DE1588276B2 - Stetige Regeleinrichtung - Google Patents

Description

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beiden Eingangsklemmen 16 und 18 an je einen Vor- genkopplungsschaltung in der beschriebenen Weise verstärker 12 bzw. 14 angeschlossen, während das als stromsummengesteuerter Operationsverstärker und vom Reglerausgang gelieferte Stellgrößen-Signal über erzeugt ein Ausgangssignal, dessen rückgekoppelter einen Leistungsverstärker 20 das Stellglied 22 steuert. Teil den Verstärkereingang praktisch auf Null-Poten-Der Eingangsklemme 16 wird der Sollwert bzw. eine 5 tial hält. Der Aufbau des Verstärkers ist beliebig.
Führungsgröße zugeführt. Die Klemme 16 ist mit der Im Betrieb halten die von den beiden Stromversor-Basis eines pnp-Transistors 24 verbunden, dessen gungsquellen 26 und 30 zugeführten Spannungen die Kollektor an eine auf einem Potential von —12 V lie- beiden Vorverstärker-Transistoren 24 und 32 im durchgende Stromversorgungsklemme 26 und dessen Emit- geschalteten Zustand. Über geeignete Schaltungen ter über einen Widerstand 28 an eine zweite, auf+12V io wird der Eingangsklemme 18 ein Regelgrößensignal liegende Stromversorgungsklemme 30 angeschlossen zugeführt, welches beispielsweise zwischen 0 und ist. Der Klemme 18 wird ein dem Istwert der Regel- +4V schwankt, während an die Eingangsklemme 16 größe entsprechendes Signal zugeführt. Sie steht mit ein Sollwert-Signal gelangt, welches sich zwischen 0 der Basis des npn-Transistors 32 in Verbindung, und — 4 V ändert. Stimmen Ist- und Sollwert überein, dessen Emitter über den Widerstand 34 an die Klemme 15 so sind die den Klemmen 16 und 18 zugeführten Signale 26 und dessen Kollektor an die Stromversorgungs- gleich groß, aber von entgegengesetzter Polarität. Die klemme 30 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt genannten Spannungswerte sind selbstverständlich des Emitters des Transistors 24 mit dem Widerstand28 nur als Beispiele zu betrachten. Bei abgeglichenem ist über einen Widerstand 36 und die Verbindungsstelle Prozeß, d. h. bei Gleichheit von Ist- und Sollwert der des Emitters des Transistors 32 mit dem Widerstand 34 20 Regelgröße, sind auch die von den beiden Vorverist über einen Widerstand 40 den gemeinsamen Sum- stärkerstufen 12 und 14 an die Widerstände 36 und 40 mierpunkt 38 angeschlossen. Mit diesem stehen ein gelieferten Signale gleich groß und von entgegengesetzwiderstand 42 und ein Einstellwiderstand 44 in Ver- ter Polarität. Am Summierpunkt 38 entsteht also die bindung, dessen Schleifer an den Summierpunkt 48 Spannung Null. Dies hat zur Folge, daß auch dem am Eingang des Gleichstromverstärkers 46 angeschlos- 25 Verstärkereingang 48 das Signal Null zugeführt wird sen ist. Der Emitter des Transistors 32 ist ferner mit der und der Verstärker 46 an seinem Ausgang 56 ebenfalls einen Belegung eines Kondensators 50 verbunden, des- das Signal Null liefert.

sen andere Belegung am Verbindungspunkt 52 liegt. Es sei zunächst die Wirkung einer plötzlichen Ände-Durch eine Leitung 53 werden die beiden Verbindungs- rung des der Eingangsklemme 16 zugeführten Sollwertstellen 48 und 52 auf gleichem Potential gehalten. 30 Signals, beispielsweise von —2V auf —3V, betrachtet,

Der Verstärker 46 ist mit seiner zweiten Eingangs- wobei das Istwert-Signal an der Klemme 18 unveränklemme 54 an Massepotential angeschlossen. Es dert + 2V betragen soll. Durch die genannte Änderung könnte statt dessen auch ein anderes Potential als Be- wird der Emitter des Transistors 24 negativer und zugspotential verwendet werden. Zwischen dem Aus- demzufolge auch das Potential am Summierpunkt 38. gang des Verstärkers 46 und dem Eingang eines dem 35 Die Schaltung ist derart bemessen, daß die nunmehr am Stellglied 22 vorgeschalteten Leistungsverstärkers 20 Summierpunkt 38 stehende Spannung praktisch vollist ein Verbindungspunkt 56 angeordnet, von dem aus ständig am Widerstand 40 abfällt und deshalb keine eine Gegenkopplungsschaltung zum Verstärkerein- Änderung des vom Transistor 32 an den Kondensator gang 48 hin eingeschaltet ist. Diese enthält ein ein- 50 abgegebenen Signals eintritt. Das negative Potential seitig an den Verstärkerausgang 56 und mitdemande- 4° am Summierpunkt 38 gelangt also nur über die beiden ren Ende an die Masseklemme 60 angeschlossenes Widerstände 42 und 44 und nicht über den Kondensa-Potentiometer 58 zur Einstellung des Proportionalbe- tor 50 zum Verstärkereingang 48. Da mit den beiden reiches. Zwischen den Schleifer des Potentiometers Widerständen 42 und 44 der Kondensator 70 in Reihe und die Masseklemme 60 ist ein Spannungsteiler be- geschaltet ist, wird dieser über die beiden Widerstände stehend aus den Widerständen 64 und 62, eingeschaltet. 45 42 und 44 allmählich aufgeladen. Die genannten beiden Der Schleifer des Potentiometers 58 ist ferner mit dem Widerstände und der Kondensator 70 bilden also einen Ende eines Einstellwiderstandes 66 verbunden, ein Integrierglied, welches bekanntlich eine Verzögedessen Schleifer an die eine Belegung eines Konden- rung der Signalübertragung zur Folge hat. Wenn also sators 68 angeschlossen ist. Die andere Belegung liegt am Summierpunkt 38 plötzlich ein negatives Potential am Verbindungspunkt 59 des Spannungsteilers 64, 62. 50 auftritt, so leitet die Schaltung 42, 44, 70 hieraus ein Der Einstellwiderstand 66 dient zur Vorgabe des diffe- sich mit der Aufladung des Kondensators 70 allmährenzierenden oder Vorhalteanteils im Stellgrößen- lieh änderndes Eingangssignal für den Verstärker 46 Signal. Sein Schleifer ist mit der einen Belegung eines ab. Demzufolge nimmt auch das Ausgangssignal des weiteren Kondensators 70 verbunden, dessen andere Verstärkers 46 nur allmählich zu. Auf Grund der geBelegung an den Verbindungspunkt 52 und damit den 55 wählten Ausbildung des Verstärkers und der Gegen-Verstärkereingang 48 angeschlossen ist. Die beiden kopplungsschaltung, welche neben dem Potentiometer Kondensatoren 70 und 50 bilden zusammen einen 58 und dem Einstellwiderstand 66 auch den Konden-Spannungsteiler, welcher zusammen mit dem Einstell- sator 70 enthält, entsteht ein Gegenkopplungssignal, widerstand 44 in einer später noch zu beschreibenden welches das vom Summierpunkt 38 ankommende ne-Weise eine integrierende Komponente im Regleraus- 60 gative Eingangssignal fortlaufend kompensiert und gangssignal erzeugt. damit den Summierpunkt 48 praktisch auf Null-Poten-

Ein Anzeigeinstrument 72 ist einerseits über einen tial hält.

Enstellwiderstand74 an den Summierpunkt 38 und Das sich allmählich ändernde Ausgangssignal des ?^ r'ererseits an Masse angeschlossen. Es zeigt die Verstärkers 46 wird als Stellgrößen-Signal dem Lei-Größe der Regelabweichung an. Auch der Verbin- 65 stungsverstärker 20 zugeführt, welcher das Stellglied22 OU_1-1 spu ikt der beiden Widerstände 42 und 44 ist in einem solchen Sinne verstellt, daß die Regelabweiuber eii en Widerstand 76 mit Masse verbunden. chung verringert wird.

Der λ erslärker 46 arbeitet zusammen mit der Ge- Die soeben beschriebene Betriebsweise ist schema-

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tisch in F i g. 2 dargestellt, wo die obere Linie 92 den gebenden Kurve 88 zur Folge, an den sich ein Kurzeitlichen Verlauf des Sollwert-Signals wiedergibt. Der venteil 84 anschließt, in dessen Verlauf das Stellglied in Kurvenzug 92 stellt eine Sprungfunktion dar, die bei- seine Ausgangslage zurückkehrt. Diese Kurventeile 82 spielsweise einer plötzlichen Spannungsänderung von und 84 werden durch die differenzierende Kompo-—2 auf —3V entspricht. Die untere Kurve 94 zeigt, wie 5 nente, manchmal auch Vorhalt genannt, des Reglers sich das vom Verstärker 46 gelieferte Stellgrößensignal erzeugt. Im Anschluß an den Kurventeil 84 nähert bei einem solchen Spannungssprung nur allmählich sich das Stellgrößen-Signal einem durch die gestrichelte ansteigend ändert. Linie 80 angedeuteten, konstanten Wert, welcher durch

Nunmehr soll die Wirkung einer plötzlichen Ände- die Proportionalkomponente des Reglerausgangssignals rung des der Eingangsklemme 18 zugeführten Regel- io gegeben ist. Wegen der bereits beschriebenen Integralgrößen-Istwert-Signals erörtert werden. Es sei ange- wirkung jedoch, die oben als erste Komponente genommen, daß dieses plötzlich von + 2V auf + IV schildert wurde, geht die Kurve 88 in einen dieser absinkt, während das Sollwert-Signal an der Klemme 16 Nachstell- oder Integralkomponente entsprechenden, auf einen Wert von —2V beharrt. Auf Grund des ansteigenden Teil 86 über, in dessen Verlauf die Regelsymmetrischen Aufbaus der Vorverstärker- und Ver- 15 größe auf den Sollwert zurückgeführt wird,
gleichsschaltung ergibt sich am Summierpunkt 38 die- Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß eine plötzliche selbe Wirkung wie bei einer plötzlichen Änderung des Änderung des Sollwert-Signals weder das differenzie-Sollwert-Signals. Am Summierpunkt 38 entsteht dies- rende noch das proportionale Verhalten des Reglers mal allerdings ein positives Potential an Stelle eines wirksam werden läßt, weil nur ein sich allmählich negativen. Diese positive Spannung am Summierpunkt 20 änderndes Signal zum Verstärkereingang gelangt. Nur 38 gelangt wiederum über die Widerstände 42 und 44 bei einer plötzlichen Änderung der Regelgröße treten allmählich zum Eingang 48 des Verstärkers 46, wobei auch das differenzierende und das proportionale Verder Kondensator 70 allmählich geladen wird. Es ent- halten des Reglers in Erscheinung, weil jetzt die plötzsteht wie zuvor bereits beim Auftreten eines negativen liehe Spannungsänderung über den Kondensator 50 Potentials beschrieben wurde, ein sich allmählich 25 unmittelbar an den Verstärkereingang gelangt. Das änderndes Ausgangssignal am Verstärker 46, welches Integralverhalten ist in beiden Fällen vorhanden. Man die das Integralverhalten des Reglers bestimmende könnte also sagen, daß der Regler bei einer plötzlichen Komponente darstellt. . Änderung des Sollwert-Signals wie ein I-Regler rea-

Der Ausgang des an die Klemme 18 angeschlossenen giert und bei einer plötzlichen Änderung des Istwert-Vorverstärkers 14 ist jedoch gleichzeitig über den Kon- 30 Signals hingegen wie ein PI-Regler bzw. ein PID-Regdensator50 mit dem Eingang 48 des Verstärkers 46 ler. Man erreicht dies dadurch, daß die P- und die verbunden. Jede plötzliche Änderung der Spannung an D-Komponente direkt von Regelgrößen-Eingangsder Klemme 18 gelangt also nach Verstärkung im signal abgeleitet werden, und zwar ohne Vergleich mit Transistor 32 über den Kondensator 50 gleichzeitig dem Sollwert-Signal, und deshalb nur bei Änderung an den Eingang des Verstärkers 46. Dieser erzeugt des- 35 der Regelgröße entstehen. Der I-Anteil hingegen wird halb sofort eine zweite Ausgangssignal-Komponente, aus dem Vergleich von Istwert und Sollwert der Regelweiche den Vorhaltkondensator 68 über die Wider- größe, also aus der Regelabweichung, abgeleitet und stände 58, 64 und 62 auflädt. Das Gegenkopplungs- liefert bei einer plötzlichen Änderung einer Eingangssignal wird hierdurch verzögert, weil es erst dann in größe eine allmähliche Spannungsänderung unabhänvoller Größe an den Kondensator 70 gelangen kann, 4° gig davon, welches der beiden Eingangssignale sich wenn sich der Kondensator 68 über den Widerstand66 plötzlich ändert.

entladen hat. Erst dann kann die sich am Kondensa- Mathematisch können die einzelnen, vom Regler

tor 70 aufbauende Spannung das plötzlich angestiegene gelieferten Signalkomponenten, wie folgt beschrieben

Eingangspotential in zunehmendem Maße kompensie- werden:

ren und damit das verhältnismäßig große Ausgangs- 45 ' -

signal des Verstärkers verringern. Diese zweite Korn- ^Die Integralkomponente = K'Jx_wdt,
ponente des Ausgangssignals bildet den D-Anteil der

Stellgröße und führt zu einem vorübergehenden Über- worin K' eine Konstante, x_w die Regelabweichung,

schwingen der Stellgröße und damit auch der Regel- also die Differenz zwischen Regelgröße χ (Istwert) und

pröße, welches der zuvor eingetretenen, plötzlichen 50 Führungsgröße bzw. Sollwert w, und d/ das zeitliche

Ä iderung der Regelgröße entgegenwirtk. Differential bedeutet.

Eine dritte Komponente.dieProportionalkomponente

des Verstärkerausgangssignals, wird durch direkte . . .,„ dx

Rückführung eines Teils des ■ Ausgangssignals vom Die differenzierende Komponente = K —,
Verbindungspunkt 56 über den Proportionalbereich 55
Widerstand 58 und den Einstellwiderstand 66 an den

Kondensator 70 erzeugt. Diese Komponente folgt worin K" eine Konstante und χ die Regelgröße ist. ohne Verzögerung jeder plötzlichen Potentialänderung am Verstärkereingang 48. Die proportionale Komponente = K · x,

Das soeben geschilderte Verhalten des Reglers ist 60

schematisch in F i g. 3 dargestellt. Hier zeigt die obere worin K wiederum eine Konstante ist. Für das dem

Kurve 96 den plötzlichen Sprung im Verlauf der an der Stellglied zugeführte Stellgrößen-Signal y bzw. die

Klemme 18 auftretenden Regelgröße, während die jeweilige Stellung des Stellgliedes ergibt sich demzu-

untere Kurve 88 den zeitlichen Verlauf des Ausgangs- folge die Gleichung
signals des Verstärkers 46 wiedergibt. Dieser setzt sich 65

aus den geschilderten drei Komponenten zusammen. ,

Die plötzliche Änderung der Regelgröße hat zunächst y = Κ· χ + K' f χ_ω d/ + K" —-.

eiflen plötzlichen Anstieg 82 der die Stellgröße wieder- ^J d t

Für einen herkömmlichen Regler lautet diese Gleichung hingegen

y = K-Xu, + K Xwdt + K" ,

^J dt

d. h., bisher wurden alle drei Komponenten (Proportio-

nal-, Integral- und Differential-Anteil) jeweils aus der Regelabweichung x_w abgeleitet. Hier wird hingegen nur die Integral-Komponente aus der Regelabweichung Xw, die Proportional-Komponente und auch die Differential-Komponente hingegen aus der Regelgröße χ gewonnen, so daß die eingangs genannten Vorteile erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

1 2 Komponenten des Stellgrößensignals nur von der RePatentansprüche: gelabweichung abhängen, gleichgültig, ob diese auf eine Änderung der Regelgröße oder des Sollwertes bzw.

1. Stetige Regeleinrichtung mit einem ein Aus- der Führungsgröße zurückzuführen ist. Im bekannten gangssignal liefernden Verstärker, der einerseits 5 Fall verursachen sowohl die P- als auch die D-Kompoüber verzögernde Glieder und andererseits über nente der Stellgröße bei plötzlicher Änderung der nicht verzögernde Glieder aussteuerbar ist, d a- Regelabweichung eine plötzliche Verstellung des Stelldurch gekennzeichnet, daß der Ver- gliedes. Eine plötzliche Änderung des Sollwertes hat stärker (46) über die nicht verzögernden Glieder also eine plötzliche Änderung der Stellgröße zur Folge. (50) und einen ersten Vorverstärker (14) an einen io Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es in ersten, mit dem Istwert der Regelgröße beaufschlag- den meisten Fällen unerwünscht ist, wenn sich bei einer ten Signaleingang und über die verzögernden Glie- plötzlichen Änderung des Sollwertes auch die Stellgröße der (42, 44, 70) an den Ausgang einer die Regel- schlagartig mit verändert. Vielmehr ist es meistens abweichung bildenden Vergleichsvorrichtung (36, günstiger, wenn der durch den Regler beeinflußte Pro-38, 40) angeschlossen ist, wobei die Vergleichsvor- 15 zeß allmählich auf den neuen Sollwert hingeführt wird, richtung (36, 38, 40) zwischen den Ausgang des Man war deshalb bisher gezwungen, entweder den ersten Vorverstärkers (14) und den Ausgang eines Sollwert nur langsam, schrittweise zu verstellen oder zweiten, von dem Sollwert der Regelgröße ange- besondere Maßnahmen zu ergreifen, um während der steuerten Vorverstärkers (12) geschaltet ist. Umstellung des Sollwertes die P- und die D-Kompo-

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch 20 nente des Stellgrößensignals zu unterdrücken oder im gekennzeichnet, daß der Ausgang (56) des Ver- Regler gar nicht erst zu erzeugen.

stärkers (46) über eine Gegenkopplungsanordnung Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

(58, 62, 64, 66, 68, 70) mit dem Verstärkereingang den bekannten Regler so auszubilden, daß einerseits

(48) verbunden ist. durch plötzliche Änderung des Sollwertes verursachte

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch 25 Stöße des Stellgrößensignals ausbleiben und anderergekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsanord- seits zu gewährleisten, daß plötzliche Änderungen des nung vorzugsweise einstellbare Schaltglieder (66,68) Istwertes in der Stellgröße voll ihren Ausdruck finden, zur Erzeugung eines differenzierenden Regelver- Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Anhaltens enthält. spruch 1 gekennzeichnete Erfindung.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, 30 Die Erfindung offenbart somit eine Regeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungs- bei der in vorteilhafter Weise plötzliche Änderungen anordnung Schaltungsmittel (58) zur Einstellung des Sollwertes nicht zu plötzlichen sondern entspredes Proportionalbereiches enthält. chend dem Integralverhalten des Reglers nur zu

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche I langsamen Änderungen der Stellgröße führen, während bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als verzögerndes 35 das Proportional- und das Differentialverhalten des Glied zwischen der Vergleichsanordnung (36, 38, Reglers nur bei Änderungen der Regelgröße zum 40) und dem Verstärkereingang (48) ein ßC-Inte- Tragen kommen. Dies wird beim Regler gemäß der grierglied (42, 44, 70) dient, dessen Kapazität (70) Erfindung ohne äußere Schaltmaßnahmen zur vorzugleich Teil der Gegenkopplungsanordnung ist. übergehenden Aufhebung des Differential- und Propor-

6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 40 tionalverhaltens erreicht.

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht ver- Durch die Zeitschrift »AEG-Mitteilungen«, Bd. 55

zögerndes Glied zwischen dem einen Signaleingang (1965), Heft 5, S. 414 bis 420, insbesondere S. 418,

(18) und dem Verstärkereingang (48) ein Konden- Bild 9, ist zwar ein PD-Dreipunktregler bekanntge-

sator (50) eingeschaltet ist. worden, bei dem die Regelabweichungen und das

7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 45 Differential der Regelgröße getrennt erfaßt werden, bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker so daß Änderungen der Regelgröße schneller berück-(46) ein Gleichstromverstärker hohen Verstärkungs- sichtigt werden. Für die entkoppelte Erfassung des Istgrades ist. wertes übereinschnelleransprechendesGliedwirddaher

kein selbständiger Schutz beantragt. Diese Schaltungs-

so anordnung ist aber insofern nicht mit der Erfindung

. vergleichbar, als dort die Sollwertstöße keine Dämpfung erfahren, weil die Regelabweichung direkt auf den Regler geschaltet ist. Außerdem handelt es sich dort

Die Erfindung bezieht sich auf eine stetige Regelein- nicht um eine stetige Regeleinrichtung,

richtung mit einem ein Ausgangssignal liefernden 55 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind

Verstärker, der einerseits über verzögernde Glieder in den Unteransprüchen gekennzeichnet,

und andererseits über nicht verzögernde Glieder aus- Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in

steuerbar ist. der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels

Aus der USA.-Patentschrift 30 81 425 ist eine solche näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

stetige Regeleinrichtung bekanntgeworden, bei der das 60 F i g. 1 das Schaltungsbeispiel eines elektronischen

aus der Regelabweichung von dem Regler gebildete Reglers,

Stellgrößensignal ein einstellbares, mehr oder weniger F i g. 2 die Antwort des Stellengrößen-Signals auf

proportionales, integrierendes und/oder differenzieren- eine sprungförmige Änderung des Sollwert-Signals

des Regelverhalten aufweist. Zu diesem Zweck ist und

im bekannten Fall ein entsprechend geschalteter Ver- 65 F i g. 3 die Antwort des Stellgrößen-Signals auf eine stärker von der Regelabweichung sowohl über einstell- sprungförmige Änderung des Istwert-Signals der Rebare, verzögernde als auch nicht verzögernde Glieder gelgröße.
aussteuerbar. Dies hat zur Folge, daß die einstellbaren Bei dem in F i g. 1 dargestellten Regler 10 ist jede der