CH686268A5 - Digital control loop. - Google Patents
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Description
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CH 686 268 A5 CH 686 268 A5
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Beschreibung description
Die Erfindung betrifft einen digitalen Regelkreis mit einem ersten Regler, der eine Regelabweichung Xd als Differenz zwischen einer Führungsgrösse W und einem Ist-Wert X in eine digitale Stellgrösse Yk umsetzt, welche eine Regelstrecke beaufschlagt, deren Ausgangsgrösse X wiederum zur Bildung der Stellgrösse Yk dient. The invention relates to a digital control circuit with a first controller, which converts a control deviation Xd as the difference between a reference variable W and an actual value X into a digital manipulated variable Yk, which acts on a controlled system, the output variable X of which in turn serves to form the manipulated variable Yk.
Bei digitalen Regelkreisen ist die Ausgangsgrösse des Reglers - die Stellgrösse - bedingt durch die Rechengenauigkeit des Reglers oder die Wortbreite des Ausgabekanals nur stufenweise veränderbar. Damit ist der Nachteil verbunden, dass nicht jeder beliebige Ist-Wert statisch angefahren werden kann. Beispielsweise gilt für einen Drehzahlregler, dessen Stellgrösse den Ist-Wert, das heisst die Drehzahl, in zwanzig Stufen im Bereich von 0 bis 2.000 [1/min] einstellen kann, dass die Drehzahl statisch nur in 100-[1/min]-Schritten fixierbar ist. In the case of digital control loops, the output variable of the controller - the manipulated variable - can only be changed in stages due to the computing accuracy of the controller or the word width of the output channel. This has the disadvantage that not every actual value can be approached statically. For example, for a speed controller whose manipulated variable can set the actual value, i.e. the speed, in twenty steps in the range from 0 to 2,000 [1 / min], the speed is statically only in 100 [1 / min] steps is fixable.
Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Regelkreis dahin gehend zu verbessern, dass auch Zwischenstufen einstellbar sind. The invention is accordingly based on the object of improving a digital control loop in such a way that intermediate stages can also be set.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsge-mäss in den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches. The object is achieved according to the invention in the features of the independent claim.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Zwischenstufen auch anfahrbar sind, wenn die Stellgrösse mit für die Regelstrecke unbemerkbarer Frequenz moduliert wird. The invention is based on the knowledge that intermediate stages can also be approached if the manipulated variable is modulated with a frequency that is unnoticeable for the controlled system.
Der zur Modulation der Stellgrösse verwendete 2-Punkt-Regler ist bei kleinen Regelabweichungen mit einem P-Regler mit unendlicher Verstärkung vergleichbar, das heisst, minimale Regelabweichungen führen zu einer Änderung der Stellgrösse. Bei grossen Regelabweichungen geht die Verstärkung gegen Null, da die Stellgrösse durch den 2-Punkt-Regler maximal um eine Stufe geändert werden kann. Dieses System regelt kleine Regelabweichungen durch die hohe Verstärkung aus, führt aber durch die abnehmende Verstärkung bei steigender Regelabweichung nicht zu instabilen Systemen. Das bedeutet, dass durch den 2-Punkt-Regler die Stabilität des gesamten Regelsystems nicht beein-flusst wird und trotzdem die systembedingten Abweichungen durch die Quantisierung der Stellgrösse ausgeregelt werden. Damit ist eine Optimierung des konventionellen Reglers nach bekannten Verfahren, insbesondere in bezug auf Stabilitätsbetrachtungen, möglich. Unter konventionellen Reglern sind hier alle Regler mit P-, PI-, I- oder PID-Charakteristik zu verstehen. The 2-point controller used to modulate the manipulated variable can be compared to a P controller with infinite gain for small control deviations, which means that minimal control deviations lead to a change in the manipulated variable. In the event of large control deviations, the gain goes to zero, since the manipulated variable can be changed by a maximum of one step using the 2-point controller. This system regulates small control deviations due to the high gain, but does not lead to unstable systems due to the decreasing gain as the control deviation increases. This means that the stability of the entire control system is not influenced by the 2-point controller and the system-related deviations are nevertheless corrected by quantizing the manipulated variable. This makes it possible to optimize the conventional controller using known methods, in particular with regard to stability considerations. Conventional controllers are understood to mean all controllers with P, PI, I or PID characteristics.
Da beim Einsatz dieser konventionellen Regler der I-Anteil auf die « Langsame»-Regelstrecke abgestimmt ist, müssen die durch die Quantisierung bedingten Abweichungen vom P-Anteil und gegebenenfalls auch vom D-Anteil ausgeregelt werden. Die Höhe des P-Anteils richtet sich in den meisten Fällen nach der Stabilitätsgrenze des Regelsystems. Die Modulation der Stellgrösse hängt folglich auch von der Regelstrecke ab, das bedeutet, dass bei vorgegebener Proportionalverstärkung des P-Anteils der minimale Fehler durch die Quantisierung der Stellgrösse festliegt. Since the I component is matched to the "slow" control system when using these conventional controllers, the deviations from the P component and possibly also from the D component caused by the quantization must be corrected. In most cases, the level of the P component depends on the stability limit of the control system. The modulation of the manipulated variable therefore also depends on the controlled system, which means that with a given proportional gain of the P component, the minimum error due to the quantization of the manipulated variable is fixed.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass dem konventionellen Regler Schaltungselemente zur Erzeugung einer Ansprechschwelle Xdmin vorgeordnet sind. Die Ansprechschwelle sorgt dafür, dass der konventionelle Regler nur auf Regelabweichungen Xd über einer Schwelle Xdmin reagieren kann. Dadurch wird verhindert, dass der konventionelle Regler die Reaktion des 2-Punkt-Reglers verstärkt und damit das Regelverhalten negativ beeinflusst. According to an advantageous further development, it is provided that the conventional controller is preceded by circuit elements for generating a response threshold Xdmin. The response threshold ensures that the conventional controller can only react to control deviations Xd above a threshold Xdmin. This prevents the conventional controller from amplifying the response of the 2-point controller and thus negatively influencing the control behavior.
Vorzugsweise ist eine Anwendung zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors vorgesehen, wobei die Gesamtstellgrösse eine pulsweite modulierte Spannung ist, die durch die Induktivität des Elektromotors geglättet wird. Zur Umsetzung der digitalen Stellgrösse in ein analoges Signal muss in den meisten Fällen ein Digital-Analog-Wandler eingesetzt werden. Bei wenigen Anwendungen kann die Stellgrösse direkt auf die Regelstrecke gegeben werden. Die Regelstrecke führt dann die Digital-Analog-Umsetzung durch ihr integrierendes Verhalten aus. Das ist beispielsweise bei einer digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors durch dessen Induktivität der Fall. Ein drehzahlgeregelter Elektromotor lässt sich mit Vorteil beispielsweise zur Ansteuerung eines Gebläses im Luft- und/oder Abgasstrom bei einem mit fossilen Brennstoffen beheizten Warmwasserbereiter anwenden. An application for digital speed control of an electric motor is preferably provided, the total manipulated variable being a pulse-width modulated voltage which is smoothed by the inductance of the electric motor. In most cases, a digital-to-analog converter must be used to convert the digital manipulated variable into an analog signal. In a few applications, the manipulated variable can be given directly to the controlled system. The controlled system then carries out the digital-analog conversion through its integrating behavior. This is the case, for example, in the case of digital speed control of an electric motor due to its inductance. A speed-controlled electric motor can advantageously be used, for example, to control a fan in the air and / or exhaust gas flow in a water heater heated with fossil fuels.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet beziehungsweise werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Further developments of the invention are characterized in the dependent claims or are explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsge-mässen Regelkreises und Fig. 1 is a schematic diagram of a control loop according to the invention and
Fig. 2 zwei Diagramme zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Regelkreises gemäss Fig. 1. 2 shows two diagrams to illustrate the functioning of the control loop according to FIG. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte digitale Regelkreis besteht im wesentlichen aus einem konventionellen Regler 1, der ein P-, PI-, I- oder PID-Regler sein kann, einem diesem vorgeschalteten Schwellwertgeber 2, einer nachgeschalteten Regelstrecke 3 und einem zu der Regler-1-, Schwellwertgeber-2-Baugruppe parallel geschalteten 2-Punkt-Regler 4. Dem Regelkreis werden die Führungsgrösse W und der momentane Ist-Wert X zugeführt. Mittels eines Differenzgliedes 5 wird die Regelabweichung Xd = W - X gebildet. Mit dieser Regelabweichung Xd wird über einen Verzweigungspunkt 6 sowohl der Schwellwertgeber 2 als auch der 2-Punkt-Regler 4 beaufschlagt. Wird eine minimale Regelabweichung Xdmin überschritten, wird der konventionelle Regler 1 aktiviert. Der konventionelle Regler 1 erzeugt eine Stellgrösse Yk, während der 2-Punkt-Regler 4 eine Korrekturstellgrösse Y2pkt bildet. Beide Reglerausgänge sind mit einem Addierglied 7 verbunden. Das Addierglied 7 bildet die Summe aus den beiden Stellgrössen Yk und Y2pkt. An seinem Ausgang liegt die Gesamtstellgrösse Y als digitales Signal an. Dieses Signal kann entweder direkt auf die Regelstrecke 3 gegeben werden oder muss noch über einen Digital-Analog-Wandler in eine von der Re- The digital control circuit shown in FIG. 1 essentially consists of a conventional controller 1, which can be a P, PI, I or PID controller, a threshold value transmitter 2 connected upstream of this, a downstream control system 3 and a controller 1, threshold value transmitter 2 module 2-point controller 4 connected in parallel. The reference variable W and the current actual value X are fed to the control loop. The control deviation Xd = W - X is formed by means of a differential element 5. This control deviation Xd is applied to both the threshold value transmitter 2 and the 2-point controller 4 via a branching point 6. If a minimum control deviation Xdmin is exceeded, conventional controller 1 is activated. The conventional controller 1 generates a manipulated variable Yk, while the 2-point controller 4 forms a correcting manipulated variable Y2pkt. Both controller outputs are connected to an adder 7. The adder 7 forms the sum of the two manipulated variables Yk and Y2pkt. The total manipulated variable Y is present as a digital signal at its output. This signal can either be sent directly to the controlled system 3 or still has to be transferred via a digital-analog converter to one of the control
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gelstrecke 3 verarbeitbare Signalform umgesetzt werden. Der 2-Punkt-Regler 4 dient quasi zur Modulation der Stellgrösse. Bei Regelabweichungen Xd grösser oder grösser/gleich Null wird auf die Stellgrösse Yk des konventionellen Reglers ein Schritt aufaddiert und damit die Stellgrösse moduliert. Diesen Zusammenhang zeigt Fig. 2 in zwei einander zugeordneten Zeitdiagrammen. Im oberen Diagramm ist der Ist-Wert-Verlauf und im unteren Diagramm die jeweilige Stellgrösse des 2-Punkt-Reglers 4 dargestellt. Ohne Stellgrössenmodulation sind nur weit auseinanderliegende diskrete Ist-Werte, die hier mit Xyi, Xyj + i und Xyi + 2 bezeichnet sind, statisch einstellbar. Liegt der Soll-Wert beziehungsweise die Führungsgrösse W zwischen zwei X-Werten, kann die resultierende Regelabweichung Xd erheblich sein. Um eine genauere Einstellung zu ermöglichen, ist daher vorgesehen, dass der relativ grob geteilten Stellgrösse Yk des konventionellen Reglers eine Korrekturstellgrösse Y2pkt überlagert wird. Im Zeitraum zwischen ti und te wird durch den 2-Punkt-Regler 4 ein Ausgangssignal mit dem Pegel «high» erzeugt, das heisst Y2pkt = 1 Schritt wird aufaddiert. Wird die Soll-Wert-Abweichung negativ, schaltet der 2-Punkt-Regler auf «low». Das ist im Zeitraum zwischen te und fe der Fall. Dieser Vorgang wiederholt sich bei konstanter Führungsgrösse mit der systemeigenen Regelfrequenz. Die durch die Modulation hervorgerufenen Regelschwankungen sind folglich nur noch von der Abtastzeit des 2-Punkt-Reglers 4 abhängig. gel track 3 processable signal form can be implemented. The 2-point controller 4 serves to modulate the manipulated variable. In the event of control deviations Xd greater than or greater than or equal to zero, one step is added to the manipulated variable Yk of the conventional controller and the modulated variable is thus modulated. 2 shows this relationship in two mutually associated time diagrams. The actual value curve is shown in the upper diagram and the respective manipulated variable of the 2-point controller 4 is shown in the lower diagram. Without manipulated variable modulation, only widely spaced discrete actual values, which are designated here with Xyi, Xyj + i and Xyi + 2, can be statically adjusted. If the target value or the command variable W lies between two X values, the resulting control deviation Xd can be considerable. In order to enable a more precise setting, it is therefore provided that a correcting manipulated variable Y2pkt is superimposed on the relatively roughly divided manipulated variable Yk of the conventional controller. In the period between ti and te, an output signal with the "high" level is generated by the 2-point controller 4, ie Y2pkt = 1 step is added. If the setpoint value deviation becomes negative, the 2-point controller switches to «low». This is the case between te and fe. This process is repeated with a constant command variable at the system's own control frequency. The control fluctuations caused by the modulation are consequently only dependent on the sampling time of the 2-point controller 4.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche bei grundsätzlich anders gearteter Ausbildung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen. The invention is not limited to the exemplary embodiment specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the features of the invention with a fundamentally different design.
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