PID-Regelung (Funktion)

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Anhand diesem einfachen Solarschemas wird die PID-Regelung erklärt.

Unter Angabe von Sensoren wird mit Hilfe der Stellgröße ein System so geregelt, dass ein Sensorwert oder eine Differenz zwischen 2 Sensorwerten konstant gehalten wird.
Anwendungsbeispiel: Änderung der Fördermenge, also des Volumenstromes, von Umwälzpumpen. Das erlaubt im System das Konstanthalten von (Differenz-) Temperaturen.
Die PID-Regelung eignet sich aber nicht nur für die Drehzahlregelung, sondern kann z.B. auch für die Brenner- oder Wärmepumpenmodulation eingesetzt werden.

Funktionsbeschreibung

Absolutwertregelung

= Konstanthalten der Temperatur an einem Sensor
TK wird mit Hilfe der Drehzahlregelung auf einer Temperatur (z.B. 60°C) konstant gehalten. Verringert sich die Solarstrahlung, wird TK kälter. Der Regler senkt daraufhin die Drehzahl und damit die Durchflussmenge. Das führt zu einer längeren Aufheizzeit des Wärmeträgers im Kollektor, wodurch TK wieder steigt.

Alternativ kann in manchen Systemen (z.B. Boilerladung) ein konstanter Rücklauf (TR) sinnvoll sein. Dafür ist eine inverse Regelcharakteristik erforderlich. Steigt TR, so überträgt der Wärmetauscher zu wenig Energie in den Speicher. Es wird also die Durchflussmenge verringert. Eine höhere Verweilzeit im Wärmetauscher kühlt den Wärmeträger mehr ab, somit sinkt TR.

Ein Konstanthalten von TB ist nicht sinnvoll, weil die Änderung des Durchflusses keine unmittelbare Reaktion an TB bewirkt und somit kein funktionierender Regelkreis entsteht.

Differenzregelung

= Konstanthalten der Temperaturdifferenz zwischen zwei Sensoren
Konstanthalten der Temperaturdifferenz zwischen TK und TR führt zu einem „gleitenden” Betrieb des Kollektors. Sinkt TK in Folge einer geringer werdenden Einstrahlung, sinkt damit auch die Differenz zwischen TK und TR. Der Regler senkt daraufhin die Drehzahl ab, was die Verweilzeit des Mediums im Kollektor und damit die Differenz TK - TR erhöht.

Ereignisregelung

= tritt ein festgelegtes Temperaturereignis auf, wird die Ereignisregelung aktiv und blockiert die Absolutwert- und/oder Differenzregelung.
Das Konstanthalten des entsprechenden Sensors funktioniert wie bei der Absolutwertregelung.
Beispiel: Wenn TB 60°C erreicht hat (Aktivierungsschwelle), soll der Kollektor auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden.

Hinweis: Wenn zugleich die Absolutwertregelung (Konstanthalten eines Sensors) und die Differenzregelung (Konstanthalten der Differenz zwischen zwei Sensoren) aktiv sind, “gewinnt” der niedrigere Wert aus beiden Verfahren.

PID-Werte

Der Proportionalteil P stellt die Verstärkung der Abweichung zwischen Soll- und Istwert dar. Die Stellgröße wird pro X * 0,1 K Abweichung vom Sollwert um eine Stufe geändert. Eine große Zahl führt zu einem stabileren System und zu mehr Regelabweichung. Wenn Soll- und Istwert übereinstimmen, so wird als Stellgröße der Mittelwert zwischen minimaler und maximaler Stellgröße ausgegeben. Beispiel: minimale Stellgröße 30, maximale Stellgröße 100, Sollwert = Istwert -> Stellgröße = 65

Der Integralteil I stellt die Stellgröße in Abhängigkeit von der aus dem Proportionalteil verbliebenen Abweichung periodisch nach. Pro 1 K Abweichung vom Sollwert ändert sich die Stellgröße alle X Sekunden um eine Stufe. Eine große Zahl ergibt ein stabileres System, aber es wird langsamer an den Sollwert angeglichen.

Der Differenzialteil D führt zu einer kurzfristigen “Überreaktion” je schneller eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert auftritt, um schnellstmöglich einen Ausgleich zu erreichen. Weicht der Ist- vom Sollwert mit einer Geschwindigkeit von X * 0,1 K pro Sekunde ab, wird die Stellgröße um eine Stufe geändert. Hohe Werte ergeben ein stabileres System, aber es wird langsamer an den Sollwert angeglichen.

Mit Hilfe des Parameters Zykluszeit kann die Nachregelung über den Differenzialteil beeinflusst werden. Eine längere Zykluszeit ergibt eine zeitliche Verlängerung des Einflusses des Differentialteils.

Pumpenstillstand

Bei zu geringer Stellgröße können z.B. Rückschlagklappen einen Pumpenstillstand verursachen. Mitunter kann das erwünscht sein, weshalb als Untergrenze auch die Stufe 0 zugelassen ist.
Um die Minimalstellgröße festzulegen, steigert man im Handbetrieb langsam die Drehzahlstufe und beobachtet die Pumpe. Die Stellgröße, bei der die Pumpe losläuft, erhöht man zur Sicherheit um einige Stufen und übernimmt diesen Wert als minimale Stellgröße.
Bei Ansteuerung von regelbaren Hocheffizienzpumpen sind die Anleitungen der Pumpenhersteller bezüglich Mindeststellgröße und Regelcharakteristik (normal/invers) zu beachten.
Beispiel: Charakteristik einer Hocheffizienzpumpe mit inverser PWM-Regelung (Heizungsmodus) (Quelle: WILO)

PID-Regelung Pumpencharakteristik.png

Eingangsvariablen

Freigabe Generelle Freigabe der Funktion (digitaler Wert EIN/AUS)
Istwert Absolutwertregelung Analoges Eingangssignal des Sensors, der auf der Solltemperatur konstant gehalten werden soll
Sollwert Absolutwertregelung Analoger Wert der gewünschten Regeltemperatur
Istwert (+) Differenzregelung Analoges Eingangssignal des Bezugssensors (des wärmeren Sensors, z.B. Kollektorsensor) der Differenzregelung
Istwert (-) Differenzregelung Analoges Eingangssignal des Referenzsensors (des kälteren Sensors, z.B. Speichersensor) der Differenzregelung
Sollwert Differenzregelung Analoger Wert der gewünschten Temperaturdifferenz
Aktivierungswert Ereignisregelung Analoges Eingangssignal des Sensors, auf dem ein Ereignis erwartet wird
Aktivierungsschwelle Ereignisregelung Analoger Wert der Aktivierungsschwelle am Aktivierungssensor
Istwert Ereignisregelung Analoges Eingangssignal des Sensors, der nach dem Auftreten des Ereignisses konstant gehalten wird
Sollwert Ereignisregelung Analoger Wert der gewünschten Regelsolltemperatur zur Ereignisregelung
Proportionalteil Analoger dimensionsloser Wert zwischen 0,0 und 1000,0
Die Stellgröße wird pro X * 0,1 K Abweichung vom Sollwert um eine Stufe geändert.
Integralteil Analoger dimensionsloser Wert zwischen 0,0 und 1000,0
Pro 1 K Abwei¬chung vom Sollwert ändert sich die Stellgröße alle X Sekunden um eine Stufe.
Differentialteil Analoger dimensionsloser Wert zwischen 0,0 und 1000,0
Weicht der Ist- vom Sollwert mit einer Geschwindigkeit von X * 0,1 K pro Sekunde ab, wird die Stellgröße um eine Stufe geändert.
Stellgröße Maximum Maximal erlaubte Stellgröße (maximal 1000 bei PWM- oder 0-10V-Steuerung)
Stellgröße Minimum Minimal erlaubte Stellgröße
Stellgröße Start Stellgröße nach Freigabe der PID-Regelung (nur wirksam bei Integralteil >0)
  • Ein typisches Ergebnis der hygienischen Brauchwasserbereitung („Frischwasserstation“) mit schnellem Sensor ist PRO = 3, INT = 3, DIF = 1 für Pumpen mit PWM-Signal. Praktisch bewährt hat sich auch die Einstellung PRO = 3, INT = 1, DIF = 4 bei Einsatz eines besonders schnellen Temperatursensors.

Parameter

Funktionsgröße Es steht eine Vielzahl von Funktionsgrößen zur Verfügung, die mit Einheit und Nachkommastellen übernommen werden.
Zykluszeit Zykluszeit = Zeitabstand zwischen den Messungen für die Korrektur über den Differentialwert (siehe Funktionsbeschreibung / P-I-D-Werte)
Integralzähler zurücksetzen Bei Auswahl „Nein“ startet die PID-Regelung nach der Freigabe mit der zuletzt ausgegebenen Stellgröße.
Bei Auswahl „ja“ beginnt die PID-Regelung nach der Freigabe sofort mit der Stellgröße, die auf Grund der Eingangsvariablen und Parameter berechnet wird
(nur sichtbar, wenn die „Stellgröße Start“ unbenutzt ist)

Absolutwertregelung

Modus
  • Aus
  • Normal = Die Stellgröße steigt mit steigendem Istwert
  • Invers = Die Stellgröße sinkt mit steigendem Istwert
Sollwert Abs. Anzeige des Sollwertes

Differenzregelung

Modus
  • Aus
  • Normal = Die Stellgröße steigt mit steigender Differenz
  • Invers = Die Stellgröße sinkt mit steigender Differenz
Sollwert Diff. Anzeige des Differenz

Ereignisregelung

Modus
  • Aus
  • Normal = Die Stellgröße steigt mit steigendem Istwert, wenn die Ereignisregelung aktiv ist
  • Invers = Die Stellgröße sinkt mit steigendem Istwert, wenn die Ereignisregelung aktiv ist
Bedingung Auswahl: Ist > Schwelle, Ist < Schwelle
Akt. Schwelle Anzeige der Aktivierungsschwelle
Diff. Ein Einschaltdifferenz zur Aktivierungsschwelle
Diff. Aus Ausschaltdifferenz zur Aktivierungsschwelle
Sollwert Ereignis Anzeige des Regelsollwertes
  • Jedes Regelverfahren kann auf Regelmodus Normal (Stellgröße steigt mit steigendem Istwert), Invers (Stellgröße fällt mit steigendem Istwert) oder auf Aus (Regelverfahren nicht aktiv) gestellt werden.
  • Die Ereignisregelung “überschreibt” Ergebnisse aus anderen Regelverfahren. Somit blockiert ein festgelegtes Ereignis die Absolutwert- oder Differenzregelung.
    • Beispiel: Das Konstanthalten der Kollektortemperatur auf 60°C mit der Absolutwertregelung wird blockiert, wenn der Speicher oben bereits eine Temperatur von 50°C erreicht hat = schnelles Erreichen einer brauchbaren Warmwassertemperatur ist abgeschlossen und nun soll mit vollem Volumenstrom (und dadurch geringerer Temperatur) weitergeladen werden. Dazu muss als neue Solltemperatur in der Ereignisregelung ein Wert angegeben werden, der automatisch die volle Drehzahl erfordert (z.B. für Kollektorsensor = 10°C).
  • Ist die Bedingung der Ereignisregelung Ist < Schwelle, dann wird die Ereignisregelung aktiviert, wenn der Aktivierungswert unter die Aktivierungsschwelle + Diff. Aus sinkt und wieder deaktiviert, wenn er über der Aktivierungsschwelle + Diff. Ein steigt. Es sind daher bei dieser Bedingung die beiden Diff-Werte sinngemäß vertauscht.
  • Sind sowohl die Absolutwert- als auch die Differenzregelung ausgeschaltet (Ausgabe: maximale Stellgröße), dann wird bei Aktivierung der Ereignisregelung von maximaler Stellgröße auf den Wert, der der Ereignisregelung entspricht, umgeschaltet.

Ausgangsvariablen

Stellgröße Dimensionslose Zahl = Ergebnis der PID-Regelung, wahlweise Zuordnung zu Analogausgängen (A12 – A16, PWM- oder 0-10V-Ansteuerung, z.B. von Elektronikpumpen)
Regeldifferenz (Ist – Soll) Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert des Regelungsverfahrens, das gerade „gewinnt“
Absolutwertregelung aktiv Status EIN, wenn Absolutwertregelung aktiv
Differenzregelung aktiv Status EIN, wenn Differenzregelung aktiv
Ereignisregelung aktiv Status EIN, wenn Ereignisregelung aktiv
Stellgröße > 0 Status EIN, wenn die Stellgröße > 0 ist
  • Bei Freigabe AUS ist die Stellgröße Null
  • Sind alle Regelmodi ausgeschaltet, wird immer die maximale Stellgröße ausgegeben.
  • Wenn zugleich die Absolutwertregelung und die Differenzregelung aktiv sind, “gewinnt” die niedrigere Stellgröße aus beiden Verfahren.
  • Wenn zugleich 2 oder mehr PID-Regelungen auf einen Ausgang wirken, „gewinnt“ die höhere Stellgröße.
  • Die Stellgröße steht als Ausgangsvariable auch anderen Funktionen zur Verfügung.

Siehe auch