DE1523460A1 - Regelungsverfahren und Regeleinrichtung,um den Wert eines Betriebskennwertes einer Anlage extremal zu machen,sowie ihre Anwendung auf einen Waermeerzeuger - Google Patents

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PATENTANWÄLTE

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PATENTANWALT MU LLER-BÖRNER PATENTANWALT DIPL.-1NG. WEY

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17 517 Berlin, den 16. August 1966

THE BATTELLE DEVELOPMENT

CORPORATION, COLUMBUS (Ohio), USA, 505 King Avenue

Regelungsverfahren und Regeleinrichtung, um den Wert eines Betriebskennwertes einer Anlage extremal zu machen, sowie

ihre Anwendung auf einen Wärmeerzeuger

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren, um den Wert eines Betriebskennwertes einer Anlage durch Steuerung wenigstens einer Regelgröße dieser Anlage extremal zu machen.

Die bekannten Optimierungsmethoden bestehen im allgemeinen in einer Variierung einer oder mehrerer Regelgrößen, dergestalt, daß ein Betriebskennwert eines Prozesses, der entweder direkt gemessen oder, von anderen gemessenen Parametern ausgehend, berechnet werden kann, maximal oder minimal gemacht wird.

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FERNSCHREIBER; 0184057

Um zu ermöglichen, daß eine solche Prozeßoptimierung ausgeführt werden kann, ist es also erforderlich, einen Betriebskennwert sowie die Regelgröße so zu wählen/ daß dieser Kennwert durch ein Extremum geht, wenn man die Regelgröße verändert.

Die Betriebseigenschaften einer Anlage werden durch Kurven, sogenannte statische Charakteristiken, dargestellt, deren Abszissen eine Regelgröße und deren Ordinaten den Betriebskennwert darstellen. Jede dieser Charakteristiken oder Kennlinien stellt somit den Betrieb der Anlage als Funktion einer regelbaren Größe dar, wenn man alle anderen Parameter des Prozesses konstant hält/ die geeignet sind, den Betriebskennwert zu beeinflussen. Die Optimierung hat zum Ziel, einen Betriebskennwert durch Einwirkung auf die Regelgröße auf seinem Extremalwert zu halten, ungeachtet der Veränderungen der anderen Parameter/ deren Wirkung dahin geht, die statische Kennlinie der betreffenden Anlage zu verschieben.

Unter den verschiedenen Mitteln zur Erreichung dieses Zieles besitzen die sogenannten Optimierungsmethoden "ohne mathematisches Modell", an. die die Erfindung anknüpft, den Vorteil, daß die Kenntnis der statischen Kennlinien des betreff enden Prozesses nicht e rf order ^ lich ist. Diese Verfahren bestehen darin, der Regelgröße nach einem gegebenen Gesetz, dessen Eigenschaft von dem gewählten Optimierungs-' verfahren abhängt, aufeinanderfolgende Störungen aufzudrücken und die

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Wirkung jeder' Störung auf den Betriebskennwert zu bestimmen, und zwar, um die folgende Störung in der Weise zu steuern, daß der Betriebskennwert sich in Richtung seines Öptimalwertes entwickelt und auf diesem Wert gehalten wird. Willkürliche Änderungen der anderen oben erwähnten Eingangsparameter., sogenannter ungeregelter Variabler, des Prozesses bewirken, daß der Prozeß seine Charakteristik ändert; was die Auslösung eines Suchzyldus zur Auffindung des dieser neuen Charakteristik entsprechenden Optimums erforderlich macht. Um die Suche nach dem Optimum ausführen zu können, verfügt man über drei Hauptklassen von Optimierungsverfahren, nämlich:

■1, Die sogenannten "statischen" Optimierungsverfahren, bei denen man die Regelgröße über aufeinanderfolgende Stufen verändert und Zeitintervalle vorsieht, die zwei aufeinanderfolgende Stufen trennen und die lang genug sind, um dem System zu ermöglichen, einen neuen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Man wertet nach jeder Stufe die Richtung und die Amplitude der entsprechenden Veränderung des zu optimierenden Betriebskennwertes aus und leitet die Richtung daraus und gegebenenfalls die Amplitude der folgenden, der Regelgröße aufzudrückenden Änderung ab. Ist einmal das Extremum des Kennwertes erreicht/ wird das System in diesem Zustand gehalten, bis die statische Kennlinie infolge neuer Veränderungen der anderen Parameter des Systems geändert wird. Diese statischen Verfahren be-

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nötigen alle eine verhältnismäßig lange Zeit, um den optimalen Betriebsbereich zu erreichen. Darüber hinaus kann die Deutung der Wirkung auf den Betriebskennwert aufgrund der der Regelgröße aufgedrückten Störung durch das Auftreten unbekannter Störungen verfälscht werden und zu einer Instabilität des RegelungsVorgangs führen.

2. Die sogenannten Verfahren "durch kontinuierliche periodische Störung", bei denen die Regelgröße durch ein Signal gesteuert wird, das aus der Summe zweier Signale besteht, nämlich eines periodischen Störsignals mit schwacher Amplitude einerseits und eines auf das Optimum gerichteten "Gleitsignals"andererseits. Dieses letztere Signal erhält man durch Bestimmung des Zeitintegrals des Produktes aus dem Betriebskennwert und dem periodischen Störsignal. Diese Verfahren eignen sich besonders zum Aufsuchen eines Optimums bei Anwesenheit von dem Takt des Betriebskennwertes überlagerten Rauschsignalen. Sie führen jedoch zu einer langen Optimum-Suchzeit, was die Wirksamkeit dieser Verfahren bei erheblichen Störeinflüssen beschränkt.

3. Die sogenannten "dynamischen" Verfahren, bei denen man der Regelgröße eine kontinuierliche fortschreitende und verhältnismäßig schnelle Veränderung aufdrückt und bei denen Umschaltungen der Änderungsrichtung dieser Regelgröße nach einem vorbestimmten Gesetz als Funktion

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der entsprechenden Veränderungen des Betriebskennwertes oder seiner Differentialquotienten (Ableitungen) nach der Zeit erfolgen. Obwohl diese Verfahren eine rasche Bestimmung des Optimums gestatten, nimmt ihre Wirksamkeit in Anwesenheit von Rauschsignalen, die dem Betriebskennwert überlagert sind, sehr schnell ab.

Das Ziel der Erfindung ist es, einerseits in ein und demselben Regeltings verfahren die Vorteile der Schnelligkeit des dynamischen Verfahrens und - bei Vorhandensein von Rauschen - der Wirksamkeit des sogenannten Verfahrens durch kontinuierliche periodische Störung zu kombinieren und andererseits die Optimierung von Prozessen zu ermöglichen, die Einschränkungen unterworfen sind, d. h. bei denen bestimmte Betriebsbereiche,.gegebenenfalls einschließlich des Optimums selber, auszuschließen- sind. Zu diesem Zweck zeichnet sich das erfindungsgemäß Regelungsverfahren dadurch aus, daß man kontinuierlich ein Führungssignal erzeugt, dessen Wert eine lineare Funktion wenigstens einer der drei Größen, nämlich des Istwertes, des Kennwertes, seiner ersten Ableitung und seiner zweiten Ableitung nach der Zeit darstellt; daß man dieses Signal mit mehreren Bezugssignalen vergleicht, und daß man einen Suchzyklus zur Bestimmung des Optimalwertes der Regelgröße auslöst, der dem Extremalwert des Kennwertes entspricht, und zwar einerseits in vorbestimmten Zeit-

intervalien und andererseits, sobald die Amplitude dieses Signals erit-. BAD

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weder einen vorbestimmten ersten positiven Grenzwert oder einen vorbestimmten zweiten negativen Grenzwert erreicht; ferner dadurch, daß der Suchzyklus aus zwei aufeinanderfolgenden Phasen besteht, nämlich einer ersten dynamischen Suchphase, während der man die Regelgröße nach einem vorbestimmten Gesetz fortschreitend verändert, und einer zweiten Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung/ in welcher die Regelgröße als Funktion eines ersten periodischen Signals und eines Signals gesteuert wird, das dem Zeitintegral des Produkts aus dem Führungssignal und einem zweiten periodischen Signal mit derselben Frequenz wie das erste proportinal ist, und schließlich dadurch, daß die zweite Suchphase eingeschaltet wird, wenn das Führungs signal zum zweiten Mal dixrch. einen dritten Grenzwert läuft, und unterbrochen wird, wenn die aperiodische Komponente dieses Führungs signals einen vierten Grenzwert erreicht.

Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung des erfindungs gemäß en Verfahrens auf einen Wärmeerzeuger, wobei die Anwendung dazu bestimmt ist, die Verbrennungsluftzufuhr so zu steuern, daß der Brennstoffverbrauch minimal gemacht und gleichzeitig eine vorbestimmte physikalische Größe, insbesondere die Ausgangstemperattir einer durch diesen Wärmeerzeuger erhitzten-Flüssigkeit, auf einem Sollwort gehalten wird. Diese Anwendung zeichnet sich dadurch aus, daß man kontinuierlich ein Signal bestimmt, das der Differenz zwi-

BAD ORIGINAL ,

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sehen dem Sollwert und dem Meßwert der physikalischen Größe proportinal ist; daß man die Brennstoffzufuhr proportinal der Summe aus diesem Signal, seinem Integral und seinem ersten Differentialquotienten nach der Zeit steuert; daß man dieses Signal als Führungssignal benutzt, um den Suchzyklus zur Auffindung des Optimalwertes der Luftzufuhr durchzuführen; daß man die erste dynamische Suchphase ausführt, indem man die Luftzufuhr fortschreitend erhöht, bis das Signal ©ine vorbestimmte positive Umschalt schwelle erreicht hat, und daß man anschließend diese Luftzufuhr verringert, bis die erste Suchphase an einem zweiten Grenzwert mit negativem Vorzeichen beendet ist, wonach man die zweite Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung der Luftzufuhr auslöst.

Die Erfindung bezieht sich gleichfalls auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäß en Verfahrens. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine Meß- und Rechenvorrichtung aufweist, die kontinuierlich das Führungssignal ermittelt; einen Auslösekreis mit fünf bistabilen Kippgliedern, von denen jedes das Führungs signal sowie das eine der Bezugssignale empfängt; einen Logikkreis oder eine logische Schaltung, in die die jeweiligen Auslösesignale übertragen werden, welche jeweils durch ein Kippglied erzeugt werden, sobald das Führungs signal den Wert des ihm zugeordneten Bezugs signals erreicht, wobei die logische Schaltung zur Steuerung eines Auswahl-

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kreises dient, der einen Kreis zur Steuerung der Regelgröße nach einem vorbestimmten Auswahlgesetz einerseits mit wenigstens einer vorbestimmten konstanten Spannungs quelle und andererseits mit einem periodischen Störkreis verbindet., welcher ein periodisches Störsignal erzeugt und das Produkt aus diesem Signal und dem Führungssignal bestimmt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschema einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Meß- und Rechenkreises CMC;

Fig. 3 eine Ausführungsform des Auslösekreises CD, so wie er in Fig. dargestellt ist;

Fig. 4 eine Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten logischen Schaltung CL; ■.,■■'-■'

Fig. 5, 6und 7 jeweils eine Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten periodischen Störkreises CP, des Aus Wahlkreis es CS und des Steuerkreises CC;

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Fig. 8 als Beispiel den zeitliehen Verlauf des Führungs signals s während der Suche nach einem Minimum;

Fig. 9 ein Funktionsschema einer zweiten Vorrichtung dzur Durchführung des erfindungs gemäß en Verfahrens;

Fig. 10 eine Ausführungsform des kombinierten Auswahl-, Stör- und Steuerkreises CSPC nach Fig. 9;

Fig. 11 eine Auführungsform der logischen Schaltungen CL und CL nach

J. Ci

Fig. 9; .

Fig. 12 ein erläuterndes Schaubild/ das sich auf die periodischen Störsignale bezieht; .

Fig. 13 ein F untkions schema, das eine dritte Vorrichtung darstellt, die die ■-.-■■ Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Wärmeerzeuger gestattet, und

Fig. 14einenm.it Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 13 ausgeführten Suchzyklus zur Auffindung des Optimums.

Fig. 1 zeigt ein Funktionsschema einer' Vorrichtung zur Optimierung des Betriebes einer Anlage A, d.h. zur-.Erreichung des Ex Lr emal wertes eines Betriebskennwertes Y dieser Anlage, durch Einwirkung eines Regelgliedes (Stellglieds) auf eine Eingangs variable X dieser Anlage. Die Vorrichtung weist die folgenden Elemente auf:

BAD 0 0 984 1/ 0 1 72 · /·

(a) einen Meß- und Rechenkreis CMC;

(b) einen Auslösekreis CD;

(c) einen Logikkreis CL;

(d) einen periodischen Störkreis CP;

(e) einen Auswahlkreis CSj und

(f) einen Steuerkreis CC für das Regelgleid R.

Die Vorrichtung CMC dient dazu, mehrere Aus gangs variable der Anlage A zu messen, von diesen ausgehend den Wert des Betriebskennwertes Y und dessen erste und zweite Ableitung zu berechnen sowie ein Führungs signal s zu erzeugen, welches eine lineare Funktion dieser berechneten Werte ist. Das Signal s wird kontinuierlich in die Kreise CD und CP eingegeben. Der Auslösekreis CD, der zur Steuerung der verschiedenen Suchschritte zur Auffindung des Optimums dient, empfängt zur selben Zeit

wie das Signal s fünf Bezugs signale LL, &,,, X(^a - S ) und A_r, deren y* χ ώ ο τ: ο ο

konstante Werte Auslöseschwellen/ der verschiedenen Stichzyklusphasen ,entsprechen, und überträgt fünf Signale s ,, s _t?, s , s und s in den Logikkreis CL. Dieser empfangt zur selben Zeit Betriebssienale s und s sowie

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ein tJnterhrechungssignal s , die einerseits von einer Itand-Steuereinrichtung (Signale s und -s_;) und anderseits von einer Uhr (Signal s ) kommen. Der Logikkreis erzeugt drei Signale s., s. und s, , die in den Auswahlkreis CS übertragen .werden.

Der periodische SLöi-kreis CP- ompi'ätrgl die Signale s und s ^ und über-

ο ο 9 a Vi / ο ι m ' ^BAD

trägt zwei Signale s und s in den Auswahlkreis CS. Dieser überträgt

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zwei Signale s und s_f in den Steuerkreis CCj der das Steuersignal s für das Regelglied R erzeugt.

Fig. 2 stellt eine Ausfüfarungsform des Meß- und Rechenkreises CMC nach Fig. 1 dar. Dieser Kreis weist im vorliegenden Falle drei Meß vorrichtungen AM₁," AM und'.AM, auf, welche Signale s _Λ, s _o und

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s „ erzeugen die den jeweiligen Werten der Aus gangs variablen entsprechen, von denen der Betriebskennwert Y, den man optimieren will, abhängt. Ein Analogrechner CA ermittelt aus den Signalen s «,■■ s _o, und

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s den Istwert des Kennwertes Y und erzeugt ein diesem Wert entsprechendes Signal s . Die Differenziervorrichtungen D' und D^J ' ermitteln die erste bzw. zweite Ableitung des Kennwertes Y nach der Zeit und erzeugen die Signale Sy, und s ,, . Die drei Signale s„ S^, , und Sy,, werden in ein Summationsglied S₁ übertragen, welches ein Führungssignal s bestimmt, das eine algebraisch-lineare Kombination dieser drei Signale darstellt (s « ^ ' s +p s, + γ ' s _γ,,).

Fig. 3 stellt den Auslösekreis CD dar, der fünf bistabile Kippglieder BB₁ , BB , BB , BB und BB_ aufweist, die jeweils einerseits das Führungs-

Ct O 4 *)

signal s und andererseits eines der Bezugssignale h ₁ bis ^ _K empfangen. Jedes der Kippglieder BB₁ bis BB ändert jedesmal, wenn das Signal s durchläuft, seinen Zustand in der einen oder der anderen Richtung, und

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zwar um den Wert des ihm zugeordneten Bezugssignals 6. Diese fünf Kippgliedererzeugen jeweils Binärsignale s , S₃ S₃ s und s , die in

D-L Ώ et Oo D4 DO

den Logikkreis CL übertragen werden. Die Kippglieder sind in der Weise angeordnet, daß ihr Ausgangssignal den Wert null hat, wenn die Amplitude

unter der ihres entsprechenden Bezugs signals ihres Eingangs signalsYliegt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, durchläuft

das Signal s Filter F und F'_, ehe es in die Kippglieder BB bzw. BB ge- Ύ Δ ο Λ. ο

langt.

Der in Fig. 5 dargestellte Störkreis CP weist einen. Multiplikator M und einen Generator GP auf, der ein kontinuierliches periodisches Störsignal s erzeugt. Der Multiplikator M empfängt die Signale s und s und erzeugt

IT . x/ - -

ein dem Produkt dieser beiden Signale proportionales Signal s >. Der Kreis CP weist außerdem einen Vergleicher C auf, der ein der Differenz zwischen dem Signal s und einem Bezugssignal s entsprechendes Signal s erzeugt. Die Übertragung der Signale s _T und s in den Steuerkreis CC (Fig.

pi p<2

7) wird durch den Auswahlkreis CS (Fig. 6) gesteuert.

Der in Fig. 4 dargestellte Logikkreis CL weist fünf primäre Hilfsrelais' B₁, B_n, B„, B., und B. auf, die erregt werden, wenn sie Signale s. ₁ bis

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s, ,. des Wertes 1 erhalten, um die ihnen zugeordneten Kontakte b. bis b_- bo 1 ο

zu schließen und umgekehrt. Der Kreis CL weist ferner drei Zwisehenrelais U, V, W und drei primäre Relais I, J, K auf. Diese Relais, U, V/ W und I, J, K, steuern jeweils Kontakte u, v, w bzw. i, j, k. Die jeweilige Erregung der Relais I, J und K erzeugt Signale s., s. und s. , die in den Auswah-lkreis CS übertragen w.e^gi^

Der in Fig. 6 dargestellte Auswahlkreis weist drei sekundäre Relais V , J' , K' auf, die, sobald sie die Signale s., s. oder s des Wertes 1 empfangen;, zur selben Zeit wie die Relais I, J, K des Logikkreises CL erregt werden und die jeweils die Stellung der Wählschalter CS₁ und cs„, cs„ und es sowie es steuern. Diese Schalter verbinden den Steuerkreis CC einerseits entweder mit der positiven Sp annungs quelleV odermit der negativen Spannungs quelle V und andererseits mit dem Störkreis CP.

Der in Fig. 7 dargestellte Steuerkreis CC weist einen Integrator AI auf, der je nach der Stellung der Schalter es , es und es mit dem Vergleicher C oder mit der positiven Stromquelle V oder mit der negativen Spannungs quelle V verbunden sfein kann. Das Signal s , das im Integrator AI über die Zeit integriert wird, ist somit entweder das Signal s oder eine der Spannungen V und V . Der Steuerkreis CC weist ferner ein Summations-

. pn

glied S auf, welches die Signale s und das Integral des Signals s_f addiert

Ci Γ) J. X

und ein Signal s erzeugt, das das Regelglied R steuert.

Fig. H stellt andeutungsweise den zeitlichen Verlauf des Führungssignals s bei einem. Minimum-Suchschrittzyklus dar. XOk wird hier angenommen, daß. der Zyklus beginnt, wenn s = ο ..

Die oben beschriebene und in den Fig. J bis 7 dargestellte Vorrichtung arbeite' wie folgt:

BAD ORIGINAL "A¹

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Während des Betriebs der Anlage A erzeugt der Kreis CMC kontinuierlich das Führungs signal s . Der Suchschrittzyklus zur Auffindung des Optimalwertes der Regelgröße X wird einerseits entweder durch das Hand-Signal s , das den Kontakt M schließt, oder das den Kontakt T schließende Uhrsignal s und andererseits jedesmal, wenn der Wert des Signals s die positive Schwelle ö ο oder die negative Schwelle ^ , erreicht,, ausgelöst und erregt dadurch das Relais B oder B ., um den entsprechenden Kontakt b oder b. zu schließen. Die Bezugssignale i> und \ , die dem ersten Grenzwert des die Einsehaltung eines Suchschrittzyklus bewirkenden Führungs signals s entsprechen, haben im wesentlichen denselben Wert, besitzen jedoch entgegengesetzte Vorzeichen. Ihr Wert wird so gewählt, daß er die maximale Amplitude der unkontrollierten "Rausch"-Signale des Führungs signals übersteigt. Da die Kontakte ti und A des Kreises CL (Fig. 4) sich in Ruhestellung befinden, wird das primäre Relais I durch das Schließen des Kontaktes b und b erregt, wobei das Halten dieses Relais durch den Kontakt L gewährleistet ist. Die Erregung des Relais I und das Schließen des Kontaktes i„, das daraus resultiert, führen zur Erregung des Relais J. Der Kontakt w des Auswahlkreises X (Fig. 6) wird zur gleichen Zeit erregt wie die Relais I und J unjbetätigeti die Schalter es,, und es,, derart,

daß der Eingang des Integrators AI mit der positiven Spannungsquelle Vpverbunden wird, wobei das Relais K' nicht erregt wird. Auf diese Weise nimmt das Ausgangssignal des Integrators in einer "'vorbestimmten Richtung in konstanter Weise zu, und das Sumniationsglied S₉ überträgt ein Signal, s_v welches diesem Signal entspricht im Hinblick auf die Tatsache, daß der

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Kreis CP durch das Schließen der Kontakte es und es unterbrochen wird und dadurch die Störsignale s .. und s nicht in das Summationsglied S

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überträgt. Die fortschreitende Veränderung der so erhaltenen Regelgröße mittels des Stellgliedes R resultiert in einer fortschreitenden Veränderung des Kennwertes Y und somit des Signals s (vgl. Fig. 8, Stufe I-II) _s bis der Wert dieses Signals den Wert des Bezugs signals &■ erreicht, wodurch das Kippglied BB₁ betätigt und ein Signal S₁ des Wertes 1 erzeugt wird., welches das Relais B₁ erregt und den Kontakt b₁ schließt. Auf diese Weise wird das Relais K bei geschlossenen Kontakten w , i_o und j durch das Schließen des Kontaktes b. erregt und bleibt dank dem Kontakt k.. in Haltestellung. Die Relais Γ , J³ und K? sind jetzt alle erregt/ was die Schalter es , es. und es in eine Stellung bringt,, in welcher der Eingang des Integrators mit der negativen konstanten Spannungs quelle V verbunden ist. Auf diese Weise führt der Durchgang des Signals s durch die Schwelle h und dadurch die Erregung des dritten primären Relais K zu einer Richtungsumkehr der fortschreitenden Veränderung der Größe X (vgl. Stufe II-III/ Fig. 8). Folglich nimmt das Signal s nach einer durch die Hemmung des Prozesses bedingten Verzugszeit ab und überschreitet dann die Schwelle 6 „. Dies läßt das Signal s, von 1 nach null übergehen und macht das Relais B stromlos. Da das Relais K erregt ist., wird das Relais V über die Kontakte i , b und kg erregt und bleibt dank dem Kontakt ν in Haltestellung. Das Signal s nimmt weiter ab, durchläuft den Wert null und-erreicht den Wert des Bezugssignals ό , dessen Vorzeichen

BAD ORIGINAL

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dem des Signals & entgegengesetzt und dessen Amplitude wesentlich geringer ist als die des letzteren Signals. Sobald das Signal s den Wert des Signals A erreicht, empfängt; das Relais B ein Signal 1, wird erregt und schließt den Kontakt b , was das Relais Wüber die geschlossenen Kontakte V„ und i erregt. Das Relais W bleibt dank dem Kontakt w in Haltestellung. Das Relais K bleibt, durch die Kontakte i_, b , k und j

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erregt und das Relais J durch die Kontakte i und b . Die fortschreitende

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Veränderung der Regelgröße X nimnat auf diese Weise ihren Fortgang, so daß das Signal s eine extremale Amplitude erreicht und erneut abnimmt, bis sein Wert ein zweites Mal durch den Wert des Bezugssignals h _o läuft

Ci

(bei Punkt III in Fig. 8). Daraus folgt, daß das Signal s _ O wird, das Relais B₀ stromlos wird, der Kontakt b sich öffnet und die Relais J und K strom-

Ct ■· Cl .'■'-.

los werden. An diesem Punkt ist die erste dynamische Suchphase beendet, und der Eingang des Steuerkreises CC ist mit dem periodischen Störkreis CP verbunden, das heißt, daß die Signale s und s jeweils über die Schalter

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es», Cs₁ und es ., es in den Eingang des Summationsgliedes S und des Integrators AI laufen.

Man gelangt so von der dynamischen Arbeitsweise zur Suchmethode durch überlagerte periodische Störungen. Das im Generator GP erzeugte Signal s ₁ ist tatsächlich ein periodisches Signal mit schwacher Amplitude, das im Summationsglied S₀ dem Ausgangssignal des Integrators AI Überlagert

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Wird, wobei die Summe dieser Signale das Signal· s zur Steuerung der Regelgröße X darstellt. Die periodischen Veränderungen des Wertes des Signals

s und der Größe X, die sich daraus ergeben, finden sieh im Betriebskenn ^r 00984170172

- 17 wert Y und dadurch in dem Führungssignal s wieder.

Wie oben bereits erwähnt, wird das Produkt aus dem Störsignal S₁ und dem Signal s in dem Vergleicher C zu dem Signal s von vorbe-

stimmtem Wert addiert, um das Signal s ' zu ergeben, das an den Eingang des Integrators AI gelegt wird. Diese zweite Suchphase (III bis X, Fig. 8) durch kontinuierliche periodische Störung fuhrt zu dem Ergebnis, daß die Größe X sieh zu einem Optimalwert hin entwickelt, der dem Extremalwert der Kenngröße Y entspricht. Infolgedessen verringert sich die Amplitude des Führungs signals s , und sobald die aperiodische Komponente dieses Signals (die durch das Filter F₁. erhalten wird) den schwachen Wert des Signals & erreicht, sendet das Kippglied BB₁. ein Signal s aus, welches das Hilfsrelais B_K erregt und infolge-

O OD U .

dessen den Kontakt b schließt, um das Relais U über die geschlossenen Kontakte V₉, j und i zu erregen. Nach Erregung des Relais U erfolgt die Öffnung des Kontaktes u, wodurch das Relais I stromlos und infolgedessen der Kontakt i_o geöffnet wird, um die anderen Relais J, K, U, V und W stromlos zumachen. Auf diese Weise gelangen die Schalter es bis es in ihre in Fig. 6 dargestellte Ruhestellung, wodurch die Variation der Größe X unterbrochen und der Suchzyklus beendet wird. Der Wert des konstanten Signals s bestimmt die Abweichung zwischen der effektiven Unterbrechungsstellung der Regelgröße und der dem Extremalpunkt entsprechenden Stellung. Diese Abweichung ist in den Fällen vorgese hen, in denen die Einschränkungen des in Frage stehenden Prozesses eine statische Arbeitsweise am Extremalpunkt verbieten. Die Vorrichtung wird auf diese Weise -

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in die Beharrungsphase gebracht, in welcher die Regelgröße X konstant gehalten wird, bis von neuem ein Suchzyklus ausgelöst wird.

Es kann schließlich vorkommen, daß eine erhebliche Störung während der dynamischen Suchphase eintritt und die statische Kennlinie derart verschiebt, daß das Signal s , nachdem es die Schwelle ί _χ erreicht hat, zwar abnimmt, aber nicht die Schwelle S mit entgegengesetztem Vorzeichen erreicht. In diesem Fall kann die zweite Suchphase (durch kontinuierliche periodische Störung) nicht eingeschaltet werden, und die Regelgröße X entwickelt sich weiter in derselben Richtung. Daraus ergibt sieh ein Anstieg von s , der schließlich einen vorbestimmten Wert mit demselben Vorzeichen wie ο erreicht, im vorliegenden Fall die Schwelle ο „. Dadurch wird eine Erregung des Relais B„ bewirkt. Da der in den Erregungsstromkreis des Relais ti geschaltete Kontakt v_ ebenso wie der Kontakt i geschlossen ist, erfolgt die Erregung des Relais U und seine selbsttätige Speisung durch den Kontakt u sowie infolgedessen die Stromlosmachung des Relais I aufgrund der Öffnung des Kontaktes ü. Der Kontakt i"₂ öffnet sich dann ebenfalls, was die Stromlosmachung der Relais I, J und J^J, K und K^J sowie U_J ν und W nach sich zieht. Da das Relais B stets erregt und der Kontakt ü erneut geschlossen ist, wird das Relais I von neuem durch den Kontakt b_g erregt/und es beginnt eine neue dynamische Suchphase. Wenn andererseits eine wesentliche Störung in der Anlage während der zweiten Suchphase auftritt, d.h. während der Arbeitsweise durch überlagerte periodische Störungen (bei der das Relais J nicht erregt und V erregt ist), sendet das Kippglied BB oder BB ein Signal aus, welches das Relais B₄ oder B₃ erregt, wodurch der Kontakt b oder b₄ geschlossen wird. Daraus ergibt sich die Erregung des Relais U über die Kon-

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des Kontaktes takte i„, b oder b., j und ν sowie die Öffnung^u , wodurch das Relais I stromlos und der Kontakt i„ geöffnet wird, um die Relais J, K, U, V und W stromlos zu machen. Auf diese Weise schließt sich der Kontakt u wieder, und da der Kontakt b oder b.. infolge der unkontrollierten Störung geschlossen wird, werden die Relais I und J erneut erregt und ein Suchzyklus beginnt auf die oben beschriebene Weise von vom,

Diese beiden letzten Arbeitsweisen, nämlich die Unterbrechung des Suchzyklus und seine Wiedereinschaltung bei der "dynamischen" Phase einerseits und bei der Süchphase durch periodische Störung andererseits ermöglichen es, die Sicherheit der zu optimierenden Anlage in dem Falle zu gewährleisten, wo ihr eine Einschränkung vorgegeben ist, welche bekanntlieh den Betrieb in bestimmten Kennlinienbereichen verbieten.

Fig. 9 stellt ein Funktionsschema einer zweiten Auführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Zweckmäßigerweise wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 9 und in Fig. 1 für die beiden Ausführungsformen gemeinsamen Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wurden.

Fig. 9 zeigt die Anlage A, deren Betrieb durch Einwirkung auf das Regelglied R optimiert werden soll,welches den Wert der Regelgröße als Funktion eines Signals s aufgibt. Dieses Signal wird durch das Optimiergerät erzeugt, das die folgenden Elementarkreise.aufweistt

009841/0172 '/*

a) Mess- und Rechenkreis CMC,

b) Auslösekreis CD,

c) Hauptlogikkreis CL₁,

d) Hilfslogikkreis CL₂, und

e) kombinierter Auswahl-, Stör- und Steuerkreis CSPC.

Der Kreis CMC dient dazu, in derselben Weise wie oben beschrieben ein Signal s zu bestimmen, das proportional einer algebraischlinearen Kombination von drei Signalen s„, s_Y,, Sy,, ist, die aus dem Istwert des Betriebskennwertes Y erhalten werden, dessen Extremum man erhalten will. So stellt der Block CMC in Fig. 9 einen dem in Fig. 2 dargestellten analogen Kreis dar.

Desgleichen empfängt der in Fig. 9 dargestellte Auslösekreis CD das Signal s des Kreises CMC sowie die fünf Bezugssignale ^_{1 T} ^₂, ,/„, o/^, c/5 und erzeugt die fünf Auslösesignale s^, s_ft2, ^sbV ^sb4 ^{und s}btj» die in den Hauptlogikkreis CL₁ eingegeben werden. Dieser erzeugt, wie der in Fig. 1 dargestellte Kreis CL, drei Wählsignale s., s. und s^, die in den Auswahl-, Stör- und Steuerkreis GSPC übertragen werden. Dieser empfängt gleichfalls das Führungssignal s und erzeugt das Steuersignal s„ des Regel gliedes R.

Der Hilfslogikkreis CL₂ empfängt zwei Logiksignale s-, und s.^ des Hauptlogikkreises CL.und erzeugt zwei Logiksignale s.. - .' s, 2-"» ^{die in den} Kreis CL₁ übertragen werden»

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Der in Fig. 9 dargestellte Kreis CD erfüllt eine Punktion, die mit dem gleichbedeutenden Kreis der Vorrichtung nach Fig. 1 identisch ist, und der infolgedessen hinsichtlieh seiner in Fig. dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsform unverändert bleibt.

Wie aus Fig. 11 ersichtlich, ist der Hauptlogikkreis CL. mit dem in Fig. k dargestellten Kreis CL identisch, abgesehen von dem Unterschied, dass die Leitungen L^ bis L. an die Verbindungsleitungen der Helaiserregungskreise in der in dieser Figur dargestellten ¥eise angeschlossen sind. Ausserdem ist ein Kontakt j₂» der normalerweise geschlossen ist und der sich bei Erregung des Relais J öffnet, in die Leitung L₁ eingeschaltet.

Der in Fig. 11 dargestellte Logikkreis CL₂ dient dazu, die Optimum-Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung zu steuern. Er besteht aus einem Generator GP, der ein periodisches Signal s von rechteckiger Form erzeugt, das die periodische Erregung des Relais O bewirkt, wenn es über die vom Haupt- oder Primärlogikkreis CL kommende Leitung L. ein Einschaltsignal s,. erhält.

Die Erregung des Relais O bewirkt einerseits das Öffnen des Kontaktes ö und andererseits das Schliessen des Kontaktes o. Das periodische Signal s wird gleichzeitig in einen Frequenzteiler I)F eingegeben, der ein Signal Sj, erzeugt, dessen Periode doppelt so gross (und dessen Frequenz folglich halb so gross) wie die des Signals s_ ist. Die Leitung L₁ überträgt dieses Signal s_Li

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in den Erregungskreis des Relais K des primären Logikkreises ^ (siehe Fig. Ii),'Der Hilfs- oder Sekundärlogikkreis CL₂ weist ausserdem ein Relais Z auf, welches erregt wird, wenn die Leitung L, unter Spannung steht (s»_ = 1) und das Relais O erregt ist„ Das Relais Z steuert das Schliessen eines Kontaktes Z₂, während das Halten des Relais durch den Kontakt z. gewährleistet ist_o

Der in Fig. 10 dargestellte Auswahl-, Stör- und Steuerkreis CSPC weist, wie im vorhergehenden Fall, drei Sekundärrelais I', J' und K' auf, die erregt werden, wenn sie jeweils die Signale s., s. und s, des Primärlogikkreises. CL₁ empfangen und die entsprechend die Wählkontakte CS/-, cs_, cs_fl, es« und es._o sowie Cs₁- steuern,

Ausserdem weist dieser Kreis a»/ei Spannungsquellen V. und V₂ von unterschiedlichem Wert auf, die wahlweise, in Abhängigkeit von der Stellung des Schalters os_lo, mit dem Eingang eines Verstärker-Summationsgleides AS verbunden sind₀ Dieser empfängt gleichzeitig das Führungssignal s , wenn der KontaktcSr. geschlossen und das Relais J¹ nicht erregt ist, und erzeugt ein Verstärkungssignal

s , das in ein Umschaltglied AD übertragen wird» Die beiden as

Signale +s und -s werden jeweils an eine der Klemmen des Kontaktes es., übertragen, der eines dieser Signale an den Eingang eines Verstärker-Integrators AI weiterleitet, wenn der Kontakt cs„ auf Grund der Erregung des Relais I¹ geschlossen ist. In diesem letzteren Fall empfängt der Integrator AI gleichzeitig ein Bezugssignal s über die Kontakte es/ und es', wobei das Relais I¹ erregt und das Relais J¹ stromlos ist,, Der Integrator AI ermittelt ein Steuersignal s_r, welches das Regelglied R

■;. : ■.. . : -23- ■■

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betätigt, so dass der Optimum-Suehzyklus ausgeführt wird.

In der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise der in den Fig. bis 11 dargestellten Vorrichtung wurde es für überflüssig erachtet, die Beschreibung der Arbeitsweise der Kreise CMC und CD zu wiederholen, die mit der Arbeitsweise der oben erläuterten und in den Fig. 2 bzw. 3 dargestellten analogen Kreise identisch ist.

Wie im vorhergehenden Fall ist die Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform (Fig. 9 bis 11) in der Beharrungsphase im Ruhezustand, d.h. in derjenigen Phase, in wicher das Steuersignal s konstant ist und die Regelgrösse ebenfalls konstt t bleibt.

Ebenso wird die dynamische Suchphase entweder durch das Hand-Signal s Dzw. das Uhrsignal s. oder durch das von dem Auslösekreis CD kommende Signal s,- bzw. s, . eingeschaltet. Während der zwei Phasen des Suchzyklus ist das Primärrelais I und infolgedessen das Relais I¹ erregt, wodurch die Kontakte esg und cs„ geschlossen werden und die Verbindung des Integrators AI entweder mit der einen oder mit der anderen der Spannungsque11en V₁ und V₀ gewährleistet ist» Während der dynamischen Suchphase ist das Relais J, und folglich das Relais J', erregt und betätigt die Kontakte CSg, cs„ und cs.q, so dass das Verstärker-Summationsglied AS über den Kontakt es₁₀ mit der Spannungsquelle V₂ verbunden ist und die Kontakte cs_g und cSq sich öffnen, um während der ganzen dynamischen Phase den Einlauf des Signals s in das Summationsglied AS und des Signals s in den Integrator AI zu

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verhindern. So lange wie die Schwelle &, von dem Signal s nicht überschritten worden ist, bleibt das Relais K stromlos, da der Kontakt h. offen ist* Daraus folgt, dass der Schalter es,, in der in Fig. 10 gezeigten Stellung bleibt»

Bis die Schwelle cf. erreicht ist, empfängt so der Integrator AI die Spannung V₂. An der Schwelle cf, schliesst sich der Kontakt b., das Relais K wird erregt, und infolgedessen wird auch das Relais K' erregt und verändert die Stellung des Schalters CS₁₁, um die Spannung -V„ an den Integrator AI zu legen. Da die Kontakte ig und k₂ geschlossen sind, wird das Relais V erregt, wenn die Amplitude des Signals s unter den Grenzwert </., sinkti Wenn die Schwelle c/g zum ersten Mal überschritten wird, schliesst sich der Kontakt b , wodurch das Relais W erregt wird, da die Kontakte ig und v- geschlossen sind. Das Relais W bleibt dank dem Kontakt w in Haltestellung, das Relais J bleibt über die Kontakte ig und bg erregt, während das Relais K über die Kontakte ig, bg, k. und j erregt bleibt.

Wenn die Schwelle S^ durch das Signal s zum zveLten Mal überschritten wird, endet die dynamische Suchphase, das Signal s,g wird erneut null, das Relais Bg wird stromlos, und die Relais J und K werden durch das Öffnen des Kontaktes bg stromlos. Daraus folgt, dass der Kontakt cs_Q sich schliesst und das Signal s_r in

α y

den Eingang des Summatlonsgl iedes AS überträgt, dass der Kontakt

CS_n das Bezugssignal s in den Integrator AI überträgt und der y c

Schalter cs.q die Spannungsquelle VV mit dem Eingang des Summatioisgliedes AS verbindet.

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Die Stromlosmachung des Relais J schliesst den Kontakt j₂ (siehe Pig. Ii),- wodurch das Speisesignal s,. des Sekundärlogikkreises CLo erzeugt wird, der die Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung steuert. !Das Signal s_L· gewährleistet, dass der Kreis CLg, vor allem der Generator GP und der Frequenzteiler DP unter Spannung gesetzt werden. Das rechteckige periodische Signal s_T., das vom Frequenzteiler DP ausgeht, bewirkt so die periodische Erregung des Relais K und folglich das Relais K^f, das die periodische Umschaltung des Schalters es., bewirkt. Dadurch werden abwechselnd die Spannungen + (V₁ + s ) und - (V₁ + s ) an den Eingang des Integrators gelegt.

In dem oben beschriebenen Auswahl-, Stör- und Steuerkreis CSPC dient die durch das Relais K^r gesteuerte Gesamtschaltung des Verstärker—Summationsgliedes AS, des Verstärker-Umsehaltgliedes AD und des Schalters es., bei der zweiten Suchphase gleichzeitig zur Erzeugung eines ersten peri'odischen Signals in Rechteckform und zur Bestimmung eines zweiten Signals, das dem Produkt aus dem Pührungssignals s und dem ersten Signal in Rechteckform proportional ist. Die Summe dieser beiden Signale, die zum Signal s hinzugefügt wird^ wird in dem Integrator AI integriert, um das Signal a zur Steuerung der Regelgrösse X zu erzeugen.

Wie oben bereits angedeutet, hat das von dem Generator GP erzeugte und in den Frequenzteiler DF übertragene rechteckige Signal s (vgl. Fig. Iiund 12) eine Frequenz, die doppelt so gross ist wie die des von dem Frequenzteiler ausgesandten Signals s_{T A}. Dieses Signal s bewirkt gleichzeitig die periodische

LX P

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Erregung des Relais O. Dieses steuert die Betätigung der Kontakte ö und ο in entgegengesetzten Richtungen.

Wenn man die beiden synchronisierten Signale s_T . und s betrachtet,

JjX P

deren Verlauf in Fig. 12 als Funktion der Zeit t dargestellt ist, kann man feststellen, dass jedesmal, wenn s von O nach 1 über^ge ' ⁸Ll von 1 nach 0 übergeht oder umgekehrt. Wenn dagegen s von 1 nach 0 übergeht, ändert s./ seinen Zustand nicht. Auf diese Weise gestattet der Übergang des Signals s von i nach 0 die Markierung der Mitte des Zeitintervalls, das zwei aufeinanderfolgende Umschaltungen der Variationsrichtung der Grosse X trennt, und zwar im Hinblick auf eine Unterbrechung des Suchzyklus auf halbem Wege zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umschal tungen.

Die Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung endet auf folgende Weise, Wenn das Signal s den Wert des Bezugssignals &- erreicht, erfolgt die Erregung des Relais B,- durch das Signal ι S₁- und infolgedessen das Sehliessen des Kontaktes b-, wodurch (Signal s.,) die Erregung des Relais Z des Kreises GL₂ ermöglicht wird (Fig₀ H). Diese Erregung des Relais Z erfolgt entweder unmittelbar, wenn der Kontakt ο geschlossen ist, wobei das Relais 0 sich im erregten Zustand befindet, oder im Augenblick, in dem dieses erregt wird, Ausserdem schliesst sich der Kontakt o, wenn das Relais 0 stromlos wird, wobei der Kontakt z_o geschlossen bleibt, da das Relais Z durch den Kontakt z. in erregtem Zustand gehalten wird. Daraus ergibt sich, dass das Relais U über die positive Leitung des Kreises CL₂ und über die

009841/0172 ~²⁷"

Leitung L₂ unter Spannung gesetzt wird. Die so erhaltene Erregung des Relais U bewirkt die Unterbrechung der Suche nach dem Optimum durch das Öffnen des Kontaktes u, wodurch das Relais I stromlos, der Kontakt ig geöffnet wird und alle Relais der Kreise CL* und CL₂ stromlos werden. Auf diese Weise wird der Intergrator abgeschaltet und man gelangt in die Beharrungsphase, in welcher das Steuersignal null ist und die Regelgrösse durch die oben beschriebene Vorrichtung nicht verändert wird.

Man wird feststellen, dass wie bei der ersten Ausführungsform der Vorrichtung (Fig. I bis 7) diese zweite Vorrichtung eine Unterbrechung des Suchzyklus und dessen Wiedereinschaltung verwirklicht, wenn eine erhebliche Störung in der Anlage auftritt.

Das in Figo 13 dargestellte Funktionsschema veranschaulicht die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf die Optimierung der Verbrennung in einem Wärmeerzeuger G. Diesem wird jeweils flüssiger Brennstoff und Luft durch die Leitungen 1 und 2 zugeführt, in denen die .Durchsätze Q„ und Q. jeweils durch die Absperr- oder Regelorgane 3 ^und 4 geregelt werde».

Im vorliegenden Fall, wie übrigens bei den meisten Verbrennungsprozessen, ist der Betriebskennwert, den man extremal, d. h. minimal zu machen wünscht, der Brennstoffverbrauch. Gleichzeitig wird verlangt, die Temperatur θ einer im Wärmeerzeuger G erhitzten Flüssigkeit auf einem Sollwert Q_n zu halten. Der Istwert

dieser Temperatur wird durch das Messinstrument 5 gemessen, welches ein entsprechendes Signal © in einen Leistungsverstärker 6 eingibt.

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Dieser empfängt gleichzeitig ein dem Temperatursollwert entsprechendes Signal - Q^ und erzeugt ein Signal s _v „, ein sögenanntes Fehlersignal, das der Differenz Q- θ proportional ist. Der Verstärker 6 bildet einen Teil einer proportional-integral wirkenden Regeleinrichtung mit Differentialaufschaltung, eines sogenannten PID-Reglers, der das Brennstoffregelorgan 3 als Ftinktion des Fehlersignals s_A„ steuert. Dasselbe Signal wird andererseits in das Optimiergerät OPT übertragen, das den Auslösekreis CD, die Logikkreise CL, und CL₂ sowie den Auswahl-, Stör-* und Steuerkreis CSPC aufweist. Diese Kreise entsprechen hinsichtlich ihrer Funktion genau den in Fig. 9 dargestellten Kreisen CD, CL., CL₀ und CSPC, So kann ihre Bauart der in den Fig₀ 3, 10 und 11 dargestellten analog sein.

Das Signal s , das durch das Optimiergerät OPT während seines Suchzyklus erzeugt wird, wirkt auf die Luftklappe k ein, um die der minimalen Brennstoffzufuhr Q„ entsprechende optimale Luft-

zufuhr Q. zu suchen, die es gestattet, in dem erhitzten Medium A₀

die Solltemperatur O aufrecht zu erhalten.

Die Glieder 5, 6 und 7, welche den Regelkreis für die Brennstoffzufuhr Qp bilden, sind bekannt. Bei der vorliegenden Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens benutzt man das Fehlersignal ⁸ λ ο ^a^^s Ftihrungssignals, um den Optimum-Suchzyklus auszuführen. Das Verhältni· zwischen diesem Signal β_ΛΩ und dm zu optieierenden Betriebekennwert Q„ wird durch die PID-Regeleinrichtung ? bestimmt« Venn man die allgemeine Formel die··» bekannten Reglertype für den vorliegenden Fall bestimmt, erhält rean die Beziehungs

■■■. - ^;..". ;..;■. ■■.■■■■■■·.■■■ .■./■-■ ;· ^BAD®mm_Ai ."■ .29-

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Op = kji Δ θ + kg J Λ ^θ dt +' lc, d ί\ θ

wobei k., k_o und Ic, Konstanten darstellen, Q_p die Ist-Brennstoff zufuhr, die Isttemperatur und ,49 die oben erwähnte Differenz zwischen der Solltemperatur θ und der Isttemperatur Θ. Vlenn man die oben erwähnte Gleichung nach der Zeit differenziert, erhält

man: . .." .

, d Δ θ τ. η d Λ Q - ^Kl "dt ^{+ Κ}2 ^{Δ y + 1}S dt

dt

Bekanntlich sind bei den P.ID-Keglern- die proportionale und die differentiale Wirkung vorübergehend, während die integrale Wirkung bestehen bleibt, selbst wenn das Fehlersignal null wird. Wenn man als erste Näherungslösung lediglich den bleibenden Ausdruck betrachtet,' so erhält man die folgende Gleichung:

d Q

—ar- = ^k2 α^θ

was bedeutet, dass das Signal s _a,' das man in dieser Anwendung bestimmt, im wesentlichen eine lineare Funktion der ersten Ableitung nach der Zeit des Jietriebskennwertes CK₁ darstellt, den man minimal zu machen wünscht. Auf diese Weise gestatten die Glieder 5, 6 und 7 des Kreises zur Regelung der Hrennsto ffzufuhr ',ι die Eliminierung des in Fig. 2 dargestellten Mess- und Itechenkreises CMC.

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Die oben beschriebene Anordnung ermöglicht so eine optimale Regelung des Wärmeerzeugers auf eine sowohl einfache als auch schnelle Art und Weise, indem sie das im PID-Regler 7 bestimmte Signal s λ _θ gleichzeitig als Führungssignal für den Optimum-Suchzylclus benutzt₀ Fig. l-'t stellt eine statische Charakteristik eines Wärmeerzeugers dar, welche die jeweilige Beziehung zwischen der Brennstoffzufuhr Q„ und der Luftzufuhr Q_v zeigt. Wie man weiter oben gesehen hat, wird eine solche Charakteristik oder Kennlinie durch die anderaiParameter des betreffenden Prozesses bestimmt, z.B. durch die physikalischen Eigenschaften der Verbrennungselemente oder durch die Belastung des Wärmeerzeugers. Der Verlauf des Signals s _ als Funktion der Zeit t bei einem Suchschrittzyklus zur Auffindung des optimalen Betriebs des Wärmeerzeugers entspricht im wesentlichen der in Fig. 8 dargestellten Entwicklung, da das Signal s _Q dann das Führungssignal (a ) ist. Die dynamische,Suchphase beginnt in allen Fällen mit einer Erhöhung der Verbrennungsluftzufuhr (und zwar, um die Gefahr einer Explosion, bedingt durch einen Brennstoffüberschuss, im Feuerungsraum des Wärmeerzeugers, auszuschalten), indem der Suchzyklus ausschliesslich im Betriebsbereich bei Luftüberschuss erfolgt, nämlich rechts von der durch gestrichelte Linien angedeuteten und durch den optimalen, dem Punkt Q„ , Q. entsprechenden Bereich hindurchgehenden Abszisse ο Die fortlaufende Erhöhung der Luftmenge hat ein Absinken der Temperatur im Feuerraum und damit der Temperatur θ der erhitzten Flüssigkeit zur Folge. Das Signal

s'-,. " nimmt positiv zu, und sobald es eine dem Bezugssignal a_f i-v »■"..■■ ■-·*■.

entsprechende positive Ums ehalte dwelle erreicht hat, wird die

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' -31-

BAD ORlQ¹INAL

Ib2346O

progressive Variationsrichtung umgekehrt (bei Punkt II) und die Luftzufuhr-vermindert sich fortlaufend, durchläuft Null und erreicht zum ersten Mal einen zweiten negativen Grenzwert, nämlich den des Signals 6"*„.. Es ist klar, dass der Wert <£! θ und folglich die Amplitude des Signals s , _n infolge der Verminderung der Luftzufuhr nicht unendlich zunehmen können. So erreicht s , „ einen negativen Maximalwert und nimmt ab, um ein.zweites Mal den negativen Wert cf<, zu erreichen (bei Punkt III, Fig. 8). An diesem Punkt ist die dynamische Suchphase beendet und man geht zur Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung der Luftzufuhr über (III bis X, Fig. 8), derart, dass man den Wärmeerzeuger langsam in den optimalen Betriebsbereich Q„ , Q. führt. Um den

. oo

Betrieb des Wärmeerzeugers im Luftmangelbereich, d, h. in der Verbotszone links vom Optimum Q_r , Qa in Fig. I^, zu verhindern,

ο ^Ao unterbricht man die zweite Suchphase am Punkt X, an welchem das

Signal s _{Λ Q} , aus dem zuvor die periodischen Schwankungen und das

Rauschen gefiltert wurden, einen dem Signal dPc entsprechenden

Wert erreicht, dessen Höhe unter der maximalen Amplitude dieses Rauschens liegt.

Ae Punkt X arbeitet dtr Wärmeerzeuger in einem dem Optimum nahen Streich, und er wird in diesem Bereich gehalten, bis die anderen (ungeregelten) Parameter sich erneut verändern und so den Betrieb ±m Optimum einer anderen Kennlinie erfordern, d. h., dass man den Optlmue-Suchzyklus von neuem ausführt.

-32

BAD

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Obwohl industrielle Heizungsanlagen ein wichtiges Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung darstellen, kann sie vorteilhaft auf die verschiedensten Prozesse angewendet werden. Zum . Beispiel in der Anwendung auf eine chemische Reaktion könnte der Verlaufskennwert, den man optimieren will, die Reaktionsausbeute oder die Güte eines Reaktionsproduktes darstellen. Die Grosse, auf die man einwirkt, um die Optimierung zu verwirklichen, d. Ii. die Regelgrösse, muss offenbar für eine sehr schnelle Regelung geeignet sein, wenn man aus der dynamischen Suchmethode, die das erfindungsgemässe Verfahren gestattet, den maximalen Vorteil ziehen will,

Selbstverständlich kann die Erfindung auch zur Optimierung eines Betriebskennwertes durch Regelung mehrerer Regelgrossen dienen. In diesem Fall wird die dynamische Suchphase in bezug auf die verschiedenen Regelgrüssen hintereinander ausgeführt, während die Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung in bezug auf alle diese Regelgrössen gleichzeitig ausgeführt wird. Eine Vorrichtung, welche die Ausführung einer solchen Optimierung gestattet, weist für jede Regelgrösse individuelle Stör-, Auswahl-'" und Steuerkreise auf»Dagegen können für alle Grossen gemeinsame Mess- und Rechenkreise, Anzeige- und Logikkreise vorgesehen sein»;. ,

Zweckmässigerweise ist darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemässe Verfahren zum ersten Mal den Vorteil einer sehr raschen Annäherung an den Punkt einer optimalen Regelung bietet und dennoch dessen präzise Wiederauffindung gestattet. Bekanntlich

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spielt letzte Bedingung eine wichtige Rolle bei zahlreichen Prozessen, vor allem bei solchen Prozessen, bei denen Explosionsgefahr besteht. So ist es z.B. bei Industrieöfen unbedingt erforderlich, dass man Betriebsbereiche vermeidet, in denen es an Luft mangelt, um die Bildung von Hohlräumen, iii denen sich explosible Gemische ansammeln, zu verhindern. Um die Betriebssicherheit dieser Öfen zu gewährleisten, ist man bis heute gezwun^- gen gewesen, die Luftzufuhr erheblich über die stöchionietrische Menge hinaus zu erhöhen, d.h. den Ofen in Bereichen arbeiten zu lassen, die von den optimalen Bereichen sehr entfernt sind.

Dank der schnellen Annäherungsphase an das Optimum mit einer nachfolgenden langsamen Annäherungsphase, so wie sie in dem erfindungsgeiiiässen Verfahren vorgesehen sind, ist es möglich geworden, zum Optimum auf gleichzeitig schnelle und genaue Weise zu gelangen.

Selbstverständlich sind die Glieder der oben beschriebenen Kreise nur beispielsweise angeführt und können durch Elemente bzw« Glieder die sich einer unterschiedlichen Technologie bedienen, ersetzt werden_o So können die dargestellten'Relais -durch- andere bistabile Bauglieder ersetzt werden, ζ^Β. durch elektronische Halbleiter— element© oder durch binäre Strömungsmittel-, insbesondere Druckluf tbaueleniente_o Ebenso können die oben erwähnten Verstärker, ■ Summatio-ns.glied.er und der integrator von Analogrechnern oder von numerischen Kßchenvorriohtungen ausgehend und unter Verwendung von elektrischen oder pneumatischen bzw, hydraulischen Kreisen hergestellt sein. So kann die Integration im .Steiiorkroiö durch Zählen der Impulse oder Pegelwcin-mnkungen eines hliraren". Signals

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erfolgen. Schliesslich kann man die oben beschriebenen Kreise auch durch die Bauelemente einer Rechenmaschine ersetzen, wobei die durch diese Bauelemente auszuführenden Punktionen dann durch eine Programmierungsvorrichtiing definiert werden, die entweder unabhängig "oder in einen Komplex eingebaut sein kann, der andere Rechen- und Kontrolloperationen realisiert.

ORIQiNAL

J H/H I-■ - 17 517

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Claims (1)

1. PATENTANWÄLTE

   PATENTANWALT MÜLLER-BÖRNER · J^* PATENTANWALT DIPL.-ING. WEY

   BERLIN 33 (DAHLEM) - PODBIELSKIALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 · Wl DENMAYERSTR ASSE <9

   TELEFON₁ 762V07 ■ TELEGRAMME: PROPINDUS TELEFON 22 55 85 - TELEGRAMME: PROPINDUS

   17 517 Berlin, den 16. August I966

   THE BATTELLE DEVELOPMENT ■ CORPORATION,

   COLUMBUS (Ohio), USA, 505 King Avenue .

   Pat e nt an s ρ r ü c he .

   1. Regelungsverfahren, um den ¥ert eines BetrieDskennwertes einer Anlage durch Steuerung wenigstens einer Regelgrösse dieser Anlage extremal zu machen, dadurch gekennzeichnet, dass man kontinuierlich ein Führungssignal (s J erzeugt, dessen Wert eine lineare Punktion wenigstens einer der drei Grossen, nämlich des Istwertes des Kennwertes (Y), seines ersten Differentialquotienten und seines zweiten Differentialquotienten nach der Zeit darstellt, dass man dieses Signal mit mehreren Bezugssignalen (</. his-c/V) vergleicht, und dass man einen Suchzykius zur Bestimmung des Optimalwertes der Regelgrösse (x) auslöst, der dem Extremalwert des Kennwertes (Y) entspricht, und zwar einerseits in vorbestimmten Zeitintervallen und andererseits, sobald die Amplitude dieses Signals entweder einen vorbestimmten ersten positiven Grenzwert oder einen vorbestimmten zweiten negativen Grenzwert erreicht, dass der Suchzyklus aus

   BAD ORj —2—

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   FERNSCHREIBER: 018 4057

   zwei aufeinanderfolgenden Phasen besteht, nämlich einer ersten dynamischen Suchphase, während der man die Regelgrösse (X) nach einem vorbestimmten Gesetz fortschreitend verändert, und einer zweiten Suehphase durch kontinuierliche periodische Störung, in welcher die Regelgrösse als Funktion eines ersten periodischen Signals (s ,) und ,eines Signals gesteuert wird, das dem Zeitintegral des Produktes aus dem Pührungssignal (s „) und einem zweiten periodischen Signal (s ₂) mit derselben Frequenz wie das erste proportional ist, und schliesslich dadurch, dass die zweite Suehphase eingeschaltet wird, wenn das Führungssignal (s ) zum zweiten Mal durch einen dritten Grenzwert läuft, und unterbrochen wird, wenn die aperiodische Komponente dieses Führungssignals einen vierten Grenzwert erreicht.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dynamische Suehphase darin besteht, die Regeigrösse (X) in einer vorbestimmten Richtung fortschreitend zu verändern' . :' und die Richtung dieser Veränderung umzuschalten, sobald das Führungssignal eine vorbestimmte Umschaltschwelle erreicht, deren Wert für die Suche eines Minimums positiv und für die Suche eines Maximums negativ ist.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wert für die Suche eines Miniraums negativ und für die Suche eines Maximums positiv ist.

   -3"

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   -is—.

   4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man wahrend der zweiten Suchphase die Summe aus dem Produkt und einem vorbestimmten konstanten Wert ermittelt, so dass das Integral konstant wird, wenn die Abweichung zwischen dem Istwert der Regelgrösse (X) und ihrem Optimalwert eine vorbestimmte Grosse erreicht,

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man während der zweiten Suchphase ein erstes Signal bestimmt, das der Summe aus dem Führungssignal (s ) und einem zweiten Signal von vorbestimmtem konstantem Wert proportional ist, dass man periodisch das Vorzeichen dieses ersten Signals umkehrt, so dass ein drittes Signal erzeugt wird, dass man die Summe aus diesem dritten Signal und einem vierten Signal von konstantem Wert integriert, und dass man 'die-Regelgrösse (X) proportional dem Wert des so erhaltenen Integrals steuert.

   .6* Verfahren nach den Patentansprüchen ί und 2, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der dynamischen Phase ä&n Suehzykltts zur Auffindung, des Optiflialwertes auslöst, falls nach erfolgter Umschaltung der fortschreitenden Variationsricfitung der Regelgrösse (X) die Amplitude des Fültrungssignals (^s _v) zunimmt und einen vorbestimmten Grenzwert überseltreitet, wobei dieser Wert für die Suche nach einem Minimum positiv, und für die Suche nach einem MaximumE negativ ist.

   7.'-Verfahren nach Anspruch i, dadurch gefcennzeichnet_t dass man während der Suchphase durch kontinuier Liehe periodisehe Störung d&n Suchzyklus 3iur Auffindung des Optimalwertes erneut

   BA9 ORieSN

   in dem Pall auslöst, dass die Amplitude des Führungssignals (s ) zunimmt und entweder den ersten Grenzwert oder den zweiten Grenzwert überschreitet.

   8, Verfahren nach Anspruch 1, um eine erste Regelgrösse, welche den Betriebskennwert bildet, durch Einwirkung auf eine zweite Regelgrösse der Anlage extremal zu machen und gleichzeitig eine Ausgangsgrösse auf einem gegebenen Sollwert zu halten, wobei die erste Regelgrösse mittels einer Regeleinrichtung (7) mit proportionaler, integraler und differentialer Wirkung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass man kontinuierlich ein Signal bestimmt, das der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Ausgangsgrösse proportional ist, und dass dieses Signal einerseits als Steuersignal des Reglers (7) und andererseits als Führungssignal dient, um den Suchzyklus zur Auffindung des Optimalwertes der zweiten Regelgrösse aus-

   9¹* Anwendung des Regelwitgsverfahireiis nach den Ansprüchen 1 und 7 auf einen Wärmeerzetiger _t wobei die Anwendung dazu bestimmt ist _f die Verbrennungsluftzufuhr so zu steuern _r dass der Brewn-Bttoifverbraucfe minimal genräeht und gleichzeitig eine physikalische Grosse, insbesondere die Ausgangsteroperatttr einer durch diesen Wärmeerzeuger erhitzten Flüssigkeit, atif einem' Sollwert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass man kontinuierlich; ein Signal (®_Λ «.) bestimmt _t d-a» der ßiffereirz; zwisehen dem Sollwert (θ } und dem Messwert (&) der pijtysik»IIschen Grosse proportional 1st, dass man die Brennetaf"fztifwftr CQy) proportional der Summe aus diesem Signal, seinem Integral und »eine»

   ersten Differentialquotienten nach der Zeit steuert, dass man dieses Signal als Führungssignal benutzt, um den Suchzyklus zur Auffindung des Optimalwertes (Q. ) der Luftzufuhr durchzuführen; dass man die erste dynamische Suchphase ausführt, indem man die Luftzufuhr (Q_A) fortschreitend erhöht, bis das Signal eine vorbestimmte positive Umschaltschwelle erreicht hat, und dass man anschliessend diese Luftzufuhr verringert, bis die erste Suchphase an einem zweiten Grenzwert mit negativem Vorzeichen beendet ist, wonach man die zweite Suchphase durch kontinuierliche periodische Störung der Luftzufuhr auslöst.

   10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mess- und Rechenvorrichtung (CMC) aufweist, die kontinuierlich das Führungssignal ermittelt, einen Auslösekreis (CO) mit fünf bistabilen Kippgliedern (BB. bis BB_), von denen jedes das Führungssignal sowie das eine der Bezugssignale empfängt, einen Logikkreis (CL), in den die jeweiligen Auslösesignale übertragen werden, welche jeweils durch ein Kippglied ("BB)' erzeugt werden, sobald das Führungssignal den Wert des ihm zugeordneten Bezugssignals erreicht, wobei der Logikkreis zur Steuerung eines Auswahlkreises (CS) dient, der einen Kreis (CC) zur Steuerung der Regelgrösse (X) nach einem vorbestimmten Wählgesetz einerseits mit wenigstens einer Quelle (V , V■■") vorbestimmter konstanter Spannung und andererseits mit einem periodischen Störkreis (CP) verbindet, welcher ein

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   — « —

   periodisches Störsignal erzeugt und das Produkt aus diesem Signal und dem Führungssignai bestimmt.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Logikkreis (GL) elf bistabile Schaltelemente aufweist, darunter fünf Hilfsschaltelemente (B. bis B-), die jeweils durch eines der Auslösesignale gesteuert werden; drei Hauptschaltelemente (i, J, K), die die wahlweise Verbindung des Steuerkreises (CC) mit der Spannungsquelle (V , V ) während der ersten Phase und mit dem Störkreis (CP) während der
   zweiten Phase steuern, und drei Zwischenschaltelemente (ll, V, W) sowie mehrere Kontakte, die diesen elf bistabilen Schaltelementen in der Weise zugeordnet sind, dass die fünf Hilfsschaltelemente die drei Hauptschaltelemente einerseits direkt und andererseits mittels der drei Zwischenschaltelemente
   steuern und dass die verschiedenen Schritte des Suchzyklus als Funktion der Auslösesignale erfolgen.

   41/Dt 7 2

   Le e rs e it e