DE1588870B1 - Pid regler fuer abtastregelsysteme - Google Patents
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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,
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
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
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
3 4
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.
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-
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 Rs0 ein- ™ch m^ 8e!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 tx 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-tg 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 ίη-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 (1)
- 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
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