9. Controller Plugin

9.1. Einführung

Das Controller Plugin dient zur Einbindung der Qmix Reglermodule in die CETONI Elements Software und zur Erzeugung benutzerdefinierter Regelkreise. Folgende Module werden unterstützt:

1. Qmix Q- - thermoelektrisches Kühlmodul

2. Qmix Q+ - zwei-kanaliges Heizmodul

3. Qmix TC– zwei kanaliges Reglermodul für externe Heiz- / Kühlsysteme (z.B. für Spritzenheizung und Schlauchheizung)

9.2. Liste der Regelkanäle

Alle Qmix Regelkanäle werden in der Liste der Regelkanäle (Controller Channels) angezeigt.

Die unterschiedlichen Kanaltypen (Kühlmodul Q-, Heizmodul Q+ …) können Sie an den unterschiedlichen Symbolen vor dem Kanalnamen unterscheiden (siehe Abbildung oben). Die Liste der Regelkanäle ist ein View, den Sie durch Anklicken und Ziehen der Titelleiste jederzeit an eine andere Position in der grafischen Oberfläche verschieben oder aus der Oberfläche als separates Fenster herauslösen können.

Die Kanalliste zeigt ihnen alle verfügbaren Regelkanäle in Tabellenform an. Folgende Spalten sind vorhanden:

• Controller - zeigt den Namen des Regelkanals und den Typ durch ein Symbol an.

• On - zeigt durch eine grüne LED ob die Regelung ein- oder ausgeschaltet ist. Klicken Sie die LED an, um die Regelung ein- oder auszuschalten.

• Setpoint - enthält den eingestellten Sollwert des Reglers

• Actual Value - zeigt den aktuellen Ist-wert

9.2.1. Kanaltypen

Die folgenden Kanaltypen werden im Moment unterstützt:

	Schneeflockensymbol - Qmix Q- Kühlmodule
	Thermometersymbol - Qmix Q+ Heizmodule und Qmix TC Module
	Symbol Reglerkurve – dynamisch erzeugte, benutzerdefinierte Kanäle

9.2.2. Kanalnamen ändern

Sie können den Namen eines Kanals jederzeit ändern und z.B. einen Namen vergeben, der zu Ihrer speziellen Anwendung passt.

Ändern Sie den Namen mit folgenden Schritten:

1. Klicken Sie doppelt in die Tabellenzelle mit den Namen den Sie ändern möchten.

2. Geben Sie den neuen Namen in das Editierfenster ein, welches nun eingeblendet wird (siehe Abbildung oben)

3. Beenden Sie Ihre Eingabe durch Drücken der Return-Taste.

9.2.3. Regelung ein- / ausschalten

Zum Ein- und Ausschalten der Regelung klicken Sie einfach auf die LED des Kanals, den Sie umschalten möchten.

9.2.4. Sollwert eingeben

Klicken Sie zur Eingabe des Sollwertes doppelt in die Setpoint-Spalte des Kanals dessen Sollwert Sie ändern möchten. Geben Sie nun in das Editierfenster das angezeigt wird (siehe Abbildung unten) den Sollwert ein, oder verwenden Sie die Pfeil- Schaltflächen um den Sollwert schrittweise zu verringern oder zu erhöhen.

9.3. Kontextmenü für Reglerkanäle

Durch Rechtsklick in die Liste der Reglerkanäle können Sie ein Kontextmenü mit zusätzlichen Funktionen einblenden:

Das Kontextmenü enthält die folgenden Menüpunkte:

	Configure Channel… Öffnet den Konfigurationsdialog des Kanals zur Konfiguration aller Kanalparameter.
	Restore Default Settings Stellt die Standardeinstellungen des Kanals wieder her.
	Reset Calibration Setzt die Zweipunktskalierung zurück auf den Skalierungsfaktor 1 und den Offset 0
	Configure scaling… Öffnet den Konfigurationsdialog mit der Seite zur Konfiguration der Reglerskalierung.
	Select PID parameters… Öffnet den Konfigurationsdialog mit der Seite zur Auswahl und Erstellung von PID-Parametersätzen.
	Delete user channel Wenn der ausgewählte Kanal ein benutzerdefinierter Kanal ist, wird dieser durch Anklicken dieses Menüpunktes gelöscht. Für andere Reglerkanäle ist dieser Menüpunkt ausgegraut.
	Create user channel Öffnet den Wizard zur Erstellung eines neuen benutzerdefinierten Reglerkanals.

9.4. Kanaleinstellungen konfigurieren

Um den Konfigurationsdialog (siehe Abbildung unten) zur Einstellung der Skalierung zu öffnen, wählen Sie im Kontextmenü für Reglerkanäle den Menüpunkt Configure channel.

Die Konfiguration der allgemeinen Kanaleinstellungen sowie die Kalibrierung der Reglerkanäle sind identisch mit der Konfiguration der I/O Plugin-Kanäle. Lesen Sie für eine detaillierte Beschreibung der Konfiguration den Abschnitt I/O Kanal Konfiguration.

9.5. Auswahl und Konfiguration von Reglerparametern

9.5.1. Übersicht

Um das Regelverhalten der einzelnen Reglerkanäle optimal an Ihre Anwendung anzupassen, können Sie für jeden einzelnen Kanal die Regelparameter individuell anpassen. Dafür können Sie entweder aus einer Liste von vordefinierten PID Parametersätzen wählen, oder neue Parametersätze erstellen.

Um zur Reglerparameterauswahl zu gelangen, wählen Sie im Kontextmenü für Reglerkanäle den Menüpunkt Select PID parameters.

Im oberen Bereich sehen Sie die aktuellen Parameter des Gerätes ❶ (Current Channel Parameters). Im unteren Bereich finden Sie eine Liste mit PID Parameter Presets ❷.

9.5.2. Reglerparameter ändern

Um die aktuellen Reglerparameter zu editieren, klicken Sie mit der Maus im Bereich Current Channel Parameters doppelt in das Feld welches Sie ändern möchten und geben den neuen Wert ein:

9.5.3. PID Parameter Preset auswählen

Wählen Sie aus der Tabelle der vorhanden Parametersätze einen Parametersatz durch Anklicken mit der linken Maustaste aus ❶ und klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Apply Preset ❷ um die Regelparameter zu übernehmen. Die Werte im Bereich Current Channel Parameters ❸ werden mit den neuen Werten aus dem Preset aktualisiert. Schließen die Konfiguration durch Anklicken der Schaltfläche Ok ❹ ab.

Die PID Parameter Presets enthalten bereits vordefinierte Standard-Reglerparameter für verschiedene Qmix Geräte (z.B. Qmix Q+, Qmix Q- oder Qmix TC) oder bestimmtes Zubehör (z.B. Spritzenheizung oder Schlauchheizung).

Tipp

Zur optimalen Anpassung an die Regelstrecken in Ihrer Anwendung können Sie eigene Parametersätze mit Reglerparametern erstellen.

9.5.4. PID Parameter Preset erstellen

Durch Anklicken der Schaltfläche Create Preset ❶ erzeugen sie einen neuen Satz von Reglerparametern ❷. (siehe Abbildung unten) Anschließend können Sie die einzelnen Werte des Parametersets editieren indem Sie doppelt in ein Feld klicken ❸ und einen neuen Wert eingeben.

Vergeben Sie für jeden Parametersatz einen aussagekräftigen, eindeutigen Namen und passen Sie die Reglerparameter an die Regelstrecke in Ihrer Anwendung an. Um geeignete Parameter für einen Regelkreis zu finden, gehen Sie wie im Abschnitt Vorgehensweise für die Einstellung von Reglerparametern beschrieben vor.

9.5.5. Löschen von PID Parameter Presets

Sie löschen einen Reglerparametersatz, indem sie ihn durch Anklicken mit der linken Maustaste auswählen ❶ und anschließend die Schaltfläche Delete Selected Preset ❷ klicken.

Wichtig

Vordefinierte Standard-Reglerparameter sind gesperrt und können nicht gelöscht werden. Gesperrte Parameter erkennen Sie in der Tabelle an dem gelben Schloss.

9.6. Benutzerdefinierte Reglerkanäle

9.6.1. Einführung

Sie können benutzerdefinierte Reglerkanäle erzeugen, bei denen Sie beliebige Geräteeigenschaften (Device Properties) als Ein- und Ausgangsgrößen für die Regelschleife verwenden können. Damit wird es z.B. möglich mit Hilfe eines Druckmesskanals eines Qmix p-Gerätes und einer Nemesys Spritzenpumpe eine Druckregelung aufzubauen oder eine druckgesteuerte Dosierung zu realisieren.

9.6.2. Erstellen von Reglerkanälen

Sie öffnen den Dialog zum Erzeugen von Reglerkanälen durch Rechtsklick in die Reglerkanalliste und Auswahl der Menüpunktes Create user channel im Kontextmenü.

Im Konfigurationswizard der Ihnen nun angezeigt wird, gehen Sie wie folgt vor:

1. Wählen Sie das Gerät, welches die Messgröße (Eingangsgröße) des Reglers zur Verfügung stellen soll: Controller Input.

2. Wählen Sie die Geräteeigenschaft (Device Property) aus, die als Messgröße verwendet werden soll.

3. Wählen Sie das Gerät, welches die Stellgröße (Ausgangsgröße) des Reglers zur Verfügung stellen soll: Controller Output.

4. Wählen Sie die Geräteeigenschaft (Device Property) aus, die als Stellgröße verwendet werden soll.

5. Klicken Sie auf die Schaltfläche Next, um die Konfiguration fortzusetzen.

Abschließend erscheint ein Fenster für die Konfiguration und Auswahl von Reglerparametern. Dort können Sie wie im Abschnitt Auswahl und Konfiguration von Reglerparametern beschrieben, die Reglerparameter konfigurieren. Durch Anklicken der Schaltfläche Finish schließen sie die Erstellung des Reglerkanals ab.

Tipp

Sie können die Reglerparameter später jederzeit ändern und so optimal an ihre Regelstrecke anpassen.

9.6.3. Änderung der Stellgrößenskalierung oder -einheit

Die Stellgröße, wie zum Beispiel die Flussrate eines Nemesys-Dosiersystems bei einer Druckregelung oder der Wert eines analogen Ausgangs bei einer Temperaturregelung, wird durch den PID-Regelalgorithmus ermittelt und unskaliert an das entsprechende Gerät ausgegeben. Das bedeutet, dass sie, die Reglerparameter, besonders die Stellgrößengrenzen, jedes Mal neu anpassen müssen, wenn sie die Skalierung oder die Einheit des entsprechenden Gerätes ändern. Bei einem Nemesys-Dosiersystem trifft dies auch zu, wenn sie die Spritzengröße ändern, da sich hierdurch der Flussratenbereich ändert.

Wichtig

Wenn sie die Skalierung oder Einheit eines Gerätes ändern, das Bestandteil eines Regelkreises ist, müssen sie die Reglerparameter kontrollieren und diese gegebenenfalls anpassen. Bei einem Nemesys-Dosiersystem trifft dies auch zu, wenn sie die Spritzengröße ändern.

9.7. Regler Script Funktionen

9.7.1. Einführung

Das Qmix Regler-Plugin enthält eine Script Funktion, um die Regler-Parameter aus einem Script heraus zu ändern. Damit ist es z.B. möglich, zeitgesteuerte Temperaturkurven zu realisieren.

9.7.2. Funktion Reglerparameter setzen - Set Controller Param

Mit dieser Funktion können Sie einen neuen Sollwert an den Regelkanal übergeben oder den Regelkreis ein- und ausschalten. Klicken Sie zum Ein- / Ausschalten einfach auf die LED Control loop on / off im Konfigurationsbereich (Abbildung unten).

9.7.3. PID Regler Funktion – PID Control

Einführung

Die PID Regler Funktion implementiert einen PID-Regler für Anwendungen, die einen effizienten PID-Algorithmus erfordern. Der PID-Algorithmus unterstützt die Begrenzung des Ausgangsbereiches mit Integrator-Anti-Windup-Funktionalität.

Derzeit ist der PID-Algorithmus der am weitesten verbreitete Regelalgorithmus der in der Industrie verwendet wird. PID Regelkreise werden u.a. verwendet für die Regelung von Heiz- und Kühlsystemen, für die Überwachung von Flüssigkeitsständen, für Durchflussregelung und Druckregelung. Bei der PID Regelung geben Sie eine Prozessvariable und eine Stellgröße vor. Die Prozessvariable ist dabei der Systemparameter, den Sie steuern möchten, wie z.B. Druck, Temperatur oder Durchfluss. Der Sollwert ist der gewünschte Wert für den Parameter welchen Sie regeln möchten. Der PID Regler berechnet dann die Reglerausgangsgröße wie z.B. Heizleistung oder Ventilposition. Diese Reglerausgangsgröße wird dann auf das System angewendet, welches wiederum die Prozessvariable in Richtung der Stellgröße treibt.

Konfiguration

Im Konfigurationsbereich der Anwendung konfigurieren Sie alle Parameter die für die PID Funktion benötigt werden.

Die folgenden Parameter müssen konfiguriert werden (siehe Abbildung unten):

1. Prozessvariable (Actual Value Input) – die Prozessvariable ist der gemessene Wert der Prozessgröße (z.B. Temperatur) die geregelt wird. Dieser Wert ist gleich dem Istwert des Regelkreises. Tragen Sie hier eine Variable ein oder greifen Sie über einen Prozessdatenbezeichner direkt auf bestimmte Prozessdaten eines Gerätes zu.

2. Stellgröße (Setpoint) – geben Sie hier den Sollwert, den gewünschten Zielwert ein, auf den die Prozessvariable geregelt werden soll. Sie können einen festen Wert eingeben (z.B. 50°C) oder den Wert durch eine Variable übergeben.

3. Reglerparameter (Control Loop Parameters) – die PID-Verstärkungsfaktoren konfigurieren die Proportionalverstärkung (K), Nachstellzeit (T_I) und Vorhaltezeit (T_D) des Reglers und wirken damit unmittelbar auf das Regelverhalten des Reglers. Die Wirkung der einzelnen Regelparameter wird in folgendem Abschnitt erläutert.

   

4. Reglerausgang (Controller Output) – dieser Bereich gruppiert alle Einstellungen zum Ausgang des Reglers. Control Value Output gibt den Ausgangswert des PID Algorithmus zurück, der auf den gesteuerten Prozess angewendet werden muss. D.h. bei einer Temperaturregelung wäre dieser Wert die Heizleistung die vom Heizer erzeugt werden muss. Tragen Sie in das Feld den Namen einer Variablen ein, die dann den ausgegebenen Wert speichern kann oder verwenden Sie einen Prozessdatenbezeichner um direkt die Prozessdaten eines Gerätes zu schreiben.

   

   Mit den Parametern U_max und U_min begrenzen Sie den Wertebereich des Reglerausganges. Wenn Sie z.B. über einen analogen Ausgang von 0 – 5 V die Heizleistung steuern, dann geben Sie für U_minden Wert 0 und für U_maxden Wert 5 ein. Sollte der Regelalgorithmus Werte erzeugen, die außerhalb des Bereiches liegen, werden diese automatisch auf den Bereich begrenzt.

Tipp

Sie können die PID Reglerfunktion auch verwenden, um eine P, PI oder PD Regler zu realisieren, indem Sie die entsprechenden nicht benötigten Verstärkungsfaktoren auf 0 setzen.

PID-Regelparameter

Ein PID-Regelparametersatz besteht aus einem Proportional-, einem Integrier- und einem Differenzieranteil.

Proportionalanteil

Der Proportionalanteil (K-Anteil) bildet aus dem Sollwert (W) und dem Istwert (X) die Regelabweichung,

multipliziert diese mit der Proportionalverstärkung K und gibt den errechneten Wert als Stellgröße (Y) auf die Regelstrecke aus. Der Proportionalanteil folgt somit folgender Gleichung.

Integrieranteil

Der Integrieranteil (I-Anteil) bildet mathematisch die Fläche, welche von Regelabweichung und Zeit teingeschlossen wird. Liegt eine konstante Regelabweichung vor, wird der I-Anteil rampenförmig hochgefahren.

Für eine gleichbleibende Regelabweichung lautet die Reglergleichung:

• Y_t0: Stellgröße zu Beginn der Betrachtung

• T_i: Integrierzeit

Entspricht der Istwert dem Sollwert verändert sich der Stellwert nicht. Eine durch den I-Anteil aufgebaute Stellgröße bleibt erhalten. Erst wenn der Istwert größer als der Sollwert wird, wird der I-Anteil abgebaut. Bei Strecken mit Verzug (z.B. Temperaturregelstrecke) sorgt der I-Anteil dafür, dass eine bleibende Regelabweichung ausgeregelt wird. Ein Proportionalregler allein ist dazu nicht im Stande. Allgemein gilt für den I-Anteil folgende Gleichung:

Mit der Nachstellzeit T_I kann die Geschwindigkeit des I-Anteils verändert werden. Je kleiner T_I desto schneller baut der Integrieranteil seine Stellgröße auf. Aus der Gleichung geht hervor, dass auch die Proportionalverstärkung K auf den I-Anteil wirkt. In CETONI Elements können sie den I-Anteil nur in Verbindung mit einem Proportionalanteil konfigurieren (PI-Regler). Die Reglergleichung besteht somit immer aus der Summe von K- und I-Anteil.

Wichtig

Der Integrieranteil ist für das Ausregeln einer bleibenden Regelabweichung verantwortlich.

Differenzieranteil

Der Differenzieranteil (D-Anteil) reagiert auf Änderungen des Istwertes und wirkt diesen entgegen. Zwei Situationen können bezüglich der Wirkung des D-Anteils betrachtet werden:

• In einem Regelkreis hat der Istwert einen stabilen Endwert erreicht. Auf Grund einer Störung wird der Istwert geringer. Nun liefert der D-Anteil einen zusätzlichen positiven Stellwertanteil, welcher hilft, den Istwert wieder in Richtung größerer Werte zu bringen.

• Erfolgt eine Sollwerterhöhung, wird in einem Regelkreis der Istwert ebenfalls größer werden. Der D-Anteil erkennt den steigenden Istwert und bremst durch einen negativen Stellwertanteil das Anfahren des Istwertes auf den neuen Endwert.

Der D-Anteil tritt in der Praxis nur in Verbindung mit einem K-Anteil auf. Die Reglergleichung lautet.

Je größer die Proportionalverstärkung K und die Vorhaltezeit T_D, desto stärker wirkt der D-Anteil und desto stärker wird der Änderung der Istgröße entgegengewirkt (gedämpft).

Zusammenfassung

Die folgende Tabelle fast die Wirkung der einzelnen Regelparameter zusammen.

PID-Parameter	Ausregeln einer Störung der Regelstrecke (Störverhalten)	Anfahren des Sollwerts (Führungsverhalten)
K größer	stärkere Reaktion (schwächer gedämpft)	schnelleres Anfahren
K kleiner	schwächerer Reaktion (stärker gedämpft)	langsameres Anfahren
TI größer	schwächere Reaktion, im Allgemeinen zeigt der I-Anteil nur eine geringe Reaktion, gerade auf kurzzeitige Störungen	langsameres Anfahren und Ausregeln der bleibenden Regelabweichung bei Verzugsstrecken
TI kleiner	stärkere Reaktion, im Allgemeinen zeigt der I-Anteil nur eine geringe Reaktion, gerade auf kurzzeitige Störungen	schnelleres Anfahren und Ausregeln der bleibenden Regelabweichung bei Verzugsstrecken (Überschwingen, wenn TI zu klein)
TD größer	stärkere Reaktion	langsameres Anfahren (stärkere Wirkung gegen Istwertänderung)
TD kleiner	schwächere Reaktion	schnelleres Anfahren (geringere Wirkung gegen Istwertänderung)

Programmierung des Regelkreises

Dieser Abschnitt zeigt Ihnen, wie Sie mit Hilfe der PID Regler Funktion einen PID Regler in einem Scriptprogramm realisieren.

Um einen Regelkreis zu realisieren, gehen Sie wie folgt vor:

1. Der Regler muss zyklisch in einem festen Zeitintervall aufgerufen werden. Dafür verwenden Sie eine Schleife. In diesem Fall verwenden Sie eine Conditional Loop mit der Schleifenbedingung 1 - also eine Schleife die endlos läuft und nie abbricht, außer der Anwender stoppt das Scriptprogramm.

2. Nun erzeugen Sie eine PID Regler Funktion innerhalb der Schleife und konfigurieren alle Parameter.

3. Innerhalb der Schleife wird nun die Verzögerungsfunktion aufgerufen um eine definierte Verzögerungszeit von 200 Millisekunden einzufügen. Diese Zeit legt damit die Häufigkeit fest, mit der der Regelalgorithmus aufgerufen wird und damit das dt welches im Algorithmus bei der Berechnung der Regelparameter verwendet wird.

Damit haben Sie einen einfachen Regelkreis aufgebaut, der alle 200 Millisekunden die PID Regler Funktion aufruft.

Tipp

Laut Regelungstheorie muss ein Regelungssystem einen physikalischen Prozess mit einer 10 mal höheren Geschwindigkeit abtasten, als die schnellste Zeitkonstante in diesem physikalischen Prozess. Zum Beispiel ist eine Zeitkonstante von 60 s typisch für einen Temperaturregelkreis in einem kleinen System. In diesem Fall ist eine Zykluszeit von etwa 6 s ausreichend. Eine höhere Frequenz führt dann nicht zu einer Verbesserung der Leistung des Reglers.

9.8. Vorgehensweise für die Einstellung von Reglerparametern

9.8.1. Einfacher geschlossener Regelkreis und PID-Reglergleichung

Der Regler (z.B. PID-Regler) und die zu regelnde Strecke (z.B. zu temperierendes System) bilden zusammen ein rückgekoppeltes System, den einfachen geschlossenen Regelkreis. (siehe Abbildung unten)

Ein PID-Regler ermittelt hierbei die Stellgröße u zum Zeitpunkt t₁ nach folgender Gleichung.

Die Stellgröße enthält 3 Anteile.

	Der Proportionalanteil (P-Anteil) bildet mittels des Faktors Kp die direkte Auswirkung des Fehlers auf die Stellgröße.
	Der Integrieranteil (I-Anteil) errechnet die zeitliche Summe des Fehlers und bildet sie mittels Kp und der Zeitkonstanten Ti auf die Stellgröße ab. Je größer Kp und je kleiner Tidesto größer wird der I-Anteil der Stellgröße.
	Der Differenzieranteil (D-Anteil) richtet sich nach den zeitlichen Änderungen des Istwertes und bildet diese über Kp und TD auf die Stellgröße ab.

9.8.2. Vorbereitung der Reglereinstellung in CETONI Elements

Zunächst sollten sie sich den aktuellen Wert und die Stellgröße ihres Regelkanals im Plot des Data-Loggers anzeigen lassen. (siehe Kapitel CSV-Datenlogger) Sie können sich auch den Sollwert anzeigen lassen ❶ . Dies ist nicht unbedingt erforderlich, da sie ihn im Allgemeinen kennen, erleichtert aber die Orientierung im Plot. (siehe Abbildung unten)

Die Einstellung im Bereich Log Interval ❷ hängt von der Änderungshäufigkeit des aktuellen Wertes des Reglerkanals ab. Sie sollten einen brauchbaren Graphen erhalten, wenn sie für Log Interval die gleiche Größe benutzen, die sie für den Wert Sample Time ihres Reglerparametersatzes verwendet haben.

9.8.3. Auswahl des Parameters Sample Time

Der Parameter Sample Time ist definiert als die Zeitdauer zwischen zwei Berechnungen der Stellgröße des Reglers. Je kleiner dieser Wert gewählt wird desto häufiger wird die Stellgröße berechnet. Als Faustformel kann man sich merken, dass Sample Time nicht größer als ein Zehntel der kleinsten im Regelkreis vorkommenden Zeitkonstante sein sollte. Erfahrungsgemäß konnten bei folgenden Geräten mit den angegebenen Zeitkonstanten brauchbare (stabile Regelung) Ergebnisse erzielt werden:

Anwendung	Sample Time (ms)
Qmix Q+	500
Druckregelung mit Nemesys und Qmix p	50

Tipp

Für die Sample Time sollten Werte gewählt werden, die kleiner oder gleich 1/10 der kleinsten im Regelkreis vorkommenden Zeitkonstante sind.

9.8.4. Festlegen der Stellgrößengrenzen

Die minimale (U_min) und maximale (U_max) Stellgröße der CETONI Elements-Regler kann limitiert werden. Die Stellgrößen sollten über einen ausreichenden Hub verfügen, sodass die angestrebten Sollwerte erreicht werden können. Gleichzeitig sollten sie darauf achten, dass ihre Regelstrecke nicht durch zu groß gewählte Grenzwerte beschädigt wird. (z.B. zu hohe Flußrate eines Nemesys Dosiersystems bei Druckregelung führt zur Zerstörung des fluidischen Systems) Dies sollten sie testen, indem sie ihre Regelstrecke mit dem oberen und unteren Limit der Stellgröße beaufschlagen. (z.B. mit Flußrate, die dem Stellgrößenlimit entspricht, dosieren) Weiterhin müssen sie einen Wert wählen, den die Stellgröße annehmen soll, wenn der Reglerkanal deaktiviert (U_disabled) wird (im Allgemeinen Null).

Achtung

Unzureichende Limitierung der Stellgrößen kann zur Beschädigung ihres zu regelnden Systems führen.

9.8.5. Ermittlung von PI-Reglerparametern am Beispiel einer Temperaturregelstrecke

Eine Temperaturregelstrecke ist im Allgemeinen eine Regelstrecke welche eine oder mehrere Verzögerungszeitkonstanten enthält. Häufig kann sie durch eine Verzögerungstrecke 1. Ordnung approximiert werden. Nachfolgend die Sprungantwort einer Verzögerungstrecke 1. Ordnung im Bildbereich.

Ziel der Reglereinstellung ist es, die Streckenzeitkonstante T₁ zu kompensieren und die Reglerverstärkung K_p anzupassen, sodass ein gutes Führungsverhalten des geschlossenen Regelkreises erzielt wird. Da T₁ in der Praxis häufig nicht bekannt ist, kann man sich durch folgendes Verfahren schrittweise einem brauchbaren Ergebnis annähern.

1. Die Werte für Sample Time, U_min, U_max und U_disabled wählen sie entsprechend der Empfehlungen in den vorangegangenen Abschnitten. Die Werte der einzelnen Reglerzeitkonstanten setzen sie zu Null. Hiermit deaktivieren sie den I- und D-Anteil des PID-Reglers. Hieraus folgt eine vereinfachte Reglergleichung.

   \[U = {K_{p} \cdot e}\]

   Wählen sie für den P-Anteil einen moderaten Verstärkungsfaktor. Bedenken sie, dass sich der Fehler der Regelgröße über K_p direkt auf die Stellgröße U auswirkt. Ein zu großer Wert für K_P kann den Regler somit permanent in die Sättigung treiben.

2. Beaufschlagen sie ihren Regelkreis mit einem Sollgrößensprung, zum Beispiel indem sie die Solltemperatur von Raumtemperatur auf 50°C ändern und die Regelung aktivieren. (siehe Abschnitt Sollwert eingeben und Regelung ein- / ausschalten)

3. Bei einer Verzögerungsstrecke 1. Ordnung wird sich der Istwert wie in folgender Abbildung dargestellt verhalten.

   

   In Abhängigkeit von der gewählten Reglerverstärkung K_p wird sich die Istgröße unterschiedlich schnell in die Nähe des Sollwertes begeben. Außerdem wird sich eine bleibende Regelabweichung einstellen. Ein P-Regler ist nämlich nicht in der Lage eine Verzögerungstrecke 1. Ordnung vollständig auszuregeln. Ist K_p zu klein eingestellt, verläuft die Istwertkurve zu flach und es dauert sehr lang, bis sich der Istwert in der Nähe des Sollwertes befindet. (siehe Abbildung oben, Verlauf für K_p = 1) Ein zu großer Wert für K_p führt dagegen zum Überschwingen, gegebenenfalls zu einer Dauerschwingung um den Sollwert. (siehe Abbildung oben, Verlauf für K_p = 1) Im dargestellten Beispiel erreicht der Istwert bei K_p = 3 recht zügig einen stationären Wert ohne überzuschwingen. Aus diesem Grund kann man mit diesem Wert weiterarbeiten.

4. Im nächsten Schritt müssen sie T_i so einstellen, dass die bleibende Regelabweichung verschwindet. Beginnen sie zunächst mit einer großen Zeitkonstanten T_i (kleiner Integrieranteil).

5. Beaufschlagen sie ihren Regelkreis mit einem Sollgrößensprung, zum Beispiel indem sie die Solltemperatur von Raumtemperatur auf 50°C ändern und die Regelung aktivieren. (siehe Abschnitt Sollwert eingeben und Regelung ein- / ausschalten)

6. Sie können die Zeitkonstante T_i verringern, wenn sie die Zeit bis zum dauerhaften Erreichen des Sollwertes verringern möchten. Sie müssen hierbei beachten, dass eine zu klein gewählte Zeitkonstante T_i (großer Integrieranteil) zum Schwingen des Regelkreises führen kann. Im dargestellten Diagramm kann man sehen, dass eine Integrierzeitkonstante von T_i=260s ein gutes Ergebnis liefert. Die Istgröße entspricht der Sollgröße und das System schwingt nicht. Mit T_i = 1000s wird im dargestellten Zeitbereich die Sollgröße überhaupt nicht erreicht. T_i=20s führt zu einem starken Überschwingen des Systems. (siehe Abbildung unten)

   

7. In sehr vielen Fällen (z.B. Temperaturregelung) ist ein PI-Regler vollkommen ausreichend. Im stationären Zustand verbleibt keine Regelabweichung und die Dynamik ist zufriedenstellend. Soll der Regler auch robust gegenüber plötzlich auftretenden Störungen sein, so kann es sinnvoll sein, einen Differenzieranteil einzubeziehen. Die detaillierte Behandlung von Stabilität, Führungs- und Störverhalten der unterschiedlichen Regelkreissysteme würde diese praxisnahe Einführung übersteigen. Deshalb wird an dieser Stelle auf die Regelungstechnikliteratur verwiesen.

   

8. Erstellen Sie nun ein PID Parameter Preset mit den Werten die Sie ermittelt haben und vergeben Sie einen eindeutigen Namen.