DE1905993B2

DE1905993B2 - Elektrischer regler, bestehend aus der hintereinanderschaltung eines pidregelverstaerkers und eines diesem vorgeschalteten d-gliedes

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Publication number: DE1905993B2
Application number: DE19691905993
Authority: DE
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1969-02-07
Publication date: 1973-04-26
Also published as: ES363454A1; DE1905993A1; GB1215251A; US3530389A; CA825823A; FR2001661A1; DE1905993C3; NL6902075A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Regler, bestehend aus der Hintereinanderschaltung eine* PID-Regelverstärkers mit Rückführung und

eines diesem vorgeschalteten D-Gliedes, das derart dimensioniert ist, daß es nur relativ schnelle Änderungen seiner Eingangsgröße durchläßt.

Ein solche,- Regler ist in der Siemens-Druckschrift SSW 50(1, 42/202 — 5552, TS 42 »Über die Vorausberechnung optimal abgestimmter Regelkreise«, einem Sonderdruck aus der Zeitschrift »Regelungstechnik« Dezember 1954, Januar und Februar 1955. vergleiche S. 14 bis 17, insbesondere Schaltbild B3 der Siemens-Druckschrift, in Form eines PID,-Reg-

lers beschrieben. PID₂-Regler sind in der "Lage, plötzliche Änderungen* der Regelabweichung sehr schnell zu erfassen, weil sie schon bei Änderungen der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung oder der Regelgröße ansprechen. Allerdings erweist

sich bei länger anhaltenden großen Änderungen der Regelgröße das integrierende Verhalten des bekannten Reglers als nachteilig, weil er dann in die Sättigung gebracht wird, was bekanntlich zum Überschwingen führt. Eine Möglichkeit, das Überschwin-

gen zu vermeiden, besteht darin, die Regelgröße von Hand auf den Sollwert zu führen und dann den Regler auf automatischen Betrieb umzuschalten. Da diese Methode umständlich ist, hat man bei bekannten PID-Reglern Begrenzeranordnungen vorgesehen.

die beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Reglereingangsgröße die Sättigung des Regelverslärkers verhindern oder beseitigen.

In der USA.-Patentschrift 3 260 956 ist ein

PID-Regler beschrieben, dem eine Begrenzeranord- Hierdurch kann der Regler unterscheiden, ob eine nung vorgeschaltet ist, so daß sein Eingangssignal plötzlich auftretende große Regelabweichung von nicht zur Sättigung des Reglers führen kann. Diese einer plötzlichen Änderung des Sollwertes oder von Maßnahme geht auf Kosten der Regelgeschwindig- einer plötzlichen Änderung der Regelgröße abhängt keit, denn dem Regler wird eine kleinere Regelab- 5 Durch die getrennte Verstärkung der Regelgröße und weichung vorgetäuscht, als eigentlich vorhanden ist deren Zufuhr zum Eingang des dem Differenzver-Bis die tatsächlich anliegende Regelabweichung aus- stärker nachgeschalteten Pvegelverstärkers wird es geregelt ist, vergeht infolgedessen mehr Zeit möglich, schnelle Änderungen der Regelgröße zu Aus der Zeitschrift »Control Engineering«, No- verstärken und auf das Stellglied einwirken zu lassen, vember 1958, S. 86/87, ist ein PID-Regler bekannt " ohne bei großen Änderungen des Sollwertes ein zu dessen integrierender Rückführung eine Über- Überschwingen befürchten zu müssen. Abweichend brückungsschaltung mit Schwellwertglied parallel ge- von den bekannten Reglern unterscheidet der Regler schaltet ist Bei großen Änderungen der Regleraus- gemäß der Erfindung eine plötzlich auftretende gangsgröße spricht das Schwellwertglied an, und der große Regelabweichung nach ihrer Herkunft und I-Anteil der Regelung wird stark begrenzt Die Sätti- 15 nicht nur nach ihrer Größe. Hierdurch wird das Regung wird somit verhindert un;< die große Regelab- gelverhalten wesentlich verbessert weichung durch D-Regelung schnell ausgeregelt. Durch die Zeitschrift AEG-Nßtteilung, Band 55 Hier kann es allerdings noch zur Sättigung des Ver- (1965), Heft 5, S. 434 bis 420, insbesondere S. 418, stärkers und zum Überschwingen kommen, wenn die Bild 9, ist ein PD-Dreipunktregler bekanntgeworden. Änderung der Reglereingangsgröße extrem groß ist. »° bei dem die Regelabweichung und das Differential Eine Vermeidung der Sättigung in solchen Fxtrem- der Regelgröße getrennt erfaßt werden, so daß Ändefällen wäre wiederum nur durch eine Begrenzerein- rungen der Regelgröße schneller berücksichtigt werrichtung gemäß der USA.-Patentschrift 3 260 956 den. Diese Schaltungsanordnung ist aber insofern möglich. nicht mit der Erfindung vergleichbar, als dort kein Es liegt daher der Gedanke nahe, die beiden Maß- 25 die Sollwertstöße dämpfender 1-Regelverstärker vornahmen irgendwie zu kombinieren. Ein solcher Reg- gesehen ist.

ler würde extreme Änderungen der Eingangsgrößen Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind

begrenzen, und weniger extreme Änderungen würden in den Unteransprüchen gekennzeichnet,

zu einer Begrenzung der I-Regelung führen. Einem Die Erfindung wird im folgenden an Hand zweier

solchen Regler würde aber noch der Nachteil anhaf- 30 in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbei-

ten, daß zwar durch Störungen oder Anfahrvorgänge spiele erläutert. Dabei zeigt

verursachte schnelle und große Regelabweichungen F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer e'ckin recht kurzer Zeit durch das D- bzw. D.,-Verhalten tronischen Regeleinrichtung mit unterhalb des gestriausgeregelt werden können, andererseits beispiels- cheiten Linienzuges dargestellten bevorzugten Ausweise durch einen Prozeßrechner oder Abtastrege- 35 führungsbeispielen der Begrenzeranordnung,
lung verursachte Sollwertstöße zu ungewollten hefti- Fig. 2 weitere Einzelheiten des Differenzverstärgen Schwankungen der Stellgröße führen könnten. kers und des Regelgrößenverstärkers,

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Regler F i g. 3 und 4 verschiedene Signalformen, die wäh-

zu schaffen, der eine Sättigung sowohl bei länger rend des Betriebes der Regeleinrichtung auftreten

dauernden großen Änderungen der Regelgröße als 40 können.

auch bei kürzeren extrem großen Änderungen ver- F i g. 1 zeigt den mit einer Eingangsklemme 12 für hindert, plötzliche sehr schnelle Änderungen der Re- den Istwert RG und einer Eingangsklemme 14 für gelgröße schnell ausregelt, jedoch plötzliche Soll- den Sollwert SW der Regelgröße versehenen Regler wertstöße wie sie bei Prozeßrechnerführung oder Ab- 10. wobei die Klemmen über entsprechende Eintastregelung auftreten können, mit der der I-Rege- 45 gangswiderstände 16 und 18 an die Eingänge 20 und lung innewohnenden Trägheit ausgleicht. 22 eines Differenzverstärkers 24 angeschlossen sind. Diese Aufgabe wird bei einem Regler der eingangs Der Eingang 22 ist ferner über einen Vorwiderstand genannten Art dadurch gelöst, daß das Soll-Ist-Ver- 26 mit der Bezugsspannungsquelle 27 verbunden, gleichsglied des Reglers aus einem Differenzverstär- Der Ausgang 28 des Differenzverstärkers 24 ist über ker mit je einem Eingang für den Soll- bzw. Istwert 50 den Rückkopplungswiderstand 30 an dessen Eingang der Regelgröße besteht, daß zwischen den Istwert- 20 zurückgeführt und über einen Widerstand 32 mil Eingang und einen ersten Eingang des PID-Regelver- einem ersten Summierpunkt 34 und einer erster stärkers das D-Glied parallel geschaltet ist, daß ferner Klemme eines Nullspannungsmessers 36 verbunden, eine vom Ausgang des PID-Regelverstärkers auf des- dessen zweite Klemme an der Bezugsspannung 21 sen ersten Eingang führende Überbrückungsschal- 55 liegt. Der erste Summierpunkt 34 ist über den Widertung mit einem ersten Schwellwertglied vorgesehen stand 38 an die Bezugsspannungsquelle 27 und übei ist, dessen Schwellwert so bemessen ist, daß bei sei- eine der Einstellung des Integrationsverhaltens diener Überschreitung durch große Ausgangsgrößen des nende, als verstellbarer Widerstand ausgestaltete, Im-PID-Regelverstärkers der I-Anteil der Regelung pedanz 40 zum Summierpunkt 43 geführt. Der Punk durch die Überbrückung der Rückführung stark be- 60 42 liegt am Eingang eines PID-Regelverstärkers 52.
grenzt wird, und daß zwischen den Ausgang des er- Auf die erste Eingangsklemme 12 gelangt das erst« sten SchwelIwertgliedes und den an Bezugsspannung Eingangssignal, welches als Regelgröße RG vor liegenden zweiten Eingang des PID-Regelverstärkers einem den Wert einer Prozeßvariablen messender ein zweites Schwellwertglied geschaltet ist, dessen Meßfühler abgegeben wird. Dieses Signal ist an siel Schwellwert derart dimensioniert ist, daß bei dessen 65 in seiner Größe nicht beschränkt. In der Praxis wire Überschreitung, zur Verhinderung einer Sättigung aber vorzugsweise ein zwischen 1 und 5 V liegende des PID-Regelverstärkers, die Überbrückung zur Be- Änderungsbereich verwendet. An die zweite Ein zugsspannung hin erfolgt. gangsklemme 14 gelangt als zweites Eingangssigna

5 ^ 6

der Sollwert SW. Er kann durch irgendeine geeignete führkreis geschlossen wird. Bei einer Veränderung

Vorrichtung, beispielsweise ein Potentiometer, vorge- des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 24

geben werden und liegt ebenfalls vorzugsweise zwi- lädt sich der Kondensator 72 allmählich über die

sehen 1 und 5 V. Widerstände 32 und 40 auf, so daß die Veränderung

Der Istwert der Regelgröße und der Sollwert wer- 5 nur allmählich auf den Eingang des Steuerverstärkers

den über die Eingangswiderstände 16 und 18 auf die 52 übertragen wird, wie weiter unten noch beschrie-

entsprechenden Eingangsklemmen 20 und 22 des ben ist.

Differenzverstärkers 24 gegeben. Unterscheiden sich In F i g. 2 werden Einzelheiten des Differenzverdie beiden Eingangssignale in ihrer Größe nicht von- stärkers 24 und des Regelgrößenverstärkers 44 geeinander, so ist die Spannung am Ausgang des Diffe- i° zeigt. Die Eingangsklemme 12 ist mit einem Anrenzverstärkers 24 gleich der Spannung der Bezugs- schlußpunkt 74 einer einen zweipoligen Umschalter Spannungsquelle 27, die vorzugsweise 3 V beträgt. 76 aufweisenden Schalteinrichtung verbunden. Die Dieser Wert wurde gewählt, da er gerade in der Mitte Schaltarme des Schalters 76 liegen gewöhnlich an des zwischen 1 und 5 V liegenden Bereiches des Dif- den Kontakten 78, so daß die Klemme 12 über den ferenzverstärkerausgangssignals liegt. Die maximale 15 Eingangswiderstand 16 an die Eingangsklemme 20 Abweichung vom Mittelwert beträgt daher 2 V. Un- des Differenzverstärkers 24 geführt ist. In gleicher ter der Annahme, daß der Ausgangswert des Verstär- Weise steht die Eingangsklemme 14 mit einem zweikers, wie es z. B. bei vielen mit Rechnern betriebenen ten Anschlußpunkt 74 des zweipoligen Umschalters Systemen der Fall ist, in einem Speicherkondensator 76 in Verbindung, so daß die Klemme 14 gewöhnlich gespeichert wird, kann die Kondensatorspannung »° über den Eingangswiderstand 18 an die andere Einniemals 2 V überschreiten, wodurch die ungewollten gangsklemme 22 angeschlossen ist. Die Klemmen 80 Spannungsänderungen sehr niedrig bleiben. des Schalters 76 sind derart geschaltet, daß die Ver-

Im Falle, daß die Regelgröße und der Sollwert bei- bindungen der Klemmen 12 und 14 mit den Klemspielsweise durch das Anwachsen der Regelgröße, men 20 und 22 bei Änderung der Schalterstellung voneinander abweichen, ergibt sich am Ausgang des »5 vertauscht werden. Die Eingangsklemme 20 ist an Differenzverstärkers ein Ausgangssignal, welches an die Basis eines pnp-Transistors 82 geführt, während den ersten Summierpunkt 34 und über die Impedanz die Eingangsklemme 22 mit der Basis eines zweiten 40 auch an den zweiten Summierpunkt 42 gelangt. pnp-Transistors 84 verbunden ist. Die miteinander Die Regelgröße wird darüber hinaus noch zu dem verbundenen Emitterelektroden der beiden Transieinstufigen Regelgrößenverstärker 44 geführt. Der 30 stören 82 und 84 werden von einer Konstant-Strom-Ausgang des Verstärkers 44 ist über einen Konden- quelle 86 gespeist, welche an einer Spannungsquelle sator 46, einen Verbindungspunkt 48, eine Leitung 88 liegt.

50 und den zweiten Summierpunkt 42 an den Ein- Die Konstant-Spannungsquelle ist mit einem gang des Regelverstärkers 52 angeschlossen. Durch p-Typ Feldeffekttransistor 89 versehen, dessen Queldiesen Aufbau werden alle verhältnismäßig schnellen 35 lenelektrode über den Widerstand 90 an die Span-Änderungen der Regelgröße direkt über den Kon- nungsquelle 88 und dessen Senkenelektrode an die densator 46 an den zweiten Summierpunkt 42 gelei- Emitter der Transistoren 82 und 84 geführt ist. Ein tet, während die relativ langsamen Änderungen un- die beiden Widerstände 91 und 92 aufweisender terdrückt werden. Spannungsteiler liegt zwischen der Spannungsquelle

Der Regelverstärker 52 hat eine hohe Verstärkung 40 88 und Masse. An den Verbindungspunkt dieser bei- und einen hohen Eingangswiderstand. Seine Aus- den Widerstände ist die Gatterelektrode des Feldefgangsklemme 54 ist über eine noch zu beschreibende fekttransistors 89 angeschlossen. Um das obere Ende Rückführschaitung auf den zweiten Summierpunkt der U-I-Charakteristik des Feldeffekttransistors ab-42 zurückgeführt, wodurch dieser Verstärker wie ein zusenken, wurde für den Widerstand 90 ein relativ Operationsverstärker geschaltet ist. Die Ausgangs- 45 großer Widerstandswert gewählt. Der aus den Widerklemme 54 des Steuerverstärkers 52 ist ferner an den ständen 91 und 92 gebildete Spannungsteiler dient zu steuernden Verbraucher 56, der ein Stellglied sein zum Anheben des unteren Endes dieser Charakterikann, angeschlossen. Das Stellglied kann beispiels- stik. Durch diesen Aufbau läßt sich der Ausgangsweise als elektrisch betätigtes Ventil ausgestaltet sein, strom der Konstant-Stromquelle sehr genau einstelmit dessen Hilfe die Regelgröße verändert wird. 5° len.

Die Rückführung des Verstärkers 52 weist ein der Die Kollektorelektrode des Transistors 82 liegt am Änderung des Proportionalverhaltens des Reglers Verbindungspunkt 93, der mit Masse verbunden ist. dienendes Potentiometer 58 auf, dessen eines Schleif- Der Kollektor des Transistors 84 ist zur Basis eines drahtende an der Ausgangsklemme 54 liegt und des- npn-Transistors 94 und zur Anode einer der Tempesen anderes Ende über einen Verbindungspunkt 60 55 raturkompensation dienenden Diode 95 geführt, dean ein geeignetes Potential, beispielsweise Masse, ge- ren Kathode über einen veränderbaren Widerstand legt ist. Die in Serie geschalteten Spannungsteiler- an dem Verbindungspunkt 93 liegt. Die Kollektorwiderstände 62 und 64 liegen zwischen dem Verbin- elektrode des Transistors 94 steht mit der Ausgangsdungspunkt 60 und dem Abgriff des Potentiometers klemme 28 des Differenzverstärkers 24 sowie über 58. Dieser Abgriff ist weiterhin noch über einen zur 60 einen Vorwiderstand 98 mit der Spannungsquelle 88 Einstellung des differenzierenden Verhaltens des Reg- in Verbindung, während sein Emitter an den Verbiniers verstellbaren Widerstand 66 an die eine Elek- dungspunkt 93 angeschlossen ist.
trode eines Differenzierkondensators 68 angeschlos- Dct Regelgrößenverstärker 44 ist mit einem npnsen. Die andere Elektrode des Kondensators 68 liegt Transistor 100 versehen, dessen Basis an der Emam Vcrbindunc-punkt 70 der beiden Teilerwider- 65 gangsklemme 12 und dessen Kollektor über einen stände 62 und 64 Ein Integrierkondensator 72 ver- Vorwiderstand 102 an der Spannungsquelle 88 liegt, bindet den Widerstand 66 sowie den Kondensator 68 während sein Emitter über die beiden Widerstände mit dem \ crl· nduugspunkt 48, wodurch der Rück- 104 und 105 mit Masse verbunden ist. Ein mit dem

Schalter 76 gekoppelter einpoliger Umschalter 106 veränderbar sein, um eine angemessene Steuerung zu ist mit seiner gewöhnlich angeschlossenen Klemme ermöglichen. Es ist daher ein besonderer Vorteil des 108 mit dem Kollektor des Transistors 100 und mit hier beschriebenen Ausführungsbeispiels, daß sowohl seiner gewöhnlich offenliegenden Klemme 110 über die Regelgröße als auch der Sollwert immer die den Verbindungspunkt der beiden Widerstände 104, 5 gleiche Polarität haben, wodurch der Anwendungs- 105 mit dem Emitter des Transistors verbunden. Auf bereich des Reglers stark erweitert wird. So läßt er diese Weise bilden die Klemmen 108 und 110 wahl- sich beispielsweise in Verbindung mit einer zweiten weise den Ausgang des Verstärkers 44, wobei die an in Kaskade geschalteten Regeleinrichtung verwenden beiden entsprechenden Ausgängen erscheinen- den, ohne daß die sich gewöhnlich bei den Verwenden Signale ein zueinander umgekehrtes Verhalten io dung von negativen und positiven Eingangssignalen zeigen, weil sie zueinander invers sind. Zwischen ergebendet. Schwierigkeiten auftreten. Ein weiterer Masse und der Kollektorelektrode des Transistors Vorteil des hier beschriebenen Reglers ist, daß auf 100 liegt der Widerstand 111, durch den in Verbin- ein spannungsgeregeltes, positive und negative Spandung mit dem Spannungsteiler aus den Widerständen nungen abgebendes Netzgerät verzichtet werden 104, 105 das Ausgangssignal des Verstärkers 44 auf 15 kann.

den Wert des \usgangssignals des Differenzverstär- Nimmt man an, daß sich die Regelgröße von 3 auf

ke-rs 24 an der Klemme 28 angenähert wird. Die ge- 4 V verändert, so vermindert sich die Leitfähigkeit

meinsame Klemme 112 des Schalters 106 ist über des Transistors 82, wodurch mehr Strom von der

den Kondensator 46 an den Verbindungspunkt 48 Konstant-Spannungsquelle 86 zu dem Verbindungs-

geführt. Durch den Schalter 106 in Verbindung mit 20 punkt 93 über den Transistor 84 fließt. Durch diesen

dem Schalter 76 kann die Regeleinrichtung sowohl in Stromanstieg wird die Leitfähigkeit des Transistors

dem hier dargestellten direkten Betrieb als auch in 94 vergrößert, wodurch das Potential am Ausgang 28

einem noch zu beschreibenden inversen Betrieb ar- sinkt. Dieses schwächer werdende Ausgangssignal

beiten. gelangt über den Widerstand 32 und den veränderba-

Der Regelverstärker 52 besitzt einen Modulator 25 ren Integrierwiderstand 40 zum zweiten Summier-

114, der mit einem Wechselspannung^ erstärker 116 punkt 42.

in Reihe geschaltet ist. Der Verstärker 116 ist über Zur gleichen Zeit gelangt das ansteigende Regeleinen Wandler 120 mit dem Demodulator 118 ver- größensignal auf die Basis des in dem Regelgrößenbunden, dessen Ausgang an der Ausgangsklemme 54 verstärker 44 befindlichen Transistors 100, wodurch liegt. Je einer der Eingänge von Modulator 114 und 3° dessen Leitfähigkeit erhöht und das Potential am Wechselspannungsverstärker 116 ist zu der Bezugs- Ausgang des Regelgrößenverstärkers 44 vermindert. Spannungsquelle 27 geführt. Der Ausgang des Demo- Unter der Voraussetzung, daß die Verminderung des dulators 118 steht in Verbindung mit Masse. Dem als Ausgangssignals des Regelgrnßenverstärkers schnell Stellglied ausgestalteten Verbraucher 56 ist ein mit genug ist, wird dieses über die Kapazität 46 ebenfalls einem npn-Transistor 122 versehener Verstärker vor- 35 zum zweiten Summierpunkt 42 geleitet, geschaltet, wobei die Basis des Transistors an die Die beiden in negativer Richtung verlaufenden Ausgangsklemme des Regelverstärkers 52 ange- Ausgangssignale des Differenzverstärkers 24 und des schlossen ist. Seine Emitterelektrode liegt über einen Regelgrößenverslärkers 44 gelangen von dem zwei-Widerstand 124 an Masse. Der Verbraucher 56 ist ten Summierpunkt 42 zum Eingang des Regelverstäreinerseits mit einer Spannungsquelle 128 von bei- 40 kers 52. Da dieser Verstärker die Eingangssignale inspielsweise -¹- 24 V und andererseits mit dem Kollek- vertiert, verläuft sein Ausgangssignal an der Klemme tor des Transistors 122 verbunden. 54 in umgekehrter, also positiver Richtung. Dieses

Befinden sich die Schalter 76 und 106 in der in der ansteigende Ausgangssignal erreicht anschließend die F i g. 2 gezeichneten l^age. so wird sowohl vom Re- Basis des Transistors 122. wodurch die Leitfähigkeit gelgrößenverstärker 44 als auch vom Differenzver- 45 des Transistors ansteigt und ein wachsender Strom stärker das an ihren Eingang gelangende Regelgrö- durch den Verbraucher 56 fließt. Daraus ergibt sich, ßensignal invertiert. In seiner Mittellage wird vom daß bei der in der F i g. 2 gezeichneten Lage dei Sollwertgenerator eine Sollwertspannung von 3 V auf Schalter 76 und 106 die Regeleinrichtung in direkdie Eingangskletnme 14 gegeben. Hat nun die Regel- tem Betrieb arbeitet, d. h., daß bei wachsender Regelgröße auch eine Spannung von 3 V, so sind die Span- 50 größe auch die auf den Verbraucher einwirkend« nungen an den Basen der beiden Transistoren 82 und Größe ansteigt.

84 im Gleichgewicht. Die von der Bezugsspannungs- Soll nun die Regeleinrichtung im inversen Betriel

quelle 27 an die Basis des Transistors 84 gelangende arbeiten, so muß die Lage der Schalter 76 und 10<

Spannung soll in der hier beschriebenen Ausffih- der in F i g. 2 gezeigten entgegengesetzt sein, wo

rungsfonn des erfmdungsgemäßen Reglers ebenfalls 55 durch sowohl der Verstärker 24 als auch der Ver

3 V betragen. Der verstellbare Widerstand 96 ist nun stärker 44 bezüglich des Regelgrößensignals nich

so eingestellt, daß der durch ihn beeinflußte Transi- invers arbeiten. Der auf die Basis des Transistors 1Oi

stör 94 an seiner mit dem Ausgang des Differenzver- im Regelgrößenverstärker 44 übertragene Anstie

stärkers verbundenen Kollektorelektrode eine Span- der Regelgröße erhöht, wie oben schon beschrieber

mag von 3 V aufweist. In diesem Zustand befindet 60 die Leitfähigkeit des Transistors. Durch das Um

sich die Regeleinrichtung m ihrer Nullstellung. schalten des Schalters 106 gelangt jetzt aber ein i

Es ist einleuchtend, daß die Bezugsspannungs- positiver Richtung verlaufendes Signal über de

quelle 27 nicht unbedingt eine Spannung von 3 V ha- Kondensator 46 an den zweiten Sunnnierpunkt. Ds

ben muß, sondern sie z.B. auch eine Spannung von ansteigende Regelgrößensignal gelangt ferner noc

5 V oder Massepotential haben kann. Liegt aller- 65 auf die Basis des Transistors 84 im Differenzverstä

dings die Bezngsspamrangsquelle 27 auf Null- oder ker 24 anstatt auf die des Transistors 82, wodurc

Massepotential, so müssen die Regelgröße und der der durch den Transistor 84 fließende Strom venni Sollwert zwischen postrtiven und negativen Werten dert wird. Durch diese Abnahme des Stromes wii

"*~ ίο

die Leitfähigkeit des Transistors 94 kleiner, wodurch kurzgeschlossene Signalanteil ergibt sich aus den ein in positiver Richtung verlaufendes Signal am Werten der beiden Widerstände 62 und 64. Die Ausgang 28 erscheint und von dort über den Wider- Größe der Amplitude der Differenzierkurve 144 bestand 32 und den Integrierwiderstand 40 zum zwei- rechnet sich aus dem Verhältnis des Widerstandswerten Summierpunkt 42 gelangt. 5 tes von 62 zur Summe der Widerstandswerte von 62 Es erreichen daher jetzt zwei in positiver Richtung und 64. Der Kondensator 68 beginnt sich allmählich gehende Ausgangssignale der beiden Verstärker den aufzuladen, wodurch der den Summierpunkt' 42 erzweiten Summierpunkt 42 und von dort den Eingang reichende Anteil des Rückführsignals anwächst, und des Regelverstärkers 52, der dementsprechend ein in das Ausgangssignal des Verstärkers 52 fällt. Der abnegativer Richtung verlaufendes Signal an den Tran- io fallende Teil des Ausgangssignals ist durch den sistor 122 abgibt. Wegen der durch dieses Signal ver- Kurvenabschnitt 146 in F i g. 3 c skizziert. Der Neiminderten Leitfähigkeit des Transistors 122 nimmt gungswinkel von 146 ergibt sich aus der Zeitkonstander durch den Verbraucher 56 fließende Strom ab. ten des aus dem Widerstand 66 und dem Kondensa-Daraus ergibt sich, daß ein Anwachsen der Regel- tor 68 gebildeten RC-Kreises.

größe eine Schwächung des durch den Verbraucher 15 Durch das Zusammenwirken des Differenzverstär-56 fließenden Stromes bewirkt, was einem inversen kers 24, der Widerstände 32 und 40 sowie des Kon-Betrieb der Regeleinrichtung entspricht. densator 72 steht nach dem Abfall des Ausgangs-Aus F i g. 3 sind die bei Veränderung des Sollwer- signals an der Klemme 54 immer noch ein stetig faltes und der Regelgröße auftretenden Formen der lendes, das Gleichgewicht am Summierpunkt 42 stö-Ausgangssignale ersichtlich. Bei dem in F i g. 2 darge- »0 rendes Signal 140. Das Signal 140 bewirkt den in stellten direkten Betrieb der erfindungsgemäßen Re- F i g. 3 c dargestellten integrierten Kurvenanteil 148. geleinrichtung bewirkt ein stufenförmiger Anstieg Das, am Ausgang des Verstärkers 52 erscheinende Si-136 (F i g. 3 a) der auf die Eingangsklemme 12 gelan- gnal steuert, wenn nötig verstärkt, als Stellgröße den genden Regelgröße ein stufenförmig abfallendes Si- Verbraucher 56.

gnal 138 (F i g. 3 b) am Ausgang des Regelgrößen- 25 In F i g. 3 a zeigt 150 eine manuell oder auf ir-

verstärker 44, von wo es über die Kapazität 46 zu gendeine andere Weise bewirkte schrittweise Ände-

dem zweiten Summierpunkt 42 gelangt. Der gleiche rung des Sollwertes. Dieses Signal erreicht über den

stufenförmige Anstieg 136 erreicht den Differenzver- Differenzverstärker 24, den Widerstand 32 sowie den

stärker 24, wo er mit dem Sollwert verglichen wird. veränderbaren Integrierwiderstand 40 den zweiten

Aus dem Vergleich resultiert ein in negativer Rieh- 30 Summierpunkt 42. Im Gegensatz zum Signal 136 ge-

tung abfallendes Signal an der Ausgangsklemme 28, langt es nicht zum Regelgrößenverstärker 44. Unter

dessen Größe der Differenz zwischen dem Sollwert diesen Umständen wird vom Differenzverstärker 24

und der Regelgröße proportional ist. Hierdurch wird versucht, den Punkt 42, wie durch die Kurve 151 in

die Kapazität 72 über den Widerstand 32 und den Fig.3b angedeutet, allmählich in positive Richtung

Integrierwiderstand 40 aufgeladen, so daß ein in ne- 35 aus dem Gleichgewicht zu verschieben, wobei diese

gativer Richtung verlaufendes, wieder dem Diffe- Verschiebung ständig durch den in F i g. 3 c skizzier-

renzwert entsprechendes Rampensignal 140 den ten Verlauf des Ausgangssignals 152 des Regelver-

Summierpunkt 42 erreicht und sich dort zu dem Stu- stärkers 52 kompensiert wird.

fensignal 138 summiert. Das anfänglich stark abfal- Es ist selbstverständlich, daß stufenweise Verände-

lende Signal 138 geht in das zeitlich langsam abfal- 4° rangen des Sollwertes in entgegengesetzter Richtung

!ende Signal 140 über. Da der Regelverstärker 52 als auch den Verlauf der entsprechenden Kurven am

Operationsverstärker ausgebildet ist, ändert sich die Eingang sowie am Ausgang des Regelverstärkers 52

Spannung am Summierpunkt 42 nicht. Sie wird auf umkehren.

dem mit dem zweiten Eingang des Regelverstärkers Die bei inversem Betrieb der Regeleinrichtung auf-52 in Verbindung stehenden Potential der Bezugs- 45 tretenden Kurvenformen sind in F i g. 3 e gezeigt, aus Spannungsquelle 27 gehalten, da am Ausgang des denen zu entnehmen ist, daß die Ausgangssignale Verstärkers ein Signal erscheint, das geeignet ist, 152 sowie 162 den in F i g. 3 c dargestellten gleich über die Rückführschaltung die am Punkt 42 auftre- sind, aber in entgegengesetzter Richtung verlaufen,
tenden Gleichgev.'ichtsveränderungen zu korrigieren In F i g. 1 ist eine aus einem ersten Schwellwert- und zu kompensieren. Durch die Einstellung des der 5° glied 164 und einem zweiten Schwellwertglied 166 Änderung des Proportionalverhaltens der Regelein- bestehende Begrenzungsschaltung gezeigt. Das die richtung dienenden Potentiometers 58 wird die Am- Integration begrenzende erste Schwellwertglied 164 plitude des Ausgangssignals 142 (F i g. 3 c) be- weist einen pnp-Transistor 168 und einen npn-Transtimmt. Die Größe des Signals 142 ist notwendig, sistor 170 auf. Die Emitter beider Transistoren sind um bei einem Fehlen des differenzierenden Netzwer- 55 mit der Ausgangsklemme 54 des Regelverstärkers 52 kes die durch das Auftreten des Signals 138 am verbunden. Die Basis des Transistors 168 liegt an Punkt 42 verursachte Störung des Gleichgewichtes dem Schleifarm eines einstellbaren Potentiometers von der Ausgangsseite des Regelverstärkers 52 her 172, während die Basis des Transistors 170 zu dem zu kompensieren. Durch die Wirkung des differenzie- Schleifarm eines zweiten einstellbaren Potentiomerenden Netzwerkes wird die Rückführung des Aus- 60 ters 174 geführt ist. Die Widerstandswicklungen der gangssignals des Regelverstärkers 52 zum Summier- beiden Potentiometer 172, 174 sind zusammen mit punkt 42 verzögert, was einen unverhältnismäßig einem Vorwiderstand 176 zwischen Masse und ein« starken Anstieg 144 (F i g. 3 c) beim Ausgangssignal Energiequelle 178 in Reihe geschaltet. Die Kollektordes Verstärkers 52 verursacht. Das über den Diffe- elektroden der Transistoren 168, 170 sind gemeinrenzierwiderstand 66 gelangende Signal wird über 65 sam an den Verbindungspunkt 180 angeschlossen, den Differenzierkondensator 68 und den aus den der über einen Widerstand 182 mit dem ersten Sum-Widerständen 62 und 64 bestehenden Spannungstei- mierpunkt 34 in Verbindung steht. Das das Ausler teilweise nach Masse hin kurzgeschlossen. Der gangssignal begrenzende zweite Schwellwertgläed 16€

ist mit zwei entgegengesetzt gepolten vorgespannten dem, daß an den Klemmen 12 und 14 auftretende

Dioden 184,186 versehen, die zwischen dem Verbin- vorübergehende Störungen einen unerwünschten Eindungspunkt 180 und der an den Eingang des Regel- fluß auf das Ausgangssignal des Regelverstärkers 52

Verstärkers 52 angeschlossenen Bezugsspannungs- und damit auf den Verbraucher 56 ausüben können,

quelle 27 parallel geschaltet sind. 5 Der Impuls 196 in F i g. 4 b stellt die typische Wir-

Aus F i g. 4 a ist die Wirkung der Integrationsbe- kung eines Störsignals auf das Ausgangssignal einer grenzungsanordnung und der Ausgangssignalbegren- elektronischen Regeleinrichtung dar, die weder mit zungsanordnung ersichtlich. Nach dem Start des zu einer Integrationsbegrenzungsanordnung oder Ausregelnden Prozesses wird eine beträchtliche Zeit ver- gangssignalbegrenzungsanordnung versehen ist. Es gehen, bevor die Regelgröße den Sollwert erreicht. io sind viele Begrenzungsanordnungen vorgeschlagen Zu diesem Zeitpunkt ist das Regelgrößensignal gleich worden. Eine oft verwendete Schaltung entsprechend dem Sollwertsignal. Nimmt man an, daß der Schalter der eingangs zitierten USA.-Patentschrift 3 260 956 154 sich in der in F i g. 1 gezeichneten Lage befindet besteht aus einem Paar vorgespannter Dioden, die, und daß die Schalter 76 und 106 auf inversen Betrieb sobald das auf den Eingang des Regelverstärkers geumgeschaltet sind, so wird beim Beginn des Prozes- 15 gebene Eingangssignal einen gewissen Wert überses das auf die Regeleinrichtung einwirkende Regel- schreitet, dieses Signal kurzschließt. Hierdurch läßt größensignal seinen kleinsten Wert, das ist in dem sich zwar eine Verstärkersättigung nicht vermeiden, hier beschriebenen Beispiel 1 V, haben. Der Regler aber es wird sichergestellt, daß das Ausgangssignal wird sich in diesem Faiie so verhalten, als ob der bei Prozeßbeginn der Kurve 188 in F i g. 4 a folgt. Sollwert eine in Fig.3a dargestellte stufenförmige 20 Wenn aber an den Eingangsklemmen eine vorüberge-Änderung 150 erfahren hättt, während das Aus- hende Störung auftritt, so gibt der Verstärker an seigangssignal den mit 152 bezeichneten Kurvenverlauf nem Ausgangssignal einen kurzen starken Impuls ab, in F i g. 3 d annimmt. Der Anstieg der Regelgröße durch den das in dem Integrationsnetzwerk gespeifolgt dem Verlauf der Kurve 188 und nähert sich cherte Integrationssignal gedämpft wird. Die Kurve asymptotisch dem durch die gestrichelte Linie 190 95 198 zeigt den in diesem Falle am Ausgang des Verskizzierten Sollwert. Dennoch bleibt die Abweichung stärkers 52 auftretenden Signalverlauf. Der Teil 199 der Regelgröße vom Sollwert lange Zeit sehr groß. dieser Kurve ergibt sich durch das Verhalten des In-

In einigen der bekannten Regeleinrichtungen führt tegrationsnetzwerkes in einigen der bekannten Regel-

diese über längere Zeit anhaltende große Abwei- einrichtungen (vgl. »Control Engineering« a.a.O.),

chung zur Sättigung des Steuerverstärkers und zu 30 bei denen automatisch der Integrationskondensator

einer erheblichen Aufladung des Integrationskonden- kurzgeschlossen und das in ihm gespeicherte Signal

sators. Daraufhin muß die Regelgröße den Sollwert vernichtet wird. Andere Regeleinrichtungen verwen-

erst einmal überschreiten, bevor der Verstärker wie- den zwei vorgespannte zwischen der Ausgangs-

der aus der Sättigung kommt und die Ladung des In- klemme des Regelverstärkers und dem zweiten Sum-

tegrationskondensators vernichtet ist, da diese La- 35 mierpunkt liegende Diode. Bei dieser Einrichtung

dung nicht eher verschwindet, als bis das Ausgangs- kann der Verstärker nicht in die Sättigung gelangen,

signal seine den Kondensator aufladende Polarität und es ist sichergestellt, daß das Ausgangssignal

gewechselt hat. Dieser Vorgang ist unter der Be- beim Beginn des Prozesses der Kurve 188 folgt. Bei

zeichnung »Überschwingen« bekannt. Durch dieses dieser Art Schaltung, wird auch durch die Begren-

überschwingen wird die Regelgröße erheblich größer 40 zung des Ausgangssignals der Störimpuls 196 auf

als der Sollwert, der Verstärker gerät im entgegenge- die Kurve 200 begrenzt. Nachteilig ist allerdings, daß

setztem Sinne wiederum in die Sättigung, und der In- durch diese Begrenzeranordnung beim Auftreten

tegrationskondensator nimmt eine überschüssige La- eines Störimpulses, wie mit der Kurve 199 a ange-

dung auf. die dazu führt daß die Prozeß variable das deutet, auch das im Integrationsnetzwerk gespei-

zweite Mal über den Sollwert schwingt, wie es in der 45 cherte Integrationssignal gedämpft wird,

gestrichelten Kurve 194 dargestellt ist. Die hier beschriebene Erfindung vermeidet die

Das Schwellwertglied 164 trägt dazu bei, daß die obenerwähnten Schwierigkeiten durch die Kombina-Regelgröße sich dem Sollwert in Form der Kurve tion einer Integrationsbegrenzungsanordnung und 188 nähert. Diese Annäherung wird dadurch be- einer Ausgangssignalbegrenzungsanordnung. Beim wirkt, daß der Ausgang des Regelversthrkers 52 an 50 Auftreten einer Störung am Eingang der Schaltung der Klemme 54 mit dem Eingangssignal des Verstär- wird das Schwellwertglied 164 leitend, wodurch diese kers am zwischen dem Widerstand 32 und dem Inte- Störung zum Widerstand 182 und zum Schwellwertgrationswiderstand 40 liegenden ersten Summier- glied 166 gelangt. Bei ausreichender Größe des Sipunkt 34 verglichen wird. Überschreitet die Diffe- gnals wird die Diode 184 oder 186 leitend und renzspannung zwischen diesen Punkten einen durch 55 überträgt das Ausgangssignal des Regelverstärkers die Vorspannung der Transistoren 168, 170 vorge- 52 zur Bezugsspannungsquelle 27. Die beiden Dioden schriebenen Wert, so wird einer dieser Transistoren 184. 186 sind so ausgewählt, daß sie eine Sperrleitend und führt einen Teil des Ausgangssignals des spannung von ungefähr 0,3 V besitzen. Ist eine der Regelverstärkers 52 zurück an den Summierpunkt beiden Dioden leitend, so erzeugt sie eine kleine auf 34, wodurch ein Teil des vom Differenzverstärker 24 60 den Integrationswiderstand 40 einwirkende Rückzu den Summierpunkt gelangenden Signals vernich- kopplungsspannung, wodurch verhindert wird, daß tet wird und eine Aufladung des Integrationskonden- der Ausgang des Regelverstärkers 52 und damit der sators 72 in der oben beschriebenen Weise vermie- Integrationskondensator 72 direkt mit dem Potential den wird. der Bezugsspannungsquelle 27 verbunden ist. Durch

Nachdem das erste Schwellwertglied 164 leitend 65 die Anordnung wird verhindert, daß der Kondensa-

geworden ist, kann das das Ausgangssignal begren- tor 72 entladen und dadurch das durch ihn gespei-

zende Schwellenwertglied 166 betätigt werden. Eine cherte Integrationssignal gedämpft wird. Das einer

der Aufgaben dieser Anordnung ist es. zu verhin- Störung am Eingang entsprechende Ausgangssignal

«ier erßndungsgeoiaßesi. Regeleinrichtung ist durch KuEie, 202 in F ig. 4a dargestellt. Ebenso wie das auf den Integrafionswiderständ 40 einwirkende Potential während der Ausgangssignaibegrenzung die Dämpfung der Integrationsladung verhindert, so vermeidet die Wirkung des Integratipnsbegrenzungssignals auf den Widerstand 40 die Dämpfung des

Integrationssignals in der Zeit, in .äerdielniegrätionsbegrenzungsanordnung betätigt wird. Die beschriebenen Begrenzungsanordnungen verjundeni zürn einen, daß der Kondensator sjeh über einen Bestimmten Betrag auflädt, und zum anderen, daß sich die Ladung während der Betätigung einer dieser beiden Schaltungen vermindert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnung

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Regler, bestehend aus der Hintereinanderschaltung eines PID-Regelverstärkers nut Rückführung und eines diesem vorgeschalteten D-Gliedes, das derart dimensioniert ist, daß es nur relativ schnelle Änderungen seiner Eingangsgröße durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Ist-Vergleichsgjied des Reglers aus einem Differenzverstärker (24) mit je einem Eingang {22 bzw. 20) für den Soll- bzw. Istwert der Regelgröße besteht, daß zwischen den Istwert-Eingang (20) und einen ersten Eingang des PID-Regelverstärkers (52) das D-Glied (44, 46) parallel geschaltet ist, daß ferner eine vom Ausgang (54) des PID-Regelverstärkers (52) auf dessen ersten Eingang führende Überbruckungsschaltung (164, 182) mit einem ersten Schwellwertglied (164) vorgesehen ist, dessen Schwellwert so bemessen ist, daß bei seiner Überschreitung durch große Ausgangsgrößen des PID-Regelverstärkers (52) der I-Anteil der Regelung durch die Überbrückung der Rückführung (58 bis 72) stark begrenzt wird, und daß zwischen den Ausgang (180) des ersten Schwellwertgliedes (164) und den an Bezugsspannung (27) liegenden zweiten Eingang des PID-Regelverstärkers (52) ein zweites Schwellwertglied (166) geschaltet ist, dessen Schwellwert derart dimensioniert ist, daß bei dessen Überschreitung, zur Verhinderung einer Sättigung des PID-Regelverstärkers, die Überbrückung zur Bezugsspannung hin erfolgt.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ditferenzverstärker (24) über einen ersten Summierpunkt (3*) und eine Impedanz (40) mit dem ersten Eingang des PID-Regelverstärkers (52) verbunden ist und daß das D-Glied (44, 46) aus der Reihenschaltung eines Regelgrößenverstärkers (44) und eines Kondensators (46) besteht, der zusammen mit der als ÄC-Rückführung ausgebildeten Rückführung (58 bis 70) des PID-Regelverstärkers (52) und der Impedanz (40) auf einen dem ersten Eingang des PID-Regelverstärkers zugeordneten zweiten Summierpunkt (42) geschaltet ist, während der Sollwert-Eingang (22) des Differenzverstärkers (24) über einen Widerstand (26) mit der Bezugsspannung (27) in Verbindung steht.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Regelgrößenverstärker (44) mit zwei zueinander komplementäre Ausgangssignale abgebenden Ausgangsklemmen (108, 110) versehen ist, von denen mittels eines Umschalters (106) wahlweise die eine oder andere an den nachgeschalteten Kondensator (46) anschließbar ist, daß die Verbindungen der beiden Eingangsklemmen (12, 14) des Reglers für das Regelgrößen- und das Sollwertsignal (KG, SW) mit den beiden Eingängen (20, 22) des Differenzverstärkers (24) mittels einer mit dem genannten Umschalter gekoppelten Umschalteinrichtung (74 bis 80) vertauschbar sind, wobei unabhängig vom jeweiligen Schaltzustand der aus Umschalteinrichtung und Umschalter bestehenden, zur Umschaltung des Reglers von Direktauf Reversierbetrieb dienenden Schalterkombination die Ausgangssignale des Regelgrößenverstär-

kers (44) und des Differenzverstärkers jeweils gleichsinnig sind (F i g. 2).

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelgrößenverstärker (44) einen Transistor (100) aufweist, dessen Emitterelektrode und Koüektorelektrode mit je einer der beiden Verstärkerausgangsklemmen (108, 110) verbunden ist, wobei die an die Kollektorelektrode angeschlossene Ausgangsklemme (108) ein gegenüber dem Eingangssignal invertiertes und die an die Emitterelektrode angeschlossene Ausgangsklemme (110) ein nicht invertiertes Ausgangssignal liefert (F i g. 2).

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (24) einen ersten und einen zweiten Transistor (82, 84) enthält, deren Basiselektroden an je eine der Eingangsklemmen (12, 14) angeschlossen und deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind und aus einer Konstantstromquelle (86) gespeist werden, daß ein durch Verbißdung mit der Kollektorelektrode des zweiten Transistors (84) in seiner Leitfähigkeit gesteuerter dritter Transistor (94) mit seinem den Ausgang des Differenzverstärkers bildenden Kollektor an den ersten Summierpunkt (34) angeschlossen ist und daß die Eingangsklemmen (12, 14) des Reglers derart mit der Umschalteinrichtung (74 bis 80) verbunden sind, daß in der einen Lage der Schalterkombination der Differenzverstärker Änderungen des Regelgrößensignals (RG) invertiert und in der anderen nicht (F i g. 2).