DE19842565A1

DE19842565A1 - Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen

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Publication number: DE19842565A1
Application number: DE19842565A
Authority: DE
Inventors: Markus Lauzi
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: DE19842565B4

Abstract

Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen für die mengenvariable Förderung von Flüssigkeiten in Rohrleitungssystemen, wobei ein Mikroprozessorsystem beim Aktivieren oder Deaktivieren einer oder mehrerer Regelpumpen das regelungstechnische Verhalten des Rohrleitungssystems ermittelt und innerhalb vorgegebener Grenzwerte eine Anpassung der Reglerparameter automatisch vornimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen für die mengenvariable Förderung von Flüssigkei ten in Rohrleitungssystemen, wobei auf der Druckseite der Pumpenanordnung ein Drucksensor zur Erfassung des Förderdruckes angeordnet ist und ein Mikroprozes sorsystem in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors durch eine stufenlose Beein flussung der Drehzahl von mindestens einer Kreiselpumpe den Förderdruck der Pum penanordnung regelt.

Durch die DE-A-27 56 916 ist eine Anordnung parallel betriebener Kreiselpumpen be kannt, mit der ein bedarfsabhängiges Regeln einer Fördermenge erfolgt. Solche Pum penanordnungen von Kreiselpumpen finden sich in den verschiedensten Rohrleitungs systemen, bei denen ein bestimmter Förderdruck aufrechterhalten werden soll. Die vor bekannte Lösung sieht hierzu eine einzelne drehzahlvariable Kreiselpumpe vor. Diese ist bei schwankender Abnahme einer Fördermenge, hier als Bedarfsschwankung be zeichnet, in Verbindung mit einem linearen PID-Regler und einem Frequenzumrichter als Regelpumpe für die Aufrechterhaltung eines Förderdruckes verantwortlich. Bei Än derung des Förderbedarfs, der außerhalb des Leistungsbereiches dieser drehzahlva riablen Regelpumpe liegt, werden bei Unterdruck Zusatzpumpen zugeschaltet und bei Überdruck abgeschaltet. Diese laufen mit gleichbleibender Drehzahl und liefern bei gleichen Druckverhältnissen eine konstante Fördermenge.

Kritisch ist bei solchen Pumpenanordnungen der Umschaltpunkt, an dem eine weitere Pumpe zugeschaltet oder eine überzählige Pumpe abgeschaltet wird. Die vor dem Zeitpunkt des Schaltens einer zusätzlichen Pumpe im Betrieb befindlichen Pumpen, nachfolgend als Regelpumpen bezeichnet, werden zum Zeitpunkt des Schaltens einer Kreiselpumpe auch gleichzeitig im Betriebsbereich umgeschaltet. Dem müßte eigentlich auf Seiten der Reglereinstellung Rechnung getragen werden, indem die Reglercharak teristik durch veränderte Parameter an eine neue Situation anpaßbar ist. Hierzu ist im allgemeinen eine genaue Kenntnis der Anlagenbedingungen notwendig. Üblicherweise stellen die von einem Hersteller eingestellten Standardwerte von Reglerparametern einen Kompromiß dar, welcher für eine große Klasse von Anwendungen ein vom Nutzer akzeptables Betriebsverhalten gewährleistet.

In vielen Fällen kommt bei der stufenlosen Druckregelung mit Hilfe drehzahlvariabler Regelpumpen ein Mikroprozessorsystem mit einem lineareren PID-Regler zum Einsatz. Für das Stabilitätsverhalten eines Druckregelkreises sehr wesentlich ist eine günstige Wahl der Reglerparameter in Form des Verstärkungsfaktors k_P, der Nachstellzeit T_N und der Vorhaltezeit T_V des PID-Reglers. Ebenfalls einen wichtigen Einfluß hat die Ab tastzeit T₀ für das Mikroprozessorsystem, diese wird aber meist vom Hersteller eines Pumpenregelsystems fest eingestellt.

Falsche Vorgaben für die verschiedenen Reglerparameter können zur Folge haben, daß der Druckregelkreis entweder ein schnelles, aber instabiles oder ein stabiles, aber langsames Verhalten im regelungstechnischen Sinne zeigt. Beide Extremfälle sind un erwünscht und können durch daraus resultierende Druckschwingungen oder durch die bei Schaltvorgängen auftretenden Druckstöße zu einem erhöhten mechanischen Ver schleiß an den Pumpenaggregaten und zu Schäden in einem angeschlossenen Rohr leitungssystem führen.

Bei einem im regelungstechnischen Sinne schnellen Verhalten des Druckregelkreises folgt die Regelgröße des Förderdruckes p_ist sehr schnell einer Änderung der Füh rungsgröße p_soll . Außerdem wird der Einfluß von Störgrößen rasch kompensiert. Als re gelungstechnische Störgrößen treten Schwankungen beim Fördermengenbedarf q_ist und dem saugseitigen Druck, nachfolgend als Vordruck p_vor bezeichnet, in Erschei nung. Ein Regelsystem mit schnellem Verhalten neigt zu Instabilität, was sich in starken Schwingungen des Förderdruckes p_ist äußern kann. Dieses kritische Verhalten zeigt sich vor allem bei geringem Fördermengenbedarf q_ist ≈ 0. Dieser Betriebspunkt ist auch unter dem Begriff Mindermengenbedarf q_min bekannt und findet im folgenden Ver wendung.

Eine Veränderung der Reglerparameter kann dazu führen, daß weder bei Mindermen genbedarf q_min noch in einem anderen Betriebsbereich Schwingungen der Regelgröße p_ist auftreten. Allerdings verlangsamt sich dann möglicherweise das Verhalten des Druckregelkreises so sehr, daß die Störgrößen eines schwankenden Fördermengen bedarfs q_ist oder eines Vordruckes P_vor nicht mehr hinreichend schnell ausgeregelt werden können. Dieser Effekt kann zu einem kurzzeitigen starken Druckabfall oder einem hohen Überdruck auf der Druckseite der Pumpenanordnung führen.

Zentrales Optimierungsproblem ist also das Auffinden einer geeigneten Einstellung der Reglerparameter, die ein Auftreten der beschriebenen Probleme verhindert. Eine solche Einstellung ändert sich jedoch aufgrund von Nichtlinearitäten im Systemver halten sehr stark mit dem jeweiligen Betriebspunkt der Pumpenanordnung. So zeigt beispielsweise eine auf Mindermengenbedarf optimierte Wahl der Reglerparameter ein deutlich schlechteres Regelverhalten bei einem höheren Fördermengenbedarf. Auch eine bauliche Modifikation, die im angeschlossenen Rohrleitungssystem nach Inbe triebnahme der Pumpenanordnung erfolgt, kann das Regelverhalten negativ beeinflus sen. Eine ursprünglich nahezu optimale Parameterwahl erweist sich häufig nach einer solchen Änderung des Rohrleitungssystems als schlecht und muß erneut manuell an gepaßt werden.

Aus dem Buch "Digitale Regelsysteme" von Rolf Isermann, Band II, Springer-Verlag Berlin u. a., 1987, sind rechnergestützte Methoden für adaptive Regelungen vorbe kannt. Sie basieren überwiegend auf numerischen Parameterschätzalgorithmen, welche von einer hinreichenden externen Anregung des zu regelnden Systems bzw. der Regelstrecke abhängig sind. Dies geschieht durch Aufschaltung spezieller Test signale am geschlossenen oder offenen Regelkreis, die dann aber als zusätzliche Stör größen in Erscheinung treten. Da von einem Druckregelkreis einer Pumpen-Anordnung auch bei einer weiten Schwankungsbreite des Fördermengenbedarfs q_ist oder des Vordruckes p_vor ein gleichbleibend gutes Regelverhalten erwartet wird, ist eine zusätzliche merkliche Störung durch Testsignale nicht hinnehmbar.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, für eine Druckregelung mit PID-Reg ler ohne zusätzliche Sensorik eine Möglichkeit zu entwickeln, mit der in einem großen Betriebsbereich ein schwingungsfreies und hinreichend schnelles Regelverhalten sichergestellt wird.

Die Lösung dieses Problems erfolgt mit den Merkmalen von Anspruch 1 und sieht vor, daß bei einem Aktivierungs- und/oder Deaktivierungsvorgang einer oder mehrerer der Regelpumpen während einer zeitlichen Adaptionsphase von der Dauer (T_A) das Mikroprozessorsystem den Zeitverlauf der von ihm gebildeten Stellgröße des Dreh zahlsollwertes (n_m) aller M aktiven drehzahlvariablen Regelpumpen und des daraus re sultierenden und mit Hilfe eines Drucksensors erfassten Zeitverlaufes des Förder drucks (p_ist) ermittelt, daß das Mikroprozessorsystem aus den Zeitverläufen von Stell größe (n_m) und Regelgröße (p_ist) Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke errechnet und daß das Mikroprozessorsystem aus den Kenngrößen Parameter eines Reglers ermittelt und einstellt.

Damit wird der Betriebsbereich einer Pumpenanordnung nicht mehr durch die Stabili tätsgrenzen der Regelung festgelegt. Vielmehr wird der Betriebsbereich nur noch durch weitergehende Forderungen wie beispielsweise nach einem gutem Saugverhalten und/oder einem hohen Wirkungsgrad der Pumpenanordnung bestimmt.

Der wesentliche Vorteil dieser Lösung besteht in der positiven Verwertung der als störend und negativ empfundenen physikalischen Effekte. Dies bezieht sich vor allem auf die beim Schalten von Regelpumpen auftretenden Druckstöße. Auf ein Druck regelsystem wirkt sich jegliche Veränderung der Anzahl aktiver Pumpen als Störung aus. Diese störenden Effekte dauern im allgemeinen weniger als eine Sekunde, sie lassen sich jedoch meßtechnisch sehr einfach erfassen und mit Hilfe eines Mikropro zessorsystems informationstechnisch auswerten. Durch die erfindungsgemäße auto matische Optimierung der Reglerparameter wird die Häufigkeit des Aktivierens oder Deaktivierens von Förderpumpen über einen längeren Zeitraum erheblich minimiert, was in gleichem Maße für die damit einhergehenden Druckstöße gilt. Außerdem wird das Auftreten von Druckschwingungen durch fehleingestellte Reglerparameter verhin dert.

Veränderungen des Betriebsbereiches werden vom Mikroprozessorsystem während einer Adaptionsphase der Zeitdauer T_A durch eine Ermittlung der Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke erkannt und anschließend durch eine für den jeweiligen Fall passende Bewertung oder Veränderung der Reglerparameter ausgeglichen. Dies erfolgt zu einem Zeitpunkt, der für das Regelsystem ohne zusätz lichen störenden Einfluß ist. Denn innerhalb der Adaptionsphase der Zeitdauer T_A ist durch den Schaltvorgang der Regelpumpen die Regelgröße Förderdruck p_ist ohnehin dem störenden physikalischen Effekt eines Druckstoßes unterworfen. Die Adap tionsphase, die erfindungsgemäß ereignisgesteuert durch das Schalten von Förder pumpen gestartet wird, endet mit dem Ablauf der Zeitspanne T_A. Eine weitere Adap tionsphase wird erst durch ein späteres Schaltereignis erneut gestartet.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine zeitliche Dauer (T_A) der Adap tionsphase der Reglerparameter dem vielfachen Wert einer Abtastzeitkonstanten (T₀) des Mikroprozessorsystems entspricht.

Üblicherweise speichert ein Hersteller für den Betrieb eines Pumpenregelsystems in das Mikroprozessorsystem eine feste Vorgabe der Abtastzeitkonstanten T₀ ein. Diese liegt bei einer typischen Pumpenanordnung meist in der Größenordnung von 0,01 bis 0,5 Sekunden. Falsche Werte verschlechtern das Regelverhalten eines Druckregel kreises deutlich. Eine zu geringe Abtastzeit erfordert eine höhere Leistung des Mikro prozessorsystems, erbringt jedoch aufgrund mechanischer und hydraulischer Träg heiten der Pumpenanordnung sowie einer meist vorhandenen Stromanstiegsbe grenzung im eingesetzten Frequenzumrichter keinerlei Vorteile. Außerdem gefährdet die Wahl einer zu kurzen Abtastzeit eine ordnungsgemäße Funktion der Parameter anpassung. Für Wasserversorgungsanlagen hat sich eine Abtastzeit im Bereich von T₀ = 0,05 Sekunden als vorteilhaft erwiesen.

Gemäß den Ansprüchen 3 und 4 werden aus der sich aus den Drehzahlsollwerten aller M aktivierten drehzahlvariablen Regelpumpen zusammengesetzten Stellgröße u(ν) und dem daraus resultierenden und mit Hilfe eines standardmäßig vorhandenen Drucksensors gemessenen Zeitverlauf der Regelgröße p_ist die Kenngrößen Strecken verstärkung k_S und Streckenzeitkonstante T_S des hydraulischen Systems im offenen Regelkreis für ein mathematisches Modell in der Struktur eines PT_N -Gliedes ermittelt. Der einfachste Spezialfall eines solchen Gliedes wird als PT₁-Glied bezeichnet und ist auch vorbekannt als verzögerndes Glied erster Ordnung. Die mathematische Be schreibung im Laplacebereich erfolgt durch eine komplexwertige Übertragungsfunktion gemäß Formel (1):

Aus den Kenngrößen k_S und T_S und der Abtastzeit T₀ können mit Hilfe der drei Einstell regeln (2a) die Parameter k_p, T_N und T_V eines PID-Reglers errechnet werden:

k_p = f₁(k_S, T_S, T₀) T_N = f₂(k_S, T_S, T₀) T_V = f₃(k_S, T_S, T₀) (2a)

Die Funktionale f₁, f₂ und f₃ werden vom Hersteller der Pumpenanordnung fest vorge geben. In einer sehr einfachen Ausführung gemäß (2b) lassen sich anstelle dieser Funktionale einfache multiplikative Verknüpfungen mit den Parametern a, b und c an setzen, für die sich beispielsweise a = 0.2, b = 0.5, c = 0.05 wählen läßt, in weiteren Fällen können auch andere nicht-negative Werte erforderlich sein.

Ein Betreiber oder Hersteller einer geregelten Pumpenanlage gibt dem Regelsystem eine Grundeinstellung für verschiedene Parameter fest vor. Neben einer Wahl für die Abtastzeitkonstante T₀ müssen zusätzlich lediglich die nachfolgend aufgeführten 11 Parameter eingegeben werden. Sie gelten für eine große Klasse typischer Pumpen anordnungen und sind nur bedingt anlagenspezifisch. Unter den üblichen Betriebs zuständen bleiben sie über die gesamte Lebensdauer einer Pumpenanordnung unver ändert:

- Eine Vorgabe der Adaptionsdauer T_A für das Mikroprozessorsystem. Dieser Wert bestimmt die zeitliche Länge eines Adaptionszyklusses für die Reglerparameter. Er kann in der Größenordnung von 0,2 bis 10 Sekunden gewählt werden und sollte etwa dem zwanzigfachen Wert der Abtastzeitkonstanten T₀ entsprechen.
- Eine Standardeinstellung τ zur Kompensation einer Totzeit T_t des Regelsystems. Diese wird beispielsweise durch die Trägheit der Förderpumpen oder durch zeitliche Verzögerungen, bedingt durch einen Stern-Dreieck-Anlauf für die elektrischen Antriebsmaschinen beeinflußt. Eine übliche Vorgabe für den Wert der kompensa torischen Totzeit ist τ = 0,2 Sekunden.
- Eine Standardeinstellung k_P*, T_N* und T_V* für die Reglerparameter k_P, T_N und T_V. Übliche Werte hierfür sind k_P* = 1.0, T_N* = 0,5 Sekunden und T_V* = 0,05 Sekunden bei einer Abtastzeitkonstanten T₀ = 0,05 Sekunden.
- Eine untere und obere Grenze k_PU bzw. k_PO des zulässigen Wertebereiches für eine Adaption der Reglerverstärkung k_P. Ein zulässiger Bereich für k_P liegt bei einer typi schen Pumpenanordnung meist in der Größenordnung von 0,1 bis 10.
- Eine untere und obere Grenze T_NU bzw. T_NO des zulässigen Wertebereiches für eine Adaption der Nachstellzeit T_N. Ein zulässiger Bereich für T_N liegt meist in der Größenordnung von 0,1 bis 10 Sekunden.
- Eine untere und obere Grenze T_VU bzw. T_VO des zulässigen Wertebereiches für eine Adaption der Vorhaltezeit T_V. Ein zulässiger Bereich für T_V liegt meist in der Größen ordnung von 0 bis 2 Sekunden.

Mit Hilfe solcher Standardeinstellungen für die zu ermittelnden Reglerparameter kann das Mikroprozessorsystem programmgesteuert eigenständig seine Reglerparameter optimieren. Die Vorgabe der angesprochenen Parameter bzw. die Eingabe der dafür notwendigen Daten in das Mikroprozessorsystem kann beispielsweise in einfachster Weise mit Hilfe von Eingabemitteln wie Tastatur, Display oder einer Kombination aus Tastatur und Display erfolgen, die eine Kommunikation mit dem Mikroprozessor er möglicht. Ebenso wäre es möglich, durch Schaltelemente oder über ein Bus-System entsprechende Werte in das Mikroprozessorsystem einzuspeichern.

Ein Hersteller oder Nutzer kann die Pumpenanordnung in den unterschiedlichsten Rohrleitungssystemen einsetzen. Die drei Reglerparameter k_P, T_V und T_N erhalten somit für den jeweiligen Einsatzfall lediglich eine sehr grobe Grundeinstellung durch die Vorgabe einer Standardeinstellung k_P*, T_V* und T_N*. Diese liegt bereits beim ersten Einschalten des Mikroprozessorsystems während der Inbetriebnahme der Pumpen anordnung vor.

Als Startwerte für eine Parameterschätzung zum Zeitpunkt t = 0 werden entweder die im vorangegangenen Schätzzyklus zuletzt ermittelten Werte genutzt oder beispiels weise in Umkehrung der Formeln (2b) die aus den vordefinierten Standardwerten k_P* und T_N* errechneten Streckenparameter entsprechend Formel (3) gesetzt:

Das Mikroprozessorsystem erkennt mit einer Instanz zur Adaptionsüberwachung die Unzulässigkeit von Reglerparametern, wenn deren Werte außerhalb definierter Be reiche liegen. Solche Bereiche sind durch die Vorgabe der unteren und oberen Grenz werte für den jeweiligen Reglerparameter durch den Hersteller oder Nutzer der Pum penanordnung spezifiziert. Ermittelt das Adaptionsverfahren unzulässige Reglerpara meter, werden die zuletzt errechneten Reglerparameter durch das Mikroprozessor system gelöscht und im nächsten Rechenschritt auf die vordefinierten Standardwerte k_P*, T_V* und T_N* rückgesetzt. Dies geschieht auch in einer Initialisierungsphase beim erstmaligen Einschalten des Mikroprozessorsystems. In allen anderen Fällen startet ein neuer Adaptionszyklus mit den Werten, die im vorangegangenen Zyklus zuletzt ermit telt wurden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Mikroprozessorsystem bei Vorliegen mehrerer Stellgrößen n_m als Eingangsgröße für die Identifikationsinstanz ein zusammengesetztes Stellsignal u(ν) verwendet, wobei in die Formel (4)

neben den Solldrehzahlen n₁(ν) bis n_M(ν) der drehzahlvariablen Regelpumpen auch deren festgelegte Mindestdrehzahlen n_1,min bis n_m,min eingehen. Alle Drehzahlsollwerte n₁(ν) bis n_M(ν) sind prozentual auf ihre jeweiligen Maximalwerte n_1,max bis n_m,max be zogen und deshalb mit dem Faktor 100 gewichtet.

Als erste Eingangsgröße eines Rechenverfahrens zur Bestimmung der Streckenpara meter k_S und T_S wird erfindungsgemäß ein Stellsignal u(ν) genutzt, als zweite Ein gangsgröße y(ν) die auf Änderungen von u(ν) reagierende Regelgröße des Förder druckes p_ist(t). Diese wird mit Hilfe eines Drucksensors mit nachfolgendem Abtast- Halteglied gemessen und durch einen Analog-Digitalwandler umgeformt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei einem vom Drucksensor ermittelten Unterdruck im Rohrleitungssystem vor der Aktivierung einer zusätzlichen Pumpe alle M bereits in Betrieb befindlichen drehzahlvariablen Regelpumpen vom PID- Regler getrennt und für die Zeitdauer des Umschaltvorganges auf einer gesteuerten Zeitrampe in ihrer Drehzahl abgesenkt werden und daß die Aktivierung einer zu sätzlichen Regelpumpe nach Ablauf eines Teils der Dauer von (T_A) erfolgt und nach Ablauf der Gesamtdauer (T_A) alle drehzahlvariablen Regelpumpen an den Regler übergeben werden. Diese Lösung verlängert zwar die Dauer der durch das Schalten von Regelpumpen ausgelösten Druckstöße, erzielt jedoch gleichzeitig eine Verbesse rung in Form einer Verringerung der Druckstoßintensität.

Mit Beginn dieses gesteuerten Betriebes startet ein neuer Zyklus für die Parameter schätzung der Gesamtdauer T_A. Innerhalb dieses Zeitintervalls werden die Streckenpa rameter k_S bzw. T_S mit Hilfe eines Identifikationsverfahrens ermittelt. Nach Ablauf der Zeitdauer T_A werden daraus mit Hilfe der Formeln (2) die entsprechenden Regler parameter k_P, T_N bzw. T_V vom Mikroprozessorsystem errechnet und festgehalten. Unmittelbar im Anschluß daran wird der Regelkreis mit diesen neuen Reglerparametern wieder geschlossen.

In analoger Weise kann nach einer Ausgestaltung gemäß dem Anspruch 12 bei Über druck vor der Deaktivierung einer überzähligen Regelpumpe eine gesteuerte Anhebung der Drehzahl durch eine Zeitrampe der Dauer T_A erfolgen, wobei auch während dieses Zeitabschnitts neben der Pumpendeaktivierung eine Parameterschätzung durchgeführt wird.

Die in Anspruch 13 beschriebene Ausgestaltung der Erfindung sieht in denjenigen Fällen, wo eine Parameterschätzung aufgrund physikalisch bedingter starker zeitlicher Verschiebungen T_t zwischen den Signalen u(ν) und y(ν) scheitert, die Berücksichtigung eines zeitlichen Versatzes zwischen diesen Signalen in Form einer kompensatorischen Totzeit τ vor. Physikalisch bedingte Verschiebungen können durch das Vorhandensein eines Stern-Dreieck-Anlaufes für die elektrischen Antriebsmaschinen, durch ein Zeitrelais oder durch die mechanische Trägheit der Förderpumpen verursacht sein. Die kompensatorische Totzeit τ wird vom Hersteller oder Betreiber der Anlage nach Erfahrungswerten fest vorgegeben. Sie kompensiert die durch die Anlagengege benheiten bedingte verzögerte Reaktion des Förderdrucksignals y(ν), indem das Stell signal u(ν) zeitlich um diese kompensatorische Totzeit τ verzögert dem Parameter schätz-Algorithmus übergeben wird, so daß dieser mit den zusammengehörenden, aber zeitlich zueinander versetzten Wertepaaren [u(ν-τ), y(ν)] arbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 eine Anlagenskizze einer typischen Pumpenanordnung mit zugehöriger Regelanlage, die

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur inneren Struktur eines Parameter-Schätzverfahrens und die

Fig. 3 bis 5 Diagramme, in denen die Signalverläufe für das Regelverhalten und die Parameteradaption der Pumpenanordnung dargestellt sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Pumpenanordnung besteht aus drei parallel arbeitenden Krei selpumpen 11 bzw. 21, die ein Fluid, z. B. Wasser, in einem Rohrleitungssystem von einem gemeinsamen Zufluß 8 über einen gemeinsamen Abfluß 9 zu einem oder mehreren - hier nicht dargestellten - Verbrauchern fördern. Der Zufluß 8 befindet sich auf der Saugseite der Pumpenanordnung und der Abfluß 9 auf der Druckseite. Dabei ist mindestens eine der eingesetzten Kreiselpumpen mit Hilfe eines Frequenzumrich ters 12 drehzahlvariabel ausgebildet. Die dargestellte Konfiguration besteht aus einer drehzahlvariablen Kreiselpumpe 11, einem zugehörigen Frequenzumrichter 12 und zwei weiteren über Schütze 22 am Stromnetz 23 schaltbaren Kreiselpumpen 21. An stelle der schaltbaren Pumpen 21 können auch weitere drehzahlvariable Pumpen 11 mit zugehörigen Frequenzumrichtern 12 eingesetzt werden. Alle zu einem gegebenen Zeitpunkt bei laufendem Betrieb aktivierten Pumpen werden nachfolgend als Regel pumpen bezeichnet.

Zur Verhinderung von Rückströmungen sind die Kreiselpumpen mit Rückschlagklappen 6 ausgerüstet. Verzichtet wurde auf die Darstellung von manuellen Absperr-Armaturen, die häufig noch an den Anschlußstutzen der Pumpen vorgesehen sind, um im Servicefall, beim Ausbau einer Kreiselpumpe, nach einem vollständigen Schließen den Austritt des Fördermediums verhindern.

Grau hinterlegt ist ein Mikroprozessorsystem 4 dargestellt, welches fortlaufend den auf der Druckseite der Kreiselpumpen 11, 21 herrschenden Fluiddruck mit Hilfe eines Drucksensors 5 ermittelt. Zur strömungstechnischen Minimierung von auftretenden Druckstößen bei Schaltvorgängen kann auf Seiten des Rohrleitungssystems ein Druck ausgleichsbehälter 3 angebracht sein.

In dem Mikroprozessorsystem 4 steuert eine Koordinationsinstanz 49 das Zusam menwirken aller Teilfunktionen 40 bis 412. Um die Übersichtlichkeit der Darstellung in Fig. 1 zu gewährleisten, sind nur die Signalpfade zwischen diesen Teilfunktionen 40 bis 412 als Pfeile dargestellt. Die wirktechnischen Verbindungen zwischen der Koor dinationsinstanz 49 und den übrigen Teilfunktionen 40 bis 412 sind dagegen nicht explizit gezeigt. Zur Kommunikation mit einem Benutzer oder einem weiteren Rech nersystem dient ein Interface 7, das sowohl in Form einer Tastatur, eines Displays oder auch in Form eines Bus- oder Modem-Anschlusses vorliegen kann. Hierüber werden vom Hersteller oder Betreiber alle benötigten Parameter, insbesondere die Führungs größe p_soll, die kompensatorische Totzeit τ, die Adaptionsdauer T_A, die Standardwerte für die Reglerparameter k_P*, T_N* und T_V* und jeweils deren obere bzw. untere Grenz werte k_PU, k_PO usw. in das Mikroprozessorsystem 4 eingegeben. Daneben können vom Hersteller weitere Größen, wie beispielsweise Minimaldrehzahlen für die dreh zahlvariablen Regelpumpen n_m,min, ein Gedächtnisfaktor λ für die Parameterschätzung und die Abtastzeit T₀ des Mikroprozessorsystems fest vorgegeben werden.

Ein Abtast-Halteglied 40 ermittelt in festen Zeitabständen der Dauer einer Abtastzeit konstanten T₀ mit Hilfe eines Drucksensors 5 mit nachfolgendem Analog-Digitalwandler 411 den auf der Abflußseite 9 herrschenden Förderdruck P_ist(t). Ein Reglerbaustein 42, hier als linearer PID-Regler ausgebildet, errechnet aus dem durch einen Differenzbilder 41 gelieferten Regelfehler (p_soll - p_ist) den Stellwert n₁, der über den Digital- Analogwandler 412 an den angeschlossenen Frequenzumrichter 12 ausgegeben wird.

Die Koordinationsinstanz 49 stellt dabei sicher, daß dieser Stellwert n₁ weder die untere Grenze n_1,min der Pumpendrehzahl unterschreitet noch deren maximal zulässige, feste obere Grenze n_1,max übersteigt.

Ein Schaltblock 44 übernimmt bei länger anhaltendem Unterdruck (p_ist < p_soll) das Ak tivieren weiterer Pumpen 21 bzw. bei länger andauerndem Auftreten von Überdruck (p_ist < p_soll) die Deaktivierung überzähliger Regelpumpen 11, 21, falls sich die vom Regler 42 errechnete Stellgröße n₁ bereits an ihrer jeweiligen oberen (n_1,max) bzw. unteren (n_1,min) Grenze befindet. Damit ändert sich die Anzahl M aktiver drehzahl variabler bzw. die Anzahl N drehzahlstarrer Regelpumpen 11, 21.

Zur Verminderung der Druckstöße beim Schalten von Pumpen mit fester Drehzahl 21 kann eine dazu gegenläufige Steuerung der jeweiligen Drehzahl n_m aller drehzahlva riablen Regelpumpen 11 in Form einer Auf- bzw. Abwärts-Rampe der zeitlichen Dauer T_A mit Hilfe eines Rampengenerators 43 anstelle der druckabhängigen Regelung der Pumpendrehzahl n_m erfolgen. Hierzu findet ein Umschalter 48 Verwendung, wobei auch hier die Instanz 49 die Koordination aller Vorgänge übernimmt.

Die Identifikationsinstanz 400 errechnet auf Basis eines rekursiven Schätzverfahrens während einer zeitlichen Adaptionsphase der Dauer T_A beim Aktivieren oder Deaktivie ren von Regelpumpen aus dem gemessenen und digitalisierten Zeitverlauf der Re gelgröße Förderdruck y(ν) = p_ist(ν) und dem sich aus dem Stellwertermittler 45 erge benden Stelleingriff u(ν-τ) die Kenngrößen Streckenverstärkung k_S und Streckenzeit konstante T_S des hydraulischen Systems.

In Fig. 1 errechnet sich das Stellsignal u(ν-τ) gemäß Formel (4) aus dem Drehzahl sollwert n₁ der drehzahlvariablen Regelpumpe 11 und ihrer zugehörigen Mindestdreh zahl n_1,min. Dabei läßt sich mit Hilfe von Block 45 das Stellsignal u zeitlich um den Wert τ zur Kompensation einer physikalisch bedingten Totzeit T_t in der Pumpenanordnung verschieben.

Während der zeitlichen Adaptionsphase der Dauer T_A arbeitet die Pumpenanordnung in einem gesteuerten Betrieb. Der Regelkreis ist mit Hilfe von Umschalter 48 aufgetrennt, der Rampengenerator 43 fährt anstelle des PID-Reglers eine zum Aktivierungs- oder Deaktivierungsvorgang gegenläufige Rampe. Da der Regler 42 deaktiviert ist, hat die bisherige Einstellung der PID-Reglerparameter über den Drehzahlsollwert n₁ keine Auswirkung auf den Förderdruck p_ist. Nach Ablauf der Adaptionsphase erfolgt wieder eine Umschaltung des Drehzahlsollwertes n₁ auf den PID-Regler 42, der nunmehr mit einem neuen Parametersatz arbeitet. Dieser neue Parametersatz entstammt der Adaptionsinstanz 46, die gemäß der Einstellregel in Formel (2) aus den durch die Identifikationsinstanz 400 zuvor ermittelten Kenngrößen Streckenverstärkung k_S und Streckenzeitkonstante T_S zugehörige passende Reglerparameter errechnet. Gleich zeitig überwacht die Adaptionsinstanz 46 die Einhaltung der vom Nutzer oder Hersteller vorgegebenen Grenzen der Wertebereiche für die Parameteradaption und löst einen internen Reset für die ldentifikationsinstanz 400 aus, sobald einer der ermittelten Reglerparameter seinen derart spezifizierten Wertebereich verläßt.

Das Regelgerät in Form des Mikroprozessorsystems 4 enthält noch weitere Funktionen zur Erfassung, Überwachung, Verarbeitung und Anzeige von weiteren Unregel mäßigkeiten, Fehlern oder Abweichungen innerhalb der Pumpenanordnung. Diese sind strukturtechnisch in Block 47 zusammengefaßt.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, in dem die inneren Strukturen des Identifikationsblockes 400 und der Adaptionsinstanz 46 detailliert dargestellt sind. Die Identifikation basiert in diesem Ausführungsbeispiel auf einem rekursiven Least-Square-Schätzalgorithmus (RLS), wie er beispielsweise in der oben angegebenen Literatur beschrieben wird.

Die Schätzung erfolgt für die Streckenparameter k_S und T_S eines sogenannten Ver zögerungsgliedes erster Ordnung, welches mathematisch durch Formel (1) beschrie ben werden kann. Mit Hilfe eines Abtasthalteglieds 40 und eines Analog-Digitalwand lers 411 wird das kontinuierliche Förderdrucksignal p_ist(t) als Eingangsgröße y(ν) an Block 400 in zeitdiskreter Form übergeben. Eine weitere Eingangsgröße u(ν) ent stammt Block 45. Zwischengeschaltet sind zwei Verzögerungs- oder Speicherglieder 401 und 402, die den vorletzten Wert der jeweiligen Variablen enthalten. Die Aus gangsgrößen von Block 400 sind die Werte der Streckenparameter k_S und T_S bzw. ein inverser Wert 1/k_S. Diese werden am Ende eines Schätzzyklusses nach einer Um rechnung in Block 46 als Reglerparameter k_P, T_N und T_V an den Reglerbaustein 42 übergeben. Alle Zeitwerte t stehen gemäß Formel (5) über die Angabe des Abtast schrittes ν in Zusammenhang mit der Abtastzeit T₀:

t = ν*T₀ (mit ν = 0, 1, 2, . . .) (5)

Zunächst wird der Signalvektor g(ν) bzw. dessen transponierte Variante g ^T(ν) gemäß Formel (6) gebildet. Diese Zusammenführung wird durch Block 406 repräsentiert.

g ^T(ν) = [g₁ g₂] = [u(ν-1) y(ν-1)] (6)

Weiterhin benötigt man einen Parametervektor m ^T(ν) bzw. dessen transponierte Vari ante m ^T(ν). Dieser enthält gemäß Formel (7) die zu schätzenden Streckenparameter k_S und T_S in einem Zusammenhang mit der Abtastzeit T₀. Die genaueren Zusammen hänge lassen sich beispielsweise aus der oben genannten Literaturstelle Isermann ent nehmen.

Vor Beginn der ersten Parameterschätzung oder nach einem Reset, verursacht bei spielsweise durch ein entsprechendes Überlaufsignal des nachgeschalteten Blocks 46, wird der Parametervektor m(ν) durch Block 408 mit Initialisierungswerten m(0) belegt. Dies kann entsprechend Formel (8) durch das Einsetzen der Formel (3) in Formel (7) für einen PID-Regler auf Basis einer unkritischen Standardeinstellung k_P* und T_N* ge schehen, die typisch ist für eine große Anzahl von Wasserversorgungsanlagen.

Zusätzlich wird eine Hilfsmatrix Φ(ν) benötigt, die den inneren Systemzustand reprä sentiert. Diese wird hier vor Beginn der ersten Parameterschätzung oder nach einem Reset durch Block 408 mit einer 2 × 2-Einheitsmatrix Φ(0) vorbelegt.

Nach einer Initialisierung des Parametervektors m und der Hilfsmatrix Φ startet der re kursive RLS-Algorithmus entsprechende Berechnungen für die Länge ν_A einer festge setzten zeitlichen Phase T_A = ν_A * T₀ mit den nachfolgenden Beziehungen gemäß den Formeln (9) und (10). Dafür wird zunächst in Block 409 der Parametervektor m(ν) zu m(ν + 1) angepaßt, indem die Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Strecken ausgang y(ν) und dessen vorhergesagtem oder geschätztem Wert g ^T(ν) * m(ν) gebildet und anschließend zur Korrektur des Parametervektors m(ν) innerhalb von Formel (9) verrechnet wird. Mit einem vom Hersteller vorgegebenen Gedächtnisfaktor λ kann der Einfluß vorangegangener Signalwerte unterschiedlich gewichtet werden. Dieser Gedächtnisfaktor λ kann zu 0.99 gewählt werden.

Anschließend wird die Hilfsmatrix Φ(ν) in Block 410 zu Φ(ν + 1) aktualisiert. Die Rück führung über die Speicherglieder 404 bzw. 405 ermöglicht eine Verwendung der so ermittelten Werte im nächsten Durchlauf des Schätzalgorithmus.

Zuletzt wird der Parametervektor m(ν) gemäß Formel 11 umgerechnet in die beiden zu schätzenden Streckenparameter k_S und T_S, was in Block 403 erfolgt.

Diese beiden Kenngrößen werden in Block 46 entsprechend den Formeln (2) in die Reglerparameter umgerechnet, wobei eine Berechnung der Funktionale f₁ bis f₃ bzw. eine Gewichtung mit den vom Hersteller oder Nutzer vorgegebenen Faktoren a, b und c durch die Multiplizierer 461 vorgenommen wird. Mit Hilfe der Instanzen 462 läßt sich erkennen, wenn einer der Reglerparameter seinen zulässigen Wertebereich verläßt. Dieser Wertebereich wird durch die Vorgaben von den jeweiligen unteren und oberen Grenzwerten k_PU, k_PO, T_VO usw. von Seiten des Herstellers oder Betreibers der Pum penanordnung spezifiziert. In Folge einer Wertebereichsübertretung läßt sich durch ein OR-Glied 463 ein Reset der Parameteridentifikation in Block 400 auslösen. Dabei werden die inneren Größen der Identifikationsinstanz 400 durch Block 408 auf Initiali sierungswerte m(0) und Φ(0) rückgesetzt und mit Hilfe von Schaltinstanz 464 die Reglerparameter auf die Standardeinstellung k_P*, T_N* und T_V* umgeschaltet, bis der Schätzalgorithmus erneut zulässige Werte für die Strecken- und somit die Regler parameter ermittelt hat.

Block 48 zeigt einen Umschalter für einen Wechsel vom geregelten in den gesteuerten Betrieb. Die Umschaltung wird stets dann automatisch durchgeführt, sobald der För derdruck p_ist dauerhaft ein vorgegebenes Toleranzband um seinen zugehörigen Soll wert p_soll verläßt.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen Diagramme der zeitlichen Signalverläufe, in denen das Regel verhalten einer versuchsweise ausgeführten Pumpenanordnung dargestellt ist. Dazu bestand die auf einem Versuchsstand aufgebaute Pumpenanordnung aus einer dreh zahlvariablen und weiteren starr am Stromnetz betriebenen Kreiselpumpen. Dargestellt sind die nachfolgend aufgeführten gemessenen Zeitverläufe eines Regelzyklusses von 20 Sekunden Dauer

- die Regelgröße des Förderdruckes p_ist (in Metern Förderhöhe),
- die Stellgröße n der variablen Pumpendrehzahl (prozentual bezogen auf die obere Grenze n_max),
- die mit Hilfe der Parameteridentifikation und Parameteradaption errechnete Regler verstärkung k_P und
- die mit Hilfe der Parameteridentifikation und Parameteradaption ermittelte Nachstell zeit T_N eines PI-Reglers zur Druckregelung.

Bei den Fig. 3 bis 5 liegt im zeitlichen Abschnitt der ersten 4 Sekunden der Anfahrvor gang der Pumpenanordnung. Hier wird die drehzahlvariable Pumpe 11 in Form einer linearen Rampe in ihrer Drehzahl hochgefahren, wobei sich der Förderdruck p_ist ent sprechend der Charakteristik der eingesetzten Pumpe und ausgehend von 0 m Förder höhe aufbaut. Die Drehzahlrampe beginnt beim aktuell eingestellten Wert der unteren Stellbereichsgrenze n_min, die in allen Figuren bei etwa 50% der maximalen Drehzahl n_max liegt. Sie endet beim Erreichen der maximalen Drehzahl n_max = 100% oder bei Überschreiten des eingestellten Sollwertes p_soll durch den Förderdruck p_ist. Der Sollwert liegt bei 50 m Förderhöhe und wird erst nach Zuschalten weiterer drehzahlstarrer Pumpen 21 erreicht.

Die zeitlichen Signalverläufe für einen Hochlaufvorgang und ein sich anschließendes Regelverhalten sind bei einem Vordruck p_vor = 0 gezeigt. Bei der Messung der zeitli chen Signalverläufe war der Fördermengenbedarf bzw. die Öffnung des druckseitigen Abflusses 9 konstant.

In den Fig. 3 bis 5 lassen sich drei Betriebsarten unterscheiden, die die ausgeführte Pumpenanordnung innerhalb der 20 Sekunden Meßzeit durchläuft:

1. Betriebsart Anfahrrampe

Etwa 1 Sekunde nach dem Start der Messung wird die drehzahlvariable Pumpe 11 über ein rampenförmiges Signal aus Block 43 über den Frequenzumrichter 21 quasikontinuierlich von der fest vorgegebenen Mindestdrehzahl n_min bis zur Syn chrondrehzahl n_max (z. B. 50 Hz oder 100% entsprechend ca. 2900 U/min für eine Asynchronmaschine mit der Polpaarzahl 1) hochgefahren. Während der Dauer dieser Rampe im Zeitraum t = 1 bis t = 4 Sekunden liegt ein gesteuerter Betrieb vor, der PID- Regler 42 ist durch das Umschaltglied 48 deaktiviert. Nach Erreichen der Synchron drehzahl bei t = 4 Sekunden (in anderen, hier nicht dargestellten Fällen bei Über schreiten des Drucksollwertes p_ist < 50 m) wird der PID-Regler 42 aktiviert, es liegt nun ein geregelter Betrieb vor. Die zeitliche Dauer dieser Rampe wird i. a. im Bereich 0.5-10 Sekunden vom Hersteller fest vorgegeben.

2. Betriebsart Kompensationsrampe

Erreicht der Förderdruck innerhalb einer gewissen Zeit nicht den vorgegebenen Sollwert, so muß bei Unterdruck eine drehzahlstarre Pumpe 21 zu geschaltet oder bei Überdruck eine Regelpumpe 11, 21 abgeschaltet werden. Dies übernimmt der Schaltblock 44. Zur Verringerung der dabei entstehenden Druckstöße wird zeitlich parallel dazu die drehzahlvariable Pumpe 11 über ein Signal vom Ram pengenerator 43 herunter- bzw. hochgefahren. Dabei liegt ein gesteuerter Betrieb vor, der PID-Regler 42 ist deaktiviert. Auch hier ist die zeitliche Dauer dieser Rampe durch Vorgabe der Adaptionszeitkonstanten T_A festgelegt. Sie liegt in den Fig. 3-5 bei 0,5 Sekunden. Diese Phase tritt in Fig. 3 in den Zeiträumen t = 5-6 Sekunden bzw. t = 13-14 Sekunden auf. In Fig. 4 in den nach Sekunden bemessenen Zeiträumen 4-5 und 6,5-7,5 und 14,5-15,5; in Fig. 5 in den Zeiträumen 5-6 und 6,5-7,5 und 8-9 und 10,5-11,5.

Ein Wechsel der Stellung des Umschalters 48 hebt die Wirkung des Rampengenerators 43 auf und führt zur:

3. Betriebsart Regelbetrieb

Dies ist die meist vorliegende Betriebsart. Der PID-Regler 42 erhöht bzw. erniedrigt die Drehzahl n der drehzahlvariablen Pumpe 11 über sein Stellsignal n₁ entsprechend der Differenz zwischen Soll- und Istwert des Förderdruckes.

Die Parameterschätzung und die Berechnung der zugehörigen Reglerparameter werden nur während einer Phase 1 (Erstadaption) und Phase 2 (Nachadaption) durch geführt. Innerhalb von Phase 3 dagegen werden die Reglerparameter konstant gehalten, um ein lineares Regelverhalten zu gewährleisten. Das Vorhandensein einer Totzeit (in allen Abbildungen etwa T_t = 0.2 Sekunden) zwingt zu einer zeitlichen Ver zögerung τ des Identifikationsvorgangs, wodurch sich kurzzeitige zeitliche Über schneidungen zwischen Phase 3 (Regelbetrieb) und den beiden Adaptionsphasen er geben können. Diese sind jedoch im praktischen Betrieb ohne schädliche Auswirkung.

Fig. 3 zeigt eine korrekt verlaufende Adaption der Reglerparameter. Während des Hochlaufvorgangs kommt es zu den Zeitpunkten t = 2,5 bzw. t = 3,5 Sekunden kurz zeitig zu einem Erreichen der oberen Schätzgrenze T_NO für die Nachstellzeit T_N. Hier durch wird der Adaptionsvorgang angehalten, der zuletzt geschätzte Wert der Nach stellzeit T_N verworfen und auf den Mittelwert T_N ^* gesetzt. Gleiches geschieht auto matisch mit der Reglerverstärkung k_P, obgleich diese ihren zulässigen Bereich [k_PN, k_PO] nicht verlassen hat. Beim Ende der Anfahrrampe im Zeitpunkt t = 4,5 Sekunden liegt ein stabiler Satz Reglerparameter vor, der zum Zeitpunkt t = 13,5 Sekunden noch ge ringfügig modifiziert wird. Dieses Wertepaar [k_P, T_N] stellt ein stabiles und gleicher maßen ausreichend schnelles Reglerverhalten sicher.

Fig. 4 zeigt dagegen eine nicht korrekt verlaufene Adaption der Reglerparameter. Die Ursache liegt nicht in einer falschen Identifikation der Streckenparameter k_S, T_S, sondern in einer falschen Einstellung der Festwerte a, b für die Parameteradaption, wodurch sich der Ausregelvorgang deutlich verlangsamt.

Fig. 5 zeigt eine ebenfalls korrekte Adaption der Reglerparameter. Gezeigt wird ein Hochlauf bei hohem Fördermengenbedarf q_ist, was zur Aktivierung von insgesamt drei zusätzlichen Netzpumpen 21 führt. Dies ist ersichtlich am Anstieg der Regelgröße p_ist zu den Zeitpunkten t = 6, 7,5 und 9 Sekunden. Der durch das Vorhandensein nichtre gelbarer drehzahlstarrer Förderpumpen 2 verringerte Regeleingriff der drehzahlva riablen Pumpe 11 führt zu einer deutlich höheren Reglerverstärkung k_P. Die fehlende Dämpfung der Regelstrecke durch die Wegnahme des Druckpolsters im Druckaus gleichsbehälter 3 macht sich bei der Adaption der Reglerparameter durch eine deutlich verringerte Nachstellzeit T_N bemerkbar. Im Zusammenhang mit der derart entdämpften Regelstrecke führt dies zu leichten Schwingungen von Stell- und Regelgröße. Die maximale Amplitude dieser Oszillation liegt jedoch unterhalb von 5%, bezogen auf den Drucksollwert, und macht sich in räumlich ausgedehnten Rohrleitungssystemen kaum bemerkbar.

Bezugszeichenliste

k_P

= Verstärkungsfaktor des PID-Reglers
k_P

*= Standardeinstellung für k_P

k_PU

, k_PO

= untere bzw. obere Grenze des Einstellbereiches für k_P

T_N

= Nachstellzeit des PID-Reglers
T_NU

, T_NO

, T_N

*= Grenzen des Einstellbereiches und Standardeinstellung für T_N

Tv= Vorhaltezeit des PID-Reglers
T_VU

, T_VO

, T_V

*= Grenzen des Einstellbereiches und Standardeinstellung für T_V

k_S

= Streckenverstärkung des hydraulischen Systems (Regelstrecke)
T_S

= Streckenzeitkonstante des hydraulischen Systems (Regelstrecke)
T_t

= Totzeitkonstante des hydraulischen Systems (Regelstrecke)
f₁

, f₂

, f₃

= Funktionale für die Parameteradaption
a, b, c= Festwerte für die Parameteradaption
p_ist

= Förderdruck (Regelgröße)
p_soll

= Sollwert für den Förderdruck (Führungsgröße)
p_vor

= Vordruck (Störgröße)
n, n_m

= Drehzahlsollwert n der Regelpumpe m (Stellgröße des Druckreglers)
n_m,min,

n_m,max

= Mindest- und Höchstdrehzahl einer Regelpumpe m
M, N= Anzahl aktiver drehzahlvariabler (M) bzw. -starrer (N) Regelpumpen
q_ist

= Durchfluß oder Fördermenge pro Zeiteinheit (Störgröße)
q_min

= Mindermengenbedarf (sehr geringer Durchfluß: q_ist

= q_min

≈ 0)
T₀

= Abtastzeitkonstante des Mikroprozessorsystems
T_A

= zeitliche Dauer von einem Adaptionszyklus
u, y= Eingangs- bzw. Ausgangsgröße des Parameterschätzers
G(s) = Übertragungsfunktion eines linearen zeitinvarianten Systems
g

, g ^T

= Signalvektor des RLS-Schätzers bzw. dessen Transponierte
m

, m ^T

= Parametervektor des RLS-Schätzers bzw. dessen Transponierte
m₁

, m₂

= Komponenten des Parametervektors
Φ

= Hilfsmatrix des RLS-Schätzers
λ= Gedächtnisfaktor des RLS-Schätzers
t= kontinuierliche Zeit
ν= diskrete Zeit
s= komplexwertige Frequenz (für eine Übertragungsfunktion)
τ= kompensatorische Totzeit des Mikroprozessorsystems
T_t

= reale Totzeit des physikalischen Systems

Claims

1. Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen (11, 21) zur mengenvariablen Förderung von Flüssigkeiten in Rohr leitungssystemen, wobei auf der Druckseite (9) der Pumpenanordnung ein Druck sensor (5) zur Erfassung des Förderdruckes angeordnet ist und ein Mikroprozes sorsystem (4) in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors (5) durch Beeinflussung der Drehzahl von mindestens einer als Regelpumpe verwendeten, drehzahlvariablen Kreiselpumpe (11) den Förderdruck der Pumpenanordnung regelt, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einem Aktivierungs- und/oder Deaktivierungsvorgang einer oder mehrerer der Regelpumpen (11, 21) während einer zeitlichen Adaptionsphase von der Dauer (T_A) das Mikroprozessorsystem (4) den Zeitverlauf der von ihm gebil deten Stellgröße des Drehzahlsollwertes (n_m) aller M aktiven drehzahlvariablen Re gelpumpen (11) und des daraus resultierenden und mit Hilfe eines Drucksensors (5) erfassten Zeitverlaufes des Förderdrucks (p_ist) ermittelt, daß das Mikroprozessor system (4) aus den Zeitverläufen von Stellgröße (n_m) und Regelgröße (p_ist) Kenn größen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke errechnet und daß das Mikroprozessorsystem (4) aus den Kenngrößen Parameter eines Reglers (42) ermittelt und einstellt.

2. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Dauer (T_A) einer Adaptionsphase der Reglerparameter dem vielfachen Wert einer Abtastzeitkonstanten (T₀) des Mikroprozessorsystems (4) entspricht.

3. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem (4) mit Hilfe einer Identifikationsinstanz (400) auf Basis eines rekursiven Parameter-Schätzverfahrens für ein mathematisches Modell in der Struktur eines PT_N-Gliedes die Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke errechnet.

4. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckenverstärkung (k_S) und die Streckenzeitkonstante (T_S) der Regel strecke die Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke bilden.

5. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem (4) die Parameter eines PID-Reglers (42) mit Hilfe der Einstellregeln nach Formel (2a) aus den Kenngrößen der Regel strecke
k_P = f₁(k_S, T_S, T₀) T_N = f₂(k_S, T_S, T₀) T_V = f₃(k_S, T_S, T₀) (2a)
ermittelt.

6. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einem erstmaligen Einschalten des Mikroprozessorsystems (4) in einer Initialisierungsphase vordefinierte Standardwerte k_P*, T_V* und T_N* als Reglerparameter verwendet werden.

7. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß ein jeweils neuer Adaptionszyklus innerhalb der Identifika tionsinstanz (400) mit den im vorangegangenen Zyklus zuletzt ermittelten Werten gestartet wird.

8. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem (4) mit einer Instanz zur Adap tionsüberwachung (47) die Unzulässigkeit von Reglerparametern erkennt, die außerhalb der vom Hersteller oder Nutzer der Pumpenanordnung definierten Be reiche liegen, wobei die Bereiche durch Vorgabe der unteren und oberen Grenz werte für den jeweiligen Reglerparameter spezifiziert sind.

9. Pumpenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikropro zessorsystem (4) nach Erkennung der Unzulässigkeit von Reglerparametern die zuletzt errechneten Reglerparameter löscht und im nächsten Rechenschritt auf vor definierte Standardwerte k_P*, T_V* und T_N* zurücksetzt.

10. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem eine Eingangsgröße u(ν) für eine Identifikationsinstanz (400) mit Hilfe eines Rechenblockes (45) nach der Formel:
bildet, wobei die Eingangsgröße u(ν) aus der Anzahl M der Solldrehzahlen n₁(ν) bis n_M(ν) aller M drehzahlvariablen Regelpumpen (11) mit deren festgelegten Mindest drehzahlen n_1,min bis n_M,min ermittelt wird.

11. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im druckseitigen Rohrleitungssystem (9) durch die aktivierten Regel pumpen (11, 21) nicht zu kompensierenden Unterdruck vor der Aktivierung einer zu sätzlichen Regelpumpe (11, 21) alle aktivierten drehzahlvariablen Regelpumpen (11) vom Regler (42) getrennt und für die Dauer (T_A) einer zeitlichen Adaptionsphase in ihrer Drehzahl gesteuert abgesenkt werden und daß die Aktivierung einer zusätz lichen Regelpumpe (11, 21) nach Ablauf eines Teils der Dauer von (T_A) erfolgt und nach Ablauf der Gesamtdauer (T_A) alle drehzahlvariablen Regelpumpen (11) an den Regler übergeben werden.

12. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im druckseitigen Rohrleitungssystem (9) durch die aktivierten Regel pumpen (11, 21) nicht zu kompensierenden Überdruck vor der Deaktivierung einer überzähligen Regelpumpe (11, 21) alle aktivierten drehzahlvariablen Regelpumpen (11) vom Regler (42) getrennt und für die Dauer (T_A) einer zeitlichen Adaptionsphase in ihrer Drehzahl gesteuert angehoben werden und daß die Deaktivierung einer überzähligen Regelpumpe (11, 21) nach Ablauf eines Teils der Dauer von (T_A) erfolgt und nach Ablauf der Gesamtdauer (T_A) alle übrigen drehzahlvariablen Regel pumpen (11) an den Regler übergeben werden.

13. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein manuell eingestellter oder automatisch ermittelter Zeitver satz τ zwischen den Signalen der Eingangsgrößen u(ν) und y(ν) der Identifika tionsinstanz (400) eine in der Regelstrecke vorhandene Totzeit T_t kompensiert.