(57)【要約】データ側で並列に接続され、出力側で切換ユニット（６）を介して１つの共通の信号出力端（８）に接続されている複数の調節器モジュール（４、４´）を有する調節装置（１、１´）において、特に簡単な手段及び信頼し得るやり方で個々の調節器モジュール間のバンプレス切換を可能にしようとするものである。そのため本発明に従えば、切換ユニット（６）にデータ側でそれぞれ調節器モジュール（４、４´）に所属する複数の微分要素（１２）が接続され、また積分要素（１４）が接続されている。
2008522300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ側で並列に接続され、出力側で切換ユニット（６）を介して１つの共通の信号出力端（８）に接続されている複数の調節モジュール（４、４´）を有する調節装置（１、１´）において、切換ユニット（６）の前にデータ側でそれぞれ調節器モジュール（４、４´）の１つに所属する複数の微分要素（１２）が接続され、また切換ユニット（６）の後に積分要素（１４）が接続されていることを特徴とする調節装置。
【請求項２】
微分要素（１２）の１つ又は各々が、微分要素にそれぞれ所属する調節器モジュール（４、４´）内に組み入れられていることを特徴とする請求項１記載の調節装置。
【請求項３】
微分要素（１２）を備える少なくとも１つの調節器モジュール（４、４´）が、比例要素（３０）を備える比例枝路（３２）と、微分要素（１２）を備える微分枝路（３４）とを含み、出力側で共通の加算要素（３６）に接続されていることを特徴とする請求項２記載の調節装置。
【請求項４】
データ側で並列に接続され、出力側で切換ユニット（６）を介して１つの共通の信号出力端（８）に接続されている複数の調節器モジュール（４、４´）を有する調節装置（１、１´）の作動方法において、切換ユニット（６）に入力信号として、調節器モジュール（４、４´）の出力信号（Ａ、RA）の時間導関数を表す微分信号（Ｄ）が導かれ、その微分信号（Ｄ）から、切換ユニット（６）の出力側で時間積分により調節装置（１、１´）の出力信号（Ａ）が作られることを特徴とする調節装置の作動方法。
【請求項５】
微分信号（Ｄ）が調節器モジュール（４、４´）の出力信号（RA）の時間導関数によって作られることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
微分信号（Ｄ）が、調節器信号の時間導関数によって形成された第１の信号寄与分（S1）と調節器信号に比例する第２の信号寄与分（S2）との加算によって形成されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データ側で並列に接続され、出力側で切換ユニットを介して１つの共通の信号出力端に接続されている複数の調節器モジュールを有する調節装置に関する。
【０００２】
産業用の調節装置においては、例えば冗長性を持たせる又は信頼性の理由から、又は複数の代替可能な制御又は調節プロセスを用意するためにも、調節信号を形成するためデータ側で並列に接続された複数の調節器モジュールが設けられるのが通常である。これらの調節器モジュールは出力側で切換ユニットを介して１つの共通の出力端に接続されており、切換ユニットを介して、それぞれ調節器モジュールのうちの１つの目的に合致した適切な選択を、出力信号の準備のため行うことができる。プロセスの経過に応じて通常、どの調節器モジュールが各動作状態においてまさに能動的であるべきかがあらかじめ定められている。最も簡単な調節装置も、通常少なくとも２つのそのような、代替的な調節器モジュールによってあらかじめ与えられ、目的に合致するように選択可能な調節チャネルを備え、例えば両動作方式「自動調節」と「手動調節」とを区別することができる。そのような場合、自動調節に代えて、チャネル「手動調節」（制御又は「オープンループ調節」ともいう）の目的に合致した選択によっても外部からの目的に合った干渉によって値のデフォルトが可能である。さらに調節装置の内部に、例えば内部のプロセス経過又は個々にあらかじめ与えられた動作パラメータに関して異なり得る多数の代替的な調節チャネルを設けておくことができる。最後に、そのうえさらにそれぞれ異なるプロセス変数を調節する調節器モジュール間で切換をあらかじめ定めることもできる。
【０００３】
異なる動作方式間の切換の際には、そのような調節装置においては切換ユニットの操作によって、それぞれまさに能動的な調節器モジュールを信号出力端から信号側の分離、およびそれに伴う代替的な調節器モジュールの信号側の接続が行われる。しかしながら動作上の理由から、そのような切換においては、遮断すべき調節器モジュール及び新たに接続すべき調節器モジュールが切換時点において正確に同じ出力信号を持つことは必ずしも保証されない。何故なら、調節器モジュール内で進行するプロセスに異質性があり得ることに基づいて僅かながら信号差が生じ得るからである。そのような信号差はその上さらに、新たに接続すべき調節器モジュールが切換の時点前には閉じられた制御ループ中には存在せずそれ故場合によっては停止位置で「ドリフトを生じる」傾向を有するので、比較的大きいことがあり得る。調節器モジュールに異なる調節量が属している場合には、なおさら信号偏差が生じる。そのような調節器モジュール間の信号偏差が切換時に生じると、出力信号は切換時にいわゆる信号跳躍を被る。動作上の必要条件又は可能な安定性基準に鑑みて、そのような信号跳躍は著しく望ましくないものである。
【０００４】
そのような異なる調節器モジュール間の切換時の信号跳躍を回避するため、調節装置の明らかに高められた調節技術上の信頼性を全体として保証するいわゆる「バンプレス切換（無衝撃切換）」を可能にするため、原則的に分離又は整合の構想を用意することができる。分離の場合には、個々の調節器モジュールの出力は接続されず、最小又は最大構成要素を介して出力チャネルに送られる。そのような回路において切換は常にバンプレス（無衝撃）に行われる。ただそのような構想の使用は、最小又は最大モジュールが信号出力において切換調節を完全に定義するから、比較的強く制限される。最小でも最大でもない任意の所望の調節に従う切換の実行は不可能である。加えて、分離の構想は調節技術上の使用の大抵の場合において、分離が行われ得るまで「分離する」調節器モジュールが「区間」を走り抜けなければならないから、緩慢過ぎる。この理由から、調節装置の産業上の利用においてはまさに分離の構想はそれほど普及していない。
【０００５】
それに代えて、いわゆる「切換ロジック」によって形成された任意の基準に従って切換を可能にするいわゆる「整合」を使用することができる。そのような接続構成においては、最初の調節器モジュールの出力信号は必要に応じて補助の入力信号として、代替される今や接続すべき調節器モジュールへ切り換えられ、この接続すべき調節器モジュールにおいて考慮される。しかしながらそのような接続構成においては、全調節モジュールの、すべての他の調節モジュールの出力信号による相互の自由選択的な印加が必要である。そのような構想はこの理由から、多数の調節器モジュールの並列接続においては特に高い複雑性を有し、この複雑性は結果として特に高い製造又は計画上の費用を生じ得ることになる。
【０００６】
さらに、アナログ技術で実行する場合にはまさに、切換の期間に短時間「０信号」が出力されるという欠点が整合の構想と結びついている。従って、そのような切換は少なくともアナログ的使用においては狭義のバンプレスではない。
【０００７】
これに対し、それに代えてディジタル仕様を用いる場合には、各個々の整合回路はディジタル技術においては廃れるおそれのある信号ループを示す。そのような信号ループはしかしディジタル技術においては欠点を持っている。何故なら特に計画の際接続構成の正確さのみならず、整合信号の時間的経過も考慮されなければならないからである。この問題は、互いに非同期的に進行する複数のプロセッサが使用される場合にはなおさらに困難になり得る。複雑な調節システムにおいてはまさにこの構想は従って同様に限定してしか使用できない。
【０００８】
従って、本発明の課題は、上述の方式の調節装置において、特に簡単な手段で、また確実に個々の調節器モジュール間のバンプレス切換を可能にすることにある。さらに本発明の課題はそのような調節装置を作動させるための特に適切な方法を提供することにある。
【０００９】
調節装置に関する課題は、本発明に従えば、切換ユニットの前にデータ側でそれぞれ調節器モジュールの１つに所属する複数の微分要素が接続され、また切換ユニットの後に積分要素が接続されていることによって解決される。
【００１０】
調節装置は従って、個々の調節器モジュールの出力が先ず時間について微分され、次に切換えられ、その後出力信号を得るために時間について積分されるように構成される。本発明は、バンプレス切換のための特に簡単に保持された構想に対し、個々の調節器モジュール間の長く続く横整合が信号跳躍を防止するためには避けられるべきであるという考えに基いている。その代わりに、調節器モジュールの出力信号は、場合によっては個々の偏差又は跳躍を有する本来の出力信号の代わりにむしろすべての並列接続された調節器モジュールに共通の体系が使用されるように処理されるべきである。そのために、調節器モジュールによって供給された出力信号から先ず、すべての調節器チャネルに対する共通の体系に基づいて同程度の特性を有するべき時間導関数が形成される。その後本来の信号のこの時間導関数に基づいて切換が行われ、切換後に時間積分の形成によって本来の出力信号が再び作り出される。微分とそれに続く積分とは実質的に相殺され、出力信号は切換時に跳躍を被ることがない。何故なら信号自身ではなくその導関数が導かれるからである。従ってそのような切換時には、個々の調節器チャネル間又は調節器間の偏差は同様に出力信号の時間導関数の不連続性を生じるが、時間導関数は本来の信号の不連続性を伴うことはない。
【００１１】
調節装置を構成する際、各調節器モジュールには個々の、分離した状態にある微分要素を所属させることができる。しかしながら、微分要素の１つ又は各々がそれぞれ所属する調節器モジュール内に組み入れられると有利である。従って、調節器モジュールは所属する微分要素を含めてモジュラー構造の様式で単独の構成要素として使用することができ、必要な場合には後続の切換ユニットに直接に接続することができる。
【００１２】
調節器モジュールとして広く普及しているPI調節器（比例積分調節器）の場合にはまさに、微分要素を備える調節器モジュールが一方では比例要素を備える比例枝路と、他方では微分要素を備える微分枝路とを有利に含むことができ、それらの枝路は出力側で１つの共通の加算要素に接続されている。そのような実施態様においては、調節器モジュール内で調節信号の比例成分と微分成分との和が形成される。切換に続く信号積分の際には出力信号として、積分成分（前もって含まれる比例成分から形成される）と比例成分（前もって求められた微分成分から形成される）とを有する信号が生じ、その結果PI調節器の出力信号の従来の性質が維持される。
【００１３】
方法に関する上述の課題は、切換ユニットに入力信号として、調節器モジュールの出力信号の時間導関数を表す微分信号が導かれ、その微分信号から、切換ユニットの出力側で時間積分により調節装置の出力信号が作られることによって解決される。
【００１４】
微分信号は調節器モジュールの出力信号の時間導関数によって有利に作られる。それに代わる有利な実施態様において、特にPI調節器をシミュレーションするために、微分信号は調節器信号の時間導関数によって形成された第１の信号寄与分と調節器信号に比例する第２の信号寄与分との加算によって形成される。
【００１５】
本発明によって得られる利点は特に、調節器信号の時間微分およびそれに続く時間積分によって、最終的に、微分と積分とが相殺された実質的には変わらない出力信号が作られることにある。時間微分と時間積分との間で行われる切換によって、切換時に信号の跳躍は確実に回避される。何故なら信号ではなくその導関数が導かれるからである。従って、特に簡単な手段によって、また調節器モジュールの相互接続構成における複雑性を付加することなく、調節器モジュール間の実際にバンプレス切換が可能となる。比較的に簡単に維持される構想に基づいて、使用される調節器モジュールの型や切換基準に関するその他の制限は存在しない。特に、整合機能を有する調節器モジュールを装備する必要はない。さらに、基本的に高速の調節器構成において、接続構成における信号ループは必要とせず、任意の、線形、非線形や適応型の調節器を調節器モジュールとして使用することができる。
【００１６】
本発明の実施例を図面について詳細に説明する。図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１７】
図１に従う調節装置１は、多数の調節チャネル２がデータ側で並列に接続されているマルチチャネル仕様で多数の調節器モジュール４を含み、これらのモジュール４はデータ側で並列に接続され、出力側で切換ユニット６を介して１つの共通の信号出力端８に接続されている。切換ユニット６は切換ロジック１０によって操作される。そのマルチチャネル構成に基づいて、この調節装置は特に産業的用途に適し、このような用途においては、必要性および／または動作方式に依存して、交互にそれぞれ調節器モジュール４の１つが能動化される。例えば、調節器モジュール４の１つは手動調節（制御又はオープンループ制御ともいう）方式で外部からの手動介入が可能であるように構成されているべきであり、残る調節器モジュール４は自動化されたプロセス管理が可能であるように、場合によっては互いに相違するシーケンスパターン等に従って、構成され得る。
【００１８】
調節装置１は特に高い動作信頼性および動作安定性が可能であるように構成されている。特に、調節器モジュール４が、内在的な性質に基づいて、又は異なる調節量及び調節機能に基づいて、又は介入状態にない調節器が「ドリフトを生じる」傾向を持つという事実に基づいて、出力端に互いに多少強く異なる出力信号を発生させるという事情が考慮される。その結果、個々の調節器チャネル２間又は調節器間の直接の切換の際、信号出力端８に多少強い顕著な信号跳躍が生じることがある。例えば調節回路内に望ましくない又は容認できない振動の励起を生じ得る望ましくないこのような信号跳躍を防止するために、調節装置１は、そのような信号跳躍がまさに排除されているべき上述のバンプレス切換が可能であるように構成されている。このことを特に簡単な手段で達成するために、調節装置１において各調節チャネル２はそれぞれ微分要素１２を備え、この微分要素１２は各調節器モジュール４に所属し、データ側で調節器モジュール４と切換ユニット６との間に接続されている。さらに切換ユニット６の後にはデータ側で積分要素１４が接続されている。
【００１９】
従って、この回路の場合、調節装置１の作動の際に各調節器チャネル２において、それぞれの調節器モジュール４から出力された出力信号RAがそれぞれ所属する微分要素１２において先ず時間的に微分され、微分信号Ｄに変換される。微分信号Ｄはその後切換ユニット６に与えられる。切換ユニット６においては必要によって個々の調節器チャネル２間の切換を行うことができる。切換ユニット６はそれぞれ能動状態に選択された調節器チャネル２から、その調節器チャネルより供給された微分信号Ｄを出力側へ送る。この送られた微分信号Ｄは次いで切換ユニット６の後に接続された積分要素１４において時間について積分される。この演算の結果は出力信号Aとして信号出力端８に与えられる。調節装置１のこの動作方式においては、各調節器モジュール４の出力信号RAの微分とそれに続く積分とは相殺され、その結果調節装置１によって生み出された出力信号Ａは実質的にこの演算によって変わらないままである。もちろん切換ユニット６における調節器チャネル２間の切換は、調節器モジュール４の本来の出力信号RAについてではなく、微分信号Ｄによって表される時間導関数について行われる。従って、調節器モジュール４の出力信号RAにおける偏差は相互に作用することなく、出力信号Ａは切換の際に跳躍を被ることはない。従って、切換は狭義のバンプレスである。
【００２０】
調節器モジュール４の出力信号RAの時間導関数の切換及び切換後に行われる時間積分に基づく構想は、使用される調節器の型又は切換基準に関する制限を生み出すものではない。特に、切換えるべき調節器モジュール４が整合機能などを持たねばならないことは必要としない。特に広く普及した、Ｐ（比例）、Ｉ（積分）、PI、PD（比例・微分）、PIDの各型の調節器、又は任意の線形、非線形又は適応型の調節器を、信号ループを必要とすることなく、特に僅かの操作上及び構成上の費用でバンプレス（無衝撃）に切換えることができる。切換えられる調節器はさらに同じ型であることすら必要でない。むしろ調節器はそれどころかそれぞれ異なるプロセス量又は調節量を調節することができる。例えば、調節器の１つは電流調節器、他の調節器は電圧調節器であってよい。
【００２１】
調節器モジュール４は、図2aに概略的にまた模範的に示されているようにPI（比例・積分）調節器であってもよい。調節器モジュール４は比例チャネル２０とそれにデータ側で並列に接続された積分チャネル２２とを含み、この積分チャネル２２には積分要素２４が接続されている。比例チャネル２０及び積分チャネル２２は出力側で１つの共通の加算要素２６に接続され、加算要素２６において両部分信号の和が形成される。この加算要素２６の後には出力側で微分要素１２が接続され、この微分要素１２はその出力側で、切換点２８によって示されるように切換ユニット６に接続されている。切換ユニット６における相応した「能動的」設定の場合、それによって形成された調節器チャネル２が、切換点２８（切換ユニット６）の後に接続された積分要素１４に接続されている。図2aに従う構成の場合には従って、在来のPI方式に構成された調節器モジュール４が、各調節器チャネル２を形成するために実質的に分離して保持された微分要素１２に接続されている。
【００２２】
調節技術的性質に関して同等のシステムは、微分要素１２がそれぞれ所属する調節器モジュール４に組み入れられることによって用意することができる。PI調節器に基づくそのような配置の１つの実施例が図2bに示されている。微分要素１２を備える調節器モジュール４´は、一方では比例要素３０を備える比例枝路３２と、他方では微分要素１２を備える微分枝路３４とを含む。比例枝路３２及び微分枝路３４は出力側で１つの共通の加算要素３６に接続されている。この構成において、従って調節器モジュール４´の出力信号RAの時間導関数を表す微分信号Ｄは、調節器信号の時間導関数によって形成された第１の信号寄与分S1と調節器信号に比例する第２の信号寄与分S2との加算によって形成される。加算要素３６によって出力された微分信号Ｄは、上述の構成に相応して、切換点２８で表された切換ユニット６に導かれ、必要性及び動作方式に依存して、切換ユニット６の後に接続された積分要素１４に送られる。
【００２３】
それぞれ既に組み入れられた微分要素を備えるそのような調節器モジュール４´から形成された調節装置１´の実施例が図３に示されている。調節器チャネル間又は調節器間の切換が本来の調節器信号の導関数に関して行われるべきであり、引続いて時間積分が行われるという構想の維持のもとに、この実施形態においてはいずれにせよ微分信号Ｄを出力信号として供給する調節器モジュール４´が直接に切換ユニット６に接続されている。この切換ユニット６の後にはさらに積分要素１４が本来の出力信号Ａを形成するために接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の調節装置の一実施例の回路構成図
【図２ａ】本発明の調節器モジュールの一実施例の回路構成図
【図２ｂ】本発明の調節器モジュールの異なる実施例の回路構成図
【図３】本発明の調節装置の異なる実施例の回路構成図
【符号の説明】
【００２５】
１、１´  調節装置
２  調節チャネル
４、４´  調節器モジュール
６  切換ユニット
８  信号出力端
１０  切換ロジック
１２  微分要素
１４  積分要素
２０  比例チャネル
２２  積分チャネル
２４  積分要素
２６  加算要素
２８  切換点
３０  比例要素
３２  比例枝路
３４  微分枝路
３６  加算要素
Ａ  出力信号
Ｄ  微分信号
RA  出力信号
S1、S2  信号寄与分
【図１】
2008522300.tif 000003
【図２ａ】
2008522300.tif 000004
【図２ｂ】
2008522300.tif 000005
【図３】
2008522300.tif 000006
【国際調査報告】
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2008522300.tif 000008
2008522300.tif 000009
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