DE3023408A1 - Proportional integral controller with improved transient response - has amplifier feedback capacitor switch dependent on error level - Google Patents

Abstract

A proportional-integral controller contains an operational amplifier (1) whose output signal is fed back to its input via a series resistor-capacitor circuit (9,8). The transient behaviour in response to a control difference is improved. Overshoots are minimised. A switch (10) connected in parallel with the feedback capacitor (9) is controlled from the output of a comparator (12) whose inputs are connected to the actual and demanded values of the control parameter (X). The feedback capacitor is shorted out by the switch as long as the control difference (w-x) exceeds a defined value. In this state the circuit acts a purely proportional controller. The capacitor is switched in shortly before the actual value reaches the demanded value so as to prevent overshoot.

Description

Proportional-Integrål-ReglerProportional-integral controller

Die Erfindung betrifft einen Proportional-Integral-Regler mit einem Operationsverstärker, bei dem das Ausgangssignal durch eine RC-Reihenschaltung auf den Eingang zurückgeführt ist.The invention relates to a proportional-integral controller with a Operational amplifier in which the output signal is based on an RC series circuit the entrance is returned.

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.It becomes a proportional-integral controller of this type for a controlled system with a limited rate of rise of the controlled variable in the case of a sudden change If the manipulated variable increases, there is a risk of control oscillations occurring with a rapid change in the controlled variable, because in this case the capacitor the RC series circuit is overloaded. In this case, the manipulated variable can be based on the limited rate of rise of the controlled system. This problem occurs especially when using a proportional-integral controller mentioned type to regulate the high voltage on an X-ray tube, because in this In this case, sudden drops in the high voltage of the X-ray tubes can occur the controller responds in the sense of a compensation, but then what is described can result in poor transient response.

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.The invention is based on the object of a proportional-integral controller of the type mentioned in such a way that the transient response of the controller significantly improved when a control difference occurs compared to the state of the art, so that the overshoot is largely prevented.

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.This object is achieved in that parallel to Capacitor a switch is connected by a comparator for the actual and the setpoint the controlled variable can be controlled in such a way that it bridges the capacitor for so long how the control difference exceeds a predetermined value. The inventive Proportional-integral controller works when a control difference occurs, the one exceeds a predetermined value, as a purely proportional controller, because the capacitor is bridged. Only shortly before the target value is reached by the actual value the capacitor and thus the integral component are switched on.

Dadurch sind eine Überladung des Kondensators und damit ein überschwingen beim Auftreten einer Regeldifferenz verhindert.This results in an overload of the capacitor and thus an overshoot prevented when a system deviation occurs.

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.The invention is illustrated below with reference to one in the drawing Embodiment explained in more detail. The figures show: FIG. 1 a proportional-integral controller according to the invention, and FIG. 2 shows a curve for explaining FIG. 1.

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.In the figure 1, an operational amplifier 1 is shown, whose inverting input is connected to a node 2, to which via Resistors 3 and 4 lead two lines 5 and 6, on which signals are located the actual value of the controlled variable x and the set, negative value of the reference variable w correspond. The inverting input of the operational amplifier is accordingly a signal corresponding to the control difference is supplied, from which the manipulated variable y is formed at the output 7 of the operational amplifier 1.

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.So that the controller shown has a proportional-integral behavior output 7 is connected to node 2 via an RC series circuit from a resistor 8 and a capacitor 9 connected.

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.The capacitor 9 is through a preferably electronic switch 10 can be bridged, which is controlled by an amplifier 11, which is at the output a differential amplifier 12 is located. The non-inverting input 13 of the operational amplifier 12 is a signal corresponding to the actual value of the controlled variable x via a resistor 14 and the inverting input 15 of the operational amplifier 12 is a signal which depends on the set value for the reference variable w and on the Line 16 is located.

Auf der Leitung 17 wird ferner zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 über einen Widerstand 18 noch ein Korrektursignal geführt.Line 17 also becomes the inverting input of the operational amplifier 12 a correction signal passed through a resistor 18.

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.The operational amplifier 12 is a comparator that the The setpoint and the actual value of the controlled variable are compared and the switch 10 is closed for so long holds like the control difference, i.e. the difference between the setpoint and the actual value the controlled variable exceeds a predetermined value. Only when the controlled variable falls below a predetermined distance from the reference variable w, the switch 10 is opened and the controller, which is initially a purely proportional controller, is in switched to a proportional-integral controller. This will overload the Capacitor 9 in a controlled system with a limited rate of rise prevents a sudden increase in the manipulated variable and thus an optimal transient response achieved when a control difference occurs.

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.These relationships are explained in greater detail on the basis of FIG. here is an example of the course of the actual value of the controlled variable x in the example the high voltage at an X-ray tube Uist is shown as a function of time. It can be seen from FIG. 2 that the X-ray tube is switched on at time t0 and that the X-ray tube high voltage has risen so far at time t1, that the switch 10, which is initially closed, can be opened so that the bridging of the capacitor 9 is canceled. Only when the actual value of the X-ray tube high voltage largely approximated the setpoint value Usoll has, so the capacitor 9 is switched on at time t1 and a proportional-integral behavior of the controller switched on. Even if in the course of operation, for example in Course of an X-ray exposure, for example a brief one at time t2 If the X-ray tube high voltage drops in, the controlled variable will overshoot this prevents the capacitor from falling below the predetermined value Ug 9 is short-circuited again. The X-ray tube high voltage increases after this Break in again, then the connection of the capacitor 9 takes place again only in Time t3. As long as the controlled variable, i.e. the X-ray tube voltage Uist, is below from Ug, the controller acts as a purely proportional controller.

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.This is the value of the system deviation, if it is exceeded, the switchover of the controller takes place in a purely proportional controller, depending on the selected Setpoint value of the controlled variable can be made, the correction signal is sent on line 17 the operational amplifier 12, which acts as a comparator, supplied by the respective Setpoint is dependent.

2 Figuren 1 Patentanspruch2 Figures 1 claim

Claims (1)

Patentanspruch Proportional-Integral-Regler mit einem Operationsverstärker, bei dem das Ausgangssignal durch eine RC-Reihenschaltung auf den Eingang zurückgeführt ist, d a d u r c h g e k e n n z .e i c h n e t , daß parallel zum Kondensator (9) ein Schalter (io) liegt, der von einem Vergleicher für den Ist- und den Sollwert der Regelgröße (x) derart ansteuerbar ist, daß er den Kondensator (9) so lange überbrückt, wie die Regeldifferenz (w - x) einen vorbestimmten Wert überschreitet.Claim proportional-integral controller with an operational amplifier, in which the output signal is fed back to the input through an RC series circuit is, d u r c h e k e n n n z. e i c h n e t, that parallel to the capacitor (9) a switch (io) is located by a comparator for the actual and the setpoint the controlled variable (x) can be controlled in such a way that it bridges the capacitor (9) for so long how the control difference (w - x) exceeds a predetermined value.