DE2354916A1

DE2354916A1 - Reglerschaltung

Info

Publication number: DE2354916A1
Application number: DE19732354916
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Kirsch; Manfred Dipl Ing Schaefer; Hans Dipl Ing Wiehl
Original assignee: JC Eckardt AG
Current assignee: JC Eckardt AG
Priority date: 1973-11-02
Filing date: 1973-11-02
Publication date: 1975-05-07
Also published as: DE2354916B2

Description

Reglers chaltung

Die Erfindung betrifft.eine Reglerschaltung mit PI- oder PID-Verhalten mit Schalteinrichtungen zum Abschalten des I-Verhaltens nach Erreichen eines einstellbaren Wertes der Stellgröße. ..■"-■-■",'

Eine vorbekannte Reglerschaltung mit automatischer Strukturumschaltung, wie sie in dem Typenblatt 531 000 vom Februar 1963 der Firma J.G-. Eckardt AG beschrieben ist, besitzt zwei parallele Zweige, von denen jeder einen Verstärker mit einer Rückkopplung zur Erzielung des P- bzw. I-Verhaltens umfaßt. Die. Ausgänge der beiden .parallelen Zweige sind bei der bekannten Schaltung mit einem Summierverstärker verbunden, dessen Ausgang den Ausgang der Heglerschaltung darstellt. Die bekannte Schaltung stellt die Stellgröße in Form eines Stromes zur Verfügung, der über einen Widerstand geleitet wird, wobei die an diesem Widerstand abfallende Spannung bei Erreichen einer einge-

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stellten Vergleichsspannung eine Kippstufe zum Ansprechen bringt, die den einen der beiden parallelen Zweige, und zwar den das I-Verhalten bestimmenden Zweig abschaltet. Nachteilig an dieser bekannten Reglerschaltung ist es, daß in mindestens einem Zweig hochwertige und damit teure Verstärker mit einem sehr hohen Innenwiderstand benötigt werden, was insgesamt zu einem hohen Preis der bekannten Reglerschaltung führt. Darüberhinaus ist es auch ein Nachteil der bekannten Reglerschaltung, daß in Abhängigkeit von dem zeitlichen Ablauf des Regelvorganges bzw. in Abhängigkeit von der Vorgeschichte des Regelvorganges das Umschalten bei sehr stark unterschiedlichen Werten der Regelabweichung erfolgen kann, d. h. daß der P-Anteil und I-Anteil des Ausgangssignales bzw. der Stellgröße unbekannt sind und daß das Ausgangssignal des eingangsseitig vom Reglereingang getrennten I-Verstärkers sich allmählich infolge des unvermeidlichen Eingangsstromes des I-Verstärkers allmählich verschiebt.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften der bekannten Reglerschaltung war es bei dieser möglich, daß trotz der automatischen Strukturumschaltung in ungünstigen Fällen ein Überschwingen der Stellgröße erfolgte.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine figglerschaltung vorzuschlagen, bei der ein Überschwingen mit Sicherheit vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Reglerschaltung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die durch eine Begrenzerschaltung zum Begrenzen der Stellgröße auf den einstellbaren Wert bis

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zum Erreichen eines einstellbaren Wertes der Regelabweichung gekennzeichnet ist. > ~ .;..-

Die Erfindung wird nachstehend anhand ,einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen-:; .../--""

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung und ^: ."-,_,

Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einerReglerschaltung gemäß der Erfindung>

Den Eingang der Reglerschaltung gemäß der Fig:. 1 bildet der nicht invertierende Eingang (+) eines Operationsverstärkers 1. Diesem Eingang wird d.ie Regelabweichung χ zugeführt.

Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers A bildet gleichzeitig den Ausgang der Reglerschaltung, an welchem die Stellgröße y. erzeugt wird. ^

Zwischen dem Ausgang der Reglerschaltung und dem invertieren-; den Eingang (-) des erstenOperationsverstärkers 1liegt ein Rückkopplüngszweig, welcher- zwei weitere Operationsverstärker 2 und 3 enthält, sowie einen Kondensator C und einen veränderlichen Widerstand 7» die.einen Hochpaß bilden, welcher die Reglerschaltung gemäß Fig. 1 bis zum Erreichen eines.einstellbaren Wertes der Stellgröße .als PI-Regler arbeiten läßt. Zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2, welcher, wie in der Zeichnung'dargestellt, als Impedanzwandler arbeitet, und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 1 liegt ein Potentiometer 5zur Einstellung des Pröportionalitätsfaktors für das P-Verhalten. .-..--.-:'-

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Die bis hierher betrachteten Schaltungsteile bilden eine Schaltung zur Durchführung einer PI-Regelung.

Um nun bei größeren Störungen oder beim Anfahren eines Regelprozesses, ein Überschwingen der Reglergröße zu verhindern, ist gemäß der Erfindung eine Begrenzerschaltung vorgesehen, welche anspricht sobald die Stellgröße y. am Ausgang der Reglerschaltung den einstellbaren Wert Jq erreicht. Die Begrenzerschaltung umfaßt einen vierten Operationsverstärker 4, dessen nicht negierter Eingang mit dem Ausgang der Reglerschaltung verbunden ist und dessen negiertem Eingang ein Signal y-Q zugeführt wird. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers ist über eine Diode 6 und einen Spannungsteiler aus den Widerständen 7 und 8 mit dem Eingang des als Impedanzwandler dienenden Operationsverstärkers 2 verbunden. Die Diode 6 wird bei der beschriebenen Schaltung leitend, sobald die Stellgröße y_A am Ausgang der Reglerschaltung den Wert y,-> erreicht. Durch das Leitendwerden der Diode 6 ergibt sich nunmehr ein neuer Rückkopp lungspfad, welcher den vierten Operationsverstärker 4· enthält, der seine Ausgangsspannung so einstellt, daß, solange die Regelabweichung Xy bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel positiv ist, die Stellgröße y_A auf dem Wert y_Q gehalten wird. Um nun zu verhindern, daß die erstrebte PI-Regelung erst wieder bei einem Vorzeichenwechsel der Regelabweichung einsetzt, sind weitere Schalteinricht.ungen vorgesehen, welche einen fünften Operationsverstärker 9 sowie ein Relais 10 umfassen. Der fünfte Operationsverstärker 9 ist mit seinem nicht negierten Eingang mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers 3 und mit seinem negierten .Eingang über eine Diode 12 mit dem Ausgang des vierten Operationsverstärkers 4 verbunden. Der negierte Eingang des fünften Operationsverstärkers 9 ist außerdem über

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den Widerstand 9a mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden.

Die Diode 12 ist so gepblt, daß sie gesperrt wird, sobald die Diode 6 leitend wird. Dies hat zur Folge, daß bei Erreichen der Ausgangsspannung Jq der Reglerschaltung die Ausgangsspannung TJ. des zweiten Operationsverstärkers 2 an den negierten Eingang des fünften Operationsverstärkers 9 angelegt wird. Da an dem negierten Eingang des dritten Operationsverstärkers 3, dessen nicht negiertem Eingang zu diesem Zeitpunkt die Ausgangsspannung y₀ zugeführt wird, eine Spannung y^ angelegt ist, liefert der fünfte Operationsverstärker 9 an seinem Ausgang, mit welchem das Relais 10 verbunden ist, solange eine positive Spannung, wie die Spannung U, am Ausgang des zweiten- Operations-Verstärkers 2 kleiner ist als die Ausgangsspannung J₀- yp am Ausgang des dritten Operationsverstärkers 3. Sobald nun aber die Spannung U. den Wert Jq - y^ übersteigt, erscheint am Ausgang des fünften Operationsverstärkers 9 eine negative Spannung, welche das Relais 10 zum Ansprechen bringt. Das Relais 10 schaltet einen Arbeitskontakt 11, welcher den Kondensator C überbrückt* Durch das Schließen des Arbeitskontaktes 11 ergibt sich ein Rückkopplungszweig, lielcher die 3egrenzersehaltung unwirksamrimacht, so daß die Reglerschaltung nunmehr als reiner P-Regler arbeitet, für dessen Ausgangssignal die folgende Gleichung gilt: -

wobei cc gleich dem Proportionalitätsfaktor ist, welcher durch das Potentiometer 5 einstellbar ist. .

Aufgrund der Tatsache, daß für die Ausgangsspannung U^ des zweiten Operationsverstärkers 2 die folgende Gleichung gilt:

^ut

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erfolgt also die Umschaltung auf eine Proportionalregelung bei der Reglerschaltung gemäß, der Erfindung bei einem vorgebbaren Wert der Regelabweichung Xy und nicht wie bei den bekannten Schaltungen bei einem vorgebbaren V/ert der Stellgröße y. Auf diese Weise wird verhindert, daß eine Proportional regelung bereits zu einem Zeitpunkt einsetzt, zu welchem ein großer Wert der Stellgröße y möglicherweise durch einen hohen I-Anteil verursacht ist, während die Regelabweichung x_w verhältnismäßig klein ist. Andererseits verhindert die Begrenzerschaltung bis zum Erreichen des vorgegebenen Wertes der Regelabweichung Xy ein übermäßiges Ansteigen der Stellgröße y.

Wenn nun nach Abklingen der starken Störung die Regelabweichung absinkt und das Ausgangssignal y_A unter den Wert y_Q absinkt ändert sich wieder das Potential am Ausgang des vierten Operationsverstärkers 4, wodurch die Diode 6 gesperrt und die Diode 12 geöffnet wird. Das Öffnen der Diode 12 hat unmittelbar zur Folge, daß die Spannung U. vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2 nicht mehr auf den negierten Eingang des fünften Operationsverstärkers 9 durchgreifen kann, so daß dieser an seinem Ausgang wieder ein positives Potential liefert, wodurch das Relais 10 abfällt, so daß der Arbeitskontakt 11 geöffnet wird; die Reglerschaltung arbeitet daraufhin wieder als PI-Regler, ohne daß ein Vorzeichenwechsel der Regelabweichung x erforderlich wäre.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Reglerschaltung eine schnelle Regelung möglich ist, ohne daß ein Überschwingen zu befürchten wäre. Ferner wird deutlich, daß von den in der Schaltung verwendeten Operationsverstärkern lediglich der erste Operationsverstärker eine hohe Qualität besitzen muß, während alle übrigen Verstärker

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billige Baueinheiten sein können, ohne daß dadurch die Quali-' tat der Reglerschaltung beeinträchtig würde. Berücksichtigt man, daß hochwertige Operationsverstärker, wie sie beispielsweise bei der eingangs erwähnten bekannten !Schaltung erforderlich sind, wo die P-Regelung und die I-Regelung in.getrennten Zweigen erfolgen, um mehr als das Zehnfache von einfachen Operationsverstärkern kosten, wie sie in der erfindungsgemäßen Schaltung als zweiter bis fünfter Operationsverstärker eingesetzt werden, so ergibt sich gegenüber der bekannten Schaltung nicht nur eine Funktionsverbesserung,· sondern darüberhinaus auch noch eine entscheidende Verbilligung.

Während Pig. 1 ein Prinzips chaltbild einer erfindungsgemäßen Reglerschaltung zeigt, ist in Fig. 2 der Zeichnung das Schaltbild einer praktisch ausgeführten rieglersehaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Der wesentliche Unterschied der Reglerschal tung gemäß Fig. 2 gegenüber der Reglerschaltüng gemäß Fig. 1 besteht.dabei darin^ daß anstelle eines Relais, d. h. anstelle eines mechanischen Umschalters eine Diode vorgesehen ist, die zur Verdeutlichung der Entsprechung mit dem Arbeitskontakt 11 in Fig.1 mit dem Bezugszeichen 11' bezeichnet ist. Ein weiterer Unterschied der Schältung gemäß Fig. 2 gegenüber derjenigen genäß Fig. 1 besteht darin, daß die während des ITormalbetriebes, d. h. bei Arbeiten der Regel schäl tung als PI-Regler v;irksaiae ,lückführschleife unter Verwendung niederohmigerV/iderstände gemäß der deutschen Auslegeschrift 2 019 so ausgebildet ist, daß der Proportionalitätsfaktor für die P-Regelung und die IJachs teil zeit für die !-Regelung getrennt eingestellt werden können. Die entsprechenden Potentiometer sind dabei mit 5' bzw. -15 bezeichnet.

Entsprechend der Reglerschaltung gemäß Fig. 1 arbeitet die Reglerschaltung gemäß Fig. 2 im. ITormälbetrieb, d. h. für

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kleiner y_Q als Pl-Hegler, wobei die Diode 6 Gesperrt und die Diode 12 leitend ist, so daß auch die Diode 11* gesperrt ist. Bei dieser Betriebsart sind die Operationsverstärker ^Z.^L und 9 praktisch unwirksam. Erreicht nun y. den Wert Vq, äo wird über den Operationsverstärker 4- die Diode 6 leitend gesteuert und die Diode 12 gesperrt. Damit wird - wie oben beschrieben - die Begrenzerschaltung wirksam und y| wird auf dein Wert y_Q festgehalten bis die Regelabweichung x, r bzw. die zu ihr proportionale Spannung- U. den Wert y^ - y~ erreicht. Bei Erreichen dieses "Wertes der bpannung U. steuert

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der Operationsverstärker 9 dis Diode 11' leitend und stellt seine Ausgangs spannung· so ein, daß seine Eingangs spannung zu 0 wird, vas bedeutet, daß der Kondensator C überbrückt ist. Bis zu einen Absinken der Hegelabweichung x_T, unter den vorstehend angegebenen Wert arbeitet die Reglerschaltung gemäß J?ig. 2 nun wieder als P-Regler mit dem Arbeitspunkt y„.

Anschließend sei noch darauf hingewiesen, daß es durch Verdoppeln der Begrenzungschaltung und der Schalteinrichtungen zum Umschalten von PI-Terhalten auf P-Verhalten möglich ist, außer einen oberen Umschaltpunlct für positive Werte der Stellgröße auch einen unteren Unschaltpunkt für negative Werte der Stellgröße vorzusehen. Es versteht sich, daß bei den entsprechenden ibchaltungen für den unteren ünschaltpunlct die Dioden umgekehrt gepolt v/erden nüssen.

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Claims

2354S1ö Patentansprüche

1. J lie gier schaltung mit PI- oder PID-Verhalten mit Schalteinrichtungen zum Abschalten des I-Verhaltens nach Erreichen eines einstellbaren Wertes der Stellgröße, gekennzeichnet durch eine 3egrenzerschaltung O'i-, G, 12) zum Begrenzen der Stellgröße (y.) auf den einstellbaren Wert (y_Q) bis zum Erreichen eines einstellbaren Wertes

^ ~ ^1' . der iie gel ab weichung (x,,)

üeglerschaltun:; nach Anspruch 1-» dadurch gekennzeichnet, daß die Becrenzerschaltung einen Operationsverstärker GO umfaßt, dessen Eingängen die btellgröSe (y^) und eine Spannung (Jq) mit den einstellbaren .vert zugeführt i.'erden und dessen Ausgang über eine Diode (6) mit dem jJinoank der iieglerschaltunc verbunden ist. ^:

He^jI er schal tune nach Anspruch 1 und 2, dadxirch gekennzeichnet, daß die üchalteinrichtungen zum Abschalten des I-Verhaltens einen Operationsverstärker (9) umfassen, über dessen Ausgang ein Relais (10) betätigbar ist, das einen parallel zu einen I-Verhalten der "ileglerschaltung bestimmenden Kondensator (C) liegenden Arbeitskontakt (11) aufweist, und daß der eine Eingang des Operationsverstärkers (11) mit dem Eingang der Keglerschaltungund über eine Diode (12) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (4-) der Begrenzerschaltung verbünde^- ist, während sein zweiter Eingang mit dem Ausgang eines wiü-teren. Operationsverstärkers (3) verbunden ist, der im iiückkopplungszv/eig-der iieglerschaltung liegt und dessen Eingänge mit dem Ausgang der Reglerschaltung einerseits und mit einer den Umschaltpunkt bestimmenden Spannung (y,_?) andererseits verbunden sind.

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BaD ORIGINAL

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