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Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen Proportional-Integral-Differential(PID-)-Regler.
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Bei den bekannten PID-Reglern erfolgt die Darstellung der proportionalen,
integralen und differentialen Anteile der Regelabweichung durch elektrische Analoggrößen.
Werden sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bestimmung dieser Größen gestellt,
so wächst der Aufwand für die Gewinnung der Analoggrößen erheblich an. In diesen
Fällen ist es vorteilhaft, die Gewinnung der genannten Größen auf digitalem Wege
durchzuführen.
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Hierzu kann ein digitaler PID-Regler, bestehend aus einem Hauptzählglied,
das mit weiteren Zählgliedern sowie Speichergliedern verbunden ist, wobei dem Hauptzählglied
in aufeinandeufolgenden Meßperioden als Maß für den Istwert eine istwertproportionale
Impulsfolge zugeführt und diese mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, nach
der Erfindung dienen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß a) die Bildung des Proportionalwertes
der Regelabweichung mittels eines Speichers erfolgt, indem am Ende einer Meßperiode
von der in einen Analogwert umgeformten und auf den Speicher übertragenen Zählerstellung
des Hauptzählgliedes ein Analogwert subtrahiert wird, dessen Größe der Impulszahl
des maximal einstellbaren Sollwertes entspricht, wobei die Stellung des nur vorwärtszählend
ausgebildeten Hauptzählgliedes die Summe darstellt, die gebildet ist aus dem Istwert
und der eingestellten Differenz zwischen dem vorgegebenen Sollwert und der einem
maximal einstellbaren Sollwert entsprechenden Impulszahl, b) die Bildung des Integralwertes
der Regelabweichung mittels eines Speichers erfolgt, indem in jeder Meßperiode der
überschluß der istwertproportionalen Impulsfolge über den im Hauptzählglied vorgegebenen
Wert addiert und indem danach die Differenz aus der dem maximal einstellbaren Sollwert
zugeordneten Imzulszahl und dem vorgegebenen Wert des Hauptzählgliedes subtrahiert
wird, c) die Bildung des Differentialwertes der Regelabweichung mittels eines weiteren
mit dem Hauptzählglied verbundenen Speichers erfolgt, indem in jeder Meßperiode
die Differenz zu der Regelabweichung in der vorhergegangenen Meßperiode gebildet
wird.
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Ein derartiger Regler läßt sich rein elektronisch aus den an sich
bekannten elektronischen Zählstufen und Speichersystemen aufbauen.
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In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß eine Eingangstorschaltung 2 von
einer Impulsfolge konstanter Frequenz f, die der Eingangsklemme 1 zugeführt wird,
beaufschlagt wird und daß sie über die Eingangsklemme 5a für istwertproportionale
Zeitintervalle aufgesteuert wird. Eine i andere Lösung besteht darin, daß die Eingangstorschaltung
2 für konstante Zeitabschnitte aufgesteuert wird und die die Eingangstorschaltung
beaufschlagende Frequenz istwertproportional ist. Ein grundsätzlicher Unterschied
zwischen beiden Möglichkeiten besteht nicht, denn in jedem Fall wird während einer
Meßperiode einem Hauptzählglied 3 eine istwertproportionale Impulszahl zugeführt.
In der Figur wird durch eine Rückstelleinrichtung 5 b am Ende einer Meßperiode
die Eingangstorschaltung 2 noch für einige Perioden der Impulsfolge geschlossen
gehalten. In dieser Zeit findet eine übertragung der Stellung des Hauptzählgliedes
3 mittels einer übertragungseinrichtung 8 auf den Speicher 9 statt. Das Hauptzählglied
3 zählt stets nur in einer Richtung.
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Die Sollwerteinstellung erfolgt über den dekadischen Sollwerteinsteller
4. Durch ihn wird zu Beginn einer neuen Meßperiode das Hauptzählglied 3 mit einer
Voreinstellung (Nullpunktverschiebung) versehen. Diese Voreinstellung ist gleich
der Differenz zwischen der dem einzustellenden Sollwert entsprechenden Impulszahl
und einer festen Impulszahl, die dem maximal einstellbaren Sollwert zugeordnet wird.
Diese feste Impulszahl entspricht also 1000%o der Regelgröße. Die am Ende einer
Meßperiode im Hauptzählglied 3 auftretende Zahl wird über eine übertragungseinrichiung
8 auf den Speicher 9 übertragen und in einen Analogwert umgesetzt. Von diesem Analogwert
wird ein Analogwert subtrahiert, dessen Größe der Impulszahl entspricht, die dem
maximal einstellbaren Sollwert zugeordnet ist. Auf diese Weise erhält man eine vorzeichengetreue
Darstellung des Proportionalwertes der Regelabweichung; der über ein Potentiometer
15 einem Summierungspunkt 105 zugeführt wird.
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Die Bildung des Integralwertes der Regelabweichung erfolgt durch Summenbildung
der Regelabweichungen aller Meßperioden in der Weise, daß über ein Tor 13 a die
einfallenden Impulse auf einen Speicher 13 geleitet werden, sobald der Zählerstand
des Hauptzählgliedes 3 einen bestimmten Wert überschritten hat. Die Größe dieser
Zahl, von deren Erreichen an das Tor 13 a aufgesteuert wird, hängt von der Größe
des einstellbaren Sollwertbereichs ab. Während jeder Meßperiode wird der Speicher
13 um einen Wert zurückgesetzt, der gleich ist der Differenz aus der dem maximal
einstellbaren Sollwert zugeordneten Impulszahl und dem Zählstand des Hauptzählgliedes
3, vor dem das Tor 13 a aufgesteuert wird. Der Integralwert der Regelabweichung
wird nach Umformung in eine analoge Größe über ein Potentiometer 14 dem Summierungspunkt
10 zugeführt.
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Der Differentialanteil der Regelabweichung wird in einem Speicher
12 durch Differenzbildung der Zählerstände zweier aufeinanderfolgender Meßperioden
gebildet und nach Umformung in eine analoge Größe über ein Potentiometer 16 dem
Summierungspunkt 10 zugeführt.
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Um die Wirkungsweise des Digitalrechners nach der Erfindung zu verdeutlichen,
wird ein willkürliches Zahlenbeispiel angenommen. Das Hauptzählglied 3 möge vier
Dekaden besitzen, und dem maximal einstellbaren Sollwert, d. h. 1000 %o der Regelgröße,
werden 3500 Impulse zugeordnet. Nimmt man an, daß der dekadische Sollwerteinsteller
4 auf Null steht und auch keine Regelabweichung vorhanden ist, dann werden
in einer Meßperiode 3500 Impulse dem Hauptzählglied 3 über die Torschaltung 2 zugeführt.
Es wird angenommen, daß die auftretenden vorübergehenden Regelabweichungen und der
Bereich, in dem der Sollwert verändert wird, so klein sind, daß die Berücksichtigung
der drei unteren Dekaden des Hauptzählgliedes 3 ausreicht. Die Speicher 9, 12 und
13 enthalten also nur drei Dekaden. Es erscheint am Ende einer Meßperiode im Speicher
9 die Zahl 500.
Dieser Wert wird in einen Analogwert, z. B. einen
Strom, umgewandelt, und sodann wird von ihm ein konstanter Wert subtrahiert, dessen
Größe ebenfalls 500 Impulsen entspricht. Der einem Summierungspunkt 10 zugeführte
Proportionalwert der Regelabweichung ist also voraussetzungsgemäß Null. Tritt eine
Änderung des Istwertes ein, so wird die dem Hauptzählglied 3 eingegebene Impulszahl
von 3500 verschieden sein und am Ausgang 11 des Reglers ein vorzeichenrichtiger
Proportionalwert der Regelabweichung auftreten. Soll die Drehzahl z. B. um 2%o verändert
werden, so wird das Hauptzählglied 3 über den dekadischen Sollwerteinsteller 4 auf
die Zahl 2 - 3,5 = 7 voreingestellt. Die am Ausgang des Reglers auftretende Regelabweichung
wird über das Stellglied die Regelgröße derart beeinflussen, daß die in einer Meßperiode
über das Tor 2 einfallende Impulszahl den Wert 3443 annimmt, so daß die Regelabweichung
am Ausgang des Reglers wieder verschwindet.
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Bei dem gewählten Zahlenbeispiel wird der Zählerstand des Hauptzählgliedes
3, von dem an die einfallenden Impulse zur Bildung des Integralwertes der Regelabweichung
verarbeitet werden, auf 3000 festgelegt. Erreicht also der Zählerstand des Hauptzählgliedes
3 den Wert 3000, dann öffnet das Tor 13 a, und alle weiteren Impulse dieser Meßperiode
gelangen auch auf den Speicher 13. Nach Schließen der Eingangstorschaltung 2 wird
ebenfalls die Torschaltung 13 a geschlossen und der Speicher 13 um 500 Einheiten
zurückgestellt. Dies erfolgt in der Weise, daß nur die dritte Dekade um fünf Einheiten
zurückgestellt wird. Die erste und zweite Dekade werden hierbei überhaupt nicht
betätigt. Der in dem Speicher 13 verbleibende Wert wird in eine Analoggröße umgeformt
und dem Summierungspunkt 10 zugeführt. Zur getrennten Einstellung des Proportional-,
Integral- und Differentialwertes der Regelabweichung sind vor der Sumrnierungsstelle
10 die Potentiometer 14, 15 und 16 vorgesehen.