DE1588870B1

DE1588870B1 - Pid regler fuer abtastregelsysteme

Info

Publication number: DE1588870B1
Application number: DE19671588870
Authority: DE
Inventors: Keisuke Takada; Tatsuya Uetani
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1966-06-02
Filing date: 1967-05-30
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR1574666A; US3490691A; GB1190955A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen PID-Regler Fig. 5a und 5b Kurven zur Erläuterung der Be-

für Abtastregelsysteme, dem das Ausgangssignal einer triebsweise des Reglers gemäß der Erfindung.
Abtasteinrichtung zur Durchführung der Regelope- Ein Anwendungsbeispiel eines herkömmlichen,

ration während der Abtastperiode zugeführt ist und kontinuierlichen PI-Reglers bei einer Abtastregelung dem ein Halteelement zum Speichern des Ausgangs- S ist in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen dargesignals des Reglers während der Halteperiode züge- stellt. Ein Abweichungswert e, der durch Vergleich ordnet ist. des Sollwertes r und des Istwertes / in einem Ver-

Bei einigen geregelten Systemen ist die Totzeit gleicher 10 erhalten wird, wird einem Regler 12 über und Zeitkonstante so groß, daß die Auswirkungen einer Abtasteinrichtung 11 periodisch eingespeist, von Änderungen der Regelgröße mit wesentlicher io Der Regler 12 enthält einen Eingangsspeicherkon-Zeitverzögerung erscheinen. Demzufolge führt eine densator 15, der zwischen einem Paar in Reihe geschnelle Messung der Regelgröße nicht nur zu einem schalteter Kontakte 13 und 14 geschaltet ist, die unzureichenden Ergebnis, sondern auch zum Ver- synchron mit der Abtasteinrichtung 11 arbeiten. Das rechnen, wodurch das System instabil wird. Bessere Ausgangssignal des Reglers 12 wird der Regelstrecke Regelergebnisse können daher erwartet werden, wenn 15 17 unter Einschluß einer Totzeit über ein Haltedie Regelgröße zu diskreten Zeitpunkten gemessen element 16 zugeführt, das das genannte Ausgangsund die Durchführung der Regelung erst nach Ver- signal über einen Intervall hält, in welchem die Abstreichen eines gewissen Zeitintervalls nach Verstel- tasteinrichtung 11 offengehalten wird. Ein Detektor lung der Regelgröße erfolgt, bei der die Auswirkungen 18 ist vorhanden, um die Regelgröße zu messen und der genannten Verstellung zu erscheinen beginnen. 20 ein Istwertsignal / zu bilden.

Aus diesem Grunde verwendet man die Abtastrege- Die Abtasteinrichtung 11 umfaßt einen Kontakt,

lung bei Systemen, bei denen eine Totzeit auftritt. der für eine gewisse Zeitdauer Δ T bei einer ganz

Wenn ein herkömmlicher, kontinuierlicher PID- bestimmten Frequenz T geschlossen wird, und wenn Λ Regler für die Abtastregelung verwendet wird, ist es der genannte Kontakt geschlossen ist, ergibt sich notwendig, vom Regler getrennte Abtasteinrichtungen 25 eine Abweichung e zwischen dem Sollwert r und dem und Halteelemente vorzusehen. Das Vorhandensein Istwert/, der dem Regler 12 zugeführt wird. Das dieser getrennten Elemente ergibt jedoch eine korn- Ausgangssignal des Reglers 12 wird dem Halteelepliziertere Konstruktion des Systems als beim kon- ■ ment 16 zugeführt. Beim Öffnen des Kontaktes der tinuierlichen Regelsystem und treibt daher die Her- Abtasteinrichtung verschwindet das Ausgangssignal Stellungskosten in die Höhe. 30 des PI-Reglers 12, da dessen Eingang unterbrochen

Zweck der Erfindung ist es, einen demgegenüber ist. Da jedoch das Halteelement 16 das Ausgangseinfachen und billigen PID-Regler für Abtastregel- signal während dieses Intervalls speichert und den Systeme zu schaffen. festgehaltenen Wert weitergibt, wird die Stellgröße

Aufgabe der Erfindung ist es daher, dieses Ziel kontinuierlich der Regelstrecke 17 zugeführt. Der dadurch zu erreichen, daß der PID-Regler, der die 35 Speicherkondensator 15 speichert die von dem Regler Regeloperation während der Abtastperiode durch- 12 eingespeiste Abweichung e, solange die Kontakte führt, so angeordnet wird, daß er während der Halte- 13 und 14 synchron zu der Abtasteinrichtung 11 periode als Haltevorrichtung verwendet werden kann. offen sind. Der Speicherkondensator 15 gibt ferner

Bei einem PID-Regler der eingangs genannten Art dem Regler 12 ein Eingangssignal, bestehend aus wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, 40 dem Unterschied zwischen der vorausgegangenen daß ein bekannter Regelverstärker mit PI-Rückfüh- Abweichung und einer neuen Abweichung, das einrung und vorgeschaltetem Vorhaltglied vorgesehen gespeist wird, wenn der Kontakt der Abtasteinrichist, der als Halteelement eine zusätzliche Rückfüh- tung U wieder geschlossen ist.

rung besitzt, und daß während der Abtastperiode Ein solches Abtastregelsystem unterscheidet sich Λ

der Ausgang der zusätzlichen Rückführung zur 45 von einem kontinuierlichen Steuersystem durch die ™ Speicherung des Ausgangssignals des Regelverstär- Abtasteinrichtung sowie das Halteelement. Das kers von dessen Eingang abgetrennt ist und während Halteelement kann aus einem elektrischen Kreis der Halteperiode der Ausgang der zusätzlichen oder einem Elektromagnetventil od. dgl. bestehen, Rückführung auf den Eingang des Regelverstärkers wenn der Antrieb durch Druckluft erfolgt. Die Eingeschaltet ist, während die Ausgänge der PI-Rück- 50 führung eines unabhängigen Halteelementes zusätzführung und des Vorhaltgliedes zur Speicherung des lieh zum Regler steigert die Kosten für das System Ausgangssignals des Regelverstärkers bzw. des letzt- gegenüber kontinuierlichen Regelsystemen,
gültigen Wertes der Regelabweichung vom Eingang Wie oben erwähnt, kann entsprechend dem der

des Regelverstärkers abgetrennt sind. Erfindung zugrunde liegenden Grundgedanken das

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines 55 bei dem herkömmlichen Abtastregelsystem erforder-Ausführungsbeispieles in Verbindung mit dieses er- liehe separate Halteelement eliminiert werden, indem läuternden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es der während der Abtastperiode die Regeloperation zeigt hierbei durchführende Regler selbst während der Halte-

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen periode als Halteglied verwendet wird.
Abtastregelungssystems, 60 Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der

F i g. 2 ein Blockdiagramm einer Ausbildungs- Erfindung werden Abweichungssignale von einem form des PID-Reglers entsprechend der Erfindung, nicht gezeigten Vergleicher über die Klemmen 20 a

Fig. 3 einen die während der Abtastperiode wirk- und 206 eingespeist, von denen Klemme20b, wie samen Schaltkreise enthaltenden Auszug des Block- dargestellt, geerdet ist. Eine Serienschaltung eines diagramms der Fig. 2, 65 auf eine nicht dargestellte Abtasteinrichtung an-

Fig. 4 einen die während der Halteperiode wirk- sprechenden Kontaktes 21a mit einem einstellbaren samen Schaltkreise aufweisenden Auszug des Block- ohmschen Widerstand 25 sowie eine weitere Seriendiagramms der Fig. 2, schaltung eines ebenfalls auf die Abtasteinrichtung

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ansprechenden Kontaktes 21 b mit einem Vorhalt- kondensator 31 auf den am Widerstand 30 herrschenkondensator 26 sind einander parallel geschaltet und den Spannungsabfall aufgeladen,
zwischen der Klemme 20 α und, über einen Abtast- Mit Beginn der Halteperiode werden die Kontakte kontakt 21 c, dem Eingang eines Regelverstärkers 29 21a und 21 b geöffnet, während die Umschaltekonangeordnet. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 5 takte 21c und 21 d auf die stationären Kontakte 28 c wird einer Last 23 über die Ausgangsklemmen 22 α bzw. 28 d geschaltet werden. Die hierbei wirksamen und 22& zugeführt. Zwischen der Klemme 22& und Schaltkreise sind aus dem Blockschaltbild der Fig. 2 der Erde ist ein Rückkopplungswiderstand 30 ge- herausgezogen und der Übersichtlichkeit wegen geschaltet, der mit der Last 23 in Reihe geschaltet ist. trennt in F i g. 4 dargestellt. Die während der Ab-Der Abtastkontakt 21 c ist ein einpoliger Umschalt- io tastperiode (vgl. Fig. 3) geerdete Klemme des Haltekontakt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Regel- kondensator 31 ist nunmehr auf den Eingang des Verstärkers verbunden ist und dessen Eingang die Regelverstärkers 29 geschaltet. Da der Haltekondenbeiden stationären Kontakte 27 c und 28 c enthält. sator31 während der Abtastperiode auf die Span-Der eine stationäre Kontakt 27 c ist mit der Aus- nung aufgeladen war, die am Ende desselben durch gangsklemme des Vorhaltgliedes 25 sowie dem Rück- 15 den Strom I₀ des Regelverstärkers 29 am Widerstand kopplungskondensator 32 verbunden, der zu einem 30 aufgebaut war, liefert der Regelverstärker weitervariablen Abgriff des Rückkopplungswiderstandes hin ein gleiches Ausgangssignal wie während der 30 führt. Zwischen dem anderen stationären Kon- Abtastung, wodurch der Haltebetrieb zustande takt 28 c und der Ausgangsklemme 22 & des Regel- kommt.

Verstärkers 29 ist ein Haltekondensator 31 angeord- 20 Während der Halteperiode ist der eine Pol des net. Ein weiterer, von der Abtasteinrichtung betätig- Rückkopplungskondensators 32 geerdet, so daß er ter Umschaltekontakt 21 d ist mit der Eingangs- parallel zum abgegriffenen Teilwiderstand des Widerklemme 20 b verbunden. Der stationäre Kontakt 28 d Standes 30 liegt und auf dessen Spannungsabfall aufist während des Haltens geschlossen und mit dem geladen wird. Damit wird ein dem Ausgangsstrom I₀ stationären Kontakt 27 c verbunden, während der 25 des Regelverstärkers 29 während der Halteperiode andere stationäre Kontakt 27 d, der während der proportionaler Spannungswert gespeichert. Der VorAbtastung geschlossen ist, auf den Kontakt 28 c der haltekondensator 26 ist durch Öffnen des Kontaktes ersten Kontaktvorrichtung 21 c geschaltet ist. Es sei 21 & einseitig abgeschaltet, so daß er den zuletzt nochmals darauf hingewiesen, daß alle genannten während der Abtastperiode innegehabten Beladungs-Kontakte 21 α, 21 b, 21c und 21 d synchron mit der 30 und Spannungszustand weiterhin einhält und Abtasteinrichtung betätigt werden und daß die Kon- speichert.

takte 21a und 21 & während der Abtastperiode ge- Während der nächsten folgenden Abtastperiode schlossen, während der Halteperiode jedoch geöffnet nimmt durch Umschalten der Kontakte die Regelsind, anordnung wiederum den in F i g. 3 veranschau-

Während der Abtastperiode sind die Kontakte 21a 35 lichten Schaltzustand ein. Entspricht das nunmehr und 21 & geschlossen, und die Umschaltkontakte 21c übermittelte neue Abweichungssignal dem endgül- und 21 d sind auf die stationären Kontakte 27 c bzw. tigen Wert der vorausgegangenen Abtastperiode, so 27 d geschaltet. Zur Erleichterung der Übersicht sind vermögen sich die Spannungen, auf welche die Kondie in diesem Schaltzustand wirksamen Stromkreise densatoren 26 und 32 aufgeladen sind, nur langsam als vereinfachtes Blockschaltbild F i g. 3 aus dem der 40 zu ändern, und am Ausgang des Regelverstärkers Fig. 2 unter Beibehaltung der Benennungen heraus- 29 tritt nur der Integralwert des Stromes ohne gezogen. Für die den Klemmen 20 a und 20 δ züge- wesentliche Störungen auf. Weicht dagegen das Abführten Abweichungsspannung bietet sich ein Regel- weichungssignal vom letzten Wert der vorausgeganverstärker mit den Eigenschaften eines PI-Reglers, genen Abtastperiode ab, so wird ein Proportionalder in Abhängigkeit vom Eingangssignal die Last 23 45 sprung in Abhängigkeit von der Differenz des neuen mit Strom beaufschlagt. Am Rückkopplungswider- und des vorhergehenden Abweichungssignals, welstand 30 bildet sich ein dem Laststrom entsprechen- ches im Vorhaltkondensator 26 gespeichert ist, ausder Spannungsabfall aus, welcher den Haltekonden- gelöst, während gleichzeitig die I-Regelung für die sator 31 auflädt. Ein der Stellung des Abgriffes des neue Abweichung durchgeführt wird. An die Abtast-Rückkopplungswiderstandes 30 entsprechender An- 50 periode schließt sich wiederum, wie bereits beschrieteil κ dieser Spannung wird über den Rückkopp- ben, die Halteperiode an, alternierend von weiteren lungskondensator 32 dem Eingang des Regelverstär- Abtast- und Halteperioden gefolgt,
kers 29 zugeführt. Die Übertragungsfunktion des Die F i g. 5 zeigen beispielhafte Kurven zur Verderart gebildeten Reglers läßt sich wie folgt dar- anschaulichung des Verhältnisses zwischen Eingangsstellen: 55 und Ausgangssignalen des Reglers gemäß der Er- T ,η Cl 1 \ findung; Fig. 5 a zeigt Abweichungssignale in Ab-

G_(S) = ——³^ = s«_η _|— j. hängigkeit von der Zeit, während Fig. 5b den durch

Ei ^a^-32 \ ^s^'afi'S' / den Regler bewirkten Strom I₀ in der zugehörigen

Der P-Bereich des Verhältnisses der Ausgangs- _c zeitlichen Abhängigkeit darstellt

zur Eingangsspannung ist sowohl durch das Ver- ^6o _u ^ZuT ZeIf₁ beim Eintreffen des ersten Abwei-

hältnis der Kapazitäten C₀₆ und C₃₂ als auch durch chungssignals 24 α ist der Vorha tekondensator 26

den mittels des Abgriffes "des Widerstandes R_s0 ein- ™^ch ^m^ 8^e!^{aden: er ladt} *<* ^also ™^l Eintreffen

gestellten Teilwiderstand desselben dieses Abweichungssignals auf dessen Wert spontan

auf, da er keinen Vorwiderstand besitzt. Demented \ 65 sprechend spontan steigt zur Zeit ij auch der Strom/₀ ^' J an. Im anschließenden Zeitintervall von t_x bis t₂ * .32 / steigt der Strom entsprechend der I-Operation der bestimmt. Am Ende der Abtastperiode ist der Halte- Kondensatoren 26 und 32 weiter an. Zur Zeit t₂

schaltet der Regler in den in Fig. 4 veranschaulichten, die Halteperiode darstellenden Schaltzustand über, und dementsprechend bleibt im Intervall t₂-t₃ der Ausgangsstrom I₀ konstant. In der folgenden Abtastungsperiode wird ein Abweichungssignal 24 & dem Regler zugeführt, dessen Amplitude dem des vorhergehenden Abweichungssignals entspricht. Der Vorhaltkondensator 26 ist bereits auf diesen Wert aufgeladen, so daß nur eine I-Regelung erfolgt und der Strom I₀ im Intervall ί₃-ί₄ linear ansteigt und während der anschließenden Halteperiode auf dem zuletzt eingegangenen Wert verbleibt. Das gleiche wiederholt sich während der nächsten Abtastperiode t₅-t₆, deren zugeordnetes Abweichungssignal 24 c wiederum die gleiche Amplitude aufweist wie die beiden vorhergehenden Abweichungssignale.

Ein abweichendes Verhalten tritt während der vierten Abtastperiode auf: das Abweichungssignal 24 d weist eine größere Amplitude auf als die vorhergehenden Abweichungssignale 24 a bis 24 c. Dementsprechend erfolgt eine P-Regelung entsprechend dem Amplitudenzuwachs des Abweichungssignals, dem sich eine I-Regelung anschließt. Hieraus reduzieren zunächst ein proportionaler sprunghafter Anstieg des Stromes/₀, dem ein annähernd linearer weiterer Anstieg im Intervall t₇-t₈ folgt, und dem sich während der folgenden Halteperiode t₈-t_g ein zeitlich konstanter Strom anschließt.

Während der fünften Abtastperiode ist das Abweichungssignal 24 e gleich Null. Dies bewirkt eine Entladung des Vorhaltekondensators 26 und damit einen proportionalen Sprung des Stromes I₀ auf einen geringeren Wert, und entsprechend der Amplitude 0 des Abweichungssignals 24 e ergibt sich nunmehr bereits im der Abtastperiode entsprechenden Zeit-Intervall t₉-t₁₀ ein zeitlich konstanter Strom, der sich auch während der folgenden Halteperiode nicht ändert. Das in der anschließenden Abtastperiode zur Wirkung gelangende negative Abweichungssignal 24/ bewirkt zuerst ein weiteres, sprunghaftes, proportionales Absinken des Stromes/,,, und während der Abtastperiode ί_η-ί₁₂ ergibt sich durch die I-Regelung ein weiteres, lineares Absinken des Stromes, bis dieser in der folgenden Halteperiode zeitlich konstant wird.

Wie die Beschreibung der Erfindung zeigt, kann der Regler gemäß der Erfindung ungeachtet seiner einfachen Konstruktion nicht nur den eigentlichen Regelvorgang durchführen, sondern übernimmt auch die Funktion eines Haltegliedes, so daß er in der Lage ist, das für die herkömmliche Abtastregelung erforderliche Halteelement zu ersetzen und damit in hohem Maße das Abtastregelsystem zu vereinfachen und seine Kosten zu reduzieren.

Claims

Patentanspruch:

PID-Regler für Abtastregelsysteme, dem das Ausgangssignal einer Abtasteinrichtung zur Durchführung der Regeloperation während der Abtastperiode zugeführt ist und dem ein Halteelement zum Speichern des Ausgangssignals des Reglers während der Halteperiode zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein bekannter Regelverstärker (29) mit PI-Rückführung (30, 32) und vorgeschaltetem Vorhalteglied (25, 26) vorgesehen ist, der als Halteelement eine zusätzliche Rückführung (31) besitzt, und daß während der Abtastperiode der Ausgang der zusätzlichen Rückführung (30) zur Speicherung des Ausgangssignals des Regelverstärkers (29) von dessen Eingang abgetrennt ist und während der Halteperiode der Ausgang der zusätzlichen Rückführung (31) auf den Eingang des Regelverstärkers (29) geschaltet ist, während die Ausgänge der PI-Rückführung (30, 32) und des Vorhaltegliedes (25, 26) zur Speicherung des Ausgangssignals des Regelverstärkers (29) bzw. des letztgültigen Wertes der Regelabweichung (e) vom Eingang des Regelverstärkers abgetrennt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen