Vorausschauende Temperaturregelung dikon demonstriert vorausschauendes Regelsystem für Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur

Dietmar Goretzki, Entwicklungsleiter beim Elektronikdienstleister dikon hat ein vorausschauendes Temperatur-Regelungs-Verfahren entwickelt. Anders als die klassischen P-, PI- oder PID-Regler erkennt der vorausschauende Regler, welchen Wert die zu regelnde Temperatur (oder eine andere Messgröße) in einigen Minuten oder Sekunden haben wird. Auf der productronica wird das neuartige Verfahren demonstriert: Halle A1/527.

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dikon Elektronik & IT GmbH

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 und 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, jedoch nicht, welchen Wert die zu regelnde Größe in einigen Sekunden oder Minuten haben wird. Ein PID-Regler kann das nicht, sondern nur ein vorausschauender Regler, der dazu den Momentanwertverlauf analysiert.

Bereits Mitte der 80er Jahre entstanden die Idee und Grundlagen für ein vorausschauendes Temperatur-Regelungs-Verfahren. Dieses Verfahren erkennt aus der zu regelnden physikalischen Messgröße (Regelgröße) den charakteristischen Verlauf näherungsweise und realisiert mathematisch eine zeitliche Vorausberechnung der Regelgröße.

Regler kann Stellgröße rechtzeitig korrigieren

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 der 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 bis 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 Diagramm zeigt, dass der vorausschauende Regler schon 2.6°C vor 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.

Regler lässt sich via Hard- und Software modifizieren

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 Beschreibung der vorausschauenden Temperaturregelung von Dietmar Goretzki lesen Sie hier.

Der mittelständische Elektronikdienstleister dikon stellt den neuartigen Temperaturregler auf der productronica vom 10. bis 13. November 2009 in München vor.

*Dipl.-Ing. Dietmar Goretzki ist Entwicklungsleiter bei der dikon Entwicklungs- und Produktions GmbH in Göttingen.

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