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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein redundant ausgelegtes Regelsystem
mit einer gemeinsamen Regelgröße, mindestens
zwei parallel aktiven Reglervorrichtungen mit unabhängigen Soll-
und Ist-Wertsensoren und eigenen Stellgrößenausgabeelementen.
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In
der Fachwelt wird ein Regelkreis als ein geschlossenes rückgekoppeltes
System definiert, das mindestens eine Regelstrecke, mindestens einen
Regler und eine Rückführung aufweist.
Dabei werden Regelkreise in der Technik häufig verwendet, wenn das Verhalten
der Regelstrecke nicht den technischen angestrebten Anforderungen
an das System entspricht und ein kontinuierliches automatisiertes Nachregeln
der Regelstrecke erforderlich ist. Anwendungsgebiete sind überall dort
in der Technik zu finden, wo durch einen automatisierten Vorgang
anhand gezielter Beeinflussung von physikalischen, chemischen, biologischen
oder anderen Größen in Geräten, Anlagen
und Fahrzeugen das Verhalten dieser Größen einem gewünschten
Verhalten möglichst
nahekommen soll.
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Ein
derartiges Regelsystem kann durch die nachfolgenden Kenngrößen und
den allgemeingültigen
Ablauf näher
beschrieben werden. Dabei entspricht die Regeldifferenz der Differenz
zwischen dem Soll-Wert und dem tatsächlichen Ist-Wert, wobei der
Ist-Wert über
die negative Rückkopplung
auf den Regler zurückgeführt wird. Über den
Regler wird ein neuer Stellwert berechnet, der über die Regelstrecke den Ist-Wert
beeinflußt.
Dadurch ergibt sich ein neuer Ist-Wert, der die Regeldifferenz verkleinert.
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Regelkreise
werden auch als Regelsysteme bezeichnet, insbesondere dann, wenn
in einem Regelsystem mehrere Regelkreise ineinandergreifen.
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Die
Verwendung der genannten Regelkreise in speziellen Fahrzeugen, insbesondere
im Flugverkehr, stellt an die verwendeten Regelsysteme besonders
hohe Ansprüche
im Bezug auf sicherheitstechnische Aspekte. Dabei müssen die
verwendeten Regelgeräte
bestimmte Mindestanforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllen. Auch
sollen durch den Ausfall einzelner Elemente der Regelgeräte die Funktionalität nicht
beeinflußt
werden. Aus diesem Grund werden zumindest einzelne Teilelemente
der Reglervorrichtung redundant ausgelegt, wodurch eine erste Erkennung
und Reaktion auf Fehler innerhalb des Systems ermöglicht wird.
In den meisten Fällen
wird der Ebene des Regelkreises eine Überwachungsebene hinzugefügt, um seine
Zuverlässigkeit
zu verbessern. Dies führt
zu relativ komplexen Konstrukten mit speichernden Zustandsgeneratoren.
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Ein
weiteres Problem beim Einsatz redundanter Regelsysteme ergibt sich
daraus, dass ein Gleichlauf der parallelen Installation funktional
identischer Regelkreise vorausgesetzt ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, dem Fachmann eine Vorrichtung
an die Hand zu geben, die geeignet ist, in einem mehrfach redundanten
Regelsystem einzelne Fehler ohne die Unterstützung spezieller Überwachungselemente
zu absorbieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vereinfachte
Vorrichtung aufzuzeigen, die den Gleichlauf der parallel installierten
Regelkreise bewirkt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein redundant ausgelegtes Regelsystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen redundant ausgelegten Regelsystems
sind dabei Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
dabei ein redundant ausgelegtes Regelsystem mit einer gemeinsamen
Regelgröße, mindestens
zwei parallel aktiven Reglervorrichtung mit unabhängigen Soll- und
Ist-Wertsensoren und eigenen Stellgrößenelementen, wobei jede einzelne
Regiervorrichtung einen Mittelwertbildner und einen Regler umfaßt, wobei
die Eingänge
des Mittelwertbildner mittelbar oder unmittelbar mit der eigenen
Stellgröße und der
oder den Stellgrößen der
mindestens einen parallel aktiven Reglervorrichtung verschaltet
sind. Bei einem solch redundant ausgelegten Regelsystem lassen sich
einzelne Fehler ohne die Unterstützung
spezieller Überwachungselemente
in ihrer Auswirkung reduzieren. Dabei spielt die implizite Nutzung
der Reglerparameter wie Regelabweichung einschließlich Verstärkungsfaktor
in geschlossenen parallelen Regelkreisen eine entscheidende Rolle
zur Umsetzung eines fehlertoleranten redundanten Reglungssystem.
Auf die Auswertung der physikalischen Daten wie Soll-Wert oder Ist-Wert
anhand relativ komplexer Konstrukten mit speichernden Zustandsgeneratoren, wie
aus dem Stand der Technik bekannt, kann verzichtet werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bestehen die einzelnen parallel installierten Reglervorrichtung
aus jeweils einem Regler, dessen berechnete Regelgröße über dessen
Ausgang mit einem Eingang eines Mittelwertbildners verschaltet ist.
Weiterhin wird die Stellgröße ebenfalls
mit den Eingängen der
einzelnen Mittelwertbildner der übrigen
parallel aktiven Reglervorrichtung oder Reglervorrichtungen verschaltet.
Somit berechnet der Mittelwertbildner einen Mittelwert, der sich
aus den berechneten Stellgrößen der
einzelnen Regler der parallel aktiven Reglervorrichtungen ergibt.
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Vorteilhafterweise
sieht jeder Regler der mindestens zwei parallel aktiven Reglervorrichtungen
einen Summenpunkt zur Bestimmung der Regelabweichung vor. In dem
Summenpunkt wird aus der rückgeführten Regelgröße bzw.
Rückführgröße und der Führungsgröße die aktuelle
Regeldifferenz bzw. der Regelfehler berechnet. Weiterhin ist an
dem genannten Summenpunkt ein anschließendes Verstärkungsmittel
mittelbar oder unmittelbar verschaltet, wodurch die berechnete Regelabweichung
verstärkt
wird und weiter mittelbar oder unmittelbar mit zumindest einem Eingang
des nachfolgenden Mittelwertbildners verschaltet ist.
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Im
einfachsten Fall umfaßt
das Verstärkungsmittel
einen P-Regler. Dabei besteht der P-Regler ausschließlich aus
einem proportionalen Anteil der Verstärkung K. Damit ist er mit seinem
Ausgangssignal proportional zu seinem Eingangssignal. Denkbar ist
ebenfalls ein Regler höherer
Ordnung.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise weist das Verstärkungsmittel einen Verstärkungsfaktor
K > 1 auf.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelsystems
ergibt sich daraus, dass zwischen Regler und Mittelwertbildner ein Wertebegrenzer
verschaltet ist, wodurch der ermittelte Stellwert des Reglers auf
einen zu definierenden Maximalwert begrenzbar ist. Die automatische
Kompensation eines Einzelfehlers innerhalb des Regelsystems, beispielsweise
ein fehlerhafter Sollwert, beruht auf der Sättigung, die ein einzelner
ausreißender Wert über den
Verstärkungsfaktor
und die anschließende
Wertelimitierung vor dem Mittelwertbildner erfährt.
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Bevorzugt
bildet der zu definierende Maximalwert des Wertebegrenzers, auf
den der ermittelte Stellwert begrenzt werden soll, den maximalen
Signalbereich des Regelsystems ab. Dadurch wird zusätzlich verhindert,
dass durch die Übersteuerung einzelner
Systemkomponenten ein Fehlverhalten des Regelsystems auftritt.
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Die
Erfindung betrifft des weiteren ein redundant ausgelegtes Regelsystem
mit einer gemeinsamen Regelgröße, mindestens
zwei parallel aktiven Reglervorrichtungen mit unabhängigen Soll-
und Ist-Wertsensoren und eigenen Stellgrößenausgabeelementen, wobei
parallel zu jeweiligen Reglervorrichtung ein Mittelwertbildner geschaltet
ist, dessen Eingänge
mittelbar oder unmittelbar mit der zurückgeführten Regelgröße der jeweiligen
Reglervorrichtung und mit den zurückgeführten Regelgrößen der mindestens
einen parallel aktiven Reglervorrichtung verschaltet sind und dessen
Ausgang mit der zurückgeführten eigenen
Regelgröße der jeweiligen
Reglervorrichtung in einem Summenpunkt verschaltet ist. Durch die
genannte Vorrichtung wird ein notwendiger Gleichlauf der Stellgrößen innerhalb
der unabhängigen
Reglervorrichtungen gewährleistet,
wodurch statische Fehler in hochdynamischen redundanten Regelsystemen
kompensiert werden können.
Dieser „langsame” Gleichlaufalgorithmus
beruht auf einem Mittelwertbildner, dessen Ergebnis, die mittlere
Regelgröße, kontinuierlich
mit dem eigenen Wert im genannten Summenpunkt verglichen wird und
die Abweichung als Kompensationswert dem eigenen schnellen Regler
der jeweiligen Reglervorrichtung ständig zugeführt wird. Über diese Zuführung auf
den Regler wird ein Abgleich der effektiven Rückführsignale und damit ein Gleichlauf
zwischen den einzelnen aktiven Kanälen erzielt.
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Durch
diesen „langsamen” Gleichlaufalgorithmus
sind besonders digitale Regler in ihrer Leistungsanforderung deutlich
entlastet, da der Gleichlauf des dynamischen Systems mit niedrigeren
Abtastsequenzen als der Abtastsequenz des eigentlichen Regelkreises
gewährleistet
werden kann.
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Denkbar
ist, dass das redundant ausgelegte Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis
6 mit der genannten Vorrichtung zur Gewährleistung des Gleichlaufs
der Stellgrößen der
einzelnen unabhängigen
Reglervorrichtungen kombiniert ist.
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Vorteilhafterweise
umfaßt
oder umfassen der oder die Mittelwertbildner einen selektiven Mittelwertbildner.
Durch den selektiven Mittelwertbildner der Vorrichtung nach einem
der Ansprüche
1 bis 6 ist aus zwei oder mehr Eingangswerten ein mittlerer Wert
ermittelbar, dadurch dass jede Reglervorrichtung ihr ermitteltes
Stellkommando mit den anderen Reglervorrichtungen zunächst austauscht
und dann jeden empfangenen Eingangswert, d. h. jedes empfangene Stellkommando
der parallel aktiven Reglervorrichtungen, auf bestimmte Kriterien
hin überprüft und innerhalb
der jeweiligen Reglervorrichtung ein Mittelwert über das eigene Stellkommando
und die empfangenen überprüften Stellkommandos
bildbar ist. Nur die Eingangswerte, d. h. die empfangenen Stellkommandos,
die bestimmte Kriterien erfüllen,
werden in jeder Reglervorrichtung dem selektiven Mittelwertbildner zugeführt. In
vorteilhafter Weise ist durch den selektiven Mittelwertbildner ein
arithmetisches Mittel über die
Eingänge
berechenbar.
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Der
selektive Mittelwertbildner gemäß des „langsamen” Gleichlaufalgorithmus
aus Anspruch 7 berechnet dabei eine mittlere Regelgröße aus der
eigenen Regelgröße und den überprüften empfangenen
Regelgrößen der
parallel aktiven Reglervorrichtungen, wobei auch hier vorteilhafterweise
ein arithmetisches Mittel berechnet wird.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise sind die Eingänge des selektiven Mittelwertbildners
auf die Kriterien von Verfügbarkeit
bzw. Gültigkeit überprüfbar bzw.
auswählbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass
der im Summenpunkt aus der mittleren Regelgröße und der kontinuierlich rückgeführten Regelgröße der jeweiligen
Reglervorrichtung berechnete Kompensationswert über einen verschalteten Wertebegrenzer
auf einen Maximalwert begrenzbar ist und der Reglervorrichtung zuführbar ist.
Der Wertebegrenzer für
diesen Kompensationswert bewirkt eine Autoritätsbegrenzung im Vorwärtszweig
der Reglervorrichtung und damit eine Begrenzung des Transienten
für den
Fall eines einzelnen Fehlers in der Rückführung einer Reglervorrichtung.
Es wird in diesem Fall ein Stellgrößenkonflikt zwischen den guten
aktiven Kanälen
verhindert. Die Auswirkung dieses Stellgrößenkonflikts ist begrenzt,
da er im inneren Positionsregler auftritt.
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Denkbar
ist, dass die Regelsysteme nach den Ansprüchen 1 und 7 mit ihren jeweiligen
Ausführungsvarianten
nach den Unteransprüchen
2 bis 6 und 9 bis 11 nicht notwendigerweise in Kombination einsetzbar
sind, sonder auch jeweils für
sich in einschleifigen oder auch mehrschleifigen Regelkreisen mit
mehreren parallel aktiven Regelvorrichtungen einsetzbar sind.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt ein Schaltbild eines mehrschleifigen Reglers
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Das
fehlertolerante redundante Regelsystem mit hohem Gleichlauf wird
in sicherheitskritischen Anwendungen bei mehrschleifigen Regelkreisen
benötigt,
um eine hohe Verfügbarkeit
und einen geringen Kraftkonflikt der redundanten Stellgrößen zu erreichen.
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Es
besteht im wesentlichen aus zwei Merkmalen:
- 1.
einem redundanten Regler mit Mittelwertbildung gesättigter
Stellgrößen 15
- 2. einer Kompensation statischer Fehler in hochdynamischen redundanten
Regelsystemen 5.
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In 1 ist
dabei eine erste von mindestens zwei parallel aktiven Reglervorrichtungen
L1 und L2 dargestellt. Die erste aktive Reglervorrichtung wird dabei
mit dem Bezugszeichen L1 versehen. Die Bezugszeichen „to L2” und „from L2” weisen
dabei auf eine Verbindung zu einer zweiten parallel aktiven Reglervorrichtung
L2 hin. Der Aufbau der dargestellte Reglervorrichtung L1 erfolgt
nach dem Prinzip einer kaskadierten Regelung, wobei diese aus drei
ineinander verschachtelten Regelkreisen besteht. Der Reglervorrichtung
L1 wird ein Soll-Wert 1 zugefügt, der anhand eines unabhängigen Soll-Wertsensors meßbar ist.
Die ineinander geschachtelten Regelkreise bestehen aus einem äußersten
Regelkreis, der aus dem Regler 20 sowie der Regelstrecke 60 besteht,
einem mittleren Regelkreis, der aus dem Regler 30 und der
Regelstrecke 50 besteht und einem inneren Regelkreis, der
aus dem Regler 40 und der Regelstrecke 50 besteht.
Die jeweiligen Rückführungen der
Regelgrößen der
einzelnen Regelkreise der kaskadierten Regelung werden von außen nach
innen durch die Bezugszeichen 2, 3, 70 bezeichnet.
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Der äußerste Regelkreis
mit dem Regler 20 dient in dem ausgeführten Ausgestaltungsbeispiel aus 1 zur
Regelung einer Stellantriebsposition. Der mittlere Regelkreis mit
dem Regler 30 und der Regelstrecke 50 dient zur
Regelung einer Ventilposition, wobei das Regelsystem sich durch
eine hochdynamische gemeinsame Regelgröße charakterisieren läßt.
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Weiterhin
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
in ihren jeweiligen parallel aktiven Reglervorrichtungen L1, L2
einen redundanten Regler mit Mittelwertbildung gesättigter
Stellgrößen auf.
Jede einzelne, redundante Reglervorrichtung L1, L2 besteht aus dem
eigentlichen Regler 20 und einem selektiven Mittelwertbildner 4.
Dabei besteht der Regler aus einem Summenpunkt 16 zur Ermittlung
der Regelabweichung der Regelgröße 2 von
der Führungsgröße 1,
sowie dem anschließenden äußeren Positionsregler
mit einem Verstärkungsfaktor
K. Wichtig hierbei ist, dass der Verstärkungsfaktor > 1 ist und in einem
abschließenden
Wertebegrenzer 14 das ermittelte Stellkommando 7 auf
einen definierten Maximalwert, der vorzugsweise im Signalbereich
der Reglervorrichtung liegt, limitiert wird. Der Ausgang des Wertebegrenzers 14 ist
dabei mit einem Eingang des selektiven Mittelwertbildners 4 verbunden.
Weiterhin wird das Ausgangssignal des Wertebegrenzers 14 zur
zweiten parallel aktiven Reglervorrichtung L2 geführt. Der
zweite Eingang des selektiven Mittelwertbildners wird durch die
verstärkte
Regelabweichung 8 der zweiten parallel aktiven Reglervorrichtung
L2 gespeist. Damit ermittelt der selektive Mittelwertbildner aus
zwei oder mehr Eingangswerten 7, 8 einen mittleren
Wert 9, in dem jede Reglervorrichtung ihr ermitteltes Stellkommando 7, 8 mit
den anderen Reglervorrichtungen L2 zunächst austauscht und dann jeder
empfangene Eingangswert 8 auf Verfügbarkeit bzw. Gültigkeit überprüft wird.
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Nur
die für
gut befundenen Eingangswerte, und damit aktiven Kanäle n, werden
in jeder Reglervorrichtung L1, L2 dem selektiven Mittelwertbildner 4 zugeführt, wel cher
aus den Eingangswerten ein arithmetisches Mittel bildet und dieses
an seinem Ausgang 9 zur Verfügung stellt.
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Die
automatische Kompensation eines Einzelfehlers innerhalb des Regelsystems
beruht auf der Sättigung,
die ein einzelner ausreißender
Wert über den
Verstärkungsfaktor
K und die anschließende Wertelimitierung
durch den Wertebegrenzer 14 vor dem selektiven Mittelwertbildner 4 erfährt. Beispielsweise
kann der resultierende Fehler infolge eines fehlerhaften Soll-Wertes
oder des Ist-Wertes im Regelkreis in einem der aktiven Kanäle mit einem
jeweiligen Verstärkungsfaktor
K = 20%/% und einer Anzahl der aktiven Kanäle n = 4 wie folgt berechnet
werden: T = 100%/(n × K) = 100%/(4 × 20%/%)
= 1,25%.
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Des
Weiteren ist in 1 ein fehlertolerantes redundantes
Regelsystem mit hohem Gleichlauf dargestellt, bei dem die statische
Fehlerkompensation in hochdynamischen redundanten Regelsystemen durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Korrektur der Rückführsignale
dargestellt ist. Dabei wird der notwendige Gleichlauf der Stellgrößen innerhalb der
unabhängigen
Reglervorrichtungen durch die Schaltungsanordnung 5 gelöst. Der „langsame” Gleichlaufalgorithmus
beruht dabei auf einem selektiven Mittelwertbildner 6,
dessen Ergebnis 11, die mittlere Regelgröße, kontinuierlich
mit dem eigenen Wert, d. h. die Regelgröße 3 des mittleren
Regelkreises bestehend aus dem Regler 30 und der Regelstrecke 50 verglichen
wird und die Abweichung 12 als Kompensationswert dem eigenen
schnellen Regler 30 ständig
in einem Summenpunkt 17 zugeführt wird. Über diese Zuführung auf
den Regler 30 wird ein Abgleich der effektiven Rückführsignale 3 der
einzelnen Reglervorrichtungen L1, L2 und damit ein Gleichlauf zwischen
den aktiven Kanälen
erzielt. Der Wertebegrenzer 13 für diesen Kompensationswert 12 bewirkt eine
Autoritätsbegrenzung
im Vorwärtszweig
des Reglers 30 und damit eine Begrenzung des Transienten
für den
Fall eines einzelnen Fehlers in der Rückführung 3 einer der
parallel aktiven Reglervorrichtung. Der genannte selektive Mittelwertbildner 6 berechnet
dabei die mittlere Regelgröße, insbesondere das
arithmetische Mittel, aus der eigenen Regelgröße der jeweiligen Vorrichtung
L1 sowie der zweiten parallel aktiven Reglervorrichtung L2, deren
Regelgröße 10 ebenfalls
dem selektiven Mittelwertbildner 6 zugeführt wird.
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Durch
den „langsamen” Gleichlaufalgorithmus
sind besonders digitale Regler in ihrer Leistungsanforderung deutlich
entlastet, da der Gleichlauf des dynamischen Systems mit niedrigeren
Abtastfrequenzen als der Abtastfrequenz des eigentlichen Regelkreises
gewährleistet
werden kann.