DE3324205C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen PID-Regler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE-OS 30 02 745).

Es ist bekannt, daß PID-Regler insofern Vorteile haben, als geringere Abweichungen im eingeschwungenen Zustand auftreten und Störungen rasch korrigiert werden, weshalb PID-Regler für die verschiedensten Prozeßregelungen beispielsweise die Temperaturregelung eingesetzt werden.

Bei solchen PID-Reglern tritt beim Anschalten einer Spannungsquelle oft ein Überschwingen im Regelungsvorgang auf. Dies rührt von der Tatsache her, daß beim Abschalten der Spannungsquelle der bis dahin vorhandene Integralwert verlorengeht und beim erneuten Anschalten der Spannungsquelle der Integriervorrichtung von einem Anfangsintegralwert (normalerweise null) aus erneut anfängt, mit der Folge, daß der Integrationsbetrag zunimmt. Um ein solches Überschwingen zu minimalisieren, damit der Zustand schnell auf den vorher vorhandenen eingeschwungenen Regelzustand verschoben wird, braucht bloß von außen der Integrationswert verändert zu werden, aber der Korrekturvorgang bei jedem Anschalten der Spanungsquelle ist sehr mühsam und schlecht durchführbar.

Im Hinblick auf das vorstehend Gesagte wird bei bekannten PID-Reglern eine arw-Funktion (arw: antireset wind up, ohne Integralsättigung) verwendet, bei welcher ein oberer Grenzwert und ein unterer Grenzstellwert im integrierbaren Bereich aus dem Stellwert bei stabilen Regelungsbedingungen bestimmt werden, wobei beim erneuten Anschalten der Spannungsquelle der Integriervorgang nur bewirkt wird, wenn der Stellwert innerhalb dieses Bereiches liegt, wodurch das sich aus einer Überintegration ergebende Überschwingen minimalisiert und so die Notwendigkeit einer Korrektur durch den Benutzer beseitigt wird.

Bei einem PID-Regler, der die arw-Funktion benutzt, ergeben sich jedoch die folgenden Probleme.

Da erstens der Integriervorgang nicht durchgeführt wird, wenn sich die Stellgröße außerhalb des erwähnten Einstellbereichs befindet, muß der Einstellbereich ausgedehnt werden, um eine Zunahme der Regelabweichung im eingeschwungenen Zustand als Folge des Einflusses von Störungen zu verhindern. Dies ist in Bezug auf das ursprüngliche Ziel, nämlich ein Überschwingen zu minimalisieren, ungünstig.

Außerdem ist zur Bestimmung des erwähnten Einstellbereichs notwendige Technik erforderlich, die Daten zur Gewinnung des eingeschwungenen Zustands in Bezug auf zu regelnde Objekte und die Zustandsstörung betreffende Daten erfaßt und eine geeignete Beurteilung auf der Grundlage dieser Daten zu erbringen in der Lage ist. Daher ist es für den Benutzer nicht möglich, einfach eine Entscheidung zu fällen. Schließlich sind zwei Arten von Einstellungen notwendig, was den Aufbau des Reglers kompliziert macht.

Ein PID-Regler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 30 02 745 bekannt. Bei diesem bekannten Regler besteht keine einfache Möglichkeit, bei einem Wiedereinschalten des Reglers den Regelvorgang mit einer Stellgröße starten zu lassen derart, daß ein Überschießen der Regelgröße verhindert oder zumindest verringert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regler der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß er die Möglichkeit eröffnet, ein derartiges Überschießen mit einfachen Mitteln zu vermeiden oder zumindest gering zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen PID-Regler gelöst, wie er im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Auf dieser ist

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des Grundaufbaus eines PID-Reglers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 den Aufbau eines RAM unter Hervorhebung der Teile, die in Bezug auf die Erfindung Bedeutung haben, und

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das den Regelvorgang des PID-Reglers zeigt, der in Bezug auf Teile der Erfindung Bedeutung hat.

Bekanntlich ist der Regelvorgang eines PID-Reglers gegeben durch

wo M sich auf die Stellgröße bezieht. In Gleichung (1) stellt Kp die Proportionalverstärkung, Ki die Integrierverstärkung, Kd die Differenzierverstärkung, e die Regelabweichung und M 0 die Ausgangskonstante (bias constant) dar.

Im eingeschwungenen Zustand hat ein Temperaturdetektor einen Wert, der etwa gleich dem Sollwert ist, in welchem Fall angenommen werden kann, daß

ist. Daher ist Gleichung (1) dann gegeben durch

M = ΣKi · e + M 0
  = Ma + M 0 (2)

wo Ma den Integrierwert darstellt, der zum eingeschwungenen Regelzustand führt.

So wird Ma (Ma = M - M 0) als Ausgangskonstante verwendet, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet wird, und die Integrierverstärkung wird gesenkt, bis der Wert in der Nähe des Sollwerts für den PID-Regelzustand zieht. Auf diese Weise wird eine Regelung so ausgeführt, daß die Größe des vorher erzeugten Überschwingens minimalisiert werden kann, und der Regelvorgang kann schnell in den vorhergehenden eingeschwungenen Regelzustand verschoben werden. Dies ist auch an den Fall anwendbar, daß der Sollwert geändert wird, um einen neuen eingeschwungenen Regelzustand zu erhalten.

Der PID-Regler gemäß der Erfindung wurde in Anbetracht obiger Tatsache erzielt und umfaßt eine Einrichtung zur Anzeige der Stellgröße M, eine Konstanteneinstelleinheit zur Einstellung der Stellgröße als Regelparameter, eine Einrichtung zur Anzeige des Einstellwerts Mc der Konstanteneinstelleinheit, eine Einrichtung zum Ablesen des Einstellwerts Mc der Konstanteneinstelleinheit, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet wird, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Ausgangs- bzw. Vorgabekonstanten Ma im Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsquelle auf der Basis des durch die Ableseeinrichtung abgelesenen Konstanteneinstellwerts Mc.

Eine spezielle Ausführungsform wird im folgenden beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines PID-Reglers, auf welchen die Erfindung angewandt ist. Gemäß Fig. 1 umfaßt das Gerät im wesentlichen einen Detektor 2 zur Feststellung der Temperatur eines elektrischen Ofens 1 als des zu regelnden Objekts, einen Verstärker 3, einen AD-Wandler 4, ein PID-Regelglied 5 und ein Ausgangsstellglied 6. Der AD-Wandler 4 ist mit Einstelleinheiten 7 und 8 zur Einstellung eines PID-Regelparameters und der erwähnten Vorgabekonstanten in Form eines analogen Betrags versehen. Das PID-Regelglied 5 ist mit einer digitalen Einstelleinheit 9 zum Einstellen einer Solltemperatur, einer numerischen Anzeige 10 und einem Anzeigeumschaltglied 11 versehen.

Die numerische Anzeige 10 zeigt den festgestellten Temperaturwert des elektrischen Ofens 1, die Einstellwerte der Einstelleinheiten 7, 8, 9 und die als Ergebnis des Arbeitens des PID-Regelglieds 5 gewonnene Stellgröße M an. Das Umschalten der Anzeige erfolgt durch das Umschaltglied 11.

Das PID-Regelglied 5 ist aus einem Mikrorechner aufgebaut und umfaßt eine Zentraleinheit (CPU) zur Durchführung des PID-Regelvorgangs und die verschiedenen vorgenannten Einrichtungen gemäß der Erfindung, einen ROM zur Speicherung von Systemprogrammen und einen RAM als Arbeitsspeicher.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des erwähnten RAM, wobei die für die Erfindung wesentlichen Teile hervorgerufen sind. In Fig. 2 bezeichnen A 1 einen Temperatureingabewertspeicherbereich A 3, A 4 und A 5 Speicherbereiche von Parametern der PID-Regelung, A 6 einen Speicherbereich für die Vorgabekonstante (Mc), A 7 einen Speicherbereich für eine Stellgröße M, A 8 einen Lesezähler(CR)-Bereich, A 9 einen Anzeigezähler(CD)-Bereich, A 10 einen Abtastzähler(CS)-Bereich, A 11 einen Speicherbereich für ein Kennzeichen (F) zur Diskriminierung des Einschaltens einer Spannungsquelle, A 12 einen Stellkonstantenspeicherbereich (Mi) und A 13 einen Speicherbereich für die Stellgröße im eingeschwungenen Zustand Mi 0).

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das den durch das PID-Regelglied 5 ausgeführten Regelvorgang unter Hervorhebung der für die Erfindung wesentlichen Teile zeigt. Es folgt nun eine Beschreibung anhand dieses Flußdiagramms.

Wenn die Spannungsquelle eingeschaltet wird, wird im Schritt 300 der bekannte Einleitungsvorgang durchgeführt. Dabei wird das Kennzeichen F zur Diskriminierung des Einschaltens der Spannungsquelle gesetzt.

Danach werden Programmteile (Schritt 301, 302) zum Abrufen von Zählwerten des Lesezählers CR durchgeführt. Dieser Lesezähler CR wird zur Unterteilung der durch den Abtastzähler CS gegebenen Abtastzeit verwendet, um die Programmteile des durch das PID-Regelglied 5 ausgeführten Regelvorgangs zu bezeichnen, wobei dieser Vorgang jede Abtastzeit wiederholt ausgeführt wird.

Wenn im Schritt 301 CR = 0 festgestellt wird, geht der Vorgang nach Schritt 303 weiter, wo der Temperatureingabewert im Speicherbereich A 1 des RAM gespeichert wird, und der Lesezähler CR wird in Schritt 304 inkrementiert.

Nachfolgende Schritte 305, 306 enthalten Programmteile zum Abrufen der Zählwerte des Anzeigezählers CD. Der Zählwert des Anzeigezählers CD wird durch einen auf dem Anzeigeschaltglied 11 vorgesehenen Druckknopfschalter inkrementiert und eingestellt. Dadurch werden Anzeigeprogramme für die Anzeige des Temperatureingabewerts (Schritt 308), Anzeige einer Stellgröße (Schritt 309) und Anzeige des Vorgabekonstanteneinstellwerts MC (Schritt 310) für die numerische Anzeige 10 durchgeführt.

Wenn im Schritt 302 CR = 1 festgestellt wird, wird das Solltemperaturwertableseprogramm (Schritt 312) ausgeführt und dann nach Schritt 313 weitergegangen.

Schritt 313 enthält den Programmteil zur Beurteilung, ob sich die Einstellung für den Solltemperaturwert ändert oder nicht. Wenn sich der Einstellwert nicht ändert, geht der Vorgang unter Überspringen von Schritt 314 nach Schritt 315 weiter, wo in den Einstelleinheiten 7 und 8 eingestellte Parameter gelesen werden, wonach nach Schritt 304 weitergegangen wird.

Wenn CR = 2 im Schritt 302 festgestellt wird, geht der Vorgang nach Schritt 316 weiter. Schritt 316 enthält den Programmteil zur Beurteilung, ob das Kennzeichen F für die Diskriminierung des Einschaltens der Spannungsquelle gesetzt ist oder nicht, wobei dieses Kennzeichen F gesetzt wird, wenn die Spannungsquelle erneut eingeschaltet wird (Schritt 300). Als Ergebnis dessen werden, es sei denn, das Kennzeichen F ist gesetzt, Programmteile der Schritte 317, 318 und 319 ausgeführt, wonach auf den Einleitungsschritt 300 zurückgekehrt wird.

Die oben beschriebenen Programmteile werden wiederholt ausgeführt, und im PID-Operationsverarbeitungsprogrammteil des Schritts 317 dieses Vorgangs wird die in Gleichung (1) gezeigte Stellgröße M schrittweise berechnet und so gesteuert, daß die Temperatur des elektrischen Ofens an der Solltemperatur stabilisiert werden kann. Nachdem der eingeschwungene Regelzustand bereits eine bestimmte Zeit vorliegt (beispielsweise eine Minute lang in dem Zustand angehalten hat, daß die Abweichung innerhalb von 0,3°C liegt) wird die Stellgröße für den eingeschwungenen Zustand Mi 0 in den Speicherbereich A 13 des RAM übertragen. Die in Gleichung (1) gezeigte Vorgabekonstante M 0 ist dabei auf 50% gesetzt.

Auf diese Weise wird, wenn der eingeschwungene Regelzustand erreicht worden ist, der Druckknopfschalter des Anzeigeumschaltglieds 11 zur Gewinnung von CD = 1 betätigt. Die Stellgröße Mi 0 für den eingeschwungenen Zustand wird dann durch den Programmteil des Schritts 309 auf der numerischen Anzeige 10 angezeigt. Der Bediener betätigt den Druckknopfschalter zur Gewinnung von CD = 2, um den vorgenannten Wert an der Vorgabekonstanteneinstelleinheit 8 einzustellen. Infolgedessen wird der Einstellwert Mc auf der numerischen Anzeige 10 in Schritt 310 angezeigt, weshalb der Bediener den Einstellwert verifizieren und korrigieren kann. Dieser Einstellwert Mc wird im Programmteil des Schritts 315 im RAM gespeichert. Diese Vorgabekonstanteneinstelleinheit 8 umfaßt einen Drehknopf oder dergleichen, bei dem die Skaleneinteilung der Anzeige gleich der bei der numerischen Anzeige 10 gemacht ist, um das Ausmaß zu minimalisieren, in dem eine Korrektur beim Verifiziervorgang erfolgt.

Als nächstes wird der Fall beschrieben, daß die vorgegebene Arbeit beendet ist, die Spannungsquelle des PID-Reglers abgeschaltet und für die nachfolgende Arbeit wieder eingeschaltet wird. In diesem Fall wird das Kennzeichen F zur Bestimmung des Einschaltens der Spannungsquelle im Einleitungsprogrammteil 300 gesetzt, weshalb dies im Schritt 316 in der Anfangsabtastzeit festgestellt werden kann, das Kennzeichen F im Schritt 320 gesetzt wird und danach nach Schritt 321 weitergegangen wird. Im Schritt 321 erfolgt die Operation zur Gewinnung von Mc-50. Das Ergebnis dieser Operation wird (als Operationskonstante Mi 0) im Schritt 322 im RAM-Speicherbereich A 12 gespeichert.

Nun wird F im Schritt 316 in der gleichen Anfangsabtastzeit rückgesetzt (F = 0), weshalb Temperaturregelungsprogrammteile ab Schritt 317 ausgeführt werden. Im PID-Regelungsprogrammteil in Schritt 317 wird die Operation zur Gewinnung von Gleichung (1) ausgeführt, und der Vorgabekonstantenausdruck ist

M 0 + Mi = 50 + (Mc - 50) = Mc.

Damit erfährt man den Integrierwert im eingeschwungenen Zustand, so daß also die Temperaturregelung beim erneuten Einschalten der Spannungsquelle so bewerkstelligt wird, daß das vorher erzeugte Überschwingen abnimmt.

Wie oben beschrieben, läßt sich beim PID-Regler gemäß der Erfindung das Überschwingen beim Einschalten der Spannungsquelle in den Operationen nach der zweiten Operation durch das einfache Vorgehen vermindern, daß der eingeschwungene Regelzustand in einem frühen Stadium der Operation gewonnen wird und die Stellgröße zu dieser Zeit an der Vorgabekonstanteneinstelleinheit eingestellt wird.

Auch in Fällen, wo der Sollwert im Hinblick auf die Gewinnung eines neuen eingeschwungenen Regelzustands geändert wird, tritt ein Überschwingen auf. Dieses wird folgendermaßen behandelt. Wenn eine Änderung der Einstellung des Sollwerts im Schritt 313 festgestellt wird, wird die Stellgröße Mi 0 vor dieser Änderung in den Speicherbereich A 12 im Schritt 314 übertragen und dann nach Schritt 315 weitergegangen. Dadurch wird beim PID-Regelungsvorgang des Schritts 317 die Operationskonstante Mi als Vorgabekonstante in gleicher Weise wie im vorherigen Fall verwendet, um das Überschwingen bei der Änderung der Einstellung zu vermindern.

Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Vorgabekonstanteneinstelleinheit, eine Analogwerteinstelleinheit etwa als Drehknopfeinstellung, auf, es versteht sich aber, daß sich die Einheit nicht darauf beschränkt, sondern daß vielmehr auch eine Digitalwerteinstelleinheit, wie ein digitaler Schalter, verwendet werden kann.

Claims (4)

1. Elektrischer PID-Regler mit einer Einrichtung zur Einstellung der Regelparameter, einer Einrichtung zur Einstellung des Sollwerts und Einrichtungen zur Anzeige der eingestellten Regelparameter, des eingestellten Sollwerts und der Stellgröße, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10) zur Anzeige der Stellgröße im stabilisierten Regelzustand, durch eine Einrichtung zur Anzeige (10) und Einstellung (8) einer Konstanten, mit einer aus der Konstanten und der Stellgröße im stabilisierten Regelzustand gebildeten Vorgabekonstanten, die zu den PID-Termen der Stellgröße addiert wird, wenn der Regler nach einem Abschalten erneut eingeschaltet wird.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) in den gleichen Einheiten geeicht ist, in denen die Anzeige der Stellgröße auf der Anzeigeeinrichtung (10) erfolgt.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Analogwerteingabeeinrichtung ist.

4. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Digitalwerteingabeeinrichtung ist.