DE1673601B2

DE1673601B2 - Pi-regler fuer eine traegheitsbehaftete regelstrecke

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Publication number: DE1673601B2
Application number: DE19671673601
Authority: DE
Priority date: 1967-07-01
Filing date: 1967-07-01
Publication date: 1973-05-03
Also published as: DE1673601A1; SE353969B; AT280426B; FR1569486A; BE717320A; GB1226015A; DE1673601C3; NL6809086A; ES355560A1; US3539693A

Description

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Die Erfindung betrifft einen PI-Regler für eine tragheitsbehaftele Regelstrecke. Zwar haben sich PI-Regler als gut erwiesen zur raschen und vollständigen Beseitigung von Regelabweichungen. Weist jedoch die Regelstrecke bezüglich ihres dynamischen Verhaltens eine Trägheit- bzw. eine Totzeit auf, dann bringt der Einsatz eines Pl-prin/.ipicll ein Übersclnvmgcn der Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert mit sich. Für manche Anwendungsfälle muß aber ein solches Überschwingen vermieden werden, so daß sich hier die Verwendung herkömmlicher PI-Regler verbietet, wie sie in elektronischer Ausführung in Form eines kapazitiv-ohmisch gegcngekoppeltcn elektronischen Verstärker (W. O ρ pe It, »Kleines Handbuch technischer Rcgelvorgänge« 1960. S. 285) oder in mechanischer Ausführung in Form eines mechanischen Regclverstärkers mit federgekoppelter Bremstopf rückführung (W. O ρ ρ e I t, »Kleines Handbuch technischer Regel-Orgänge« 1960, S. 293) bekanntgeworden sind.

Oie Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Integralanteil derartiger PI-Regler in Abhängigkeit von der Anderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung bzw. der Regelgröße während der Anregel/cit zu unterdrücken, Co daß seine Wirkung erst dann voll zur Wirkung gelangt, wenn bei Annäherung der Regelgröße an den Sollwert die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung praktisch verschwindet.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem f'i-Regler für eine trägheitsbehafte'e Regelstrecke, insbesondere zum Regeln der Temperatur eines Diffusionsofens für Halbleiterdotierung, nit einem elektronischen Regelvcistärker. dessen Gegenkopplungszweig aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators besteht erfindungsgemäß dadurch, daß der Kondensator in Abhängigkeit von der Änderungsiieschwindigkeu der Reglereingangsgröße gahanisch überbrückbar ist.

Bei einem PI-Regler für eine trägheitsbehaftete Regelstrecke mit einem mechanischen Regel·.erstärker mit federgekoppelter Bremstopfrückführung besteht ein erfindungsgemäßer Lö^ungsweg darin, daß ein in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße betätigter elektromechanischer Kraftschalter einen verschiebbaren, eine starre Kopplung zwischen Bremstopfzylinder und Bremstopfkolben aufhebenden Bolzen bewegt.

Damit wird bei beiden der zuvor erwähnten Varianten eine überschwingungsfreie Einregelung mit hoher Genauigkeit der Regelung bei kleiner Anregel/eit ermöglicht.

Wird die den mechanischen Regelverstärker beaufschlagende Regelabweichung durch Kraftverdeich, d. h. durch Bildung der Differenz zwischen einer dem Sollwert und einer dem Istwert proportionalen Kraft. gebildet, dann kann gemäß ein'r weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine in der Kraftrichtung der Regeleingangsgiöße angeordnete Druckmeßdose vorgesehen werden, deren elektrische Ausgangsspannung über ein Differenzierglied einen elektrischen Kippverstärker zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung den elektromechanischen Kraftschalter betätigt. An Stelle der Druckmeßdose könnten auch auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende Meßwertgeber verwendet werden.

Die Überbrückung des Kondensators kann bei der elektronischen Lösung in einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung durcn einen über ein Differenzierglied von der Regelabweichung beaufschlagten Kippverstärker erfolgen, von dessen Ausgängen ein den Kondensator überbrückendes Schaltglied betätigt wird. In diesem Falle würde sich je nach Stellung des Schaltgliedes reines P- oder PI-Verhalten des Regelverstärkers ergeben.

Je nach Art der Regelstrecke kann es sich aber hinsichtlich des dynamischen Verlaufs der Regelung manchmal als vorteilhaft erweisen, wenn während der Anregelzeit der Übergang von P- in PI-Verhalten des Regelverstärkers nicht abrupt, sondern kontinuierlich erfolgt. Hierzu kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen werden, daß dem Kondensator ein fremdgeheizter Heißleiter parallel geschaltet ist, dessen Heizspannung von einem Verstärker geliefert wird, der über ein Differenzierglied von der Regelabweichung beaufschlagt ist. Dadurch kann zu Beginn der Anregelzeit ein P-Verhalten, während der Anregelzeit ein sogenanntes PI P-Verhalten und gegen Ende der Anregelzeit das für ein Verschwinden bei bleibender Regelabweichung erforderliche PI-Vcrhaltcn erzielt werden.

Die Erfindung soll mit ihren Ausgestaltungen im

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folgenden an 1 land der Figuren näher veranschaulicht tisch uegen den Wert / gehenden Widerstandes Λ.

werden. ergibt sich entsprechend der Kurse < ein Pl-Verhalien.

Fig. zeigt die Anwendung des erlindungsgcmäßen Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten

Verfahrens bei einer Ofenregelung. Eine innerhalb des Anordnung ist folgende: Beim Aufheizen des Ölen- 1

mit 1 bezeichneten Ofens angeordnete Heizwicklung 5 auf die durch den konstanten Sollwert >.^i: sorgegerene

und son einem phasenanschnittgesteuerten Silizium- Betriebstemperatur tritt infolge der großen Anoerungs-

Mroniiore enthaltenden Stellglied 2 beaufschlagt, wobei geschwindigkeit der Regelabweichung am Ausgang de-

liie Phasenlage der Zündinipulse für die Siromtore in Differenziergliedes 6 und damit auch um Ausgang des

Abhängigkeit son der Ausgangsspannung >' eines Verstärkers 7 eine große Heizspannung auf. so daß

.Regelserslärkers 3 verschoben werden. Der Istwert \ io sich für den Heißleiter R.. ein kleiner W idei-standssvert

iler Olenlemperatur wird son einem im Inneren des ergibt und er so den kondensator C rnederohmig

Ofens 1 an geeigneter Stelle angebrachten Meßwert- überbrückt. Der Regler wirkt während dieser /en al·

geber 4 geliefert, beispielssveise sun einem Thermo- reiner P-Regler. Bei entsprechender Einstellung der

element und einem Eingang eines Differen/seisiärkers5 Proporiionalserstärkung ergibt sich eine iibcrschwm-

z'igelührl. an dessen anderen Eingang der Temperatur- 15 gungsfreie Annäherung an den Sollweil \* bis au!

Sollwert \ eingegeben wird. Am Ausgang des Differenz- den jeder Proportionalreuelimg charakteristischen

Verstärkers 5 erscheint daher die mit Is bezeichnete Proporiionalfehler. \:'ch Ablauf dieser Groheinrege-

R-'gelabweichung. welche einerseits über einen Ein- lung geht die zeitliche Änderungsgeschssindigkeii der

gangswiderstand R_u dem Regelscrstärker 3 zugeführt Regelabweichung gegen Null, der Heißleiter R. wird

ist und andererseits über ein mil 6 bezeichnetes Diffe- 20 nicht mehr geheizt und ist infolgedessen e'ir iii'.h-

renzicrglied auf den Eingang eines Verstärkers 7 ohmig. Der Kondensator C ka..n nun ungehindert

■wirkt, der die Spannung für einen in einer Heißleiter einen integrierenden Einfluß einfallen und in der bei

anordnung 8 angeordneten Heizssiderstand 9 liefert. normalen Pl-Reglern üblichen Weise allmählich den

Wird der Widerstand 9 mit einer Spannung beauf- Proportionalfehler abbauen, so daß die vorgegebene

schlagt, dann tritt eine Aufheizung des Heißleiter- 25 Temperatur mit hoher Genauigkeit ei reicht und kon-

widerstandes R., auf. welcher in seinem unbeheizten stanl gehalten sserden kann.

Zustand einen hochohmigen Wert und bei Auf- In F i g. 3 ist der tvpische Verlauf des vorstehenden

heizung einen niedcrohmigen Wert aufweist. Der beschriebenen Einregeis organges mit der Kurse 10

Heißleiter R., überbrückt den im Gegenkopplung*- veranschaulicht. Ein Verlauf entsprechend der Kurse

zweig des Regelverstärkers 3 in Reihe mit einem Wider- 30 11 mit einem bleibenden Proportionalfehler /' würde

stand Λ, angeordneten lntegrierkondensator C. Bei sich dagegen hei Verssendung eines reinen Pn>-

Aufhcizung des Heißleiters /?.., welche etwa proportio- portionalreglers. ein Verlauf entsprechend der Ker.'i-

nal der Anderungsgeschssindigkeit der Regelabsvei- linie 12 mit einem tvpischen L'hei-chwingen Γ der

chung Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert \* bei

d( Ii/') 35 dauernder Verwendung eines Pl-Rcglers ergeben. \\:,n

, erkennt, daß durch die erlindungsgemäße. son der

Anderungsgeschssindigkeit der Regelabweichung aberfolgt, wird dadurch der Inlegrierkondensator C hängige lntegralantcilunterdrückung sich die Vorteile mehr oder weniger niederohinig überbrückt bzw. kurz- dieser beiden Reglertypen bei Eliminierung ihrer geschlossen. Entsprechend dem jeweils vorliegenden 40 charakteristischen Nachteile kombinieren lassen. Wert des dem Kondensator C parallelgeschaltcten F i g. 4 zeigt eine Variante für die Ausbildung der und mit der Änderungsgeschwindigkeit der Regel- Rückführbeschaliung des Regler.ersiärkcrs 3. Für absveichung veränderlichen Widerstand R₁ ändert sich gleich wirkende Elemente sind die entsprechenden die Rückführbeschaltung des Regelserstärkers 3 und Bezugszeichen aus Fig. 1 übernommen worden, damit sein dynamisches Verhallen. 45 Abweichend von der Anordnung entsprechend F i g. 1 In Fig. 2 ist der prinzipielle zeitliche Verlauf der ist lii den Ausgang des Differenzicrgliedes 6 ein Regclausgangsgrößc ν des Regelserstärkers bei sprung- Dreipunklkippserstärker 13 angeschlossen, dessen stahafter Veränderung seines Eingangssignals — seine tische Kennlinie, d. h.. der Verlauf seiner Ausgangs-Obergangsfunktion —- für verschiedene Widerstands- spannung A in Abhängigkeit son seiner Fingangswerte R₁ dargestellt. Bei sehr großer .Andcrungs- 50 spannung /: in dem entsprechenden Blocks} mbol geschwindigkeit der Regelabweichung geht der Wider- dargestellt ist. Die Ausgangsspannung des Kippsland R₂ praktisch gegen NuIi. so daß der Regelser- Verstärkers 13 betätigt ein Schaliglied. im dargestellten stärker praktisch reines Proportionsserhalten aufweist, Beispiel die Spule eines Relais 14. Es könnte selbstenlsprcchend der in Fig. 2 parallel zur Zeitachse schändlich an dieser Stelle auch ein elektronisches

, . . , _r. . .Zi-. , 55 Schaliiilied. z. B. in Form einer an sich bekannten

verlaufenden Geraden a. Der Ausdruck ' ist da- _ .*- . ., . ,. , -, ,, . ,

R₁, Torschaltung Verssendung linden. Zu Beginn des

dabei ein Maß für den Proporiionalserstärkung des Anregelvorganges übersehreitet die der Anderimgs-

Rcgeiverslärkers. Mit dem sich bei kleiner sserdcndcr geschwindigkeit der Regelabsseichung proportionale

Änderungsgeschssindigkeii der Regelabweichung vcr- Ausgangsspannung des Differenziergliedes 6 den An-

größernden Wert des Widerstandes R₂ wird sich zu 60 sprechwert des Kippserstärkers 13 und bctäligi so das

dem konstanten proportionalen Anteil (R₁IR₀) ein Relais 14. wodurch sein Aibeitskontakt den Kondcn-

noch einer Exponentialfunktion bis zu einem durch sator C überbrückt. Der Regelverstärker 3 arbeitet die Größe des Widerstandes R₂ bestimmten Endwert dann als reiner Proportionalverstärker. Bei An-

ansteigendc. Anteil entsprechend den Kursen />, bis /;„ näherung der Regelgröße an den Sollwert ssird die addieren. Die Anfangssteigung dieser Kurven ist 65 Andcrungsgeschwindigkeit der Regelabweichung klci-

konstant und durch den Ausdruck 1,'R₁,- C bestimmt. ncr, und die Ansprechgrenze des kippserstärkers 13

Der Verstärker würde für diesen Widerstandsbereich wird unterschritten. Der Anker des Relais 14 fällt soein PIP-Verhallen aufweisen. Für den Fall des prak- dann ab, womit der dem Kondensator C zugeordnete

Parallelweg unterbrochen ist. Der Regeivcrstärker 3 besitzt dann Pl-Verhalten. Soll dem Regelverstärker 3. wie bei der Anordnung nach Fig. 1, zu Beginn des Anregelvorganges kein reines P-Verhalten, sondern ein PlP-Verhalten verliehen werden, dann kann die mit 15 bezeichnete Schaltbrücke zwischen den Klemmen 16 und 17 entfernt und damit ein Widerstand 18 in den Überbrückiingspfad des Kondensators C eingefügt werden.

F i g. 5 zeigt die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem mechanischen Regler. Einem mit V bezeichneten Kraftverstärker ist in an sich bekannter Weise mittels eines eine Feder 19 sowie einen mit ihr gekoppelten Bremstopf 20 aufweisenden Gegenkopplungszweig ein Pl-Verhalten verliehen. Die für das crfindungsgemäße Verfahren wesentliche Unterdrückung des Integralanteils wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung dadurch bewirkt, daß ein beim dargestellten Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung verschiebbarer sowohl von der Wandung des Bremstopfes 20 als auch von der Kolbenstange 21 geführter Bolzen 22 vorgesehen ist. Der Bolzen 22 ist mit dem Zuganker einer Spule 23 verbunden. Im stromlosen Zustand der Spule ist daher der Bremskolben 24 gegenüber dem Bremstopfzylinder fixiert und kann sich relativ nicht gegenüber demselben bewegen, während im angezogenen Zustand des Zugankers das untere Ende des Bolzens 22 so weit nach oben bewegt wird, daß die starre Kopplung zwischen Bremstopfzylinder und Bremstopfkolben aufgehoben ist. In diesem Fall würde der Kraftverstärker als PI-Regler wirken, während im unbetätigtcn Zustand der Spule 23 der Regclverstärkcr als reiner Proportionalverstärker arbeiten würde. Die Beaufschlagung der Spule 23 erfolgt analog der

ίο Anordnung gemäß F i g. 4, wobei die in Form einer Kraft vorliegende Regelabweichung P .1 \ mittels einer in deren Wirkungsrichtung angeordneten Druckmeßdose 25 in eine ihr entsprechende elektrische Spannung umgewandelt und diese über ein Differenzierglied dem Dreipunktkippverstärker 13 zugeführt wird.

Die Erfindung ist nicht nur bei dem beschriebenen Anwendungsbeispiel der Ofentemperaturregelungen von Bedeutung, sie kann vielmehr überall dort vorteilhaft zum Einsatz gelangen, wo die Verwendung herkömmlicher PI-Regler prinzipiell ein unerwünschtes Überschwingen der Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert befürchten läßt. So könnte die Erfindung beispielsweise auch bei weggeregelten Antrieben insbesondere von Werkzeugmaschinen mit Vorteil angewandt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. PI-Regler tür eine trägheitsbehaftete Regelstrecke, insbesondere /Lim Regeln der Temperatur eines üifftisionsofens für Haibleilerdotierung, mit einem elektronischen Regei\ erstärker, dessen Gegenkopphmgszweig aus der Reihenschaltung eines Widerstandes -i eines Kondensators besieht, dadurch g e k e η π ζ e i c h net. daß der Kondensator (C) in Abhängigkeit von der Andemngsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße gahanisch überbrückbar ist.

2. PI-Regler für eine trägheitsbehaftete Regelstrecke mit einem mechanischen Regelverslärker mit lederge .iippelter Biemsstopfrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Abhängigkeit \on der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße betätigter elektromechanischer Kranschalter (23) einen verschiebbaren, eine starre Kopplung /wischen Brenistopfzylinder (20) und Bremstopfkolbcn (24) aufhebenden Holzen (22) bewegt (I" i g. 5).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine in der Kraftrichtung der Reglereingangsgröße angeordnete Druckmeßdose (25), deren elektrische Ausgangsspannung über ein Differenzierglied (6) einem elektrischen Kipp\erstär^lcr (13) zugeführt ist. dessen Ausgangsspannung den elektromechanischen KraftschJter (23) betätigt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen über ein Differenzierglied (6) von der Regelabweichung beaufschlagten Kippverstärker (13), von dessen Ausgängen ein den Kondensator (C) überbrückendes Schaltulied (14) betätigt wird (Fig. 4).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C) ein fremdgeheizter Heißleiter (R₁) parallel geschaltet ist, dessen Heizspannung von einem Verstärker (7) geliefert wird, der über ein Differenzierglied (6) von der Regelabweichung beaufschlagt ist (F ig. 1).