Regelungstechnik mit Data Stream Management

Die klassischen Wirkungspläne beschreiben lediglich die Signalwege eines isolierten Kreises, während in Wirklichkeit durch die Regelkreise auch Nachrichten, Daten und Informationen fließen. Heutige industrielle Regelkreise sind ohne Steuerung, Mensch-Maschine-Interface und Bussysteme nicht denkbar. Um die Diskrepanz zwischen idealisierten Wirkungsplänen und realen Regelsystemen zu zeigen, ist in diesem Kapitel kurz beschrieben, wie sich die Regelungstechnik historisch entwickelte und wie die industriellen Automatisierungssysteme heute aufgebaut sind. Die Regelkreise sind als Teil des gesamten Automatisierungssystems aus der Sicht der Prozessinformatik analysiert. Verschiedene Arten von Strömen sind betrachtet: Stoff-, Energie-, Informations-, Signal-, Nachrichten- und Datenströme. Es wird gezeigt, welche von diesen Strömen mit klassischen Wirkungsplänen abgebildet sind. Somit wird die Notwendigkeit der Darstellung von Regelkreisen mit Datennetzen begründet.

Kann man einen klassischen Wirkungsplan eines Regelkreises durch eine busähnliche Struktur ersetzen, ohne dabei die Grundlagen der Regelungstechnik zu gefährden? Die positive Antwort auf diese Frage wird in diesem Kapitel gegeben. Die Wirkungspläne, die man auch als Signalflusspläne bezeichnet, werden durch die sogenannten Datenflusspläne ersetzt und somit an den aktuellen Stand der Technik angepasst. Die Datenflusspläne sind nach dem Bus-Approach aufgebaut, einem Konzept, das zum ersten Mal von Zacher (2014) eingeführt wurde. Darunter wird kein technischer Bus als Bündelung einer Vielzahl paralleler Leitungen für Datenübertragung verstanden, sondern ein symbolischer bzw. virtueller Bus. Dabei ergeben sich Vorteile des Datenflussplans gegenüber dem konventionellen Wirkungsplan, besonders bei einer vermaschten Regelung oder Mehrgrößenregelung. Auch die Simulation der mitgekoppelten Regler erfolgt nach dem Busansatz einfacher als nach den Wirkungsplänen. In diesem Kapitel ist der Busansatz ausführlich beschrieben und an Beispielen verdeutlicht. Es wird gezeigt, dass die mathematischen Grundlagen des Regelkreisverhaltens durch den Busansatz nicht betroffen sind. Die Bestimmung von Übertragungsfunktionen des offenen und geschlossenen Kreises ist nach dem Busansatz sogar anschaulicher und einfacher als nach traditionellen Wirkungsplänen. Abschließend werden Übungsaufgaben mit Lösungen gegeben.

Der Übergang von traditionellen Wirkungsplänen zu den in Kap. 2 eingeführten Datenflussplänen bringt mehrere Vorteile mit sich, die in diesem Kapitel anhand von Simulationen verdeutlicht werden. Jedoch werden zuerst die Grundlagen der Simulation von Datenflussplänen an einfachen Beispielen von Regelkreisen mit nur einer einzige Stellgröße gezeigt, obwohl der Einsatz des Buskonzeptes bei solchen einfachen Regelkreisen kaum vorteilhaft gegenüber traditioneller Simulationstechnik mit Wirkungsplänen ist. Die ausführliche Beschreibung der MATLAB^®/Simulink-Bausteine Bus-Creator und Bus-Selector soll dem Einsteiger ermöglichen, diese Busse problemlos auch bei etwas komplizierteren Regelkreisen mit verschachtelten Rückführungen, bei Störgrößenaufschaltung oder bei der Regelung nach optimalen Gewichtskoeffizienten anzuwenden. Danach folgen die Simulationen von Regelkreisen mit mehreren Stellgrößen, bei denen die Vorteile des Buskonzeptes deutlich überwiegen. Das sind die Kaskadenregelung und die redundante Regelung. Besonders überzeugend wirkt der Buseinsatz bei der Mehrgrößenregelung. Abschließend werden Übungsaufgaben angeboten und mit Lösungen begleitet.

Die Automatisierungssysteme sind heute als Netzwerke mit mehreren Reglern hierarchisch nach Client/Server- oder Master/Slave-Strukturen mit Bussen aufgebaut. Um auch die Regelkreise nach ähnlichen Strukturen zu behandeln, wurde im Kap. 2 angeboten, anstelle etablierter Wirkungspläne die Datenflusspläne nach dem sogenannten Bus-Approach zu bilden. Damit werden keine Signalwege eines isolierten Wirkungsplanes, sondern die Datenströme (Data Streams) eines Bussystems betrachtet. Unter einem Bussystem wird kein realer technischer Bus verstanden, sondern ein virtueller Bus, dessen Elemente der Regler und die Strecke sind. In diesem Kapitel wird gezeigt, wie die Datenströme innerhalb des Regelkreises mit dem Data Stream Management verwaltet werden und wie dabei der Regler entworfen und implementiert wird. Dafür wird zuerst der Begriff Data Stream Manager (DSM) definiert. Ein DSM ist ein Baustein mit logischen Operatoren und gewöhnlichen Übertragungsfunktionen, welche die einfache Simulation und Verwaltung von Datenströmen in Regelkreisen ermöglichen. Die DSM sind im Einklang mit dem Konzept „Industrie 4.0“ entwickelt worden, d. h. es werden die „reale Welt“ und die „virtuelle Welt“ sowie die Phasen „Design“ und „Control“ des gesamten Lebenszyklus des Regelkreises einheitlich behandelt.

Die ersten zwei Schritte des Entwurfs eines Regelkreises, nämlich die Identifikation der Regelstrecke und die darauf basierende Reglereinstellung, werden in diesem Kapitel als Module des Data Stream Management (DSM) betrachtet. Mit diesem Begriff ist im Kap. 4 die einheitliche Behandlung von Regelung, Steuerung und Datenübertragung eines Regelsystems bezeichnet. Die klassischen Regelkreise, die im Kap. 2 als Bussysteme dargestellt sind, werden im vorliegenden Kapitel mit DSM „Ident“ für die Streckenidentifikation und DSM „Tuner“ für die Einstellung des Reglers ergänzt. Mit dem DSM „Ident“ werden wie üblich die Testsignale zum Eingang der Regelstrecke als Sprungfunktion eingegeben, die Sprungantworten werden am Ausgang der Regelstrecke aufgenommen und nach klassischen Verfahren (Wendetangenten- und Zeit-Prozentkennwert-Verfahren) verifiziert. Die Ergebnisse der Streckenidentifikation werden weiter zum DSM „Tuner“ übergeben, aus dessen Bezeichnung seine Funktion ersichtlich ist, nämlich die automatische Einstellung von Standardreglern. Darüber hinaus wird in diesem Kapitel ein Adaptive Filter for Identification and Control (AFIC) beschrieben, in dem die Identifikation und der Reglerentwurf mit einem DSM erfolgt. Abschließend werden Übungsaufgaben angeboten und mit Lösungen begleitet.

Wer von Studierenden technischer Hochschulen und Universitäten kennt sie nicht, die Führungs- und Störverhalten eines Regelkreises? Beide Verhalten werden in jedem Lehrbuch der Regelungstechnik ähnlich behandelt, weil die Nennerpolynome von beiden Übertragungsfunktionen (und folglich die dynamischen Verhalten) gleich sind. Der Unterschied besteht nur darin, an welcher Stelle des Regelkreises das Eingangssignal wirkt. Fast alle in der Literatur beschriebenen Entwurfsverfahren beziehen sich auf Führungsverhalten, weil sie auch für Störverhalten (wegen der o. g. gleichen Nennerpolynome) gelten. Es wird erwartet, dass die nach dem Führungsverhalten optimal eingestellten Regler auch beim Störverhalten optimal funktionieren werden, was theoretisch und praktisch nicht der Fall ist. Zwar bleibt der Kreis stabil, jedoch wird die Wirkung von Störgrößen mit anderer Ausregelzeit und ggf. mit einem statischen Fehler beseitigt. Die bekannten Verfahren der Störgrößenunterdrückung sind nur dann wirksam, wenn die Störungen bekannt und messbar sind, was eher selten vorkommt. In diesem Kapitel wird das Störverhalten nach einem neuen Konzept behandelt, wonach ein neues Modul, der sogenannte Data Stream Manager (DSM), entwickelt ist. DSM wird „Terminator“ genannt, weil damit alle Störungen, ohne gemessen zu werden, unabhängig von der Applikationsstelle komplett beseitigt werden. Die neuen DSM sind in diesem Kapitel auch für Führungsverhalten vorgestellt: für Anfahren mit einer Impulsfolge (Overset), mit Begrenzung (Override), mit einem Referenzmodell (Multiset), mit einem Fuzzy-ähnlichen Algorithmus (FFF) sowie der DSM Redundanz für die Umschaltung zwischen zwei Reglern für die redundante Regelung und für die Regelung von nichtstationären bzw. linearen zeitvarianten Strecken (LZV).

Der vom Autor zum ersten Mal 1997 eingeführte Antisystem-Approach (ASA) ist in diesem Kapitel für modellbasierte Regler angewendet. Laut ASA kann man zu jedem beliebigen dynamischen System ein Antisystem bilden, und zwar so, dass bei beliebigen Eingängen von Antisystemen eine Bilanz zwischen beiden Systemen gilt. In Bezug auf Regelkreise wird mit dem Begriff ASA eine Schaltung aus zwei Blöcken (reale Regelstrecke und deren Modell, genannt Schattenstrecke) bezeichnet, die sich gegenseitig kompensieren, ohne dabei die reziproke Übertragungsfunktion der Regelstrecke zu bilden. Somit sind die ASA-Regler frei von Nachteilen der konventionellen Kompensationsregelung. Zu den Vorteilen der ASA-Regelung gehört auch die Möglichkeit, sowohl neue Optionen der modellbasierten Regler zu entwerfen (Vorfilter, Kompensator) als auch neue Regelstrukturen zu bilden, wie Turboregelung, Regelung mit Bypass und ASA-Predictor. Bei der letzteren Option handelt es sich um einen modifizierten Smith-Predictor für die modellbasierte Regelung der Strecken mit Totzeit. Zu jeder Option wurde ein entsprechender Data Stream Manager entwickelt und mit MATLAB^®/Simulink-Beispielen verdeutlicht. Abschließend werden Übungsaufgaben angeboten und mit Lösungen begleitet.

An einem realen Beispiel einer regionalen Abwasserpumpanlage, die aus 7 Pumpwerken besteht, ist die Anwendung des Data Stream Managements beschrieben. Das Ziel dieses Kapitels ist es, einen Entwurf einer entkoppelten Mehrgrößenregelung mit n = 7 Regelgrößen zu erstellen. Der Entwurf fängt mit der Bildung von Datenflussplänen nach dem Bus-Approach (Kap. 2) an. Das Data Stream Management (Kap. 4) besteht aus den in den vorherigen Kapiteln entwickelten Modulen. Das sind die DSM Ident (Identifizierung), Tuner (Reglereinstellung), Router (Entkopplung). Um den gesamten Datenfluss zwischen Systemteilen (reale Welt bzw. die Abwasserpumpanlage, Zentralwarte und virtuelle Welt bzw. das simulierte Mehrgrößensystem) anzusteuern, sind noch zwei DSM-Module nötig, nämlich Bus-Konfigurator und Koordinator. Als Ergebnis entsteht eine perfekt entkoppelte optimale Mehrgrößenregelung (siehe Kap. 8). Auch die mit GUIDE MATLAB^® visualisierte Bedienoberfläche zur manuellen Angabe der gewünschten Typen von Standardreglern wird kurz beschrieben.