Vorausschauende Regelsysteme für Temperaturen
oberhalb der Raumtemperatur
Die klassischen Regler P, PI, PD und PID (Proportional-Integral-Differential) haben in den letzten Jahrzehnten in vielen Bereichen der Technik für etliche messbare Größen ihren Einsatzort gefunden. Die Anwendungen reichen vom einfachen Regler im Haushalt (z.B. Heizung, Herd) bis hin zu präzisen Regelungsaufgaben in industriellen Herstellungsverfahren mit reproduzierbaren Prozessabläufen. Eine Grundeigenschaft dieser Regler aus Operationsverstärkern, Widerständen, Kondensatoren, ... ist es, die Momentanwerte nur direkt für den Regelkreis zu verwenden. Anders gesagt, der PID-Regler sieht eigentlich nur die Vergangenheit und den Augenblick, nicht aber, welchen Wert die zu regelnde Größe in einigen Sekunden oder Minuten haben wird. Das kann ein PID-Regler nicht, sondern nur ein vorausschauender Regler, der dazu den Momentanwertverlauf analysiert. Bereits Mitte der 80er Jahre entwickelte der Autor dieses Artikels Dietmar Goretzki, Dipl.-Ing. bei dem mittelständischen Elektronik-Dienstleistungsunternehmen dikon Entwicklungs- und Produktions GmbH, die Idee und die Grundlagen für ein vorausschauendes Temperatur-Regelungs-Verfahren.
Es erkennt aus der zu regelnden physikalischen Messgröße (Regelgröße) den charakteristischen Verlauf näherungsweise und realisiert mathematisch eine zeitliche Vorausberechnung der Regelgröße. Damit weiß der Regler schon im Voraus, auf welchen Wert die Regelgröße steigt und kann so die Stellgröße rechtzeitig auf den richtigen Wert korrigieren. In der zeitlichen Vorausberechnung der Regelgröße liegen ein entscheidender Unterschied und Vorteil im Vergleich zum PID-Regler. Die Vorausberechnung ist nicht nur auf die Regelgröße, sondern auch für dynamische andere physikalische Größen bzw. Störgrößen anwendbar, dessen Messwerte in die Berechnung der Stellgröße anteilig eingehen können.
Die praktische Realisierung des vorausschauenden Verfahrens erfolgte im Jahr 2005 in einem Seriengerät mit einem Temperaturregelkreis. Im Temperaturmessbereich von ca.
-10°C...+140°C ermöglicht die vorausschauende Regelung eine Stabilität von ±0.05°C bei einem Sollwert oberhalb der Raumtemperatur. Nur die Geräteinnentemperatur geht als gemessene Störgröße in die Regelung ein, nicht aber die in die Heizleistung P=U*I=U²/R quadratisch eingehenden Netzspannungsschwankungen. Auch die effektive Auflösung des ADC (Analog Digital Converter) entscheidet, welche minimalen Regelgrößenänderungen für den Regler noch erkennbar und ausregelbar sind.
Das folgende Diagramm zeigt, dass der vorausschauende Regler schon 2.6°C vor dem Erreichen der Solltemperatur
(100°C) die Heizleistung (blaue Kurve) von 100% auf sehr kleine Werte rasch zurücknimmt, um ein Überschwingen durch Nachheizeffekte zu vermeiden. Die Solltemperatur hat nach ca. 400s Aufheizzeit ein Toleranzband von
±0.6°C erreicht. Mit der Zeit sinkt das Toleranzband deutlich unter
±0.1°C. Am Verlauf der Heizleistung lässt sich erkennen, dass das thermische Gleichgewicht des Gesamtsystems erst nach ca. 1.500s erreicht wurde, weil z.B. das Gerätegehäuse, physikalisch bedingt durch indirekte Erwärmung, erst jetzt eine konstante Temperatur erreicht hat.
Eine Modifikation des vorausschauenden Reglers für andere Anwendungen ist per Hard- und Software realisierbar. Der Reglereinsatz muss nicht auf Temperaturregelungen beschränkt bleiben, sondern wäre dann auch für andere physikalische Messgrößen verwendbar. Ebenso kann man die Vorausschau eines Messwertes im Allgemeinen in der Messtechnik einsetzen.
Eine ausführliche Version dieser Veröffentlichung ist auf der Internetseite der dikon Entwicklungs- und Produktions GmbH zu lesen (www.dikon-elektronik.de unter dem Menüpunkt News direkter Link: http://www.dikon-elektronik.eu/de/index.php?title=Vorausschauende_Regelsysteme_f%C3%BCr_Temperaturen_oberhalb_der_Raumtemperatur ). Das Unternehmen erarbeitet als Dienstleister kundenspezifisch eine entsprechende Elektronik und produziert in Serie. Ansprechpartner ist die dikon-Entwicklungsabteilung.
Spielerisch vorgestellt wird dieser neuartige Temperaturregler auf der Productronica in München (10.-13.11.2009), Halle A1, Stand 527
Dipl.-Ing. Dietmar Goretzki
Leiter Entwicklung dikon Entwicklungs- und Produktions GmbH
X