DE2940710C2 - Elektrische Regeleinrichtung mit PIDD↓2↓-Verhalten - Google Patents
Elektrische Regeleinrichtung mit PIDD↓2↓-VerhaltenInfo
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Description
20
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Regeleinrichtung mit PIDDrVerhalten genraiß dem
Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.
Als PIDDrVerhalten wird im folgenden das Zeitverhalten einer Regeleinrichtung bezeichnet, die PID-Verhalten
mit zusätzlichem D-Verhalten aufweist, das eine doppelte Differentitation bewirkt Regeleinrichtungen,
die ein derartiges Zeitverhalten aufweisen, werden auch als IPD2-Regler (vgL z. B. Z. »Regelungstechnik«, 1955,
Heft 1, Seite 19) oder auch als Regler mit PI D-Verhalten
(vgl. z.B. DE-OS 15 38 570, Seiten 4 und 5) bezeichnet
Eine elektrische Regeleinrichtung mit PIDDrVerhalten
nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 2 ist aus der DE-AS 19 05 993 bekannt Diese Regeleinrichtung
besteht aus der Hintereinanderschaltung eines PI D-Regel Verstärkers und eines diesem vorgeschalteten
D-Gliedes. Ein erster Differenzverstärker bildet aus der Regelgröße und dem Sollwert die Regelabweichung.
Die Ausgangsspannung dieses Differenzverstärkers ist einem ersten Spannungsteiler zugeführt, dessen Abgriff
über einen verstellbaren Widerstand, mit dem das !-Verhalten einstellbar ist, mit dem invertierenden
Eingang eines zweiten Differenzverstärkers verbunden. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers ist mit einem
verstellbaren Spannungsteiler verbunden, mit dem das P-Verhalten einstellbar ist. Zwischen dem Abgriff des
verstellbaren Spannungsteilers und dem invertierenden so Eingang des zweiten Differenzverstärkers ist ein
RC-Netzwerk geschaltet, das einen Integrierkondensator, einen Differenzierkondensator und einen verstellbaren
Widerstand, mit dem das D-Verhalten einstellbar ist, enthält Die Ragelgröße ist über einen weiteren
Verstärker und einen weiteren Kondensator auf den invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers geschaltet Einstellmittel für das zusätzliche
D-Verhalten sind nicht vorgesehen. Die Regeleinrichtung weist eine Begrenzungsschaltung mit zwei
Sehwellwertgliedern auf. Das erste Schwellwertglied begrenzt die Integration und das zweite Schwellwertglied
begrenzt das Ausgangssignal. Diese Begrenzungsschaltung hat die Nebenwirkung, daß sie das Teilungsverhältnis des ersten Spannungsteilers und damit auch
den Proportionalbercich *pder Regeleinrichtung beeinflußt
Hat das zweite Schwellwertglied angesprochen, so ist der Proportionalbererch größer als im Normalbetrieb,
Das heißt, der Proportionalbereich ist so einzustellen, daß die Regeleinrichtung bei kleinen
Regelabweichungen, die kein Ansprechen des zweiten Schwellwertgliedes bewirken, nicht ins Schwingen
gerät Beim Ansprechen des zweiten Schwellwertgliedes vergrößert sich — wie oben beschrieben — der
Proportionalbereich, und damit verschlechtert sich das Anfahrverhalten der Regeleinrichtung. Ein wetterer
Nachteil der bekannten Regeleinrichtung besteht darin, daß der Proportionalbereich zusätzlich von der
Einstellung des ersten D-Anteils und des !-Anteils abhängig ist
Das heißt eine Verstellung der Zeitkonstanten ändert gleichzeitig die Größe des an dem verstellbaren
Spannungsteiler eingestellten P-Anteils.
Regeleinrichtungen mit PIDDrVerhalten erlauben die Einstellung von kleineren Werten des üblicherweise
mit *p bezeichneten Proportionalbereiches als Regeleinrichtungen
mit PID-Verhalten, ohne daß Instabilitäten auftreten. Durch den zusätzlichen D-Anteil ergibt sich
aber ein weiterer die Stabilität -?.es Regelkreises beeinflussender Parameter. Bei einer ve rsieiiung eines
der das Zeitverhalten der PlDDa-Regeleinrichtung
bestimmenden Parameter sind auch die anderen das Zeitverhalten bestimmenden Parameter mit zu verstellen,
da™iit der Regelkreis nicht instabil wird. Den
obengenannten Druckschriften lassen sich keine Hinweise für eine gemeinsame Verstellung der das
Zeitverhalten bestimmenden Parameter entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Regeleinrichtung der Eingangs genannten
Art zu schaffen, die eine gemeinsame Verstellung der das Zeitverhalten bestimmenden Parameter erlaubt, die
den Proportionalbereich xp nicht beeinflußt, und die ein
überschwingfreies Anfahren auch bei schlechter Anpassung der Reglerparameter an die Regelstrecke, z. B. bei
Regelstrecken mit veränderlichen Parametern, ermöglicht
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den nebengeordneten Patentansprüchen 1 bzw. 2
gekennzeichneten Merkmale gelöst. Diese Lösungsvarianten sind nicht auf kontinuierliche Regeleinrichtungen
beschränkt, sondern lassen sich auch auf einfache Weise als schaltende Regeleinrichtungen ausgestalten.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Regeleinrichtungen nach den Patentansprüchen 1
bzw. 2 sind in den Patentansprüchen 3 bis 7 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand von in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert
Es zeigen:
F i 6. ί das Schaltbild einer kontinuierlichen Regeleinrichtung
entsprechend der ersten Lösungsvariante,
F i g. 2 das Schaltbild einer kontinuierlichen Regeleinrichtung
entsprechend der zweiten Lösungsvariante,
F i g. 3 eine Schaltung zur Widerstandswandlung,
F i g. 4 das Schaltbild einer schaltenden Regeleinrichtung entsprechend der ersten Lösungsvariante und
F i g. 5 das Schaltbild einer schaltenden Regeleinrichtung entsprechend der zweiten Lösungsvariante.
Gleiche Bauelemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt d*s Schaltbild einer kontinuierlichen
Regeleinrichtung entsprechend der ersten Lösungsvariante. Einer Klemme 1, die den Eingang der
Regeleinrichtung bildet, ist die Regelabweichung xK als
Eingangsspannung uXyt zugeführt. An einer weiteren
Klemme 2, die den Ausgang der Regeleinrichtung bildet, steht die Stellgröße y als Ausgangsspannung uy an. Die
Klemme 1 ist über einen Verstärker 3 mit einem Potentiometer 4 verbunden, das als einstellbarer
Spannungsteiler geschattet ist. Der Schleifer des Potentiometers 4 ist mit dem invertierenden Eingang
eines Differenzverstärkers 5 verbunden, dessen Ausgang mit der Klemme 2 verbunden ist. Der Ausgang des
Differenzverstärkers 5 ist weiterhin mit einem Potentiometer 6 verbunden, das als einstellbarer Spannungsteiler
geschaltet ist. Der Schleifer des Potentiometers 6 ist über einen Widerstand 7 und einen Kondensator 8 mit
dem invertierenden Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 10 verbunden, dessen Ausgang mit dem
nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 5 verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 10
ist über einen Widerstand 11 mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des
Difierenzverstärkers iö ist über einen Widerstand 12
mit dem Ausgang des Verstärkers 3 und über einen weiteren Widerstand 13 mit dem Schleifer des
Potentiometers 4 verbunden. Der Schleifer des Potentiometers 4 ist über einen Widerstand 14 und die zu
diesem parallel geschaltete Reihenschaltung eines Widerstandes 15 und eines Kondensators 16 mit dem
invertierenden Eingang eines dritten Differenzverstärkers 17 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des
Differenzverstärkers 17 ist mit Bezugspotential verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 17 ist über
einen Widerstand 18 mit seinem invertierenden Eingang und über einen Kondensator 19 und einen Widerstand
20 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 8 und dem Widerstand 7 verbunden.
Um das Verständnis der Wirkungsweise der Regeleinrichtung nach Fig. 1 zu erleichtern, wird zunächst
davon ausgegangen, daß der Widerstand 12 gleich Null und der Widerstand 13 unendlich groß ist. Unter dieser
Voraussetzung ist dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 10 die um den Faktor a verstärkte
Regelabweichung und dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 5 die um den Faktor a verstärkte
und mit dem Spannungsteilerfaktor λ des Potentiometers 4 bewertete Regelabweichung« · a · uXw zugeführt.
Aufgrund der im gegenkoppelnden Sinn wirkenden Bauelemente stellt sich die Ausgangsspannung uy des
Differenzverstärkers 5 so ein, daß die seinem nichtinvertierenden Eingang zugeführte Spannung genauso groß
ist wie die seinem invertierenden Eingang zugeführte Spannung. Entsprechend stellt sich die Ausgangsspannung
^es Differenzverstärkers 10 so ein, daß die seinem
invertierenden Ehigang zugeführte Spannung genauso groß ist wie die seinem nichtinvertierenden Eingang
zugeführte Spannung. Der Spannungsteilerfaktor β des Potentiometers 6 bestimmt zusammen mit dem
Verstärkungsfaktor a des Verstärkers 3 den Proportionalbereich *pder Regeleinrichtung, wobei *>umgekehrt
proportional zu a und proportions! zu β ist Der
Widerstand 7 wirkt zusammen mit dem Kondensator 19 als Verzögerungsglied für die am Schleifer des
Potentiometers 6 abgegriffene Spannung β ■ uy Aufgrund
der Anordnung des Verzögerungsgliedes im Gegenkopplungskreis bewirkt es den D-Anteil der
Regeleinrichtung. Der Widerstand 11 und der Kondensator
8 wirken als D-Glied. Aufgrund der Anordnung dieses D-Gliedes im Gegenkoppiungskreis bewirkt es
den P- und den I-Anteil der Regeleinrichtung. Beim Anfahren lädt sich der Kondensator 8 höchstens auf die
am Schleifer des Potentiometers 6 abgegriffene Spannung, abzüglich der am nichtinvertierenden Eingang
des Differenzverstärkers IO anstehenden Spannung, auf.
Dadurch ergibt sich für die erfindungsgemäße Regeleinrichtung ein überschwirtgfreies Anfahrverhalten,
d. h. es tritt bei Übersteuerung der Regeleinrichtung keine Integralsättigung auf. Die Widerstände 14 und 18
sowie der Kondensator 16 erzeugen PD-Verhalten am
ίο Ausgang des Differenzverstärkers 17 und damit das
Dj-Verhalten der Regeleinrichtung. Dieser von der Regelabweichung her wirkende D-Anteil ist wichtig für
ein gutes Anfahrv rhalten. Der Proportionalbereich xp
ist an dem Potentiometer 6 einstellbar. Die Nachstellzeit
ii Tn ist an dem Potentiometer 4 einstellbar, wobei das
durch die Dimensionierung der das Zeitvcrhalten bestimmenden Bauelemente vorgegebene Verhältnis
von Nachstell7cit Tn zu Vorhaltzeit 7Ϊ praktisch
konstant bleibt. Mit dem Potentiometer 4 wird
obigen Voraussetzung, nämlich -jj— =0, ist für Rr<Ru
und Ce a Ci9 der Einfluß der Stellung des Potentiometers
4 sehr gering auf die Höhe des Proportionalbereiches Xn.
Das Verhältnis -^1 kann im Bereich 0<
^ < I so gewählt werden, daß der Resteinfluß der Stellung des Potentiometers 4 auf die Höhe des Proportionalbereiches
xp janz verschwindet. Die wirksame Kapazität des
Kondensators 19 ist um den Faktor ^- größer.
Eine Änderung der Kapazität des Kondensators 16 bewirkt eine Änderung des DjAnteils ohne dabei die
anderen Reglerparameter zu beeinflussen. Bei einer Auslegung der Regeleinrichfung für einfa :h zu regelnde
Strecken (xpmjt<
10%)gehen die Offsetspannungen der Differenzverstärker nur wenig in den Nullpunktfehler
der Regeleinrichtung ein, so daß bei Verwendung normaler Operationsverstärker ein Nullpunktabglcich
entfallen kann. Die Leckströme der Kondensatoren 16 und 19 gehen nicht in den Nullpu iktfehler der
Regeleinrichtung ein, so daß für diese Kondensatoren billige Sperrschichtkondensatoren (z. B. Tropfen-Tantalkondensa:oren,
verwendet werden können. Zur Glättung von der Regelgröße und damit auch der Regelabweichung x„ überlagerten Störungen dienen die
Widerstände 15 und 20, die in Reihe zu den Kondensatoren 16 bzw. 19 geschaltet sind. Eine weitere
Glättung dieser überlagerten Störungen läßt sich erreichen, wenn der Verstärker 3 Tiefpaßverhalten
aufweist.
Die F ι g. 2 zeigt das Schaltbild einer kontinuiei ,ichen
Regeleinrichtung entsprechend der zweiten Lösungsvariante. Bei dieser Regeleinrichtung ist der Widerstand 7
einstellbar und mit dem Potentiometer 4 mechanisch verbunden. Weiterhin ist der Widerstand 14 nicht mit
dem Schleifer des Potentiometers 4 sondern mit dem Ausgang des Verstärkers 3 verbunden. Durch diese
Maßnahmen läßt sich eine genau gleiche Charakteristik für die Verstellung von Tn und Tv erreichen, wodurch
über einen sehr großen Variationsbereich von Tn das
Verhältnis-^rkonstant bleibt
' V
Die Fig.3 zeigt eine Schaltung zur Widerstandswandlung,
die aus einem Differenzverstärker 21, einem Potentiometer 22 und mehreren nicht bezeichneten
Widerständen besteht Diese Schaltung zur Widerstandswandlung kann anstelle des Widerstandes 7
zwischen die Klemmen a und b in der Fig. 2 angeschlossen werden. Sie ermöglicht es. anstelle eines
einstellbaren hochohmigen Widerstandes 7 ein niederohmiges Potentiometer 22 zu verwenden.
Wird anstelle eiives kontinuierlichen Ausgangssignals
ein schaltendes Ausgangssignal benötigt, so besteht entweder die Möglichkeit, der kontinuierlichen Regeleinrichtung
nach der Fig. I oder der Fig. 2 einen Impulsji-'eitenmodulator nachzuschalten oder durch
zusätzliche Bauelemente, wie im folgenden anhand der Fig.4 und 5 beschrieben, der kontinuierlichen Regeleinrichtung
entsprechend den Fig. I bz*·. 2 .Schaltverhalten
zu verleihen.
Die Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer schaltenden Regeleinrichtung, die von der kontinuierlichen Regeleinrichtung
entsprechend Fig. I ausgeht. Die Ausgangsspannung u, des Differenzverstärkers 5 ist
entweder positiv oder negativ. Bei negativer Ausgangsspannung wird ein Relais 23 erregt und schaltet seinen
stärkers 5 ist dem Potentiometer 6 über eine Diode 25 zugeführt, die nur bei negativer Ausgangsspannung des
Differenzverstärkers 5 leitend ist. Durch die Diode 25 wird das Anfahrverhalten beim Anfahren auf einen
kleinen Stellgrad verbessert. Der Widerstand 7 und der Kondensator 19 wirken als Verzögerungsglied für die
am Schleifer des Potentiometers 6 anstehende Rechteckspannung. Ein Widerstand 26 und ein Kondensator
27 bewirken eine weitere Verzögerung der Schaltspannung und damit eine Dreieckspannung am Ausgang des
Differenzverstärkers 10. Zwei Widerstände 28 und 29. die mit dem nichtinvertierenden Gingang des Differenzverstärkers
5 verbunden sind, geben dem Differenzverstärker 5 Schaltverhalten mit Hysterese. Im Zusammenwirken
mit der Dreieckspannung am Ausgang des Differenzverstärkers 10 ergibt sich das schaltende
Verhalten dieser Regeleinrichtung.
Die Fig. 5 zeigt das Schaltbild einer schaltenden Regeleinrichtung, die von der kontinuierlichen Rcgel-
Ausgangsspannung ist das Relais 23 nicht erregt, und
der Kontakt 24 befindet sich in der dargestellten Ruhelage. Die Ausgangsspannung u, des Differenzver-Schaltverhalten
wie bei der Regeleinrichtung nach der F i g. 4 erzeugt wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- Patentansprüche:I, Elektrische Regeleinrichtung mit PIDDrVerhalten,— die einen ersten Differenzverstärker aufweist, dessen Ausgangsspannung einem ersten, einstellbaren Spannungsteiler zugeführt ist, der zur Einstellung des Proportionalverhaltens dient,— die einen weiteren Verstärker aufweist, an dessen Ausgang eine Spannung ansteht, deren Höhe ein Maß für die Regelabweichung ist und die einem zweiten Spannungsteiler zugeführt ist, und— die RC-Glieder aufweist, die das Zeitverhalten der Regeleinrichtung bestimmen,dadurch gekennzeichnet,— daß die an dem Abgriff des ersten einstellbaren Spannungsteilers (6) anstehende Spannung über die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (7) und eines ersten Kondensators (8) dem invertierenden Eingang eines zweiten Differenzverstärkers (10) zugeführt ist,— daß der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (10) mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers (5) und über einen zweiten Widerstand (11) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (10) verbunden ist, JO— daß der zweite Spannungsteiler (4) einstellbar ist,— daß der invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers (5) mit dem Abgriff des zweiten einstellbaren Spannungsteilers verbunden ist,— daß der gemeinsame Schaltungspunkt von dem eisten Widerstand (7) und dem ersten Kondensator (8) über einen zweiten Kondensator (19) mit dem Ausgang eines dritten Differenzverstärkers (17) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Bezugspotential verbunden ist,— daß der invertierende Eingang des dritten Differenzverstärkers (17) über die Parallelschaltung eines dritten Widerstandes (14) und eines dritten Kondensators (16) mit dem Abgriff des zweiten einstellbaren Spannungsteilers (4) und über einen vierten Widerstand (18) mit dem Ausgang des dritten Differenzverstärkers (17) so verbunden ist und— daß dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (10) die an dem zweiten einstellbaren Spannungsteiler (4) anstehende Spannung zugeführt ist.
- 2. Elektrische Regeleinrichtung mit P1DD2-Verhalten,— die einen ersten Differenzverstärker aufweist, dessen Ausgangsspannung einem ersten, einstellbaren Spannungsteiler zugeführt ist, der zur Einstellung des Proportionalverhaltens dient,— die einen weiteren Verstärker aufweist, an dessen Ausgang eine Spannung ansteht, deren Höhe ein Maß für die Regelabweichung ist und die einem zweiten Spannungsteiler zugeführt ist. und— die RC-GHeder aufweist, die das Zeitverhalten der Regeleinrichtung bestimmen,dadurch gekennzeichnet,— daß die an dem Abgriff des ersten einstellbaren Spannungsteilers (6) anstehende Spannung über die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (7) und eines ersten Kondensators (8) dem invertierenden Eingang eines zweiten Differe.izverstärkers (10) zugeführt ist,— daß der Ausgang des zweiten Differenz Verstärkers (10) mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers (5) und über einen zweiten Widerstand (11) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (10) verbunden ist— daß der zweite Spannungsteiler (4) einstellbar ist,— daß der invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers (5) mit dem Abgriff des zweiten einstellbaren Spannungsteilers (4) verbunden ist,— daß der gemeinsame Schaltungspunkt von dem ersten Widerstand (7) und dem ersten Kondensator (8) über einen zweiten Kondensator (19) mit dem Ausgang eines dritten Differenzverstärkers (17) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Bezugspotential verbunden h.:,— daß dem invertierenden Eingang des dritten Differenzverstärkers (17) über einen dritten Widerstand (14) die an dem zweiten einstellbaren Spannungsteiler (4) anstehende Spannung, über einen dritten Kondensator (16) die an dem Abgriff des zweiten einstellbaren Spannungsteilers (4) anstehende Spannung und über einen vierten Widerstand (18) die an dem Ausgang des dritten Differenzverstärkers (17) anstehende Spannung zugeführt ist,— daß dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärker (10) die an dem zweiten einstellbaren Spannungsteiler (4) anstehende Spannung zugeführt ist und— daß der erste Widerstand (7) ein einstellbarer Widerstand ist, dessen Einstellorgan mit demjenigen des zweiten einstellbaren Spannungsteilers (4) mechanisch gekoppelt ist.
- 3. Regeleinrichtung nach Anspruch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet.oder— daß ein vierter Kondensator (27) parallel zu dem zweiten Widerstand (11) und ein fünfter Widerstand (26) in Reihe zu dem ersten Kondensator (8) geschaltet ist und— daß der nichtinvertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers (5) über einen sechsten Widerstand (28) mit dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (10) und über einen siebten Widerstand (29) mit dem Ausgang des ersten Differenzverstärkers (5) verbunden ist.
- 4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (uy)dcs ersten Differenzverstärkers (5) über eine Diode (25) dem ersten einstellbaren Spannungsteiler (6) zugeführt ist.
- 5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß demnichiinvertierenden Eingnng des zweiten Differenzverstärkers (10) über einen achten Widerstand (12) die an dem zweiten einstellbaren Spannungsteiler (4) anstehende Spannung und über einen neunten Widerstand (13) die an dem Abgriff des zweiten einstellbaren Spannungsteilers (4) anstehende Spannung zugeführt ist.
- 6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zehnter Widerstand (20) in Reihe zu dem zweiten Kondensator (19) und ein elfter Widerstand (15) in Reihe zu dem dritten Kondensator (16) geschaltet ist
- 7. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (3) die Eingangsspannung (uXw) der Regeleinrichtung zugeführt ist und daß der Verstärker (3) Tiefpaßverhalten aufweist
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CA825823A (en) * | 1968-02-09 | 1969-10-21 | A. Hogan James | Electronic process controller |
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