DE1256768B - Electronic proportional-integral controller - Google Patents
Electronic proportional-integral controllerInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
Int. CL:Int. CL:
G05bG05b
G05f
Deutsche Kl.: 21c-46/51G05f
German class: 21c-46/51
Nummer: 1 256 768Number: 1 256 768
Aktenzeichen: C 32255 VIII b/21 cFile number: C 32255 VIII b / 21 c
Anmeldetag: 27. Februar 1964Filing date: February 27, 1964
Auslegetag: 21. Dezember 1967Opened on: December 21, 1967
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler).The present invention relates to an electronic proportional-integral controller (PI controller).
Um eine gerätetechnisch vorgegebene Größe auf einen bestimmten Sollwert zu regeln, läßt man bekanntlich das Ausgangssignal eines Verstärkers auf ein Stellglied wirken, während als Eingangssignal des Verstärkers im einfachsten Fall die Abweichung des Istwertes vom Sollwert der vorgegebenen Größe dient. Eine Rückführung (Gegenkopplung) des Verstärkerausgangs auf den Verstärkereingang hält die Stellgröße nach einer Korrektur der Regelabweichung angepaßt.In order to regulate a device-technically specified variable to a certain setpoint, one leaves as is known, the output signal of an amplifier act on an actuator, while the input signal of the Amplifier in the simplest case, the deviation of the actual value from the setpoint of the specified size serves. A feedback (negative feedback) of the amplifier output to the amplifier input holds the manipulated variable is adjusted after a correction of the control deviation.
Die Wirkungsweise eines Proportionalreglers (P-Reglers) besteht darin, ein Regelsignal Sp = -K1E zu bilden, das dem Signal E proportional ist, wobei £' die Regelabweichung ist, die dem Eingang des Reglers zugeführt wird. Der Reziprokwert von A1 wird in Prozent angegeben und »Proportionalbereich« genannt.The mode of operation of a proportional controller (P controller) is to form a control signal Sp = -K 1 E , which is proportional to the signal E , where £ 'is the control deviation that is fed to the input of the controller. The reciprocal of A 1 is given in percent and called the "proportional range".
Die Wirkungsweise eines Integral-Reglers (I-Reglers) besteht darin, eine vorhandene Regelabweichung mit einer Geschwindigkeit auszuregeln, die der Größe der Regelabweichung proportional ist. Es ist die Aufgabe eines Integralreglers, die Regelgröße auch dann in endlicher Zeit auf ihren Sollwert zurückzuführen, wenn infolge der Übertragungsfunktion der Regelstrecke die Regelabweichung durch den P-Regler nur bis auf eine Restabweichung vom Sollwert beseitigt wird, d.h., wenn also die Einrichtung ein »statisches Verhalten« zeigt. Für den Integralregler gilt die Beziehung:How an integral controller (I controller) works consists in correcting an existing system deviation at a speed that is the size of the Control deviation is proportional. It is the task of an integral controller to convert the controlled variable into due to the transfer function of the controlled system the control deviation is only eliminated by the P controller except for a residual deviation from the setpoint becomes, i.e., if the device shows a "static behavior". The following applies to the integral controller Relationship:
Si? = -/ Ki Si? = - / Ki
Das konstante Verhältnis K2 zwischen der Regelgeschwindigkeit und der Regelabweichung ist die Integrationsgeschwindigkeit, oder der durch die Integration gegebene Korrekturf aktor Kt hat die Dimension einer Frequenz (Wiederholungszahl pro Minute).The constant ratio K 2 between the control speed and the control deviation is the integration speed, or the correction factor K t given by the integration has the dimension of a frequency (number of repetitions per minute).
Das Regelsignal eines PI-Reglers hat folglich die Form:The control signal of a PI controller consequently has the Shape:
-K1[E + K2J Eat).-K 1 [E + K 2 J Eat).
Da der Proportionalbereich und die Integrationsgeschwindigkeit den Kennlinien verschiedener Regelstrecken anzupassen sein müssen, ist der Regelbereich dieser Parameter als wichtige Kenngröße jedes Reglers zu betrachten.Since the proportional range and the integration speed correspond to the characteristics of different control systems need to be adjusted, the control range of these parameters is an important characteristic of every controller consider.
Ein elektronischer PI-Regler besitzt einen Eingangswiderstand der Größe Re und einen Verstärker mit (negativer) Rückführung, die durch einen Widerstand Ra Elektronischer Proportional-Integral-ReglerAn electronic PI controller has an input resistance of the size R e and an amplifier with (negative) feedback, which is generated by a resistor R a Electronic proportional-integral controller
Anmelder:Applicant:
Controle Bailey S. Α.. ParisControle Bailey S. Α .. Paris
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. G. Schliebs, Patentanwalt,Dipl.-Ing. G. Schliebs, patent attorney,
Darmstadt. Ludwig-Büchner-Str. 14Darmstadt. Ludwig-Büchner-Str. 14th
Als Erfinder benannt:
Jean Lejon. ParisNamed as inventor:
Jean Lejon. Paris
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Frankreich vom 30. April 1963 (933 339)France of April 30, 1963 (933 339)
und einen Kondensator mit der Kapazität C in Reihe gebildet wird.
Der Proportionalbereich ist durch das Verhältnisand a capacitor having the capacitance C is formed in series.
The proportional band is through the ratio
K1 = ■—■ gegeben, und seine Einstellung geschieht K 1 = ■ - ■ given, and its cessation occurs
vorzugsweise durch Veränderung von Re. Die Integrationsgeschwindigkeit AT2 ist durch das Produkt R8C bestimmt und läßt sich vorzugsweise durch Veränderung von C einstellen.preferably by changing R e . The rate of integration AT 2 is determined by the product R 8 C and can preferably be adjusted by changing C.
Da die Kenngrößen eines PI-Reglers von den Daten der Regelstrecke abhängen, war es bisher erforderlich, in der Rückführung eines Reglers einen Kondensator hinreichend großer Kapazität zu verwenden und diesen Aufwand in Kauf zu nehmen, umSince the parameters of a PI controller depend on the data of the controlled system, it was previously necessary to to use a capacitor of sufficiently large capacity in the feedback of a regulator and to accept this effort in order to
eine Integrationsgeschwindigkeit Kt — ύ- bei eineman integration speed K t - ύ - at a
K3 C
100 R K 3 C
100 r
festen Proportionalbereich B— 6'''9Io zu er"fixed proportional range B— 6 ''' 9 Io to er "
reichen. Eine Vergrößerung des Widerstandes Rs hätte nur zu einer proportionalen Vergrößerung des Widerstandes Re geführt und dadurch die Drift der Anordnung vergrößert.are sufficient. An increase in the resistance R s would only have led to a proportional increase in the resistance R e and thereby increased the drift of the arrangement.
Es ist der Zweck der Erfindung, die Verwendung von Kondensatoren mit großer Kapazität im Rückführungskreis eines elektronischen PI-Reglers zu vermeiden, ohne jedoch eine erhöhte Drift infolge von erhöhten Eingangswiderständen auftreten zu lassen.It is the purpose of the invention to use large capacitance capacitors in the feedback loop of an electronic PI controller without, however, an increased drift as a result of to allow increased input resistances to occur.
An sich ist bekannt, bei Verstärkern durch eine Gegenkopplung die Nullpunktsstabilität zu verbessern (Telefunken-Zeitung 1958, Heft 121, S. 162) und. um dadurch bei Transistorverstärkern die Eingangsimpedanz nicht zu stark herabzusetzen, den Gegen- It is known per se to improve the zero point stability in amplifiers by means of negative feedback (Telefunken newspaper 1958, issue 121, p. 162) and. In order not to reduce the input impedance too much in transistor amplifiers, the opposite
3 43 4
kopplungswiderstand in Reihe mit einem hoehohmigen klemme α und der Basis des Eingangstransistors 12coupling resistance in series with a high-ohmic terminal α and the base of the input transistor 12
Widerstand mit der Basis des Transistors und über verbunden ist. In der Rückführung liegt ein Konden-Resistance connected to the base of the transistor and across. There is a condensation in the return
einen Kondensator mit dem Emitter zu verbinden sator oder eine Parallelschaltung mehrerer Konden-to connect a capacitor to the emitter or a parallel connection of several capacitors
(britische Patentschrift 940 980). satoren 18 mit der Kapazität C in Reihe mit einem(British Patent 940,980). Sators 18 with the capacity C in series with one
Der PI-Regler gemäß der Erfindung ist dem- 5 Widerstand 19 der Größe/?„. Die Arbeitsschaltung 2 gegenüber dadurch gekennzeichnet, daß der Rück- enthält einen Leistungstransistor 21 in Emitterführungskreis seines niederohmigen Verstärkers in an Schaltung, dessen Basis mit dem Emitter des Transich bekannter Weise an einen zusätzlichen, hoch- M'stors 16 verbunden ist und dessen Kollektor mit ohmigen Ausgang des Verstärkers angeschlossen und einem Stellglied der Regelstrecke verbunden ist, das die Kapazität seines Kondensators relativ klein ge- ίο schematisch durch den Widerstand 22 dargestellt ist. halten ist, um eine vorgegebene Regelzeitkonstante Der Verstärker 1 und der Transistor 21 werden von ohne Änderung des Proportionalbereichs zu er- einer Stromquelle 3 mit Mittelabgriff über den gemeinhalten, samen Ein- und Ausgang gespeist, der auf dem Poten-The PI controller according to the invention is therefore 5 resistor 19 of the size /? ". The working circuit 2 opposite characterized in that the return contains a power transistor 21 in the emitter control circuit of his low-impedance amplifier in a circuit, its base with the emitter of the Transich known way is connected to an additional, high M'stors 16 and its collector with ohmic output of the amplifier and connected to an actuator of the controlled system, the the capacitance of its capacitor is relatively small, shown schematically by the resistor 22. is kept to a predetermined control time constant The amplifier 1 and the transistor 21 are of without changing the proportional range to a power source 3 with center tap on the common, the same input and output, which is on the potential
Für eine vorgegebene Zeitkonstante sind die tial der Eingangsklemme α liegt. Die Transistoren 13
Kapazität des Kondensators durch das Impedanz- 15 bis 16 sind jeweils mit der Basis direkt an den Kollektor
verhältnis des zusätzlichen Ausgangskreises zu dem des vorangehenden Transistors geschaltet, der immer
das Regelsignal liefernden Ausgangskreis dividiert ein Transistor entgegengesetzten Typs ist.
und der Wert des Widerstandes mit diesem Impedanz- Offensichtlich ergibt ein über den Eingangsverhältnis multipliziert, verglichen mit den bei bis- widerstand 11 an die Basis des Transistors 12 geführtes
herigen Reglern notwendigen Werten, wenn das 20 Signal Ve nach stufenweiser Verstärkung in den
Rückführsignal in einem einzigen Ausgangskreis Transistoren 12 bis 16 an den Klemmen der Belastungsgeringer
Impedanz gebildet wurde. widerstände des Emitters bzw. Kollektors von Tran-For a given time constant, the tial of the input terminal α is located. The transistors 13 capacitance of the capacitor through the impedance 15 to 16 are each connected with the base directly to the collector ratio of the additional output circuit to that of the preceding transistor, which always divides the output circuit delivering the control signal is a transistor of the opposite type.
and the value of the resistor with this impedance Obviously results in a multiplied by the input ratio, compared with the previous controllers led to the base of the transistor 12 at bis resistor 11, when the 20 signal V e after stepwise amplification in the feedback signal in a single output circuit transistors 12 to 16 at the terminals of the low impedance load. resistances of the emitter or collector of trans-
Ein Vorteil des elektronischen PI-Reglers gemäß sistor 16, die bis auf den Basisstrom vom gleichenAn advantage of the electronic PI controller according to sistor 16, which is down to the base current of the same
der Erfindung besteht darin, daß er in bestimmtem Strom durchflossen werden, die Signale F« bzw. V,'. of the invention consists in the fact that a certain current flows through it, the signals F 'and V,'.
Umfang eine Verringerung des Eingangswiderstandes Re 35 Die Spannungen der Signale Vt und V1' stehen imThe scope of a reduction in the input resistance Re 35. The voltages of the signals V t and V 1 ' are im
ermöglicht, so daß folglich auch die dem Eingangs- gleichen Verhältnis η zueinander wie die beidenmade possible, so that consequently the same ratio η to one another as the input as the two
widerstand direkt proportionale Drift verringert wird. Belastungswiderstände und sind entgegengesetzt ge-resistance is reduced directly proportional drift. Load resistances and are oppositely
Diese allgemeine Lösung wird insbesondere bei polt. Das Signal V3 besitzt die gleiche Polung wieThis general solution is used in particular at polt. The signal V 3 has the same polarity as
zwei bestimmten Reglern angewandt, nämlich bei das Eingangssignal Ve und stellt das Ausgangssignaltwo specific regulators are applied, namely at the input signal V e and sets the output signal
einem Regler mit Gleichstromtransistorverstärker und 30 des Verstärkers 1 dar. Das Signal V,' = —n V, wirda regulator with a direct current transistor amplifier and 30 of the amplifier 1. The signal V, '= -n V, becomes
bei einem Regler mit klassischem Wechselstrom- dem Rückführungsnetzwerk 18,19 zugeführt. Derin the case of a controller with a classic alternating current, fed to the feedback network 18, 19. Of the
verstärker. Widerstand 19 besitzt statt der Größe K1Re alsamplifier. Resistor 19 has instead of the size K 1 Re as
Bei einem elektronischen PI-Regler mit einem direkt Produkt aus Eingangswiderstand Re und Verstärkungsgekoppelten mehrstufigen Transistorverstärker, in dem . , _, vs ...... . ..„ ... _,In the case of an electronic PI controller with a direct product of the input resistance R e and the gain-coupled multi-stage transistor amplifier in which. , _, v s ....... .. "... _,
der niederohmige Ausgang parallel zum Emitter- 35 faktOT *» = K folgllch den n'mU ^0*"01 Weit the low-resistance output parallel to the emitter 35 faktOT * » = K consequently the n ' mU ^ 0 *" 01 far
Belastungswiderstand der Endstufe liegt, ist der Rs = TiK1Re. Um eine vorgegebene Zeitkonstante R,C Load resistance of the output stage, the R s = TiK 1 Re. To a predetermined time constant R, C
Rückführungskreis vorteilhaft an einen einstellbaren zu erreichen, muß die Kapazität des Kondensators 18Feedback circuit advantageous to achieve an adjustable, the capacitance of the capacitor 18
Abgriff am Kollektor-Belastungswiderstand der End- entsprechend durch η geteilt werden. Die Größe η Tap on the collector load resistance of the end can be divided accordingly by η. The size η
stufe angeschlossen. läßt sich durch Veränderung des zurückgeführtenstage connected. can be changed by changing the returned
Bei Anwendung der Erfindung in einem PI-Regler 40 Signals V/ einstellen. Die Zeitkonstante der Rückmit mindestens einem Eingangsmodulator, der die führung läßt sich durch geeignete Wahl der Kapazität Gleichstromeingangssignale in Wechselstromsignale des Kondensators einstellen; dazu dient der Umumformt, deren Amplitude dem Absolutwert pro- schalter 180 im Kondensatornetzwerk 181,182,183. portional ist und deren Phase die Polung wiedergibt, Die Polungen der verschiedenen Transistoren sind so und dem ein Wechselstromverstärker mit niedriger 45 gewählt, daß beim Verschwinden des zwischen den Verstärkung und geringer Impedanz angeschlossen ist, Klemmen α und b liegenden Eingangssignals Ve das wird der Rückführungskreis an einen zusätzlichen Potential des Kollektors, an dem das Signal V,' ab-Wechselstromverstärker mit großer Impedanz und gegriffen wird, auf der gleichen Höhe liegt wie der hoher Verstärkung angeschlossen. Mittelabgriff der Spannungsversorgung und dieWhen using the invention in a PI controller 40 set the signal V / . The time constant of the return with at least one input modulator, which the guide can be adjusted by suitable selection of the capacitance direct current input signals into alternating current signals of the capacitor; this is done by reshaping, the amplitude of which corresponds to the absolute value per switch 180 in the capacitor network 181,182,183. is proportional and whose phase reflects the polarity, the polarities of the various transistors are chosen so and that an AC amplifier with a lower 45 that when the between the amplification and low impedance disappears, terminals α and b lying input signal V e that becomes the feedback circuit to an additional potential of the collector, at which the signal V, ' ab-AC amplifier with high impedance and is taken, is connected to the same level as the high gain. Center tap of the power supply and the
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der 50 Klemme a. Details of the invention emerge from the 50 terminal a.
folgenden Beschreibung. In der Zeichnung bedeutet F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines Reglers mitfollowing description. In the drawing, F i means g. 2 is a block diagram of a controller with
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines PI-Reglers gemäß Modulationsverstärker,1 shows a basic circuit diagram of a PI controller in accordance with the modulation amplifier,
der ersten Ausführungsform der Erfindung, Die Regelabweichung wird als Gleichspannungs-the first embodiment of the invention, the control deviation is expressed as a DC voltage
F i g. 2 ein Blockschaltbild eines PI-Reglers gemäß Eingangssignal dem Eingang des Modulators 41 zu-F i g. 2 a block diagram of a PI controller according to the input signal to the input of the modulator 41
der zweiten Ausführungsform der Erfindung. 55 geführt, der es in ein Wechselspannungssignal um-the second embodiment of the invention. 55, which converts it into an alternating voltage signal
Der in F i g. 1 dargestellte PI-Regler ist im wesent- formt, dessen Amplitude dem Absolutwert proportional liehen ein Kraftverstärker mit zwei Eingangsklemmen ist und dessen Phase die Polung wiedergibt. Der α und b und einem Eingangswiderstand 11 der Modulator 41 kann ein beliebiges bekanntes Modu-Größe Re, der an der Eingangsklemme b liegt, mit lationsverfahren verwenden, z.B. mechanische Schwinfünf Transistoren 12 bis 16, von denen abwechselnd 60 gungen, Dioden-Modulation, Transistor-Modulation, ein n-p-n-Transistor und ein p-n-p-Transistor in photoelektrische Modulation, Modulation durch verReihe geschaltet ist, mit einem Ausgangskreis an den änderliche Kapazität. Das Wechselspannungssignal Klemmen des Emitter-Belastungswiderstandes des des Modulators 41 wird im Wechselspannungsn-p-n-Transistors 16, der einen Teil der Arbeits- verstärker 42 verstärkt, dessen Ausgangssignal in den schaltung 2 darstellt, und mit einer (negativen) Rück- 65 beiden Demodulatorstufen 43 und 44, die auf einer führung zwischen einem einstellbaren Abgriff am Bezugsspannung liegen, demoduliert wird, von denen Belastungswiderstand 17, über den der Kollektor des der erstere mit hoher Verstärkung und großer Impe-Transistors 16 mit dem Potential der Eingang" danz das Rückführungssignal und der andere mitThe in F i g. 1 is essentially shaped, the amplitude of which is proportional to the absolute value, a force amplifier with two input terminals and the phase of which reflects the polarity. The α and b and an input resistor 11 of the modulator 41 can use any known modulus Re, which is applied to the input terminal b , with lation methods, e.g. mechanical Schwinfünf transistors 12 to 16, of which 60 alternately, diode modulation, transistor -Modulation, an npn transistor and a pnp transistor in photoelectric modulation, modulation connected in series, with an output circuit to the variable capacitance. The AC voltage signal clamp the emitter load resistor of the modulator 41 is in the AC voltage n-pn transistor 16, which amplifies part of the working amplifier 42, the output signal of which is in circuit 2, and with a (negative) reverse 65 two demodulator stages 43 and 44, which are on a guide between an adjustable tap at the reference voltage, is demodulated, of which load resistor 17, across which the collector of the former with high gain and large impedance transistor 16 with the potential of the input "danz the feedback signal and the others with
Claims (1)
Britische Patentschrift Nr. 940 980;
»Siemens-Zeitschrift«, Oktober 1960, S. 580.Pamphlets considered;
British Patent No. 940,980;
"Siemens-Zeitschrift", October 1960, p. 580.
S SS S
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| GB940980A (en) * | 1959-02-17 | 1963-11-06 | Emi Ltd | Improvements in or relating to circuit arrangements embodying transistors |
Also Published As
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| FR1366021A (en) | 1964-07-10 |
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