DE1801240A1

DE1801240A1 - Reglerschaltung

Info

Publication number: DE1801240A1
Application number: DE19681801240
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Horst Bader
Original assignee: JC Eckardt AG
Current assignee: JC Eckardt AG
Priority date: 1968-10-04
Filing date: 1968-10-04
Publication date: 1970-04-16
Also published as: DE1801240B2; DE1801240C3; FR2019905A1; US3621860A; GB1286123A

Description

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J.C. E c k a r d t A.G. den 20. August 1968

Stuttgart-Bad Gannstatt A-Nr. 524

Pragstr. 80-82 Pat.BA/vJa

Patentanmeldung

Reglerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für Regler mit proportionalem, differentialem und integralem Verhalten, die mit einer Widerstands-Brücke, einem Differenzverstärker und Zeitgliedern zu realisieren ist.

Bekannte Schaltungen für elektrische PID-Eegler sehen zunächst vor, aus den Eingangsgrößen Istwert χ und Sollwert w in einem Eingangsvergleicher das Signal der Regelabweichung X_w zu bilden. Dieses Signal dient dann als Eingangssignal einer Anordnung, die aus einem Verstärker und einem Rückführnetzwerk besteht. Die Parameter des Reglers sind an Veränderlichen Widerständen der Verzögerungsglieder und des Spannungsteilers im Netzwerk der Rückführung einstellbar.

Auch die pneumatischen PID-Regler gehen von dieser Schaltung aus. So wird in einem Differenzdruokmeßwerk aua den Druckgrößen für den Istwert χ und den Sollwert w ein Weg erzeugt, der der Regelabweichung Xw proportional ist. Von dieser Weggröße wird der Weg eines zweiten Differenzdruckmeßwerkes subtrahiert, das im Rüokführzweig des Reglers angeordnet ist und die Differenz bildet aus dem Gegen- und Mitkopplungsaignal des Reglers, wobei diese aus den Reglerausgangssignal y über Zeitglieder gebildet sind. Realisiert wurden diese bekannten Schaltungen mit mechanischen Vergleichssystemen. Die pneumatischen Drücke

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wirken paarweise auf mechanische Gebilde ein, deren Wege von Düsen-Prallplatten-Syateme in eine Druckgröße umgewandelt werden, die zur Aussteuerung des Verstärkers dient.

Der Erfindung liegt die Aufga.be zu Grunde, eine Schaltung für PID-Regler zu schaffen, die es erlaubt mit einfachen Mitteln, wie z.B. einer Widerstands-Brücke und einem Differenzverstärker die Vergleichastellen zu realisieren.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die äumme (W + R*") aus Sollwert- und Gegenkopplungssignal und die Summe (X + R⁺) aus Istwert- und Mitkopplungssignal als Eingangsgrößen eines Differenzverstärkers dienen, aus dessen Ausgangssignal in bekannter Weise im Rückführkanal das Gegen R*"- und Mitkopplungssignal R⁺ gebildet wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß die Realisierung der Vergleichstellen in Regelschaltungen, d.h. die Verarbeitung der Signale, mit einfachen Bauelementen zu erreichen ist, wenn die3e Aufgabe aufgefasst wird als zweimalige Addition von jeweils zweier der vier Signale undeiner Subtraktion, wobei diese Vergleichsstelle in den Verstärker mit einbezogen wird, d.h. die Subtraktionsstelle braucht nicht mehr in einem Bauteil außerhalb des Verstärkers realisiert zu werden. Die Addition kann mit Hilfe von zwei Widerständen ohne großen Aufwand verwirklicht werden, in dem an diese Widerstände die Summanden in Form von eingeprägten Spannungen, Strömen oder als geregelte pneumatische Drücke angelegt werden. Zwischen diesen Widerständen stellt sich dann ein Signal ein, das der Summe der beiden angelegten proportional is/fc«. Zwei durch Widerstände realisierte Additionsstellen bilden dann eine Brücke. Der Differenzverstärker ist dann in der Brückendiagonalen anzuordnen, d.h. die sich in den Brückenzweigen zwischen den Widerständen einstellende Signaldifferenz

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dient als Eingangsgröße dee Verstärkers. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Verstärker den BrUckenzweigen weni^ oder keine Energie entlieht. Das ist bei pneumatischen Reglern leicht durch »subrangesteuerts Differenzverstärker zu realisieren, deren Kingangsdruekräuae abgeschlossen sind und dtren Ausgange«ignal von einer Hilfsenergiequelle gespeist wird« Dsr Verstärker wirkt dann auch als energetischer Kntkoppler zwischen den Eingangs- und Ausgangesignalen.

Dl· P-Bereiohseinsteilung ist durch Verändern des Widerstandswertes «Ines oder mehrerer der Brückenwiderstände. Werden die beiden Widerstünde der Brücke, die an die Kingangssignale χ und w angeschlossen sind, gemeinsam und gleichsinnig verstellt, so ist das Ausgangssignal y proportional der Differenz x-w. Es ist aber auch eine Einstellung möglich, die verschiedene Proportionalitätsfaktoren für χ und w ergeben. Das gilt auch für den Fall, daß die an die RückfUhrgrößen angeschlossenen Widerstünde der Vergleicher-Brücke sur P-Bereichseinstellung herangezogen werden. Pur diese Widerstände sind hohe Werte zu wählen, damit der Rückkopplung nicht viel Energie entzogen wird und die Bildung der Zeitwerte fUr die Integral und Lifforentialzeit in großem Bereich ermöglicht wird.

Die Erfindung wird durch die Figuren 1 bis 5 erläutert. Es zeigen Flg. 1 die bekannte Schaltung elektrischer

Regler Fig. 2 die bekannte Schaltung pneumatischer

Regler Fig. 3 die Schaltung gemäß der Erfindung,

die beide Schaltungen der Fig. 1 und

Fig. 2 ersetzt Fig. 4 die Anwendung der Schaltung nach Fig. 3

für einen elektrisci.on Regler ^ig. 5 die Anwendung der Schaltung nach Fig. 3

für einen pneumatischen Regler.

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ORIGINAL INSPECTED

Die Schaltung nach Pig. 1 liegt den bekannten elektrischen PID-Reglern zu Grunde. Aus den Eingangsgrößen χ und w wird die Regelabweichung X_- gebildet und der Vergleichsstelle vor dem Verstärker (1) zugeführt an die ebenfalls das Rückführsignal angelegt ist. Die Differenz dieser beiden Signale steuert den Verstärker (1) aus. Das Gegenkopplungssignal wird in einem Netzwerk (2) mit Hilfe von zwei RC-Gliedern gebildet.

Fig. 2 zeigt die Schaltung, die für pneumatische PID-Regler verwendet wird. Wiederum wird die Regelabweichung X_w gebildet, die der zweiten Vergleichsstelle unmittelbar vor den Verstärker (3) zugeleitet wird. Im Rückführkanal ist aber hier eine weitere Vergleichsstelle erforderlich, die die Differenz aus dem Gegen- und Mitkopplungssignal bildet. Dazu dienen die Zeit· glieder (4) und (5).

Fig. 3 zeigt die Schaltung für PID-Regler gemäß der Erfindung. Die Eingangssignal χ und w werden jeweils zu einem der Rückführsignale addiert. Die beiden Summen dienen als Eingangssignale des Differenzverstärkers (6). Die Rückführsignale werden wie bekannt rcit Verzögerungsgliedern (7,8) gebildet.

In Fig. 4 ist c U '.chaltung nach Fig. 3 für elektrische PID-Regler dagestellt. Die zwei Additionsstellen sind jeweils durch zwei Widerstände (9, 10; 11, 12) zu realisieren, an denen die Eingangs- und Rückführsignale angelegt sind, und die als Wider3tands-Brücke anzusehen ist. Der Brückendiagonalen werden die beiden Eingangssignale für den Differenzveratärker (3) entnommen. Das in der Rückführung angeordnete Netzwerk (14) hat nunmehr zwei Signale zu erzeugen: ein Gegen- und eit. Mitkopplungssi£jnal. Zur P-Bereichseinstellung sind zwei Widerutände (9,11) der Brücke verstellbar.

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Pig. 5 zeigt die Schaltung nach Pig. 3 für pneumatische PID-Regler vorbereitet. Die Drucksignale x, w und die Rückführsignale R⁺ und R~ sind an die Widerstände (15, 16; 17, 18) angeschlossen, von den die Widerstände (15, 16) gemeinsam und gleichsinnig zur P-Bereichseinstellung verstellbar sind. Zwischen den Widerständen (15, 17) und (16, 18) der beiden Brückenzweige stellt sich jeweils ein Drucksignal ein, das der Summe der anliegenden Drücke proportional ist. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn alle Drucksignale vom Verstärker erzeugt werden, die Druckreglereigenschaften besitzen, z.B. Alternativ-Veratärker. Diese halten das jeweilige Drucksignal unter Luftaufnahme oder Luftabgabe aufrecht. Dann ist eine Verfälschung bei der Signalverarbeitung durch energetische Kopplung der Signale über die Widerstandsdrosseln nicht zu erwarten. Der Differenzverstärker 09) entnimmt der Brücke keine Energie, wenn dieser als membrangesteuerter Druckteiler-Anordnung ausgebildet ist, der von einer Energiequelle versorgt wird. Die Verzögerungsglieder (20, 21) in der Rückführung dienen in bekannter Weise zur Erzeugung des Zeitverhaltena des Reglers.

Die Reglerschaltung bietet für die P-Bereichseinstellung Vorteile, wenn der Differenzverstärker wenig oder keine Energie aus den Brückenzweigen aufneimmt, d.h. er besitzt eine hohe Eingangsimpedanz oder die Eingangsdruckräume werden von Membranen begrenzt. Der Vorteil ergibt sich dadurch, daß bei kleinen P-Bereichen die Widerstände (9,11 bzw. 15,16) kleine Werte annehmen gegenüber den Y/iderständen (10,12 bzw. 17,18) und somit die Eingangsgrößen χ und w ohne Spannungeabfall bzw. ohne Druckabfall am Eingang des Differenverstärkers wirksam werden und den Verstärker unmittelbar aussteuern. Die Wirkung der Gegenkopplung ist dann gering. Die Reglerschaltung ermöglicht kleine P-Bereiche, d.h. hohe Verstärkungen einzustellen. Große P-Bereiche ergeben sich, wenn die Y/iderstönde (10,12 bzw. 17,18) auf kleine Werte im Verhältnis an den Widerständen (9,11 bzw. 15,16) gebracht v/erden und oder einfach dadurch, daß die von den Eingangsgrößen χ und w beaufschlagten Widerstände auf große Werte eingestellt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Schaltung für PID-Regler, bestehend aus einem gegengekoppelten Verotärker, mindestens zwei Additions- und einer Subtraktionsstelle sowie zwei Verzögerungeglieder (Zeitglieder) dadurch gekennzeichnet, daß die aus Ist-

L wert- und Mitkopplungssignal gebildete Summe (x + R⁺) und die aus Sollwert- und Gegenkopplungssignal gebildete Summe (w + R~) als Eingangssignal als Differenzverstärker (6) dienen, aus dessen Ausgangseignal y in bekannter Weise mit Hilfe der Zeitglieder (7, 8) das Gegen- und Mitkopplungssignal gebildet wird.

2. Schaltung für elektrische PID-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaldifferenz zur Aussteuerung des Operationsverstärkers (Differenzver-

* stärkers) (13) der Diagonalen der Brücke entnommen wird, die aus den Ohmschen Widerständen (9, 10, 11, 12) gebildet wird, v/obei an die Widerstände (9, 10) des einen Zweiges der Brücke das Istwert- und Mitkopplungssignal und an die Widerstände (11, 12) des anderen Zweige3 der Brücke das Sollwert- und Gegenkopplungssignal angelegt sind.

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3. Schaltung für pneumatische PID-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaldruckdifferenz der Eur Aussteuerung des Differenzdruckveretärkers der Diagonalen der Brücke entnommen wird, die aus den ! Drosselwideretänden ( 15, 16, 17, 18) gebildet wird,

wobei an die Widerstände (15, 17) des Zweiges der Brücke der Istwert- und liitkopplungssignaldruck und an die Widerstände (16, 16) des anderen Zweiges der Brücke der Sollwert- und Gegenkoppluncseignaldruck angelegt sind.

4« Schaltung für elektrische und pneumatischen PID-Regler nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur P-Bereichseinetellung mindestens ein Widerstand der Brücke stetig oder stufenweise einstellbar ist.

5· Schaltung für elektrische und pneumatische PID-Regler nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur P-Bereichseinstellung mindestens zwei Widerstände, die verschiedenen Brückenzweigen angehören, gemeinsam und gleichsinnig verstellbar sind.

6. Schaltung für elektrische PID-Regler nach den Ansprüchen 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (13) eine hohe Eingangsimpedanz aufweist.

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7. Schaltung für pneumatische PID-Regler nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur energetischen Entkopplung der Brückenzweige die Eingang sdruckräume des Differenzdruckverstärkers (19) von Membranen begrenzt sind.

8. Schaltung für. elektrische PID-Regler nach den Ansprüchen 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale von Istwert x, Sollwert w und Ver* Stärkerausgang y eingeprägte elektrische Ströme oder Spannungen sind.

9- Schaltung für pneumatische PID-Regler nach den Ansprüchen 3, 4, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksignale von Istwertx, Sollwert w und Verstärkerausgang y von Verstärkern mit Druckreglereigenschaften z.B. von Alternativverstärkern erzeugt werden.

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