DE1448313A1

DE1448313A1 - Digital PID controller

Info

Publication number: DE1448313A1
Application number: DE19611448313
Authority: DE
Inventors: Fritzsche Dr-Ing Wilfred
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1958-10-29
Filing date: 1961-04-28
Publication date: 1969-02-13
Also published as: BE583079A; FR1241312A; CH371617A; FR81589E; CH399789A

Description

"Digiteler P I D - Regler" Zusatz zu Patent .......... (siebe den Anmeldeunterlagen bei- getUgte »gierbeitmg Boo 30 192). Der PID-Regler naob den Hauptpatent bestebt aus einem steuer-- beren'Tor 2 (Piom 1), Über das einem Hauptzäblglied 3 eine In- palsfolge f äugetübrt wird.. Die dem-Hauptzäblglied wäbrend ei»r Zäblperiode zugefübrten Impulse sind dem Intwert pro- portional. Pft die lkirkungsweise des Reglers ist es gleich- &Utig,a ob mit konntanter oder variabler Zählperiodeadauer ge- arbeitet wird. Die Zählperiode ist konstant, wenn die Impuls-- folgefrequenz istwertproportional Ist und die Öffnungszeit den Tore 2 konstant ist. Die Zäblperiode ist variabel, wenn die Offbungszeit den Torn intwartproportional ist und die Impuls- folgefrequenz konstant ist. Am Ende einer Zählperiode, die durch einen Impuls über den Steuereingang 5 a des Tcres 2 fest-Eelegt wird, schaltet das Tor 2 auf einen als Rückstelleinriebtung arbeitenden Rilfazähler 5 b. Wann die Kapaz-Ijät des Hilfezählere 5 b'überi3ebritten wird, so wird durch sein Aus-.ganLwanignal das Tor 2 wieder auf das Hauptzählglied 3 zurüe.kgeschaltet. Während der Zählzeit des Hilfazählera 5 b wird die In Hauptsählglied 3 enthaltene Zahl Über eine ÜbertragungseinrIchtung 8 auf einen Speicher 9 übertragen. Dabei kann man sich in allgemeinen mit der-Übertragung der unteren Dekaden begni#gen. Die im Zähler 9 enthaltene Zahl wird in einen Analogwert umgeformt (9 a), von dem ein im Hauptpatent näher beschrieben« konstanter 'Wert abgezogen wird. (In der Zeichnung nicht näher dargestellt). Der Integralwert der Regelabweiabung wird in der Weise gewonnen, daß mit Erreichen eines bestimmten Zählenwertes im Hauptzäblglied 3-die das Hauptzählglied beaufschlagende Impulsfolge f über ein Tor 12 auf einen Zähler 13 geschaltet wird. Nimmt man an, daß dem Sollwert von 1000 %o 3.5W Impulse zugeordnet werden, so wird das.Tor 12 beispielsweine beim Überschreiten der Zahl 3000 im Hauptzählglied 3 geöffnet. Die im Speicher 13 enthaltene Zahl wird in einen Analogwert umgeforat (13 a)9 von dem abenfallo eiu konstanter AnalMwert subtrahiert wird, der bei dem eben gewählten Zablenbeispiel 500 Impulsen entspricht. "Digiteler PI D - controller" Addition to patent .......... (screened the registration documents examples tugged »greed work Boo 30 192). The PID controller based on the main patent consists of a control beren'Tor 2 (Piom 1), via which a main gate element 3 has an in- palssequence for ugly is exercised .. The main focal point Impulses added to the metering period are pro- portional. If the controller works, it is the same & Utig, a whether overall with konntanter or variable Zählperiodeadauer is working. The counting period is constant when the pulse-- The actual sequence frequency is proportional to the actual value and the opening time is the Goals 2 is constant. The cell period is variable if the The opening time is proportional to the Torn intwart and the impulse repetition frequency is constant. At the end of a counting period, which is fixed-Eeletzt by a pulse via the control input 5 a of the door 2, the gate 2 switches to a Rilfa counter 5 b operating as a reset drive. When the capacity of the auxiliary counter 5 is exceeded, the gate 2 is switched back to the main counter 3 by its off-gate signal. During the counting time of the auxiliary counter 5b , the number contained in the main selector 3 is transferred to a memory 9 via a transfer device 8 . Yet one can Begni # gen in general with the broadcast of the lower decades. The number contained in the counter 9 is converted into an analog value (9 a), from which a "constant" value, described in more detail in the main patent, is subtracted. (Not shown in detail in the drawing). The integral value of the Regelabweiabung is obtained in such a manner that a given counting value in Hauptzäblglied 3 which is the Hauptzählglied biasing pulse train f via a gate 12 to a counter 13 connected with achievement. Assuming that the target value of 1000% o 3.5W pulses are assigned, the gate 12 is opened, for example, when the number 3000 in the main counter 3 is exceeded. The number contained in the memory 13 is converted into an analog value (13 a) 9 is subtracted from the even a constant analog value, which corresponds to 500 pulses in the number example just selected.

Der Differentialwert der Regelabweichung wird bei dem Digital-Analog-Wandler nach dem Hauptpatent durch disitale Differenzbildung gewonnen (in Yig. 1 nicht dargestellt). In diesem digitelen Subtrahierglied wird vor der Übertragung einer neuen Zahl auf den Speichex,9 von-der im Speicher 9 enthaltenen Zahl die an Bade der Zäh,lperio.de im Hauptzählglied 3 aufgelaufene Zahl .aubtrahierts wobeinatürlich von der Zahl im liauptzählglied 3 wieder nur die Dekdden berücksichtigt wexden, die anschließend auf den Speicher 9 übertragen werden.In the digital-to-analog converter according to the main patent, the differential value of the control deviation is obtained by calculating the difference ( not shown in Yig. 1). In this digitelen subtraction of a new number on the Speichex, is before the transmission of 9-the number contained in the memory 9 at the swimming Tough, accrued number lperio.de in Hauptzählglied 3 .aubtrahierts wobeinatürlich from the number in liauptzählglied 3 again only Decodes are taken into account, which are then transferred to the memory 9 .

Nachteilig ist bei dem oben beschriebenen PID-Regler -.nach dem Hauptpatent die Verwendung eines digitalen Subtrahiexglieden. Ein solches Gerät ist verhältnismäßig aufwendig und kostspielig. Andererseits ist die hohe Geaauigkeitg die sich durch die digitale Ditterensbildung erzielen läßt, für den Differentialwert der Regelab»ichung nicht erforderlich.The disadvantage of the PID controller described above - according to the main patent - is the use of a digital subtraction element. Such a device is relatively complex and expensive. On the other hand, the high accuracy that can be achieved through digital ditter formation is not required for the differential value of the control calibration.

Der vorliegenden Zzfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde# den PID-Begler nach dem Hauptpatent in der Weise weiterzuentwickelnl "8 für. die Bildung des Differentialenteils der Regelabweichung ein digitales Subtrahierglied-nicht mehr erforderlich ist.Therefore, the present Zzfindung is the object of the PID # Begler after the main patent in the way weiterzuentwickelnl "8 for. The formation of the differential component of the control deviation a digital subtracter is not longer necessary.

lIne erfinderische Lösung dieser Aufgabe besteht darin-, daß zur Bildung dee*Differeutialwertes der Regelabweichung die im Speicher für den Proportionalwert der Begelabweichung enthaltene Zahl kurz vor ihrer Ablösung durch die Zahl der nächstfolgenden Zählperiode «b« eine Übertragungeeinrichtung auf einen Speicher Übertragen wird und die in Analogwerte umgeformten Zahlen beider Speicher in einen Subtrahierglied voneinander subtrahiert werden. Eine zweite erfinderische Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe besteht darin, daß zur Bildung des Differentielwertes der Regelabweichung zu einer beliebigen Zeit vor dem öffnen des Toreeg über das der Speicher für den Integralwert der Regelabweichung' gespeist wixdg das dekadischekomplement der im Speicher für den Proportionalwert der Regelabweichung enthaltenen Zahl über eine Übertragungseior ichtung als Voreinstellung auf einen Zähler, dessen Zähleingang an den Auz;,#gang den Tores angeschlossen ist, übertragen wird und daß die am Ende der Meßperiode im Zähler enthaltene Zahl über eine übertragunSseinmichtung auf einen Speicher übertzagen wird und von dem am Ausgang des nachgeschalteten Digitel-Analogwendlers gewonnene Wert ein konstanter Wert abgezogen wird, dessen Größe gleich der größtmöglichen Zahl entsprichtg deren Komplement als Voreinstellung auf den Zähler übertragen wird (Speicherkapezität des Speichers 9). An inventive solution to this problem consists in that, in order to form the differential value of the control deviation, the number contained in the memory for the proportional value of the associated deviation is transferred to a memory shortly before it is replaced by the number of the next counting period "b" and the in Analog values converted numbers of both memories are subtracted from each other in a subtracter. A second inventive solution to the underlying problem is that to form the differential value of the control deviation at any time before the opening of the gate via which the memory for the integral value of the control deviation is fed wixdg the decadic complement of that contained in the memory for the proportional value of the control deviation Number is transmitted via a transmission direction as a preset to a counter whose counting input is connected to the output of the gate and that the number contained in the counter at the end of the measuring period is transmitted to a memory via a transmission device and from which on A constant value is deducted from the output of the downstream Digitel analog converter, the size of which corresponds to the largest possible number, the complement of which is transferred to the counter as a preset (storage capacity of memory 9).

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erstgenennten erfinderinehen Lösung dargestellt. Die Bildung des Proportionalwertes und den Integralwextes der Regelabweichung wird wie beim PID-Regler nach dem Hauptpatent vorgenommen und wurde oben bereits erläutert. Zur Bildung des Differentialanteiles der Regelabweichung wird die im Speicher 9 enthaltene Zahl kurz vor ihrer Löschung über eine Übertragungseinrichtung 17 auf den Speicher 18 übertragen. Über Digitel-Analogwendler 99 und 18a werden die in den Speichern 9 und 18 gespeicherten Zahlen in analoge Warte. umgewandelt und in einem Subtxahierglied 20, der vorzugsweise als Gegentaktaummeaverstärker ausgebildet istg-voneinender aubtrahiert. Zur getrennten Einstellung beider Anteile-sind verstell- bare Widerstände 16 und 19 vorgesehen. Die Steuersignale für die Botbtigung der Übertragungseinrichtung 117 und die Übeztragungseingiohtung 8 können in der gewünschten Zeitstaffelung an Hilfsausgängen a des Hilfazählers 5b abgenommen werden. Von dem auf das Subtrahierglied 20 geleiteten Pxoportionalwert der Regelabweichung ist der zu berücksichtigende konstante Wert noch nicht abgezogen" In Bummlerungepunkt 10 werden die drei Anteile--dex Regelabweichung wieder In bekannter Weise zusammengefaßt und über den Ausgang 11 dem ßtellglied der betreffenden Regeleinrichtung zugeführt.In Figure 1 , an embodiment of the first-mentioned inventive solution is shown. The formation of the proportional value and the integral value of the control deviation is carried out as with the PID controller according to the main patent and has already been explained above. To form the differential component of the control deviation, the number contained in the memory 9 is transmitted to the memory 18 via a transmission device 17 shortly before it is deleted. The numbers stored in memories 9 and 18 are transferred to an analogue control room via Digitel analog helices 99 and 18a. converted and subtracted from one another in a subtracting element 20, which is preferably designed as a push-pull space amplifier. For separate adjustment of both parts are provided adjustable-bare resistors 16 and 19th The control signals for the Botbtigung the transmission device 117 and the Übeztragungseingiohtung 8 can be removed in the desired stagger time to auxiliary outputs of a Hilfazählers 5b. Of the forwarded to the subtracter 20 Pxoportionalwert the deviation of the constant-adjusting value is not yet peeled off "In Bummlerungepunkt 10, the three units are - dex deviation again combined in a known manner and via the output 11 to the control device in question ßtellglied supplied.

In Figur 2 Ist ein Ausführungsbeispiel der zweiten erfinderischen Lösung dargestellt. In diesem Falle wird durch die übertragungseinrichtung 17 das dokadische Komplement der im Speicher 9 gespeicherten Zahl auf die Uhlerstellung des Zählers 21 übertragen. Ist also beispielsweise im Speicher 9 die Zahl 540 gespeichert, so wird der Zähler 21 auf den Wert 1000-540-460 voreingestellt. Diese Voreinetellung kann au einem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Meßporiode stattfinden, der vor.dem öffnen des Tores 12 liegt. 2as die Uortragung*aeinzichtung 17 steuernde Signal kann an einem Hilfsaus-gang b des Hauptzählgliedes abgegriffen werden. Der Eingang des Zählgliedes 21 ist an den Ausgang des Tores 12 angeschlossen, so daß beim öffnen den Tores 12 die Eingangsimpulsfolge f des PID-Reglers auch auf den Zähler 21 gelangt. Zur Vexanschaulichung soll wieder das bereite benutzte Zablenbeispiel herangezogen werden. Danch sind den mmd»len Sollwert 3500 Impulse sugeordnet und das Tor 12 öffnet, a nachdem die Zahl im HsuPtß*«hlglied den wert 3000 erreicht hat. Bei d@Z.Vorafflg»genen Zählperiode waren 3540 Impulse in das Hauptnählglied eingelaufen. Bei der folgenden Zählperiode mögen es 3600 sein Das bedeutete daß über das Tür 12 600 Impulse auf das Zählglied 21 Selangen, so daß dieaes Zählgliede das ja bereits auf den Wert 460 voreingestelUt ist, die Zahl 1060 ex-,eicht. Diese am Ende einer Zählperiode im Zählglied 21 enthaltene Zabl wird Ober eine Mbertragungseinrichtung 22 auf einen Speicher 23 übertragen. Die im Speicher 23 enthaltene Zahl wird über einen Digitel-Analog-Wandler 23a in einen analogen Wort umgewand01t9-von dem 96dann ein konstfeter Wert subtrahiert wird, der der größtmöglicher Zahl entsprichtg deren Komplement als Voreinstellung auf den Zähler 21 übeztragen wird. Diese Zahl ist im allgemeinen mit der Speicherkapazität des Speichers 9 identisch. Die Speicherkapazität des Speichers 9 betrug im vorliegenden Falle 10009 so daß von dem Analogwert am Ausgang des Digital-Analogwandlers 23a ein konstanter analoger Wert subtrahiert wird, dessen Größe der digitalen Zahl 1000 entspricht. Bei dem gewählten Zahlenbeispiel wird aleo von dem der Zahl 1060 entsprechenden analogen Vert ein der Zahl 1000 entsprechender analoger Wert abgezogen, so daß eine - analoge Größe entsprechend der Zahl 60 übrigbleibt. Diese Zahl etellt den Differentialwert der Regelabweichung der (3600 minus 3540)-Bei gewi.aßen Regelanordpl.u2gen kann auch die Verwendung des Differentielentellee zweiter Ordnung der Begelabweichung vorteilhaft sein.In Figure 2, an embodiment of the second inventive solution is shown. In this case , the transmission device 17 transmits the docadian complement of the number stored in the memory 9 to the Uhlerstellung of the counter 21. If, for example, the number 540 is stored in the memory 9 , the counter 21 is preset to the value 1000-540-460. This presetting can take place at any point in time within the measuring period that is before the opening of the gate 12. The signal controlling the transmission device 17 can be tapped at an auxiliary output b of the main counter. The input of the counter 21 is connected to the output of the gate 12, so that the input pulse sequence f of the PID controller also reaches the counter 21 when the gate 12 is opened. The previously used number example should be used again to illustrate this. Then the mmd setpoint 3500 pulses are assigned and the gate 12 opens after the number in the closing element has reached 3000. In the previous counting period, 3540 impulses had entered the main counter. In the following counting period, it may be 3600 which meant that over the door 12 600 impulses on the part of the scale 21 Selangen so that dieaes Zählgliede that's already voreingestelUt to the value of 460, the number 1,060 ex, calibrates. This Zabl contained in the counter 21 at the end of a counting period is transmitted to a memory 23 via a transmission device 22. The number contained in the memory 23 is converted into an analog word via a digital-to-analog converter 23a - from which a constant value is then subtracted which corresponds to the largest possible number, whose complement is transferred to the counter 21 as a preset. This number is generally identical to the storage capacity of the memory 9 . The storage capacity of the memory 9 was 10009 in the present case, so that a constant analog value, the size of which corresponds to the digital number 1000 , is subtracted from the analog value at the output of the digital-to-analog converter 23a. In the chosen numerical example is aleo of which the number 1060 corresponding analog Vert a number deducted 1000 corresponding analog value, so that - analog quantity corresponding to the number 60 remains. This number represents the differential value of the control deviation of the (3600 minus 3540) -With certain control arrangements, the use of the second order differential part of the control deviation can also be advantageous.

Um diese Größe im PID-Regler nach der Erfindung zu bilden, wird in Weiterentwicklung der Erfindung vo2geschlagen, daß die in dem Speicher 23 (.Fis.2) enthaltene Zahl kurz vor ihrer Löschung über eine Übertzagumgaeinzichtung auf einen Speicher übertxagen wird, in einen Analogwert umgeformt wirdv von dem sodann in einem Subtxahierglied der.Differentialwext erster Ordnung subtrahiert wird. In Yiffl 2 sind die zur Bildung des Differentialanteiles zweiter Ordnung erforderlichen zusätzlichen Schaltelemente durch die mit L bezeichnete gestrichelte Linie von den Ubzigen Bausteinen des PID-Beglern getrennt dargestellt. Die im Speicher 23 enthaltene Zahl wird kurz vor ihrer Löschung mittels der übertragungseinrichtung 24 out einen Speicher 25 Übertragen. Dem Speicher 25 ist ein Digital-Anologwandler 259 nachgeschaltet. In einem Bubtrahierglied 28 wird die Differenz aus den beiden analogen Worten Sobildotg die sich durch Unforaung der in än Speichern 23 und 25 entha.Itenen Zahlen ergeben. ]Co wird also die Differenz zweier aufeinanderfolgender Dittezentielwerte der Regelabweichung in analMen Bereich gebildet. Es wurde bereits erläutert% daß.von dem der Zehl in %Miober 23 entsprechenden Analogwert ein konstanter AnaloSwert zu subtrahieren ist. Wird daher dem Subtrabierglied 28 der um diesen konstanten Betrag bereies verminderte Arnlogwart mr Bifferensbildung zugefübrt,; so ist von dem Analogwert, üer @ich durch Umwandlung der in 8peicher 25 enthaltenen Zahl «gibtg der gleiche Wort zu subtrahieren. Wird dagegen der in »i«ita-l»logwendler 23a gewonnene.analoge 1.1*ert In seiner vollen meek nicht tm don konntenten Betrag verminderten Größe den SabtreUerglied 28 angeführt# so ist die-oben erläuterte Subtraktion von d«."alogwert des Digitel-Auslogwandlern 25a nicht erforderlich. An Ausgang den Zumierungsverstärkers erscheint der 211-terientielwert zweiter Ordnung der ]Regelabweichung. Er. wird in der 8wenierstelle 10 au den anderen Anteilen cbr Regelabweioh«jg südiert. Die Steuerung der f%-ertragungseinriohtungen 22 und 24 kam wieder durch Eilteausgänge am Eilfszähler 5b vorgenemeen worden. Die Löschung und Einspeicherung neUer Worte in die Speicher 23 und 24 erfolgt also in dem Zeitintervalls in dem did Eingsageimpulefolge kurzfristig auf den Eilfszähler 5b geleitet wird. Die Einspeicherung den neuen Werten in den Speicher 23 eßblgt dabei unmittelbar nachdem die Einapeicherung des alten Wertes des Speichers 23-incbn Speicher 25 abgeschlossen ist.In order to form this variable in the PID controller according to the invention, it is proposed in a further development of the invention that the number contained in the memory 23 (.Fis.2) is transferred to a memory via a transfer device shortly before it is deleted, into an analog value is transformed from which the first order differential is subtracted in a subtracting element. In Yiffl 2, the additional switching elements required to form the second-order differential component are shown separated from the other components of the PID companion by the dashed line labeled L. The number contained in the memory 23 is transferred to a memory 25 shortly before it is deleted by means of the transfer device 24 out. A digital-to-analog converter 259 is connected downstream of the memory 25. In a subtracting element 28, the difference between the two analogous words Sobildotg is obtained from the unforaing of the numbers contained in the memories 23 and 25 . ] Co is the difference between two consecutive third target values of the control deviation in the analog range. It has already been explained% daß.von which the Zehl appropriate in% Miober 23 analog value is a constant AnaloSwert to be subtracted. Therefore the Subtrabierglied 28 of the bereies by this constant amount decreased Arnlogwart zugefübrt mr Bifferensbildung ,; so the same word is to be subtracted from the analog value, which is obtained by converting the number contained in memory 25. If, however, in "i" ita l "logwendler 23a gewonnene.analoge 1.1 * ert In its full meek not tm don konntenten amount reduced size to SabtreUerglied 28 above # then the-above-mentioned subtraction of d '." Alogwert of Digitel Log-out converters 25a not required. The second-order target value of the control deviation appears at the output of the output amplifier. It is southed to the other components at 10 from the other components cbr control deviation. The control of the transmission units 22 and 24 came back again thus been vorgenemeen by Eilte outputs on Eilfszähler 5b. the deletion and storage of new words in the memories 23 and 24 takes place in the time interval in which did Eingsageimpulefolge short notice is passed to the Eilfszähler 5b. the storing the new values in the memory 23 eßblgt thereby immediately after the storage of the old value of the memory 23-incbn memory 25 is completed.

Die in den Yiguren 1 und 2 verwendeten Subtrahierglieder 20 bzw. 28 sind vorzugsweise als Gegentaktsummierverstiärker ausgebildet.The subtracters 20 and 28 used in Yigures 1 and 2 are preferably designed as push-pull summing amplifiers.

Claims

P a t aa t aaap X fi 0 h 0: 1. Digiteler PID] Regulator according to (see the application documents beige £ Ügte preparation Boe 30,192), gekeanzeichnotg in that for forming the differential value of the deviation in the memory (9) for the proportional value of the Begelebweichung number contained is transmitted shortly before they are replaced by the number of the next counting period via a transmission device (17) to a memory (18) and the words in Inalofb "reshaped numbers of both memory (9 u. 18) in a subtractor ( 20) can be subtracted from each other.

2. Digiteler PID companion still patent '. (See draft Boe 30 192 attached to the registration documents), characterized in that, to form the differential value of the control deviation at any time before the gate (12) is opened, via which the memory (13) for the integral value of the control deviation is fed, the Decadic complement of the number contained in the memory (9) for the proportional value of the system deviation is transmitted via a transmission device (17) as a preset to a counter (21) whose Uhleingang is connected to the output of the. Gate (12) and that the the measurement period in the counter (21) Zah 1 contained a Ubertragungaeinrichtung (22) is the end assigned to a memory (23) and a constant word WiRC subtracted from the on output of the downstream Disital-Analoswandlern (23a) obtained word., the size equal to the largest possible number, think Completion transferred to the counter (21) as a Ver'31, natel becomes ##, '3 storage capacity of storage 9) - Digital PID controller according to patent (see the registration -untarlagen attached elaboration Boo 30 192 #, thereby marked = - zeivba, etg-that for the formation of the differential value of the second-order tion of the control deviation stored in the memory (23) of the digital PID controller according to claim 2 contained number shortly before your Deletion via a transfer device (24) on a storage cher (25) is transmitted and primed into an analog value (25a) then in a subtracting element (28) the differential first order value is subtracted. PID ragler according to Claims 1 and 4, characterized in that that dos subtracter (20 or 28) preferably as push-pull, aummenstarkkex is formed.