DE4321286A1

DE4321286A1 - Digitaler Regelkreis

Info

Publication number: DE4321286A1
Application number: DE4321286A
Authority: DE
Inventors: Peter Holschbach; Dietmar Manz
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1992-07-02
Filing date: 1993-06-26
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2013-06-27
Also published as: CH686268A5; FR2694645A1; DE4321286C2; ATA135092A; NL9301122A; AT398644B; FR2694645B1

Description

Die Erfindung betrifft einen digitalen Regelkreis mit einem kon ventionellen Regler, der eine Regelabweichung Xd als Differenz zwischen einer Führungsgröße W und einem Ist-Wert X in eine digi tale Stellgröße Yk umsetzt, welche eine Regelstrecke, gegebenen falls unter Zwischenschaltung eines Digital-Analog-Wandlers, be aufschlagt, deren Ausgangsgröße X wiederum zur Bildung der Stell größe Yk dient.

Bei digitalen Regelkreisen ist die Ausgangsgröße des Reglers - die Stellgröße - bedingt durch die Rechengenauigkeit des Reglers oder die Wortbreite des Ausgabekanals nur stufenweise veränderbar. Damit ist der Nachteil verbunden, daß nicht jeder beliebige Ist- Wert statisch angefahren werden kann. Beispielsweise gilt für einen Drehzahlregler, dessen Stellgröße den Ist-Wert, das heißt die Drehzahl, in zwanzig Stufen im Bereich von 0 bis 2000 [1/min] einstellen kann, daß die Drehzahl statisch nur in 100-[1/min)- Schritten fixierbar ist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Regelkreis dahingehend zu verbessern, daß auch Zwischenstufen einstellbar sind.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß dem konventionellen Regler ein 2-Punkt-Regler parallel geschaltet ist, dessen Eingangsgröße die Regelabweichung Xd ist und dessen Stellgröße Y2pkt zu derjenigen Yk des konventionellen Reglers addiert wird, wobei die Gesamtstellgröße Y = Yk + Y2pkt der Re gelstrecke zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Zwischenstufen auch anfahrbar sind, wenn die Stellgröße mit für die Regelstrecke unbemerkbarer Frequenz moduliert wird.

Der zur Modulation der Stellgröße verwendete 2-Punkt-Regler ist bei kleinen Regelabweichungen mit einem P-Regler mit unendlicher Verstärkung vergleichbar, das heißt, minimale Regelabweichungen führen zu einer Änderung der Stellgröße. Bei großen Regelabwei chungen geht die Verstärkung gegen Null, da die Stellgröße durch den 2-Punkt-Regler maximal um eine Stufe geändert werden kann. Dieses System regelt kleine Regelabweichungen durch die hohe Ver stärkung aus, führt aber durch die abnehmende Verstärkung bei steigender Regelabweichung nicht zu instabilen Systemen. Das be deutet, daß durch den 2-Punkt-Regler die Stabilität des gesamten Regelsystems nicht beeinflußt wird und trotzdem die systembeding ten Abweichungen durch die Quantisierung der Stellgröße ausgere gelt werden. Damit ist eine Optimierung des konventionellen Reg lers nach bekannten Verfahren, insbesondere in bezug auf Stabili tätsbetrachtungen, möglich. Unter konventionellen Reglern sind hier alle Regler mit P-, PI-, I- oder PID-Charakteristik zu verstehen.

Da beim Einsatz dieser konventionellen Regler der I-Anteil auf die "Langsame"-Regelstrecke abgestimmt ist, müssen die durch die Quantisierung bedingten Abweichungen vom P-Anteil und gegebenen falls auch vom D-Anteil ausgeregelt werden. Die Höhe des P-Anteils richtet sich in den meisten Fällen nach der Stabilitätsgrenze des Regelsystems. Die Modulation der Stellgröße hängt folglich auch von der Regelstrecke ab, das bedeutet, daß bei vorgegebener Proportionalverstärkung des P-Anteils der minimale Fehler durch die Quantisierung der Stellgröße festliegt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß dem konventionellen Regler Schaltungselemente zur Erzeugung einer An sprechschwelle Xdmin vorgeordnet sind. Die Ansprechschwelle sorgt dafür, daß der konventionelle Regler nur auf Regelabweichungen Xd über einer Schwelle Xdmin reagieren kann. Dadurch wird verhindert, daß der konventionelle Regler die Reaktion des 2-Punkt-Reglers verstärkt und damit das Regelverhalten negativ beeinflußt.

Vorzugsweise ist eine Anwendung zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors vorgesehen, wobei die Gesamtstellgröße eine pulsweite modulierte Spannung ist, die durch die Induktivität des Elektromotors geglättet wird. Zur Umsetzung der digitalen Stell größe in ein analoges Signal muß in den meisten Fällen ein Digi tal-Analog-Wandler eingesetzt werden. Bei wenigen Anwendungen kann die Stellgröße direkt auf die Regelstrecke gegeben werden. Die Regelstrecke führt dann die Digital-Analog-Umsetzung durch ihr integrierendes Verhalten aus. Das ist beispielsweise bei einer digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors durch dessen Induktivität der Fall. Ein drehzahlgeregelter Elektromotor läßt sich mit Vorteil beispielsweise zur Ansteuerung eines Gebläses im Luft- und/oder Abgasstrom bei einem mit fossilen Brennstoffen be heizten Warmwasserbereiter anwenden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet beziehungsweise werden nachstehend anhand eines Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Regelkreises und

Fig. 2 zwei Diagramme zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Regelkreises gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte digitale Regelkreis besteht im we sentlichen aus einem konventionellen Regler 1, der ein P-, PI-, I- oder PID-Regler sein kann, einem diesem vorgeschalteten Schwell wertgeber 2, einer nachgeschalteten Regelstrecke 3 und einem zu der Regler-1-, Schwellwertgeber-2-Baugruppe parallel geschalteten 2-Punkt-Regler 4. Dem Regelkreis werden die Führungsgröße W und der momentane Ist-Wert X zugeführt. Mittels eines Differenzgliedes 5 wird die Regelabweichung Xd = W - X gebildet. Mit dieser Regelabweichung Xd wird über einen Verzweigungspunkt 6 sowohl der Schwellwertgeber 2 als auch der 2-Punkt-Regler 4 beaufschlagt. Wird eine minimale Regelabweichung Xdmin überschritten, wird der konventionelle Regler 1 aktiviert. Der konventionelle Regler 1 erzeugt eine Stellgröße Yk, während der 2-Punkt-Regler 4 eine Korrekturstellgröße Y2pkt bildet. Beide Reglerausgänge sind mit einem Addierglied 7 verbunden. Das Addierglied 7 bildet die Summe aus den beiden Stellgrößen Yk und Y2pkt. An seinem Ausgang liegt die Gesamtstellgröße Y als digitales Signal an. Dieses Signal kann entweder direkt auf die Regelstrecke 3 gegeben werden oder muß noch über einen Digital-Analog-Wandler in eine von der Regel strecke 3 verarbeitbare Signalform umgesetzt werden. Der 2-Punkt- Regler 4 dient quasi zur Modulation der Stellgröße. Bei Regelab weichungen Xd größer oder größer/gleich Null wird auf die Stell größe Yk des konventionellen Reglers ein Schritt aufaddiert und damit die Stellgröße moduliert. Diesen Zusammenhang zeigt Fig. 2 in zwei einander zugeordneten Zeitdiagrammen. Im oberen Diagramm ist der Ist-Wert-Verlauf und im unteren Diagramm die jeweilige Stellgröße des 2-Punkt-Reglers 4 dargestellt. Ohne Stellgrößenmo dulation sind nur weit auseinanderliegende diskrete Ist-Werte, die hier mit X_Yi, X_Yi+1 und X_Yi+2 bezeichnet sind, statisch ein stellbar. Liegt der Soll-Wert beziehungsweise die Führungsgröße W zwischen zwei X-Werten, kann die resultierende Regelabweichung Xd erheblich sein. Um eine genauere Einstellung zu ermöglichen, ist daher vorgesehen, daß der relativ grob geteilten Stellgröße Yk des konventionellen Reglers eine Korrekturstellgröße Y2pkt überlagert wird. Im Zeitraum zwischen t₁ und t₂ wird durch den 2-Punkt-Regler 4 ein Ausgangssignal mit dem Pegel "high" erzeugt, das heißt Y2pkt = 1 Schritt wird aufaddiert. Wird die Soll-Wert-Abweichung negativ, schaltet der 2-Punkt-Regler auf "low". Das ist im Zeitraum zwischen t₂ und t₃ der Fall. Dieser Vorgang wiederholt sich bei konstanter Führungsgröße mit der systemeigenen Regelfrequenz. Die durch die Modulation hervorgerufenen Regel schwankungen sind folglich nur noch von der Abtastzeit des 2- Punkt-Reglers 4 abhängig.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben angegebene Aus führungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche bei grundsätzlich anders gearteter Ausbildung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims

1. Digitaler Regelkreis mit einem konventionellen Regler, der eine Regelabweichung Xd als Differenz zwischen einer Führungsgröße W und einem Ist-Wert X in eine digitale Stellgröße Yk umsetzt, welche eine Regelstrecke, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Digital-Analog-Wandlers, beaufschlagt, deren Ausgangsgröße X wiederum zur Bildung der Stellgröße Yk dient, dadurch gekennzeichnet, daß dem konventionellen Regler (1) ein 2-Punkt-Regler (4) parallel geschaltet ist, dessen Eingangsgröße die Regelabweichung Xd ist und dessen Stellgröße Y2pkt zu derjenigen Yk des konventionellen Reglers (1) addiert wird, wobei die Gesamtstellgröße Y = Yk + Y2pkt der Regelstrecke (3) zugeführt wird.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß dem konventionellen Regler (1) ein Schwellwertgeber (2) zur Erzeugung einer An sprechschwelle Xdmin vorgeschaltet ist.

3. Regelkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anwendung zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors, wobei die Gesamtstellgröße Y eine pulsweite modulierte Spannung ist, die durch die Induktivität des Elektromotors geglättet wird.

4. Regelkreis nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Anwendung des drehzahlgeregelten Elektromo tors zur Ansteuerung eines Gebläses im Luft- und/oder Abgasstrom eines mit fossilen Brenn stoffen beheizten Warmwasserbereiters.