Warum kommt es bei einem Regler mit Integrator zu einem "Wind-Up", wenn das Stellsignal begrenzt ist?

3 Antworten

Vieles wurde hier schon korrekt beschrieben.

Mit diesem Effekt - und einem schlechten Reglerentwurf- lässt sich vortrefflich Schaden in der Praxis anrichten.

Problem: Bitte stets daran denken: die Regelungstechnik, an die die meisten bei Reglern und deren Stabilität denken, setzt voraus, dass der Regelkreis geschlossen ist - genau das ist hier NICHT mehr der Fall!!!

Sobald der Regler (oder die Strecke) an einen "Anschlag" kommt, kann sich die Eingangsgröße (Regelabweichung, I-Anteil,...) vergrößern oder verändern, wie sie will, der Regelkreis ist "mit sich selbst beschäftigt" und kann diese Änderung nicht mehr berücksichtigen.

Bei Analogreglern ist das meist nicht so kritisch, aber zu Beginn der digitalen Regelungen ist da sehr viel Blödsinn und sehr viel Schaden entstanden: Wenn bei einem so "geöffneten" Regelkreis der Integrator "munter" fiktive Regelabweichungen aufsummiert, ohne dass man ihn begrenzt, wird dieses "ZUVIEL" an Abweichung brutal weiter geführt, selbst wenn die Stellgröße längst wieder kleiner werden muss.

Erst wenn dieser falsch programmierte I-Anteil wieder abgebaut war, hatte der dann wieder geschlossene Regelkreis eine Chance, die Größe zu regeln, die er regeln sollte.

Beispiel, was sich wirklich an unserem Institut damals so zugetragen hat:

Mit einem teuren Versuchsofen mit digitaler Temperaturregelung sollte eine Paste auf einem Substrat bei 850Grad eingebrannt werden. Dazu war ein genaues Temperatur-Zeit-Profil einzuhalten, um reproduzierbar definierte Eigenschaften zu erzielen. Unter anderem sollte 8 Minuten lang diese hohe Temperatur eingehalten werden, bevor der Ofen wieder eine genau einzuhaltende Temperaturzeitrampe herunter fuhr.

Der Ofen bestand aus einer Ofenkammer aus Quarzglas, die maximal bis 1000Grad stabil war - und leistungsfähigen Infrarotquellen, die diese Quarzröhre beheizten - über Temperaturregler mit Thyristorsteuerungen.

An diesem Tag ging zuerst eine der Heizungen kaputt - o.k., das kommt schon mal vor, eine neue IR-Lampe ist nicht teuer. Da keine Meldung vorhanden war, fiel das erst mal nicht auf.

Aber: den Ofen hatte ein Neuling beim Hersteller programmiert. 

Ohne diese Heizstufe konnte der Ofen dem vorgegebenen Temperaturprogramm nicht so schnell folgen, wie er sollte - auch das wäre noch nicht schlimm gewesen.

Was passierte? Die Regelgröße "Heizleistung" ging an den Anschlag, weil der Ofen ja zu jedem Zeitpunkt zu kalt war (während der gewünschten Anstiegsrampe der Temperatur auf 850Grad). Weil der I-Anteil des Reglers nicht sinnvoll begrenzt war, "merkte" er sich eine irre hohe Regelabweichung - und als die Temperatur von 850Grad erreicht war, gab er diese Abweichung weiter aus - der Reglerausgang blieb am Anschlag, obwohl der Eingang längst negativ geworden war, der P-Anteil nicht gegen den riesigen I-Anteil ankam und dieser nur in dem Maß, in dem jetzt die Temperatur ÜBER die erlaubten 850Grad anstieg, wieder abintegriert wurde. Die Temperatur stieg und stieg - und nicht nur das Substrat verkam in der Hitze, auch die Quarzofenkammer erreichte ca. 1100Grad, wurde weich und der Ofen war zerstört - und mit ihm ein Großteil des Jahresetats am Lehrstuhl...

So wurde aus dem WIND-UP ein "Brenn durch". Eine primitive Begrenzung hätte diesen Fehler verhindern können. Der I-Regler sieht nämlich nur seinen Wert, also das Produkt aus Zeit UND Amplitude am Eingang - und diese Fläche ist dann nicht mehr sinnvoll, interpretiert zu werden, wenn der Regler an irgendeine Stellgrenze kommt.

Und noch etwas: um solchen Unsinn zu finden, müsste der Regler gar nicht erst an den Anschlag kommen. Der I-Anteil ist nicht immer hilfreich...Wenn schon digital, dann bitte aufgabengerecht "schlau" vorgehen.  Die Stabilitätsbetrachtungen gelten in der Regel auch nur solange, wie der Regler nicht an irgendeinem Anschlag ist (es sei denn, dieser wurde in der Theorie berücksichtigt - wie beim 2-Punkt Regler...).Jeder, der noch Simulationen ausführt, weiß, dass es entscheidend sein kann, die richtigen Voreinstellungen der Energiespeicher (Stichwort: Analogie I-Anteil) vorzunehmen.

In diesem Sinn: das war eine wichtige Frage zu noch wichtigeren Folgen...

Auch ein Regler sollte nicht "nachtragend" sein   ;-)))

 

 


 

Stelle Dir mal folgendes vor:

Du hast eine kleinen Heizung mit der Du einen großen Raum heizt. Sagen wir mal Du kommst bis 26°C. Nun stellt Du einen Sollwert von 30°C ein.

Nun passiert mit dem I-Anteil folgendes:

Der Regler fährt auf 100% auf und der I-Anteil läuft weiter hoch ..... Das ist der Wind-up Effekt. Das Problem tritt nun auf, wenn Du den Sollwert z.B. auf 25°C einstellst.Nun muss der I-Anteil  erstmal runterlaufen, bevor sich die Stellgröße ändert.

Das kann einige Zeit dauern und der Regler ist in der Zeit quasi tot....

Das Stellsignal ist doch immer begrenzt.
Oder soll das bedeuten, dass man den Fehler nicht einfach durch ein beliebig hohes Stellsignal in kurzer Zeit beheben kann?
Also z. B. ne Wasserleitung, die eben eine Zeit braucht, um einen Tank zu füllen?

Es geht also um einen „PID-Regler“ mit ausreichend großem I-Anteil, der eine Art Erinnerung an vorherige Abweichungen darstellt.

Wenn nun die Abweichung hinreichend lange hinreichend groß wird, dann kann dies dazu führen, dass der I-Anteil den P-Anteil und den D-Anteil dermaßen überwiegt, dass es zu einer starken Überreaktion kommt (also ein starkes Überschreiten oder Unterschreiten, was dann nach einiger Zeit in eine Schwingung übergeht).

Dies kann schließlich sogar zu einer aufklingenden Schwingung führen, weil der I-Anteil jetzt das Vorzeichen wechselt...

Verhindern kann man dies, indem man das zu regelnde System ordentlich modelliert und dementsprechend die Anteile des Reglers wählt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Integral_windup

Die meisten modernen Regler halten den Integrator an, wenn das Stellsignal (Reglerausgang) die Grenze erreicht. Das Wind-up-Problem gibt es dann nur, wenn die Begrenzung des Stelleingriffes ,,enger" sind als der Bereich des Reglerausganges. In Kaskadenschaltungen kann es zu ernsthaften Wind-Up-Problemen kommen, wenn der Ausgang des Folgereglers die Grenze erreicht hat und der Führungsregler noch weiter regelt.

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@ulrich1919

cool... ich bin bei meiner Antwort von nem PID-Regler aus der klassischen Regelungstechnik ausgegangen... „Integrator anhalten“ hört sich nach digitaler Regelungstechnik an... da gibt es bestimmt noch mehr komische Tricks, um ein Aufklingen/Überschwingen zu verhindern... :)

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@RIDDICC

,,Integrator anhalten" hatte es bereits bei den elektrischen Analogreglern mit Operationsverstärkern gegeben! 
 Das Eingangssignal des Integrators wurde zwangsläufig auf Null gesetzt.

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