DE2354916B2 - Reglerschaltung mit PI- oder PID-Verhalten - Google Patents

Description

der Regelabweichung (xw) eine weitere Umschaltung auf P- oder PD-Verhalten erfolgt

2. Reglerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung einen Operationsverstärker (4) umfaßt, dessen Eingängen die Stellgröße (ja) und eine Spannung (y₀) mit dem einstellbaren Wert zugeführt werden und dessen Ausgang über eine Diode (6) mit dem Eingang der Reglerschaltung verbunden ist

3. Reglerschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen zum Abschalten des I-Verhaltens einen Operationsverstärker (9) umfassen, über dessen Ausgang ein Relais (10) betätigbar ist, das einen parallel zu einem das I-Verhalten der Reglerschaltung bestimmenden Kondensator (c) liegenden Arbeitskontakt (U) aufweist, und daß der eine Eingang des Operationsverstärkers (1!) mit dem Eingang der Reglerschaltung und über eine Diode (12) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (4) der Begrenzerschaltung verbunden ist, während sein zweiter Eingang mit dem Ausgang eines weiteren Operationsvertärkers (3) verbunden ist, der im Rückkopplungszweig der Reglerschaltung liegt und dessen Eingänge mit dem Ausgang der Reglerschaltung einerseits und mit einer den Umschaltpunkt bestimmenden Spannung (jf) andererseits verbunden sind.

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

Eine vorbekannte Reglerschaltung dieser Art mit automatischer Strukturumschaltung, wie sie in dem Typenblatt 531 000 vom Februar 1963 der Firma J. C. 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 so sind bei der bekannten Schaltung mit einem Summierverstärker verbunden, dessen Ausgang den Ausgang der Reglerschaltung 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 eingestellten 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 Darüber hinaus ist es auch ein Nachteil der bekannten Reglerschaltung, daß in Abhängigkeit von dem zeitlichen Ablauf des Regelvorganges das Umschalten bei sehr stark unterschiedlichen Werten der Regelabweichung erfolgen kann, d. h. daß der P-Anteil und I-Anteil des Ausgangssignals 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 ist es bei dieser möglich, daß trotz der automatischen Strukturumschaltung in ungünstigen Fällen ein Überschwingen der Stellgröße erfolgte.

Weiterhin ist es aus der AT-PS 2 80 246 bekannt, bei integral wirkenden Regeleinrichtungen die Integralwirkung in Abhängigkeit von einem ganz bestimmten Grenzwert der auftretenden Regelabweichung zu unterdrücken, indem ein Rückführkondensator kurzgeschlossen wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß stets auf diesen erwähnten Grenzwert abgestellt werden muß, so daß dieser fallweise verändert werden müßte, um bei wechselnden Betriebsbedingungen optimale Verhältnisse zu erhalten, wodurch diese bekannten Regeleinrichtungen in ihrer Handhabung relativ kompliziert und weniger universell einsetzbar sind.

Die DE-OS 18 12 266 beschreibt ferner eine Anfahrschaltung für einen Regler mit nachgebender Rückführung, bei der die Wirksamkeit des proportionalen Anteils aer wirksamen Führungsgröße verkleinert bzw. vergrößert wird, um ein Überschwingen der Regelgröße X über den durch die Führungsgrcße W vorgegebenen Soll-Wert bei einem Sprung der Führungsgröße zu verhindern. Die bekannte Anfahrschaltung ist nachteilig weil auf verhältnismäßig komplizierte Weise aus der tatsächlichen Führungsgröße d. h. aus der Regelabweichung eine »wirksame Führungsgröße w*« abgeleitet wird, die sich dem Wert der tatsächlichen Führungsgröße asymptotisch ändert, damit kein Überschwingen der Regelgröße bzw. der Stellgröße auftritt.

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

Diese Aufgabe wird durch eine Reglerschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung und

F i g. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung.

Den Eingang der Reglerschaltung gemäß der F i g. 1 bildet der nicht invertierende Eingang ( + ) eines Operationsverstärkers 1. Diesem Eingang wird die Regelabweichung x„ zugeführt.

Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 1 bildet gleichzeitig den Ausgang der Reglerschaltung, an welchem die Stellgröße yA erzeugt wird.

Zwischen dem Ausgang der Reglerschaltung und dem invertierenden Eingang (—) des ersten Operationsverstärkers 1 liegt ein Rückkopplungszweig, welcher zwei weitere Operationsverstärker 2 und 3 enthält, sowie einen Kondensator C und eine ζ. 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 5 zur Einstellung des Proportionalitätsfaktors für das P-Verhalten.

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

Um nun bei größeren Störungen oder beim Anfahren eines Regelprozesses, ein Oberschwingen der Reglergröße zu verhindern, ist eine Begreuzerschaltung vorgesehen, welche anspricht, sobald die Stellgröße y_A am Ausgang der Reglerschaltung den einstellbaren Wert jo 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 JO zugeführt wird. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers 4 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 y₀ erreicht. Durch das Leitendwerden der Diode 6 ergibt sich nunmehr ein neuer Rückkopplungspfad, welcher den vierten Operationsverstärker 4 enthält, der seine Ausgangsspannung so einstellt, daß, solange die Regelabweichung Xw bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel positiv ist, die Stellgröße y_A auf dem Wert yo gehalten wird. Um nun zu verhindern, daß die erstrebte PI-Regelung erst wieder bei einem Vorzeichenwechsel der Regelabweichung einsetzt, sind weitere Schalteinrichtungen 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 den Widerstand 9a mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden.

Die Diode 12 ist so gepolt, daß sie gesperrt wird, sobald die Diode 6 leitend wird. Dies hat zur Folge, daß bei Erreichen der Ausgangsspannung jo der Reglerschaitung die Ausgangsspannung U₁ 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 jo zugeführt wird, eine Spannung /f angelegt ist, liefert der fünfte Operationsverstärker 9 an seinem Ausgang, mit welchem das Relais 10 verbunden ist, solange eine positive Spannung, wie die Spannung U₁ am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2 kleiner ist als die Ausgangsspannung JO—yparn Ausgang des dritten Operationsverstärkers 3. Sobald nun aber die Spannung U₁ den Wert ,vo-yF übersteigt, erscheint am Ausgang des fünften Operationsverstärkers 9 eine negative Spannung, weiche das Relais 10 zum Ansprechen bringt Das Relais 10 schaltet einen Arbeitskontakt 11, welcher den Kondensator C überbrückt Durch das Schließen des Arbeitskontaktes s 11 ergibt sich ein Rückkopplungszweig, welcher die Begrenzerschaltung unwirksam macht, so daß die Reglerschaltung nunmehr als reiner P-Regler arbeitet, für dessen Ausgangssignal die folgende Gleichung gilt:

'

wobei α 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:

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

Wenn nun nach Abklingen der starken Störung die Regelabweichung absinkt und das Ausgangssignal y_A unter den Wert jo 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 Reglersohaltung arbeitet daraufhin wieder als PI-Regler, ohne daß ein Vorzeichenwechsel der Regelabweichung xw 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 billige Baueinheiten sein können, ohne daß dadurch die Qualität der Reglerschaltung beeinträchtigt 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 darüber hinaus auch noch eine entscheidende Verbilligung.

Während F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Reglerschaltung zeigt, ist in F i g. 2 der Zeichnung das Schaltbild einer praktisch ausgeführten

Reglerschaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Der wesentliche Unterschied der Reglerschaltung gemäß F i g. 2 gegenüber der Reglerschaltung gemäß F i g. 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 F i g. 1 mit dem Bezugszeichen 11' bezeichnet ist. Ein weiterer Unterschied der Schaltung gemäß F i g. 2 gegenüber derjenigen gemäß Fig. 1 besteht darin, daß die während des to Normalbetriebes, d. h. bei Arbeiten der Regelschaltung als PI-Regler wirksame Rückführschleife unter Verwendung niederohmiger Widerstände gemäß der deutschen Auslegeschrift 20 19 618 so ausgebildet ist, daß der Proportionalitätsfaktor für die P-Regelung und die is Nachstellzeit für die 1-Regelung getrennt eingestellt werden können. Die entsprechenden Potentiometer sind dabei mit 5' bzw. 13 bezeichnet

Entsprechend der Reglerschaltung gemäß F i g. 1 arbeitet die Reglerschaltung gemäß F i g. 2 im Normalbetrieb, d. h. für y_A kleiner yt> als PI-Regler, 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 4 und 9 praktisch unwirksam. Erreicht nun y_A den Wert jo, so 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_A wird auf dem Wert y₀ festgehalten, bis die Regelabweichung xw bzw. die zu ihr proportionale Spannung U, den Wert yo—yF erreicht. Bei Erreichen dieses Wertes der Spannung U₁ steuert der Operationsverstärker 9 die Diode 11' leitend und stellt seine Ausgangsspannung so ein, daß seine Eingangsspannung zu 0 wird, was bedeutet, daß der Kondensator C überbrückt ist. Bis zu einem Absinken der Regelabweichung xw unter dem vorstehend angegebenen Wert arbeitet die Reglerschaltung gemäß F i g. 2 nun wieder als P-Regler mit dem Arbeitspunkt Vf.

Anschließend sei noch darauf hingewiesen, daß es durch Verdoppeln der Begrenzungsschaltung und der Schalteinrichtungen zum Umschalten von Pl-Verhalten auf P-Verhalten möglich ist, außer einem oberen Umschaltpunkt für positive Werte der Stellgröße auch einen unteren Umschaltpunkt für negative Werte der Stellgröße vorzusehen. Es versteht sich, daß bei den entsprechenden Schaltungen für den unteren Umschaltpunkt die Dioden umgekehrt gepolt werden müssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Reglerschaltung mit PI- oder PID-Verhalten mit Schalteinrichtungen zum Abschalten des I-Verhaltens beim Erreichen eines einstellbaren Wertes der Stellgröße, gekennzeichnet durch eine Begrenzerschaltung (4, 6, 12), mit deren Hilfe die Stellgröße (y^ nach dem Ansprechen der Schalteinrichtungen so lange auf den einstellbaren Wert (yo) festlegbar ist, bis mittels weiterer Schalteinrichtungen (3, 9, 10, 11; 3, 9, 11') beim Erreichen eines einstellbaren Wertes