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Elektronikproduktion | 30 September 2009

dikon entwickelt vorausschauende Temperaturregelung

Dipl. Ing. Dietmar Goretzki, Entwicklungsleiter der dikon Entwicklungs- und Produktions GmbH, ist es gelungen, ein vorausschauendes Temperatur-Regelungs-Verfahren zu entwickeln. Anders als die klassischen Regler P, PI, PID usw. kann der vorausschauende Regler erkennen, welchen Wert die zu regelnde Temperatur (oder auch eine andere MessgrĂ¶ĂŸe) in einigen Minuten oder Sekunden haben wird.
Die klassischen Regler P, PI, PD und PID (Proportional-Integral-Differential) haben in den letzten Jahrzehnten in vielen Bereichen der Technik fĂŒr etliche messbare GrĂ¶ĂŸen ihren Einsatzort gefunden. Die Anwendungen reichen vom einfachen Regler im Haushalt (z.B. Heizung, Herd) bis hin zu prĂ€zisen Regelungsaufgaben in industriellen Herstellungsverfahren mit reproduzierbaren ProzessablĂ€ufen. Eine Grundeigenschaft dieser Regler aus OperationsverstĂ€rkern, WiderstĂ€nden, Kondensatoren, ... ist es, die Momentanwerte nur direkt fĂŒr den Regelkreis zu verwenden. Anders gesagt, der PID-Regler sieht eigentlich nur die Vergangenheit und den Augenblick, nicht aber, welchen Wert die zu regelnde GrĂ¶ĂŸe 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 mittelstĂ€ndischen Elektronik-Dienstleistungsunternehmen „dikon Entwicklungs- und Produktions GmbH, die Idee und die Grundlagen fĂŒr ein vorausschauendes Temperatur-Regelungs-Verfahren. Es erkennt aus der zu regelnden physikalischen MessgrĂ¶ĂŸe (RegelgrĂ¶ĂŸe) den charakteristischen Verlauf nĂ€herungsweise und realisiert mathematisch eine zeitliche Vorausberechnung der RegelgrĂ¶ĂŸe. Damit weiß der Regler schon im Voraus, auf welchen Wert die RegelgrĂ¶ĂŸe steigt und kann so die StellgrĂ¶ĂŸe rechtzeitig auf den richtigen Wert korrigieren. In der zeitlichen Vorausberechnung der RegelgrĂ¶ĂŸe liegen ein entscheidender Unterschied und Vorteil im Vergleich zum PID-Regler. Die Vorausberechnung ist nicht nur auf die RegelgrĂ¶ĂŸe, sondern auch fĂŒr dynamische andere physikalische GrĂ¶ĂŸen bzw. StörgrĂ¶ĂŸen anwendbar, dessen Messwerte in die Berechnung der StellgrĂ¶ĂŸe anteilig eingehen können. Die praktische Realisierung des vorausschauenden Verfahrens erfolgte im Jahr 2005 in einem SeriengerĂ€t mit einem Temperaturregelkreis. Im Temperaturmessbereich von ca. -10°C...+140°C ermöglicht die vorausschauende Regelung eine StabilitĂ€t von ±0.05°C bei einem Sollwert oberhalb der Raumtemperatur. Nur die GerĂ€teinnentemperatur geht als gemessene StörgrĂ¶ĂŸe in die Regelung ein, nicht aber die in die Heizleistung P=U*I=UÂČ/R quadratisch eingehenden Netzspannungsschwankungen. Auch die effektive Auflösung des ADC (Analog Digital Converter) entscheidet, welche minimalen RegelgrĂ¶ĂŸenĂ€nderungen fĂŒr 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 zurĂŒcknimmt, 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 lĂ€sst sich erkennen, dass das thermische Gleichgewicht des Gesamtsystems erst nach ca. 1.500s erreicht wurde, weil z.B. das GerĂ€tegehĂ€use, physikalisch bedingt durch indirekte ErwĂ€rmung, erst jetzt eine konstante Temperatur erreicht hat. Eine Modifikation des vorausschauenden Reglers fĂŒr andere Anwendungen ist per Hard- und Software realisierbar. Der Reglereinsatz muss nicht auf Temperaturregelungen beschrĂ€nkt bleiben, sondern wĂ€re dann auch fĂŒr andere physikalische MessgrĂ¶ĂŸen verwendbar. Ebenso kann man die Vorausschau eines Messwertes im Allgemeinen in der Messtechnik einsetzen.
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