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Proportional-Integrål-Regler
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Die Erfindung betrifft einen Proportional-Integral-Regler mit einem
Operationsverstärker, bei dem das Ausgangssignal durch eine RC-Reihenschaltung auf
den Eingang zurückgeführt ist.
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Wird ein Proportional-Integral-Regler dieser Art bei einer Regelstrecke
mit einer begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit der Regelgröße bei einem sprunghaften
Anstieg der Stellgröße benutzt, so besteht die Gefahr des Auftretens von Regelschwingungen
bei einer schnellen Änderung der Regelgröße, weil in diesem Fall der Kondensator
der RC-Reihenschaltung überladen wird. Die Stellgröße kann also in diesem Fall aufgrund
der begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit der Regelstrecke überschießen. Dieses Problem
tritt insbesondere bei der Anwendung eines Proportional-Integral-Reglers der eingangs
genannten Art zur Regelung der Hochspannung an einer Röntgenröhre auf, denn in diesem
Fall können plötzliche Einbrüche der Röntgenröhrenhochspannung auftreten, auf die
der Regler im Sinne einer Ausregelung anspricht, wobei sich dann aber das geschilderte
schlechte Einschwingverhalten ergeben kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Proportional-Integral-Regler
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Einschwingverhalten des Reglers
beim Auftreten einer Regeldifferenz gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessert,
daß also das Uberschwingen weitgehend verhindert wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zum
Kondensator ein Schalter liegt, der von einem Vergleicher für den Ist- und den Sollwert
der Regelgröße derart ansteuerbar ist, daß er den Kondensator so lange überbrückt,
wie die Regeldifferenz einen vorbestimmten Wert überschreitet. Der erfindungsgemäße
Proportional-Integral-Regler arbeitet beim Auftreten einer Regeldifferenz, die einen
vorbestimmten Wert überschreitet, als reiner Proportional-Regler, weil der Kondensator
überbrückt ist. Erst kurz vor dem Erreichen des Sollwertes durch den Istwert werden
der Kondensator und damit der Integralanteil zugeschaltet.
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Dadurch sind eine Überladung des Kondensators und damit ein überschwingen
beim Auftreten einer Regeldifferenz verhindert.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Proportional-Integral-Regler
nach der Erfindung, und Fig. 2 eine Kurve zur Erläuterung der Figur 1.
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In der Figur 1 ist ein Operationsverstärker 1 dargestellt, dessen
invertierender Eingang an einem Verknüpfungspunkt 2 angeschlossen ist, zu dem über
Widerstände 3 und 4 zwei Leitungen 5 und 6 führen, auf denen Signale liegen, die
dem Istwert der Regelgröße x und dem eingestellten, negativen Wert der Führungsgröße
w entsprechen. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers wird demgemäß
ein der Regeldifferenz entsprechendes Signal zugeführt, aus dem die Stellgröße y
am Ausgang 7 des Operationsverstärkers 1 gebildet wird.
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Damit der dargestellte Regler ein Proportional-Integral-Verhalten
hat, ist der Ausgang 7 mit dem Verknüpfungspunkt 2 über eine RC-Reihenschaltung
aus einem Widerstand 8 und einem Kondensator 9 verbunden.
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Der Kondensator 9 ist durch einen vorzugsweise elektronischen Schalter
10 überbrückbar, der von einem Verstärker 11 angesteuert wird, welcher am Ausgang
eines Differenzverstärkers 12 liegt. Dem nichtinvertierenden Eingang 13 des Operationsverstärkers
12 wird ein dem Istwert der Regelgröße x entsprechendes Signal über einen Widerstand
14 und dem invertierenden Eingang 15 des Operationsverstärkers 12 wird ein Signal
zugeführt, das vom eingestellten Wert für die Führungsgröße w abhängt und auf der
Leitung 16 liegt.
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Auf der Leitung 17 wird ferner zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
12 über einen Widerstand 18 noch ein Korrektursignal geführt.
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Der Operationsverstärker 12 stellt einen Vergleicher dar, der den
Soll- und den Istwert der Regelgröße vergleicht und den Schalter 10 so lange geschlossen
hält, wie die Regeldifferenz, also die Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert
der Regelgröße einen vorbestimmten Wert überschreitet. Erst wenn die Regelgröße
einen vorbestimmten Abstand von der Führungsgröße w unterschreitet, wird der Schalter
10 geöffnet und der Regler, der zunächst ein reiner Proportional-Regler ist, in
einen Proportional-Integral-Regler umgeschaltet. Dadurch wird ein überladen des
Kondensators 9 bei einer Regelstrecke mit begrenzter Anstiegsgeschwindigkeit bei
einem sprunghaften Anstieg der Stellgröße verhindert und damit ein optimales Einschwingverhalten
beim Auftreten einer Regeldifferenz erzielt.
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Anhand der Figur 2 sind diese Verhältnisse noch näher erläutert. Hier
ist ein beispielsweiser Verlauf des Istwertes der Regelgröße x, die bei dem Beispiel
die Hochspannung an einer Röntgenröhre Uist ist, in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
Aus der Figur 2 geht hervor, daß im Zeitpunkt tO die Röntgenröhre eingeschaltet
wird und daß die Röntgenröhrenhochspannung im Zeitpunkt t1 so weit angestiegen ist,
daß der Schalter 10, der zunächst geschlossen ist, geöffnet werden kann, so daß
die Überbrückung des Kondensators 9 aufgehoben wird. Erst wenn sich der Istwert
der Röntgenröhrenhochspannung dem eingestellten Sollwert Usoll weitgehend genähert
hat, wird also im Zeitpunkt t1 der Kondensator 9 zugeschaltet und ein Proportional-Integral-Verhalten
des Reglers eingeschaltet. Auch wenn im Verlaufe des Betriebes, beispielsweise im
Verlaufe einer Röntgenaufnahme, beispielsweise-im Zeitpunkt t2, ein kurzzeitiger
Einbruch der Röntgenröhrenhochspan nung auftritt, wird ein Überschwingen der Regelgröße
dadurch verhindert, daß beim Unterschreiten des vorbestimmten Wertes Ug der Kondensator
9 wieder kurzgeschlossen wird. Steigt die Röntgenröhrenhochspannung nach diesem
Einbruch wieder an, so erfolgt die Zuschaltung des Kondensators 9 erst wieder im
Zeitpunkt t3. Solange sich die Regelgröße, also die Röntgenröhrenspannung Uist unterhalb
von Ug befindet, wirkt der Regler also als reiner Proportional-Regler.
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Damit der Wert der Regeldifferenz, bei dessen Überschreitung die Umschaltung
des Reglers in einen reinen Proportional-Regler erfolgt, abhängig von dem gewählten
Sollwert der Regelgröße gemacht werden kann, wird auf der Leitung 17 das Korrektursignal
dem Operationsverstärker 12, der als Vergleicher wirkt, zugeführt, das vom jeweiligen
Sollwert abhängig ist.
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2 Figuren 1 Patentanspruch