systems ist manchmal ein Abgleich auf einen Anfangswert notwendig. Bild 4.2.1 zeigt vereinfacht zwei Maßnahmen in der Sollwertführung.

● Wenn der externe Sollwert führt, kann der interne auf diesen abgeglichen werden, damit bei Umschalt-ung auf intern kein Sollwertsprung auftritt. Dazu werden aus dem Vergleich zwischen externem und internem Sollwert + / - Befehle an den Analogwert-speicher gegeben. Dies erfolgt wenn kein Abgleich - Befehl ansteht und der Betriebsart - Speicher auf AUTO steht.

● Durch einen Abgleich - Befehl in Betriebsart HAND oder zum Einstellen eines Anfangswertes kann der interne Sollwert auf einen Abgleichwert gebracht werden. Wenn z.B. die Regelung (Vorrang - Logik) in Betriebsart HAND ist kann der interne Sollwert z.B. auf den Istwert abgeglichen werden, damit bei Umschaltung auf AUTO kein Sollwertsprung auftritt. Manchmal werden mehrere externe Sollwerte mit Umschaltung verwendet. Dann ist jeder mit einem Nachlaufintegrator versehen, und der aktive führt die anderen nach. Bild 4.2.2 zeigt Abgleichmaßnahmen in der Einzelgrößenregelung:

● In Betriebsart HAND der Regelung kann (ohne Abgl. 2) durch manuelle Stellgliedverstellung eine Differenz zwischen Sollwert und Istwert auftreten, wodurch ein Regler mit I - Anteil bis zur Stellgrenze "weglaufen" würde, da er ja nicht eingreifen kann. Nach Umschaltung auf AUTO würde die Stellgröße dann an diese Stellgrenze springen. Ein Abgleich des Reglerausgangs (I - Anteil) auf die von Hand eingestellte Stellgröße bzw. - wenn vorhanden - die echte Position verhindert dies.

● In Betriebsart AUTO muss der Analogwert-speicher für die Handverstellung auf den aktuellen Reglerausgang abgeglichen werden (Abgl. 4), damit bei Hand - Eingriffen bzw. Umschaltung auf HAND keine Stellgrößen - Sprünge auftreten. Dieser Abgleich ist bei Schrittreglern nicht nötig. Auch diese Funktionen sind in den Standard - Funkt-ionsbausteinen heutiger PLS - Systeme normaler-weise vorhanden. Abgleich 3 und ggf. 4 werden praktisch immer verwendet, die übrigen können meist nach Bedarf gewählt werden.

Bild 4.2.1: Abgleich in der Sollwertführung Bild 4.2.2: Abgleich in der Einzelgrößenregelung

R S

TIE

FE

R

HÖ

HE

R

HA

ND

/A

UT

O

„Interner“ SW(„HAND“/ Abgl.)

„Ext

erne

r“S

ollw

ert

(AU

TO

)

- +

Abgleichwert / Sollwert an / Abgleich-Befehl untergeordnete Einzelgrößenregelung

PID

WX

„Ab

glei

ch“

- + - +

Üb

erg

eord

net

eR

egel

un

gS

ollw

ertf

üh

run

g

>1

H A

>1

��

R S

TIE

FE

R

HÖ

HE

R

HA

ND

/A

UT

O

HAND

SollwertW

Istwert X

>1

- +

HAND

mAHilfsöl

Stellgröße Y

Pos

ition

I

P

>1 >1HAND

„HA

ND

“

Y

�

�

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Regelung Erich Kleiner, August 2009 4. Methoden

AS_Regelung.doc 7

4.3 Parameter - Variation Manchmal muss sich eine Regelung in verschieden-en Betriebszuständen der Anlage verschieden ver-halten, d.h. mit verschiedenen Parametern arbeiten. Ein Mittel zur Realisierung dieser Forderung ist die Variation der Regelparameter in Abhängig von einer Messgröße oder einem errechneten Wert. Dazu muss die Regelungseinrichtung - durch intern errechnete Werte einstellbare

Parameter besitzen, und - Funktionen zur Umformung von Analogwerten

(normalerweise als Prozentwert vorhanden) in einen Faktor bzw. eine Zeit enthalten.

Moderne PLS - System enthalten dazu geeignete Funktionen. Bild 4.3 zeigt als Beispiel die Variation der P - Ver-stärkung eines PI - Reglers an die "Leistung P" der Anlage. Hier soll sich bei Leistung 0 .. 100 % der Faktor zwischen 0,5 und 0,75 ändern. Dazu wird zunächst ein entsprechender Wertbereich als Pro-zentwert errechnet (50 .. 75 %), und dann durch eine Umformfunktion zu einem Faktor umgewandelt. Der Wert K dieser Funktion legt den Faktor bei ein-em Eingangssignal von 100 % fest. 4.4 Regler - Strukturumschaltung Manchmal reicht die Parametervariation zur Anpass-ung an den Betriebszustand nicht aus, und es muss der Regelalgorithmus gewechselt werden. Bild 4.4 zeigt dies mit einem (vereinfachten) Aus-schnitt aus der Drehzahlregelung einer Dampftur-bine. Während des Anfahrens wird ein PI - Regler benötigt, der die Stellgröße für das Dampf - Einlaßventil liefert, da dann die Leistungsregelung keinen Wert liefert. Im Lastbetrieb dagegen wird nur eine Korrektur zur Stellgröße der Leistungsregelung benötigt, die nur ab einer bestimmten Soll - Ist - Differenz ("Totband") eingreifen soll. Der P - Anteil wird durch einen Addierer realisiert, für die PI - Charakteristik folgt ein Integrator im "PI - Kanal". Im Lastbetrieb wird auf den "P - Kanal" um-geschaltet. 4.5 Stellbereichs - Splitting Stellglieder arbeiten meist nicht im gesamten Stell-bereich gleich gut bzw. wirtschaftlich. So haben z.B. Regelventile im unteren Bereich recht hohe Ström-ungsverluste. Für Anfahrvorgänge oder wenn läng-erer Betrieb in diesem Bereich benötigt wird ist es besser, den gesamten Regelbereich auf zwei (oder mehr) Ventile aufzuteilen. Bild 4.5 zeigt dies mit Ventil V1 für 30% und V2 für 70% der Gesamtlast. Die Stellgröße Y des Reglers wird über Rechenschaltungen so aufgeteilt, dass im Bereich bis 30% nur V1 benutzt wird und erst bei höherer Last V2 eingesetzt wird. So läßt sich z.B. eine teil - Last von 20% wirtschaftlich fahren, da dann V1 zu ca. 67% geöffnet ist.

Bild 4.3: Parametervariation Bild 4.4: Regler - Strukturumschaltung Bild 4.5: Stellbereichs - Splitting

PI

WXProportional - Verstärkung Kp( 0,5 .. 0,75 )

Nachstellzeit Tnz.B. 10 s

%K

Leistung P0 .. 100 % MUL

0,25

ADD

50%

50 .. 75 %

f1

Kp = K / 100 * (B + (E * K1))

K1 B

E

% / Faktor -Umformung

100%

f

%

K (K: Faktor - Wert bei 100%)

Y

Last-Betrieb

„Tot- Band“

ADD

- +

Drehzahl -Istwert

Drehzahl -Sollwert

Anfahr -Betrieb

I

P -

Kan

al

PI -

Kan

al

Dampfeinlass -Ventil

ADD

Leistungs-Regelung

V1

V2

100%

30%

F30%

MULK3,33

MULK1,42

ADD

-30%

PI

Y (0 .. 100%)

Y1 Y2

F30%

70%

F(V1)

F(V2)

Teillast / Vollast - Stellglied

1. Regelung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 5. Signaldefinition, Bereich Erich Kleiner, August 2001

8 AS_Regelung.doc

4.6 Auto - Tuning Für das Bestimmen der optimalen Regler - Para-meter gibt es verschiedene Rechne - Verfahren und Hilfsprogramme wie aus "Regelungstechnik" wohl bekannt sein dürfte. Manche moderne PLS - Systeme enthalten Regler - Funktionsbausteine mit einem eingebauten Pro-gramm zur Parameter - Bestimmung, einem so ge-nannten "Auto - Tuning". Bild 4.6 zeigt die prinzipielle Arbeitsweise (wie z.B. beim ABB - System "Advant" verwendet). Der Inbetriebnehmer kann den Vorgang zu geeig-neter Zeit anstoßen, denn eine dauernde Aktivität würde den Prozess stören. Nun gibt das Programm selbstständig Sollwertänderungen vor, erfasst das Verhalten der Strecke und speichert dieses als Modell ab. Hieraus errechnet das Programm nun die Regel - Parameter und stellt sie im Regler ein. Oft ist danach eine weitere Optimierung durch den Inbetriebnehmer erforderlich, um z.B. das Verhalten eines Einzelreglers an das gesamte Netzwerk anzu-passen, aber für eine erste Einstellung ist das Auto - Tuning sehr hilfreich. 5 Signaldefinition und - Bereich Die physikalischen Größen in einem Prozess haben unterschiedliche Maßeinheiten, z.B. m3 /s für die in Bild 5.1 dargestellten Durchflussmessungen, oder z.B. mbar für eine Unterdruckmessung. Messumformer sind für einen bestimmten Messbe-reich gebaut und liefern für die aktuellen Werte stan-dardisierte mA - Signale, z.B. 4 .. 20 mA für z.B. 0 .. 10 m3 /s oder für z.B. - 50 .. 0 mbar. Die Eingabegeräte eines PLS wandeln die Ein-gangssignale in eine digitale Darstellung der Werte mit einer Produkt - spezifischen Auflösung um, für den Anwender meist als 0 .. 100 % zu interpretieren, bezogen auf die 4 .. 20 mA und damit für den jeweili-gen Standard - Messbereich. Der tatsächlich im Betrieb vorkommende Werte-bereich, der "Betriebs - Messbereich", kann kleiner sein, z.B. 0 .. 5 m3 /s, also intern nur 0 .. 50 %. Damit bei der internen Verarbeitung verschiedener Größen nicht für jeden Messwert eine dem Betriebs - Messbereich angepasste Gewichtung notwendig ist, wird hinter oder durch die Signaleingabe oft eine "Normierung" durchgeführt, in Bild 5.1 durch Multipli-kation mit 2, so dass nun 0 .. 5 m3 /s dem internen Abbild 0 .. 100 % entsprechen. Der innerhalb eines PLS tatsächlich darstellbare Wertebereich kann größer als 100 % sein, z.B. - 800 bis + 800 %. Dadurch könnten zwei Signale mit 0 .. 100 % addiert werden, Ergebnis: 0 .. 200 %. Auch hier empfiehlt sich aber eine "Normierung" wie in Bild 5.2 bei der Addition zweier unabhängiger Größ-en durch den Summier - Multiplizierer SMU gezeigt, dessen Ausgang wieder 0 .. 100 % liefert.

Bild 4.6: Auto - Tuning, Ablauf Bild 5.1: Signaldefinition, essbereiche Eine Bedienungsein-

richtung - heute meist über Bus angeschloss-en - arbeitet ebenfalls mit normiertem Signal, also z.B. 0 .. 100 %, nur in den Prozessbildern werden Anzeigen wie die beiden Balken in Bild 5.1 mit physikali-scher Einheit und Be-triebsbereich versehen.

Bild 5.2: Normierung Manchmal wird im Eingabegerät auf den Betriebs - Messbereich umgerechnet ("Scaling") und dann in-tern mit physikalischen Werten gerechnet (statt %).

t

t

W

X

Anregung durchInbetriebnehmer

autom. VorgabeSollwertverlauf

ErfassungStreckenverhalten

Speichern alsModell

Errechnen undSetzen Parameter PI

ENDE

Feintuning durch Inbetriebnehmer

Wenn nötig:

A = K * (E1+E2)

E1+

E2+

0,5

A

K

F1

F2

0 .. 100%=0..10m3/s

0 .. 100%= 0..5m3/s

0 .. 100%=0..5m3/s

Fs= F1+F2

SMU

„Normierte“ Addition unabhängiger Größen

mAStellglied

0/4 .. 20 mA für0 .. 100 %

Durchfluss -Messungenz.B. 0 .. 10 m 3 /s

Messumformer

Prozess

Ein / Ausgabe -Geräte

FI

0/4 .. 20 mA für0 .. 10 m 3 /s

Mögliche Darstellung: z.B. - 800 .. 0 .. 800 %Hier genutzt: 0 .. 100 %

mA mA

# #

PI

W

Y

X

FI

mA

#

E1+E2+

A0 .. 100% 0 .. 100%

##

##

0..5 m 3 /s

0 .. 100%

F1

F2

Regelung

Bedienung

aber z.B. betrieblich insgesamt möglich: 0 .. 5 m 3 /s

MUL2 MUL2

ADD

0 .. 100% 0..5 3 /s

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Regelung Erich Kleiner, August 2002 6. Fortgeschr. Verfahren

AS_Regelung.doc 9

6 Fortgeschrittene Regelverfahren 6.1 Übersicht Konventionelle Regelungen bilden aus der aktuellen Regelgröße ihre Stellgröße jeweils neu. Die Eigenart der geregelten Strecke ist nur durch Wahl der Re-gelcharakteristik, der Reglerstruktur und der Regel - Parameter beim Entwurf berücksichtigt. Für überwiegend statische Zustände ist das aus-reichend, für stark dynamische Prozesse, z.B. häu-fige Lastwechsel unterschiedlicher Größe oder bei Batch - Prozessen wie Strangguss (insbesondere bei stark nicht linearem Streckenverhalten) ergibt sich damit keine optimale Regelgüte. Hier sind die Kenntnis des dynamischen Prozess - Verhaltens aus der Vergangenheit und daraus abgeleitete Aktionen sinnvoll, wie sie in intelligenten / adaptiven Regelverfahren verwendet werden. Bild 6.1: fortgeschrittene Regelverfahren, Übersicht Tabelle 6: Einsatz der fortgeschrittenen Verfahren

Bild 6.1: zeigt die prinzipiellen Möglichkeiten, wobei - außer beim Einsatz eines Modells - in keiner An-wendung alle gleichzeitig sinnvoll sind: ● Strecken - Modell: Mathematisches Modell der

Regelstrecke, - offline errechnet / entworfen oder - online erstellt oder zumindest lfd. korrigiert, meist erforderlich, ● Vorausberechnung der nächsten (zukünftigen)

Streckenreaktionen aus dem Modell und hieraus Korrektur des Reglers bei der prädiktiven Regelung, wobei das Modell das Soll - Verhalten vorgibt,

● Berechnung und Speicherung des optimalen Stellgrößenverlaufs („Trajektorie“) aus der Differenz zwischen Sollwert(verlauf) und Istwert(verlauf) bei der iterativ lernenden Regelung für Batch - Prozesse,

● laufende Parameter - Berechnung und - Ein-stellung bei adaptiver Regelung

- direkt oder "semi - automatisch", oder - automatisch aus einem aktualisierten Modell. Untenstehende Tabelle zeigt die Eigenschaften der wichtigsten "fortgeschrittenen" Regelungsverfahren, wobei + "benutzt" und - "nicht benutzt" meint, + / - steht für "sowohl als auch", da auf diesem Gebiet zurzeit viele verschiedene Verfahren entwickelt werden. Daher ist die Tabelle auch nicht als voll-ständig zu betrachten sondern nur als Überblick. Der Ausdruck "Modell - basiert" ist, wie die Tabelle zeigt, alleine wenig aussagefähig, sondern eher ein Oberbegriff. Zur Anwendung der Optimierungs - Werkzeuge ste-hen teilweise Standard - Schnittstellen zur Verfüg-ung, die eine additive und teils nachträgliche Imple-mentierung ermöglichen.

Regler

Regel -Strecke

Regelgröße

StellgrößeModell

Sollwert

Regelgröße

Regel -Parameter

Parameter -Berechnung

Verlauf -Berechnung,Speicherung

prädiktive Regelung

Korrektur

Iterativlernend

adaptiv

Opti-mierg.

Eigenschaften:aktuelle mit automatische Korrektur von: Berechnung u.

„fortgeschrittene“ Regelgrößen- Strecken- Parametern Stellgröße Stellgrößen- Strecken- BerücksichtigungRegelungs - Rückführung Modell (über den Verlauf Modell zukünftigerVerfahren: Regler) Reaktionen

„Modell - basiert“ + / - + + / - + / + / - + / - + / -

„adaptiv“ + + / - + - - + / - -

„iterativ“ lernend (nur zwischen + - - + + - Zyklen)

„prädiktiv“ + + - + - - +

zum Vergleich:

konventionell + - - - - - -

1. Regelung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 6. Fortgeschrittene Regelungsverfahren Erich Kleiner, Juni 2005

10 AS_Regelung.doc

6.2 Beispiel: prädiktive Regelung Allgemein bedeutet "prädiktive Regelung" (von lat. praedictio = Prophezeihung), dass nicht nur das aktuelle Stellsignal berechnet wird sondern - aus der Kenntnis eines Strecken-Modells - für die nächsten Abtastschritte auch die den Prozess repräsentieren-den Prozessgrößen für ein Zukunftsscenario. Hier-aus wird der Regler beeinflusst, es führt hier das Modell. Diese Methode ist besonders für "Multi - variable" Prozesse geeignet, das sind solche, bei denen eine Verstellung durch den Regler gleichzeit-ig mehrere Prozessgrößen beeinflusst. Bild 6.2.1 zeigt ein Beispiel einer "Model Predictive Control" (en: MPC) mit "Zwangs - Bedingungs" – Handhabung. Charakteristisch ist, dass hier die Regelungs - Strategie vorgegeben wird für jede Berechnung der nächsten Regelungsaktivität. Dadurch ist MPC sehr flexibel bei Änderung der Bedingungen, z.B. der Anforderungen oder Sensor / Aktor - Fehlern. Ausserdem kann MPC den Prozess innerhalb sowohl zwangsläufiger Anforderungen (z.B. Sicherheitsgrenzen) als auch von extern vorgegebenen Variablen halten. Die Wirkungsweise einer Modellgestützten Prädik-tiven Regelung (de: MPR) an einem Beispiel aus einer Spritzgießanlage, die eine sehr nichtlineare Strecke darstellt, zeigt Bild 6.2.2. Links sind für die Vergangenheit Stellgröße und Regelgröße dargestellt. Zum Zeitpunkt k („jetzt“) erfolgt ein Sollwertsprung. Nun wird für verschie-dene Stellgrößen – Verläufe (u) während einer begrenzten Zeit, dem „Stellhorizont“ (hier drei Ab-tastzyklen) über das Streckenmodell für eine ebenso begrenzte Zeit, den „Prädiktionshorizont“, der Ver-lauf der Regelgröße berechnet. Dabei wird die Regelabweichung mit einer „Gütefunktion“ minimiert: Diese Funktion wird auch „Kostenfunktion“ genannt. λ und µ sind Bewertungsfaktoren. Für Mehrgrößenregelungen wird diese Funktion in einer Matrize dargestellt. Mit der ersten gefundenen Stellgröße wird zum Zeitpunkt k+1 die Strecke beaufschlagt, und die Rechnung für einen nun einen Abtastzyklus weiter geschobenen Stell- und Prädiktionshorizont wieder-holt (Prinzip des „zurückweichenden Horizonts“, en: Receeding Horizon Principle). Bei dieser Regelung stellt die zur Optimierung der Regelabweichung benötigte Rechenkapazität bzw. –Zeit ein Problem dar. Deswegen werden Stell- und Prädiktionshorizonte begrenzt und auch ein Minimalwert der Gütefunktion zugelassen.

Solche Regelungen wurden zunächst im Raffinerie – Prozess eingesetzt [1], werden inzwischen aber auch in anderen Prozessen mit Erfolg angewandt, z.B. Abstandsregelung bei Fahrzeugen, Brennstoff-regelung, Spritzgusstechnik.

Störungen Z(nicht messbare)

Regel -strecke X

Prozess -Modell

+-

Regler

Störungs -Modell

Optimierung undHandhabung von„Zwang“-Bedingungen

Modell - basierte prädiktive Regelung

gemessene(messbare)Störungen

Sollwert W,

Spezifikationen Y

Bild 6.2.1: Modell - basierte prädiktive Regelung, Struktur (Beispiel)

( ) ∑∑ ∆•+−•=NuN

N

uwJ

1

2

22

1

y µλ

jetztVergangenheit Zukunft

k

Sollwert w

k+N1k+N2k+N1k+N2

Regelgröße

k k+Nuk+Nu

StellhorizontStellhorizont

[ t/Ts ]

[ t/Ts ]

BerechneteStellgröße u

Prädiktionshorizont

„geschätzte“Regelgröße ŷ

MinimierteRegelab-weichung

Bild 6.2.2: Modellgestützte prädiktive Regelung Wirkungsweise (Beispiel)

N1 Beginn des Prädiktionshorizonts

N2 Ende des Prädiktionshorizonts

(es wird die Streckenreaktion z.B. für 5 Messungen

(Abtastungen) der Regelgröße vorausberechnet)

Nu Ende des Stellhorizonts

(es werden z.B. 4 Stellbefehle durchgerechnet)

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Regelung Erich Kleiner, Nov. 2008 6. Fortgeschrittene Regelungsverfahren

AS_Regelung.doc 11

Bild 6.2.3 zeigt den Werkzeug – Innendruck in einer Spritzgießanlage (linke Skala) in Abhängigkeit von den Stellbefehlen (rechte Skala) über die Zeit. Mit den Stellbefehlen wird eine Pumpe eingeschaltet, die den Druck erhöht. Diese Strecke ist stark nichtlinear, hier bringt die prädiktive Regelung wesentlich bessere Ergebnisse als konventionelle Regelungen. Das Modell der Strecke ist mit einem neuronalen Netz aufgebaut. [3] 6.3 Beispiel: Adaptive Regelung Bild 6.3.1 zeigt eine adaptive Regelung ohne Streck-enmodell. Hier wird nur das Verhalten der Strecke beobachtet, nach festgelegten Kriterien bewertet und daraus der Regler durch Korrektur der Para-meter modifiziert. Für Strecken mit weniger Dynamik eine einfache laufende Optimierung, die bei ungüns-tigen Vorgaben jedoch auch leicht den Prozess stören kann. Bild 6.3.2 zeigt eine adaptive Regelung mit einem sich selbst optimierenden Modell, das über die aktu-elle Soll - Ist - Differenz laufend die Reglerparameter anpaßt. Dieser Regler wurde mit neuronalen Netzen aufge-baut und konnte durch seine Fähigkeiten mit einem auf den direkt geregelten Teilprozess beschränkten Modell ausgestattet werden, was einfacher als ein globales Prozessmodell zu handhaben ist. [2]

SollwertRegler Stellgröße Regelstrecke Regelgröße

Bewertung(Identifikat.)

Korrektur derRegelparameter

Berechnungder Regler -modifikation

Istwert

Sollwert Regler Stellgröße Regelstrecke Istwert

+

-

Strecken-Modell

+

-

Modell - Fehler eM

Regler -FehlereR

Korrektur derRegelparameter

- Fortlaufende Anpassung des Modells an die Strecke (Nachbildung der am Betriebspunkt gültigen dynamischen Eigenschaften)

- einfache Modellstruktur (gegenüber globalem Modell)- schnelle Anpassung an Dynamik der Strecke- einfache Ableitung der Reglerparameter aus den Modellparametern

- Fortlaufende Ableitung des Reglers aus dem Modell

- einfache Reglerstruktur (gegenüber globalem Regler)- schnelle Anpassung an Dynamik der Strecke

z.B. DRNN(Diagonale Recurrent Neutral Networks) Modell -

Istwert

Bild 6.3.2: Adaptive Regelung mit sich selbst anpassendem Streckenmodell

Bild 6.3.1: Adaptive Regelung ohne Modell

Bild 6.2.3: Streckenverhalten einer Spritzgussanlage

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Zeit [s]0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Zeit [s]

400

300

200

100

0

Wer

kzeu

gin

nen

dru

ck [

bar

]

400

300

200

100

0

Wer

kzeu

gin

nen

dru

ck [

bar

]

8

6

4

2 Ste

llbef

ehle

[V

]8

6

4

2 Ste

llbef

ehle

[V

]

Streckenbeispiel: SpritzgussanlageStreckenbeispiel: Spritzgussanlage

1. Regelung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 6. Fortgeschrittene Regelungsverfahren Erich Kleiner, Juni 2005

12 AS_Regelung.doc

6.4 Iterativ lernende Regelungen (ILR) Viele industrielle Prozesse wiederholen sich zyklisch (Batch-Prozesse), d.h. sie laufen immer wieder in der gleichen Form ab. (Bild 6.4, oben links). In diesen Fällen sind Abweichungen der Regelgröße vom Sollwert als Verlauf bekannt. Herkömmliche Online - Regelungen machen davon aber keinen Gebrauch, sondern ermitteln ihre Stellgröße immer wieder neu aus den aktuellen Werten. Die iterativ lernende Regelung baut auf der Kenntnis der vergangenen Zyklen auf und verbessert von Zyklus zu Zyklus die Stell - Strategie, um den ge-wünschten Verlauf zu erzielen. Bild 6.4 zeigt rechts oben als (sehr einfaches) Bei-spiel das Anheizen eines Ofens, und zwar den ge-wünschten Verlauf Yd(t) ("Sollwert") und drei jeweils bessere Annäherungen Yi(t) ("Istwerte"), jeweils über einen Prozess - Zyklus k (1 x Anheizen). Bild 6.4: Prinzip der Iterativ Lernenden Regelung

Darunter ist der prinzipielle Aufbau einer ILR darge-stellt. Während eines Prozess - Zyklus wird die Strecke durch die Eingangsfunktion Uk (Stellgröße Y) aus einem Speicher gesteuert. In dieser Phase wirkt die ILR als Steuerung: sie gibt den Verlauf (Traktorie) der Stellgröße vor. Der Verlauf der Regelgröße Yk (X) wird mit dem Verlauf des Sollwertes Yd (W) ver-glichen, eventuelle externe Störungen (Z) der Strecke gehen hier ebenfalls mit ein. Die Differenz wird bewertet und mit dem Ergebnis wird ein neuer Verlauf Uk+1 für den nächsten Durchgang erstellt. Rechts oben im Bild sind die Iterations - Schritte dar-gestellt, mit denen sich die Anordnung dem idealen Verlauf nähert. Anwendung: z.B. Glasherstellung

____ Literaturangaben: [1] S.J. Qin and T.A. Badgwell. An overview of ndustrial model precictive control technology. Preprints of the

proceedings of the Chemical Process Control-V , Tahoe City 7-12 January, 1996. [2] Zukunft - weisende Regelkonzepte, Dr.-Ing. M. Ayeb, Prof. Dr.-Ing. H. Theuerkauf,

Universität Gesamthochschule Kassel IEE-Antriebstechnik

[3] Modellgestützte Prädiktive Regelung auf der Basis neuronaler Netze, Juan Gruber, Andreas Karlberger, Walter Michaeli, Institut für Kunststoffverarbeitung Aachen, atp 6/2005

y Anheizvorgang

t

Yd (t)

(„W“)

Sollwertverlauf -Speicher

Störungen (Z)

Regelstrecke

Yk (t)

(„X“)

Y3Y2Y1

Stellgrößen -Speicher k

Uk (t)

(„Y“)

Stellgrößen -Speicher k+1

Uk+1 (t)

(„Y“)

Kopieren zwischenDurchlauf k und k+1

ILR(Bewertung, Korrektur) Yd(t) - Yk(t)dU(t)

(z.B. durch PI-Regler)

(Ist- werte)

Lösung: ILR

Aufgabe: zyklische Prozesse

t

Reg

elgr

öße

Neb

enze

it

Neb

enze

it

Yk(t) Yk+1(t)

Beispiel: