DE1763721A1 - Integral-proportional wirkender Regler mit Vorhalt (Pid-Regler) zur Regelung von industriellen Vorgaengen - Google Patents

Integral-proportional wirkender Regler mit Vorhalt (Pid-Regler) zur Regelung von industriellen Vorgaengen

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DE1763721A1 DE19681763721 DE1763721A DE1763721A1 DE 1763721 A1 DE1763721 A1 DE 1763721A1 DE 19681763721 DE19681763721 DE 19681763721 DE 1763721 A DE1763721 A DE 1763721A DE 1763721 A1 DE1763721 A1 DE 1763721A1
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Zarkow Wjaceslaw A
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Jalyschew Alij U
Swetscharnik Dawid W
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Description

ν ■ ρ
Gosudarstvennyj naucno-issle- r ·
aovätel-s^ld- Institut teplo- ZELLENTIN u. LUYKEN p 13. 731
energeticeskogc> priborostro- 8000 München 22 24 Juli 1968
denida, Moskau/UdSSR, Zweibröckenstr. 6 ^*
IHTEGHÄL-PROPORTIONALWIEKENDÜlR KEGLER ΜΙΊ? VORHALT (PID-REGLER; ZUR REGELUIiG VOIf IN-JJüSO?RIELLEli VORGÄNGEN
Die Erfindung bezieiit sich auf integral-proportiönalwirkenae Kegler mit Vorhalt, die in automatischen öteuerungs- und Kegelungssystemen verwendet werden können.
JBs ist bereits ein incegral-proportionalwirkender Kegler mit Vorhalt zur Regelung von industriellen Vorgängen bekannt, der einen Verstärker mit RC-Gegenkopplung und eine mit dem Verstärker und den RO-Elementen der Gegenkopplung verbundene Einrichtung zur Meßstabumsetzung des Eingangssignals mit einejji Potentiometer und einem Widerstand enthält (siehe Patentschrift der Volksrepublik Polen Nr. 46984, Kl. 21 e, 46/50, G05, f, g).
Als Mangel gilt bei dem bekannten Regler der begrenzte
G?d Bereich für die unabhängige Einstellung des Parameters , das die Beziehung der Differenzierzeitkonstante Td zur Integrierzeitkonstante T^ kennzeichnet. Wegen der Unvollkommenheit des verwendeten Strukturschemas ist bei diesem Regler keine Möglichkeit zur stufenlosen Einstellung des Parameters
Td ■
auf Null gegebtenj mit anderen Worten, der erwähnte Regler
gestattet es nicht, vom PI-Regelungsgesetz zum PID-Regelunge-
gesetz und umgekehrt zu übergehen. . .
Darüber hinaus ist für den bekannten Regler bei großen Pegeln und Differenzen des Eingangssignals und beim Vorliegen
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in diesem von Störkomponenten (hauptsächlich hochfrequente Störungen) ein nichtlineares überlastetes Betriebeverhalten des Vorverstärkere kennzeichnend, was dadurch bedingt ist, daß der Regler kein Filterungsglied (Dämpfungsglied) mit praktisch unabhängier und breitbandiger Einstellung der Zeitkonstante Tf des Filterungegliedes enthält·
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es nun, den erwähnten Mangel zu beseitigen·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Regler su entwickeln, bei welchem die Funktionsmöglichkeiten
Td durch stufenlose Einstellung des Parameters ^ von Null bis zum vorgegebenen Mazilamwert durch Verbesserung der Filterungseigenschaften des Reglere in einem weiten Anderungsbereich der Integralkomponente wesentlich breiter wären·
Diese Aufgabe wird durch Anwendung eines PID-Reglers zur Regelung von industriellen Vorgängen gelöst, der einen Verstärker mit RC-Gegenkopplung und eine mit dem Verstärker und den RC-Elementen der Gegenkopplung verbundene und einen Potentiometer sowie einen Widerstand enthaltende Einrichtung zur Maßstabumsetzung des Singangssignals enthalt, bei dem erfindungsgemäB die Einrichtung zur Maßstabumsetzung des Eingangssignals mit einem zweiten Widerstand versehen ist, wobei das Potentiometer parallel zum Reglereingang liegt, während die beiden Widerstand« einem dem Potentiometer parallel liegenden Teiler bilden, bei dem der Mittelpunkt dieser Widerstände an den regelbaren Widerstand der Gegenkopplung ange-
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schlossen ist, der mit seinem anderen Ende mit dem Summierungspunkt des Verstärkers verbunden ist, wobei der andere, dem Summierungspunkt entgegengesetzte Eingangspunkt des Verstärkers mit dessen Ausgangspunkt und dem Keglereingang verbunden ist.
Darüber hinaus kann man in den Gegenkopplungskreis einen Maßstabumsetzer für aas izegenkopplungssignal legen, den man an einen zusatzlichen mit den RC-Elementen der Gegenkopplung verbundenen regelbaren Kondensator anschließt; hierbei sind die Einstellorgane des regelbaren Kondensators und der Gegenkopplungskondensatoren Mechanisch miteinander starr verbunden, so daü die Beziehung jedes Gegenkopplungskondeneators zum erwähnten zusätzlichen Kondensator im gesamten Inderungsbereich der einzustellenden Reglerparameter konstant bleibt.
Zwischen dem dem Verstärkereummierungspunkt entgegengesetzten Eingangspunkt und dem Heglereingang kann man einen dritten Widerstand einschalten, während man zwischen den beiden Widerständen einen vierten Widerstand anordnen und alle Widerstände sowie das Potentiometer in Brückenschaltung verbinden kann; hierbei legt man den Potentiometerschleifer an den Mittelpunkt des zweiten und vierten Widerstandes und an den mit dem Summierungspunkt des Verstärkers verbundenen Rückkopplungskondensator, während man den regelbaren Rückkopplungswiderstand an den Mittelpunkt des ersten und vierten Widerstandes legt·
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Zwischen dem Potentiometer und dem dritten Wideretand kann man einen fünften Widerstand einschalten, wobei dessen Mittelpunkt mit dem dritten Widerstand an den Verstärkerausgang gelegt werden muß·
Im Folgenden soll nun die Erfindung durch die Beschreibung der Aueführungsbeispiele und an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden· Es zeigen:
Fig. 1 - die elektrische Schaltung dee Heglere mit den RC-Gegenkopplungeelementen, gemäß Erfindung;
Fig. 2 und 3 - die Aueführungevarianten dee Reglere gemäß Erfindung.
Der PID-Regler (Jfig. 1) enthält den Verstärker 1 mit auereichend großem Verstärkungefaktor, die Einrichtung 2 zur Maßstabumsetzung dee Eingangssignale X, welche die in Reihe geschalteten niederohmigen (gegenüber den regelbaren Gegenkopplungswiderständen R1 und R2) Widerstände r>. und r2 sowie den niederohmigen Potentiometer R^ enthält·
Der Verstärker 1 ist von einer dynamischen Gegenkopplung 3 mit den Widerständen R^, R2 und den Kondensatoren C^, C2, C, erfaßt. Hierbei sind die Einstellorgane aller drei erwähnten Kondensatoren und die Schleifer 5, 51 beider regelbaren Gegenkopplungswideretände R^, R2 starr verbunden.
Am Ausgang des Widerstandes 1 liegt das Potentiometer R4, mit dessen Hilfe die Tiefe des Gegenkopplungssignals ver-
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ändert und der Proportionalitätsfaktor Kp geregelt wird.
Zwischen dem Schleifer 6 des Potentiometers E^ und dem Ausgangspunkt "e" des Verstärkers 1 liegt das dritte Potentiometer Er, mit dessen Hilfe man den erroraerliehen wert der Zeitkonstante Tf für das Filterungsglied einstellt·
Schleifer 7 aes Potentiometers E^ ist direkt mit dem Differenzierkondensator G^ und Schleifer 8 des Potentiometers Kr - mit dem Kondensator C. verbunden, wobei die entgegengesetjr zten Anschlüsse der Kondensatoren Cj und C, miteinander und mit einem der Anschlüsse des Widerstandes K2 und des Integrierkondensators O2 verbunden sind· Kondensator O2 ^3* 1^* seinem anderen Anschluß mit dem Summierungspunkt "a" des Verstärkers 1 verbunden, an welchen auch der Widerstand Ex. angeschlossen ist· Schleifer 6 des Potentiometers B^ hat einen gemeinsamen Mittelpunkt sowohl mit dem Potentiometer Ec als auch mit dem Widerstand E2- Ihrerseits sind Ausgangspunkt II und Ausgangspunkt IV des Eeglers sowie Eingangspunkt "b" und Ausgangspunkt "β" des Verstärkers 1 unmittelbar miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen Pol (Schiene) 9·
Der Hegler gemäß .Fig. Ί verwirklicht praktisch das Kegelungsgesetz mit folgender Übertragungsfunktion
) s tLäL· s - Kp (1 +^TiS + -i-j.
X(S) 0?iß (1
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Hierin bedeuten
S - den Lapplaceechen Differenzierungsoperator; JL(S)r V(S) - das Eingangs- bzw. Ausgangssignal des
Keglers;
Kp - den Jeroportionalitatsfaktor; X., - die Integrierzeitkonstante;
\ - _ den Koeffizient, der die Beziehung der Diffe-Ti zie
renrzeitkonstante (Td) zur Zeitkonstante Ti
kennzeichnet;
oC m —L. . den Koeffizient, der die Wirksamkeit der Ti
Zeitkostante (Tf) des Filterungegliedes bei
der jeweiligen Einstellung der Integrierzeitkonstante kennzeichnet»
In idealisierter Form, d.h. unter der Bedingung, daß die Hennwerte der Widerstände von Einrichtung 2 zur Maßstabumsetzung des Eingangssignals Z und der Potentiometer R4, R5 viel kleiner als die der Gegenkopplungswiderstände H1, B2 gewählt sind und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1 ausreichend groß ist, kann man für die Übertragungsfuktion dee Reglere (Fig. 1) schreiben!
X(S) fi * (1 +»pRpdSJ L · Q2
J( i + KA°1
37TTT5Γ-. 1(I ♦ ) -2J
T O2 H J
O2
-1- ♦ [rr (1 ♦
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Hierin bedeuten:
ψ und ß - die Drehwinkel der Potentiometer R,- bzw.
K1 - die Steilheit des dem Widerstand R1 zugeführten
Eingangssignale;
K2 - die Steilheit des dem Kondensator C1 zugeführten
Eingangssignals·
C1 C, R2
Da —— = Tl = const, « /if = const, —=— ^m-O2 ' O2 J R1
const und K1 = const ist, so ergibt sich
j K1 (1 + -J 2-) —2- J = const} Ti = R2(C1 + C2 + C3) j
C R
+ C,
R2C1
)m]
s const·
Die Änderungsbereich für den Koeffizient K2 ist O^ K2 ^ 1,
Somit verwirklicht der Regler die unabhängige Einstellung des Parameters igf— und ermöglicht den stufenlosen Übergang vom PI-üesetz zum PID-Gesetz und umgekehrt·
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Die Zeitkonsi;ante des Filterungsgliedes der Gegenkopplung ergibt eich zu
rf ^b2C3 -f.«.
. Ti . J— s ^ . τι, const
^ JU * JU
Somit ißtj
a const ·
Ti
mit 0 j£
Mit Hilfe dee Potentiometers Bc wird in einem weiten Einstellbereich der Integrierzeitkonstante die Einführung eines Filterungegliedee in das Begelungsgesetz erreicht·
Durch die unabhängige Einstellung der Parameter Λ und oC ist es beim Begier möglich die Beziehung der Differenzierzeitkonstante zur Zeitkonstante des Filterungsgliedes, d.h. die Beziehung -^- = ~*. in weiten Grenzen zu regeln.
Als wesentlichen Vorteil des erf indungsgemäüen Beglers gegenüber den bekannten Keglern 1st zu verzeichnen, daß bei diesem die Eingangs- und Ausgangsklemmen des Verstärkers 1 und des Keglers einen gemeinsamen Mittelpunkt 9 (Schiene) haben*
Dieser Gelegenheiten erleichtert die Anpassung des Reglers an Bechen- und Analoganlagen«
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Fig. 2 zeigt eine Eeglerausfünrungsvariante, bei der der Differenzierkondensator O^ direkt am Eingang (PunKt "a") des Verstärkers liegt. Hierbei liegt zwischen dem dem Stuuaierungspunkt "a" entgegengesetzten Punkt "b" des Verstärkers 1 lind dem Eingang II des Seglers der dritte Widerstand r?f während zwischen dem ersten Widerstand r* und dem zweiten Widerstand v2 der vierte Widerstand r^ angeordnet ist· Hierbei bilden sämtliche Widerstände (r,., r2, r,, r^) und das Potentiometer Eo eine niederohmige Brückenschaltung 10, bei welcher der Schleifer 7 des Potentiometers IU an den Mittelpunkt des zweiten (rp) und vierten (r*) Widerstandes und an den regelbaren mit dem Summierungspunkt "an des Verstärkers 1 verbundenen Kondensator C, der Gegenkopplung 3 angeschlossen ist, während der regelbare Widerstand R* an den Mittelpunkt des ersten (r^.) und vierten (r^) Widerstandes angeschlossen ist»
Die Brückenschaltung 10, die bei der Beglerausführungsvariante gemäß Fig· 2 als Einrichtung zur MaßStabumformung des Eingangs signals X verwendet ist, gewährleistet eine feste Funktionsabhängigkeit der Eingangssignalteile K^X, K2X und KyL, die den MeSelement en der Brückenschaltung 10 entnommen werden·
Dem Eingangepunkt "b" des Verstärkers 1 wird ein Eingangssignal mit der Steilheit K3 zugeführt·
Da die Nennwerte der Widerstünde r^, r2, Xy r^, R^, H^, Rc viel kleiner als die der Gegenkopplungswiderständ·
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und R2 sijadi während der Verstärkungsfaktor des Verstärkere groß genug ist, so kann aan für die Übertragungsfunktion des Reglers (Fig. 2) schreiben
y(ß) 1 1 r
W(S) χ » - — = · (K1 - XJ.
H2,
—S
2 , O2 H1 2 3 C2
= - K. 2 3J
• S
tf 1 - *3>
[(K1 - I3, (1 *^ >-j2 ♦ (I2-K3) ^- - K3J
Infolgedessen, dafi die Besiehung von gleichohaigen Impedansea konstant ist, d.h.
0A 0^ RP
—-2 3 W s const, -J- » l( » const, —=· « m = const, O2 I O2 Γ H1
O2 ■ O2
so sichert die Brückensehaltung funktionell die Konstanthaltung der Komponente
0^)JS, («2 -V ;
'2
[(K1 - Jt3) (1 ♦ —2- )J^ (K2 - K3) -£- - K3] » const·
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Wahrhaftig, wenn man C^ » C2 = C. = U, K^ = E2 = E und K3 = 0,5 K2 , K1 s 0,5 (K2 + 1) setzt, was dürfen Anwen dung eines gleichen Nennwertes Tür ale widerstände r^, r2, r.j, r^ erreicht wird, so ist
Hit dieser ^rrP^g"****^ ne}inG erhält man dann:
o,5 K^.EGß
(1 + IfSGB) * 2E0S
Somit verwirklicht dieser Begier die unabhängige Einstellung des Proportionalitätsfaktors durch Änderung der Tiefe ß des Gegenkopplungssignale sowie die unabhängige Einstellung der Integrierzeitkonatante Ti mit Hilfe der uegenkopplungswiderstände- (E^ ,B2) und Gegenkopplungskondensatoren
Td
C-, G2), des Parameter« , da er 0,5 K2 gleich ist,
und des Parameters —— » der 0,5 IP gleich ist·
Ti '
Fig· 3 zeigt eine erfindungsgeinäße Ausfürhungsvariante mit der Brückenschaltung 11. Diese Begiervariante unterscheidei sich von der vorhergehenden dadurch, daß in der Brückenschaltung 11 zwischen dem Potentiometer B~ und dem dritten Widerstand γ., der fünfte Widerstand r^ liegt, während sein Mittelpunkt mit dem dritten Wideretand r^ an den Verstärkerausgang (Punkt nen) angeschlossen ist. Hierbei wird dem Verstärker-
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ausgangspunkt "e" von der Brückenschaltung 11 ein Teil des Eingangssignals mit der Steilheit K^ zugeführt.
Für diese Ausführungsvariante erhält man für die Übergangsfunktion des zu realisierenden Regelungsgesetzes bei d den erwähnten Voraussetzungen den Ausdruck:
-K3)
Die Brückenschaltung 11 sichert bei dieser Variante die
Konstanthaltung folgender Komponente:
[(K1 - K3) (1 ♦ -^) -^- + (K2 -
s const.
Die betrachteten Beglwnrarianten gestatten es, an Stelle der Potentiometer B^ und B^ andere ümsetaertypen, au» Beispiel, Magnetverstärker anzuwenden. -■■
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Claims (2)

  1. 24. Juli 1968
    PATEHTABSPEÜCHB :
    PID-Regler für industrielle Vorgänge, der einen Verstärker mit RG-Gegenkopplung und eine mit dem Verstärker und den RG-iülementen der Gegenkopplung verbundene Einrichtung zur Maßstabumsetzung des .Eingangssignals mit einem Widerstand und Potentiometer enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2) zur Maßstabumsetzung des üiin- ' gangssignals mit einem zweiten widerstand (r ) versehen ist und deren Potentiometer (R-.) parallel zum Reglereingang liegt, wahrem die widerstände (r^, r^; einen parallel zum Potenziometer (K.) liegenden Teiler bilden, bei dem der Nullpunkt der widerstände (r,., τ ) an den mit dem öummierpunkt ("a") des Verstärkers (1) verbundenen regelbaren üegenKoppiungswiaerstana (R^) angeechlossen ist, wobei der zweite dem Summierung8punkt(**an)entgegengesetzte Eingangspunkt(Hbw) des Verstärkers (1) mit dem Verstärkerauegang uad dem Regler eingang verbunden ist.
  2. 2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem im Gegenkopplungskreis ein Maßstabumsetzer für das Gegenkopplungssignal liegt, der an den mit den RO-Elementen der Gegenkopplung verbundenen zusätzlichen regelbaren Kondensator (Co) angeschlossen ist, Wobei die Einstellorgane des zusätzlichen Kondensators (Ca) und die Gegenkopplungskondensatoren (C1 und G2) derart
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    feet miteinander verbunden sind, daß die Beziehung jedes Gegenkopplungskondensators (C.. und Co) zum erwähnten zusätzlichen Kondensator (C3) im gesamten Inderungebereich der einzustellenden Parameter konstant erhalten bleibt·
    3· Regler nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem dem Summierungspunkt "an entgegengesetzten Eingangspunkt ("b") des Verstärkers (1) und dem Hittelpunkt des Reglereingange mit dem Verstärkeraus* gang ein dritter Widerstand (rO und zwischen den ersten zwei Widerständen (r^ und r^) ein vierter Widerstand (r^) liegt und alle Widerstände (r-, r», r~, r*) mit dem Potentiometer (Ro) eine Bruckenschaltung bilden, wobei Schleifer 7 des Potentiometers (Β,) an den Mittelpunkt des zweiten (rO und vierten (r*) Widerstandes und an den mit dem Verstärkersummierpunkt (a) verbundenen regelbaren Gegenkopplungskondensator (C4) angeschlossen ist, während der regelbare Gegenkopplungswiderstand (R1) mit dem Mittelpunkt des ersten (r^) und vierten O4) Widerstandes verbunden ist.
    4· Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Potentiometer (R-) und dem dritten Widerstand (r.) ein fünfter Widerstand (r~) liegt, während sein Mittelpunkt mit dem dritten Widerstand (r.) an den Verstärker«»agang angeschlossen ist·
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