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Dokumentenidentifikation DE10255587A1 24.06.2004
Titel Verfahren zur signalabhängigen Stellgrößenänderung von Aktoren
Anmelder Insta Elektro GmbH, 58511 Lüdenscheid, DE
Erfinder Großen, Thomas, Dipl.-Ing., 58239 Schwerte, DE
DE-Anmeldedatum 28.11.2002
DE-Aktenzeichen 10255587
Offenlegungstag 24.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.06.2004
IPC-Hauptklasse G05F 1/10
IPC-Nebenklasse F24F 11/00   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur signalabhängigen Stellgrößenänderung von Aktoren der Gebäudesystemtechnik vorgeschlagen, bei dem eine möglichst schnelle und anforderungsgerechte Einstellung des die geforderte Stellgröße repräsentierenden neuen Tastverhältnisses über ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erreichen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ausgeführtes Verfahren zur signalabhängigen Stellgrößenänderung von Aktoren.

Derartige Verfahren sind in der Gebäudeinstallationstechnik z. B. dafür vorgesehen, über die zugehörigen Aktoren die Helligkeit, die Be- bzw. Entlüftung und die Temperatur von Räumen zu steuern bzw. zu regeln. Durch die DE 31 39 406 C2 ist ein Verfahren bekannt geworden, mit dem Aktoren über pulsweitenmodulierte Signale angesteuert werden, um bestimmte Steuer- bzw. Regelvorgänge durchführen zu können.

Ein dem Oberbegriff des Hauptanspruches entsprechendes Verfahren ist durch die Druckschrift der Firma THEBEN vom Juli 2002 (Seiten 21 bis 23) mit dem Titel "HMG 8, erweiterbarer Heizungsaktor für thermische Stellantriebe 230V" bekannt geworden. Bei diesem Verfahren wird zur signalabhängigen Stellgrößenänderung eines Heizungsaktors das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals zur schnelleren Anpassung der vorliegenden Stellgröße auf eine aktuell geforderte Stellgröße auch innerhalb einer gerade ablaufenden Periode verändert. Dabei wird, wenn eine verlängerte Einschaltphase angefordert wird, je nach Schaltzustand entweder die ablaufende Einschaltphase direkt verlängert oder eine neue Einschaltphase gestartet, die als Ergänzung zu der bereits abgelaufenen Einschaltphase hinzugenommen wird. Wird ein verkürzter Einschaltvorgang angefordert, wird entweder eine verkürzte Einschaltphase gestartet oder eine gerade ablaufende Einschaltphase zeitlich verkürzt. Bei diesem Verfahren kann es jedoch dazu kommen, dass durch den Zeitpunkt der Anforderung Perioden entweder mit zu langen oder aber zu kurzen Einschalt- bzw. Ausschaltphasen erzeugt werden und erst nach Ablauf der aktuellen Periode das korrekte, die neue Stellgröße repräsentierende, Tastverhältnis eingestellt werden kann. Die Reaktion des Regelkreises ist damit stark vom Zeitpunkt der Anforderung einer neuen Stellgröße und der Ausprägung des Tiefpassverhaltens der angeschlossenen Aktoren abhängig. Da insbesondere bei Heizungsaktoren die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals sehr niedrig ausfällt, wobei Periodendauern von 1 bis zu 20 Minuten üblich sind, ist eine solche Einstellung des Tastverhältnisses aus heutigen Komfort- und Energiespargesichtspunkten nicht präzise genug.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine möglichst schnelle und anforderungsgerechte Einstellung des die geforderte Stellgröße repräsentierenden neuen Tastverhältnisses über ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erzielen ist.

Besonders vorteilhaft bei einem solchen Verfahren ist, dass Stellgrößenschwankungen weitestgehend unterdrückt werden, ohne dass dadurch die Reaktionszeit der Regelstrecke negativ beeinflusst wird.

Anhand von zehn Grafiken sei das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu einem bekannten festfrequenten Verfahren näher erläutert. Die Grafiken 1 bis 6b stellen beispielhaft mehrere Verläufe eines pulsweitenmodulierten Signals bei Anforderung einer neuen Stellgröße zu verschiedenen Anforderungszeitpunkten A dar. Die Anforderungszeitpunkte A der neuen Tastverhältnisse sind auf der Zeitachse durch Pfeile markiert. Die Prozentangaben in den Grafiken sind als Anteil der Einschaltphasen und der Ausschaltphasen der jeweiligen Periode mit ihrer Periodendauer T zu verstehen. Mit 0 ist der Beginn einer kompletten neuen Periode und mit 1×T das Ende dieser kompletten neuen Periode mit ihrer Periodendauer T mit dem neuen Tastverhältnis auf der Zeitachse gekennzeichnet.

Bei dem bekannten festfrequenten Verfahren beginnt die neue Periode stets mit der neuen Einschaltphase, was zwecks schneller Reaktion jedoch nur das sofortige Ausschalten oder ein Verlängern einer aktuellen Einschaltphase erlaubt und auch nur so lange die noch laufende Phase der aktuellen Periode dies zulässt (siehe dazu insbesondere die Grafiken 1, 2b und 4). Da das erfindungsgemäße Verfahren aktuelle Einschaltphasen und aktuelle Ausschaltphasen bei der Anforderung eines neuen Tastverhältnisses gleichberechtigt behandelt, ergibt sich in Bezug auf das bekannte Verfahren immer dann eine schnellere Reaktionszeit, wenn der Anforderungszeitpunkt A für die Änderung auf eine neue Stellgröße ungünstig liegt (siehe insbesondere die Grafiken 2a bis 3b und 5a bis 6b).

Wie aus den Grafiken 1 bis 3b hervorgeht, ist zunächst ein Tastverhältnis mit einer Einschaltphase von 80 % und einer Ausschaltphase von 20 % eingestellt. Zu verschiedenen Anforderungszeitpunkten A soll ein neues Tastverhältnis mit einer Einschaltphase von 30 % und einer Ausschaltphase von 70 % eingestellt werden. Die Einschaltphase soll also verkürzt und die Ausschaltphase verlängert werden, was eine entsprechend anforderungsgerechte Reaktion notwendig macht.

Bei einem Anforderungszeitpunkt A gemäß Grafik 1 ist eine Kürzung der aktuellen Einschaltphase von 80 % auf 30 % noch mit beiden Verfahren gleich schnell möglich, weil der Anforderungszeitpunkt A bezüglich einer anforderungsgerechten schnellen Änderung auf ein neues Tastverhältnis sowohl für das bekannte, als auch für das erfindungsgemäße Verfahren ähnlich günstig liegt. Somit ergibt sich in diesem Fall für beide Verfahren ein identischer Signalverlauf durch die Anforderung einer neuen Stellgröße.

Die beiden Grafiken 2a und 2b stellen den Fall näher dar, wenn der Anforderungszeitpunkt A für das bekannte festfrequente Verfahren ungünstig liegt, weil ein Beenden der aktuellen Einschaltphase zwecks schnellstmöglicher Reaktion geboten ist. Bei dem bekannten Verfahren mit Beibehaltung der aktuellen Periode mit ihrer Periodendauer T wird, wie in Grafik 2b dargestellt, eine Übergangsausschaltphase von 50 % zwischen dem aktuellen Tastverhältnis und dem neuen Tastverhältnis eingestellt. Eine neue Periode mit dem neuen Tastverhältnis beginnt erst nach dieser Übergangsausschaltphase von 50 % mit der neuen Einschaltphase von 30 %. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich bei gleichem Anforderungszeitpunkt A ein Signalverlauf gemäß Grafik 2a. Dabei wird das Ausschalten der aktuellen Einschaltphase ebenfalls bei 50 % mit dem Anforderungszeitpunkt A vorgenommen und sofort eine komplette neue Periode gestartet, die dann bereits mit der neuen Ausschaltphase von 70 % bezogen auf die neue Periode mit ihrer Periodendauer T beginnt. Der Beginn der neuen Periode bei beiden Verfahren ist jeweils mit der 0 auf der Zeitachse gekennzeichnet.

In den Grafiken 3a und 3b liegt der Anforderungszeitpunkt A in der aktuellen Ausschaltphase, welche in diesem Fall noch nicht länger ansteht, als die neue Ausschaltphase des neuen Tastverhältnisses der neuen Periode anstehen würde. Damit liegt der Anforderungszeitpunkt A wieder ungünstig bezüglich einer schnellen Reaktion für das bekannte festfrequente Verfahren. Wie in Grafik 3a für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, wird der ausgeschaltete Signalzustand beibehalten, bis sich die neue Ausschaltphase von 70 % bezogen auf die komplette neuen Periode mit ihrer Periodendauer T eingestellt hat. Das bedeutet, die neue Periode mit der neuen Ausschaltphase von 70 % beginnt bereits zum Zeitpunkt des Ausschaltens der aktuellen Einschaltphase von 80 %, also bereits vor dem Anforderungszeitpunkt A des neuen Tastverhältnisses. Das Starten der neuen Periode erfolgt also anforderungsgerecht rückwirkend mit dem Signalwechsel, also besonders schnell. Dies wird, wie bereits erwähnt, mit der 0 auf der Zeitachse näher verdeutlicht. Bei dem bekannten Verfahren mit strikter Beibehaltung der Periodendauer T ergibt sich ein Verlauf gemäß Grafik 3b. Wie deutlich ersichtlich, wird bei identischem Anforderungszeitpunkt A bis zum Ablauf der aktuellen Periode mit ihrer aktuellen Ausschaltphase von 20 % gewartet, erst danach wird die neue Periode mit ihrem neuen Tastverhältnis mit der neuen Einschaltphase von 30 % begonnen. Der Beginn einer neuen Periode liegt also immer erst nach dem Anforderungszeitpunkt A, wie durch die 0 auf der Zeitachse näher kenntlich gemacht ist. Eine Reaktion auf die Anforderung einer neuen Stellgröße erfolgt somit deutlich langsamer als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Durch die Pfeile B zwischen den Grafiken 2a und 2b bzw. 3a und 3b wird jeweils näher dargestellt, welcher Zeitraum verstreicht, bis sich verzögert der erste Einschaltimpuls der neuen Einschaltphase einstellt – es soll eine deutlich kürzere Einschaltphase eingestellt werden – und somit beim erfindungsgemäßen Verfahren dem z. B. anzusteuernden Heizelement anforderungsgerecht deutlich mehr Abkühlungszeit eingeräumt wird, damit sich möglichst schnell die neuen Verhältnisse entsprechend der neuen Stellgröße einstellen. Durch die Lage der 0 auf der Zeitachse wird bei einem Vergleich der Grafiken deutlich, mit welchem Zeitunterschied das neue Tastverhältnis der neuen Periode beim erfindungsgemäßen Verfahren in Bezug auf das bekannte Verfahren früher eingestellt ist.

Wie aus den Grafiken 4 bis 6b hervorgeht, ist zunächst ein Tastverhältnis mit einer Einschaltphase von 30 % und einer Ausschaltphase von 70 % eingestellt. Zu verschiedenen Anforderungszeitpunkten A soll ein neues Tastverhältnis mit einer Einschaltphase von 80 % und einer Ausschaltphase von 20 % eingestellt werden. Die Einschaltphase soll also verlängert und die Ausschaltphase verkürzt werden, was eine entsprechend anforderungsgerechte Reaktion notwendig macht.

Bei einem Anforderungszeitpunkt A gemäß Grafik 4 ist eine Verlängerung der aktuellen Einschaltphase von 30 % auf 70 % noch mit beiden Verfahren gleich schnell möglich, weil der Anforderungszeitpunkt A bezüglich einer anforderungsgerechten schnellen Änderung auf ein neues Tastverhältnis sowohl für das bekannte, als auch für das erfindungsgemäße Verfahren ähnlich günstig liegt. Somit ergibt sich in diesem Fall für beide Verfahren ein identischer Signalverlauf durch die Anforderung einer neuen Stellgröße.

Die beiden Grafiken 5a und 5b stellen den Fall näher dar, wenn der Anforderungszeitpunkt A für das bekannte festfrequente Verfahren ungünstig liegt, weil ein Beenden der aktuellen Ausschaltphase zwecks schnellstmöglicher Reaktion geboten ist. Bei dem bekannten Verfahren mit Beibehaltung der aktuellen Periode mit ihrer Periodendauer T läuft, wie in Grafik 5b dargestellt, erst die gesamte aktuelle Ausschaltphase von 70 % ab, bevor das neue Tastverhältnis eingestellt wird. Eine neue Periode mit dem neuen Tastverhältnis beginnt also erst nach dem kompletten Ablauf der aktuellen Ausschaltphase von 70 % bis anschließend die neue Periode mit der neuen Einschaltphase von 80 % gestartet wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich bei gleichem Anforderungszeitpunkt A ein Signalverlauf gemäß Grafik 5a. Dabei wird das Beenden der aktuellen Ausschaltphase bereits nach Ablauf von 20 % gesetzt, so dass der abgelaufene Teil der aktuellen Ausschaltphase rückwirkend zu einem Teil der neuen Ausschaltphase von 20 % wird. Das Starten der neuen Periode mit ihrer Periodendauer T erfolgt vor dem Anforderungszeitpunkt A, also anforderungsgerecht rückwirkend bereits mit dem Signalwechsel und damit besonders schnell. Der Beginn der neuen Periode bei beiden Verfahren ist jeweils mit der 0 auf der Zeitachse gekennzeichnet.

In den Grafiken 6a und 6b liegt der Anforderungszeitpunkt A ebenfalls in der aktuellen Ausschaltphase, welche in diesem Fall jedoch schon länger ansteht, als die neue Ausschaltphase des neuen Tastverhältnisses der neuen Periode anstehen würde. Damit liegt der Anforderungszeitpunkt A wieder ungünstig bezüglich einer schnellen Reaktion für das bekannte festfrequente Verfahren. Wie in Grafik 6a für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, wird der ausgeschaltete Signalzustand nur so lange beibehalten, bis die neue Anforderung mit ihrem Anforderungszeitpunkt A eintrifft. Die aktuelle Ausschaltphase hat jedoch bereits einen Wert von 40 erreicht. Deshalb erfolgt mit dem Anforderungszeitpunkt A ein Signalwechsel bzw. das Beenden der aktuellen Ausschaltphase bei 40 % und gleichzeitig der Beginn einer kompletten neuen Periode mit ihrer Periodendauer T, wobei mit der neuen Einschaltphase von 80 % gestartet wird. Dies wird, wie bereits erwähnt, mit der 0 auf der Zeitachse näher verdeutlicht. Bei dem bekannten Verfahren mit strikter Beibehaltung der Periodendauer T ergibt sich ein Verlauf gemäß Grafik 6b. Wie deutlich ersichtlich, wird bei identischem Anforderungszeitpunkt A bis zum Ablauf der aktuellen Periode mit ihrer aktuellen Ausschaltphase von 70 % gewartet, erst danach wird die neue Periode mit ihrem neuen Tastverhältnis mit der neuen Einschaltphase von 80 % begonnen. Der Beginn der neuen Periode liegt also weit hinter dem Anforderungszeitpunkt A, wie durch die 0 auf der Zeitachse näher kenntlich gemacht ist. Eine Reaktion auf die Anforderung einer neuen Stellgröße erfolgt somit deutlich langsamer als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Durch die Pfeile B zwischen den Grafiken 5a und 5b bzw. 6a und 6b wird jeweils näher dargestellt, welcher Zeitraum verstreicht, bis sich verzögert der erste Einschaltimpuls der neuen Einschaltphase -es soll eine deutlich längere Einschaltphase eingestellt werden- beim bekannten Verfahren in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren einstellt und somit beim erfindungsgemäßen Verfahren dem z. B. anzusteuernden Heizelement anforderungsgerecht so schnell wie möglich deutlich weniger Abkühlungszeit eingeräumt wird, damit sich möglichst schnell die neuen Verhältnisse entsprechend der neuen Stellgröße einstellen. Durch die Lage der 0 auf der Zeitachse wird bei einem Vergleich der Grafiken deutlich, mit welchem Zeitunterschied das neue Tastverhältnis der neuen Periode beim erfindungsgemäßen Verfahren in Bezug auf das bekannte Verfahren früher eingestellt ist.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur signalabhängigen Stellgrößenänderung von Aktoren der Gebäudesystemtechnik, wobei die Einstellung der Stellgröße jeweils in Abhängigkeit der Ein- bzw. Ausschaltphase des aktuell vorliegenden Tastverhältnisses eines pulsweitenmodulierten Signals erfolgt, und wobei zur schnellen Anpassung der vorliegenden Stellgröße auf eine aktuell geforderte Stellgröße das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals nicht erst nach Ablauf einer vollen Periode, sondern auch innerhalb einer gerade ablaufenden Periode verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anforderung mit dem Anforderungszeitpunkt (A) einer neuen Stellgröße bei eingeschaltetem Signalzustand dieser beibehalten wird, wenn die aktuelle Einschaltphase kürzer ansteht als die neue Einschaltphase des neuen Tastverhältnisses andauern würde, und dass bei ausgeschaltetem Signalzustand dieser beibehalten wird, wenn die aktuelle Ausschaltphase kürzer ansteht, als die neue Ausschaltphase des neuen Tastverhältnisses andauern würde, und dass mit der letzten Änderung des Signalzustandes das der neuen Stellgröße entsprechende neue Tastverhältnis mit einer komplett neuen Periode, also vor dem Anforderungszeitpunkt (A) liegend und damit rückwirkend gestartet wird und die neue Periode mit ihrer Periodendauer (T) bereits das der neuen Stellgröße entsprechende neue Tastverhältnis mit der entsprechend neuen Einschaltphase und der entsprechend neuen Ausschaltphase aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anforderung mit dem Anforderungszeitpunkt (A) einer neuen Stellgröße bei eingeschaltetem Signalzustand die aktuelle Einschaltphase sofort beendet wird, wenn diese schon länger ansteht als die neue Einschaltphase des neuen Tastverhältnisses andauern würde, und dass bei ausgeschaltetem Signalzustand eine neue Einschaltphase sofort gestartet wird, wenn die aktuelle Ausschaltphase schon länger ansteht, als die neue Ausschaltphase des neuen Tastverhältnisses andauern würde, und dass mit dem Anforderungszeitpunkt (A) einer neuen Stellgröße das neue Tastverhältnis sofort mit einer kompletten neuen Periode mit ihrer Periodendauer (T) gestartet wird, welche bereits das der neuen Stellgröße entsprechende neue Tastverhältnis mit der entsprechenden neuen Einschaltphase und der entsprechenden neuen Ausschaltphase aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die aktuelle Periode mit der aktuellen Einschaltphase beendet wird, die neue Periode mit ihrer neuen Ausschaltphase und wenn die aktuelle Periode mit der aktuellen Ausschaltphase beendet wird, die neue Periode mit ihrer neuen Einschaltphase gestartet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein als Heizungsaktor ausgebildeter Aktor beeinflusst wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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