DE1938062C3 - PI-Regler - Google Patents

Description

kreis eines Regelverstärkers großer Leerlaufver- bei A<kptivregelkreisen besteht,
•tärkung angeordnet ist, dessen vorzugsweise mit- i* Oelöst wird diese Aufgabe bei einem PI-Regler der tels vorgespannter Dioden begrenzbare Aus- eingangs genannten Art erfindungsgemaß dadurch, gangsspannung über ein in seinem Rückführung*- daß die Ausgangsgroße des Summiergliedes über em kreis angeordnetes Proportionalglied veränder- Verzögerungsghed einsteUbarer Zeitkonstonte mit dem barer Verstärkung das Verzögerungsglied und Verstärkungsfaktor 1 auf den Eingang des Summiergegenkoppelnd seinen Eingang beaufschlagt *° gliedes mitgekoppelt ist. Gegenüber dem zuvor ge-

3. Anordnung nach Anspnich2, dadurch ge- nannten bekannten PI-Regler kann dadurch der Verkennzeichnet, daß das Proportionalglied aus einer stärker großer Leerlaufverstarkung eingespart und die elektronischen Multipliziereinrichtung (6) besteht. Nachstelizeit bei konstanter Proportionalverstärkung

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch verändert werden.

gekennzeichnet, daß das- Verzögerungsglied aus 25 Eine Ausgestaltung der Erfindung, mit der sowohl einem Integrator (8) besteht, dem eine elektroni- Nachstellzeit als auch Proportionalverstärkung des «ehe Multipliziereinrichtung (7) nachgeschaltet ist, PI-Reglers unabhängig voneinander einstellbar sind, deren Ausgangsgröße auf den Integratoreingang ergibt sich, wenn das Summierglied im Eingangskreis gegengekoppelt ist (F i g. 1). eines Regelverstärkers großer Leerlauf verstärkung an-

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch ge- 30 geordnet ist, dessen vorzugsweise mittels vorgespannkennzeichnet, daß der Integrator ein kapazitiv ter Dioden begrenzbare Ausgangsspannung über ein in gegengekoppelter elektronischer Verstärker (14) seinem Rückführkreis angeordnetes Proportionalglied ist (Fig. 2). veränderbarer Verstärkung das Verzögerungsglied

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, da- und gegenkoppelnd seinen Eingang beaufschlagt, wodurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker 35 bei zur elektronischen Verstellmöglichkeit dieser Kenn-(15) als Differenzverstärker ausgebildet ist und ein werte das Proportionalglied aus einer elektronischen veränderbarer Teil seiner Ausgangsspannung über Multipliziereinrichtung und das Verzögerungsglied aus einen Widerstand seinen invertierenden Eingang einem Integrator bestehen kann, dem eine elektro-(—) sowie ü ber einen Potentiometerwiuerstand glei- nist hs Multipliziereinrichtung nachgeschaltet ist, deren eher Größe seinen nichtinvertierenden Eingang (+) 40 Ausgangsgröße auf dem Integratoreingang gegenbeaufschlagt, wobei der Abgriff des Potentiome- gekoppelt ist.

lers über einen Kondensator (C) mit dem Bezugs- Ein besonders einfacher Aufbau des PI-Reglers, potential des Verstärkers verbunden ist (F i g. 3). bei welchem die Reglerparameter ausschließlich durch

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge- Veränderung von Widerständen einstellbar sind, erkennzeichnet, daß die veränderbare Ausgangsteil- 45 gibt sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfintpannung einem Spannungsteiler (A₁) entnommen dung, wenn der Reglerverstärker als Differenzverstärwird, dessen Widerstandswert mindestens eine halbe ker ausgebildet ist und ein veränderbarer Teil seiner bis eine ganze Größenordnung kleiner ist als die Ausgangsspannung über einen Widerstand seinen der mit den Verstärkereingängen verbundenen invertierenden Eingang sowie über einen Potentio-Widerstände (R). 50 meterwiderstand gleicher Größe seinen nicht invertie-

8. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet renden Eingang beaufschlagt, wobei der Abgriff des durch ein digitales Differenzgatter (20) mit takt- Potentiometers über einen Kondensator mit dem Belynchroner Ausgabe, dessen Ausgangsgröße einen zugspotential des Verstärkers verbunden ist. Hierbei digitalen Zähler (16) beaufschlagt, dem ein Digi- kann ein Parameter des PI-Reglers, nämlich seine tal-Analog-Wandler (17) und di&sem ein Span- 55 Nachstellzeit, allein durch Verschieben des Potentionungs-Frequenz-Umsetzer (18) nachgeordnet ist, meterabgriffes erreicht werden, ohne daß die Proporwobei die Ausgangsgröße des Spannungs-Fre- tionalverstärkung des Reglers davon beeinflußt wird. quenz-Umsetzers auf den Eingang des Zählers ge- Seine Proportionalverstärkung kann verstellt werden, gengekoppelt und auf den Eingang des Differenz- wenn die veränderbare Ausgangsteilspannung einem gatters mitgekoppelt ist (F i g. 4). 60 Spannungsteiler entnommen wird, dessen Widerstandswert mindestens eine halbe bis eine ganze

Größenordnung kleiner ist als die mit den Verstärkereingängen verbundenen Widerstände.

Große Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen 65 Reproduzierbarkeit lassen sich durch zumindest teil-PI-Regler mit einer direkten Ausgangs- und Integral- weise Verwendung von digitalen Bauelementen veranteilbegrenzung und einem Summierglied im Ein- wirklichen. Eine weitere Ausbildung der Erfindung begangskreis. steht daher in einem digitalen Differenzgatter mit takt-

synchroner Ausgabe, dessen Ausgangsgröße einen digitalen Zähler beaufschlagt, dem ein Digital-Analog-Wandler und diesem ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer nachgeordnei ist, wobei die Ausgangsgröße des Spannungs-Frequenz-Umsetzers auf den Eingang des Zählers gegengekoppelt und auf den Eingang des Differenzgatters mitgekoppelt ist.

Die Erfindung samt ihren Ausbildungen sei im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert.
. Im Eingangskreis eines Regelvecstärkc-s 9 mit großer Leerlaufverstärkung ist ein Summierglied 2 angeordnet. Am Ausgang des Verstärkers 9 ist eine Begrenzung B vorgesehen, beispielsweise in Form von auf die Begrenzungswerte vorgespannten Dioden. Im Rückführkreis des Regelverstärkers 9 liegt ein Proportionalglied veränderbarer Verstärkung in Form einer elektronischen Multipliziereinrichtung 6, welche an ihrem zweiten Eingang mit einer veränderbaren, den Multiplikationsfaktor darstellenden Größe l/V beaufschlagt ist. Die Ausgangsspannunf der Multipliziereinrichtung 6 ist einerseits in gegenkoppelndem Sinne auf dem Eingang des Regelverstärkers 9 geführt und beaufschlagt andererseits den Eingang eines Verzögerungsgliedes, dessen Ausgangsgröße h in mitkoppelndem Sinne auf den Regelverstärkereingang wirkt. Das Verzögerungsglied selbst besteht aus einem Integrator 8 mit der Integrierzeit T, dessen Ausgangsspannung über eine ebenfalls elektronische Multipliziereinrichtung 7 auf seinen Eingang gegengekoppelt ist. Mittels einer an dem zweiten Eingang der Multipliziereinrichtung? anlegbaren Größe l/m beispielsweise Liner veränderbaren Spannung, kann sein Multiplikationsfaktor verändert werden. Die aus dem Integrator 8 und dem Multiplizierer 7 bestehende Anordnung stellt also ein Verzögerungsglied mit dem Frequenzgang

- ^ dar, dessen Proportionalverstärkung gleich 1

und dessen Verzögerungszeitkonstanter· m durch Verändern der Größe l/m beliebig einstellbar ist.

Eine Analyse des Blockschaltbildes nach Fig. 1 zeigt, daß die Kreisverstärkung in dem das Verzögerungsglied 7, 8 enthaltenden Mitkopplungskreis gleich 1 ist und sich somit zwischen der an der Eingangsklemme 11 zugeführten Größe Δ und der an der Ausgangsklemme 12 erscheinenden Größe y der Frequenzgang

y_—v *^{+ pTm}

Δ pTm

ergibt, was dem Frequenzgang eines PI-Reglers mit der Proportionalverstärkung V und der Nachstellzeit Tm entspricht. Die beiden Reglerparameter V und Tm sind unabhängig voneinander veränderbar, d. h., die Verstellung des einen Parameters läßt den anderen unbeeinflußt. Wesentlich ist, daß bei wirksamer Begrenzung der Ausgangsgröße y das Ausgangssignal h . des Verzögerungsgliedes 7, 8 einen dieser Begrenzung entsprechenden, definierten Wert annimmt und demzufolge kein unkontrolliertes Anwachsen des Integralanteiles des PI-Reglers zu befürchten ist.

F i g. 2 zeigt eine gerätetechnische Realisierung der Anordnung gemäß Fig. 1. Die Summierstelle 2 ist in den Eingangskreis eines Operationsverstärkers 13 verlegt, dessen Ausgangsspannung durch die Begrenzung B begrenzt worden ist und über den Multiplikator 6 auf seinen Eingang rückgekoppelt ist. Das Ausgangssignal des Multiplikators 6 beaufschlagt weiterhin den Eingangskreis eires weiteren Operationsverstärkers 14, dessen Ausgangsspannung über einen Kondensator C und über den Multiplikator 7 gegengekop-

pelt ist. Die Ausgangsspannung des Multiplikators 7 ist auf den Eingang des Operationsverstärkers 13 geführt, durch die Phasenumkehr des Operationsverstärkers 14 wirkt diese in gleicher Richtung wie die Eingangsspannung U_A. Wird die Anordnung nach

ίο F i g. 2 als Regelverstärker innerhalb eines Regelkreises eingesetzt, dann entspricht die Spannung U_a selbst der Differenzspannung zwischen einer Sollwert- und einer Istwertspannung. Gegebenenfalls können diese beiden Spannungen auch dem Verstärker unmittelbar subtraktiv zugeführt werden. Die Eingangswiderstände R der Operationsverstärker 13 und 14 weisen sämtlich den gleichen Ohmwert auf, so ergibt sich also zwischen Eingangsspannung Ua und Ausgangsspannung Uy der Frequenzganz

Uy

1 + pTm pTm

Propoftionalverstärkung V und Nachstellzeit Tm diese« PI-Reglers sind dabei unabhängig voneinander durch die Eingangsspannungen l/m und l/V der Multiplikatoren 6 und 7 einstellbar.
F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines PI-Reglers, dessen Kennwerte unabhängig voneinander ausschließlich durch Veränderung von Widerständen verstellbar sind. Seine Schaltung ergibt sich aus der Anordnung nach Fig. 1, wenn das Proportionalglied 6 und das Verzögerungsglied 7, 8 aus passiven Elementen aufgebaut und die Summierstelle 2 mit dem Eingangskreis eines Addierverstärkers 15 vereinigt wird. Das Proportionalglied besteht in der Anordnung nach F i g. 3 aus einem Potentiometer R₁, welches zwischen der Ausgangsspannung des Addierverstärkers 15 und dem Bezugspotential des Verstärkers liegt und dessen Abgriff ein Gegenkopplungswiderstand R sowie ein als Potentiometer ausgebildeter Mitkopplungswiderstand R sowie ein als Potentiometer ausgebildeter Mitkopplungswiderstand R angeschlossen ist. Auf diese Weise wird ein veränderbarer Teil r · U_v der Verstärkerausgangsspannung in mit- und gegenkoppelndem Sinne auf den Verstärkereingang rückgeführt. Am Abgriff des mit dem nichtinvertierenden, mit + bezeichneten Eingang des Addierverstärkers 15 verbundenen Potentiometerwiderstand R ist ein Kondensator C angeschlossen, dessen andere Belegung mit dem Bezugspotential des Verstärkers verbunden ist. Die Eingangsspannung Ua beaufschlagt über einen Eingangswiderstand R den mit — bezeichneten, invertiercnden Eingang des Addierverstärkers 15, während dessen nichtinvertierender Eingang über einen weiteren Widerstand R ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden ist. Das Potentiometer R₁ wird zweckmäßigerweise sehr niederohmig gegenüber den mit den Eingängen des Addierverstärkers 15 verbundenen Widerständen entsprechend der Beziehung R > 5 R₁ ausgeführt, wobei R und R₁ die Ohmwerte der so bezeichneten Widerstände bedeuten. Wird mit m, wie in F i g. 3 angedeutet, die Entfernung des Potentiometer-Schleifers von dem einen Ende des Potentiometers bezeichnet, so daß die beiden jeweils zwischen einem Ende des Potentiometers und dem Schleifer sich ergebenden Teilwiderstände die Größe mR und (1 — m) R

sind, dann ergibt sich zwischen der Ausgangsspannung Uy und der Eingangsspannung U_A der Anordnung nach F i g. 3 folgender Frequenzgang

l-m^s

■)("■

wobei die Größe Γ sich aus dem Produkt von R und C ergibt. Durch Veränderung der Stellung der beiden Abgriffe der Potentiometer A₁ bzw. R können somit bei entsprechend niederohmiger Ausführung des Potentiometers R₁ wiederum Proportionalverstärkung und Nachstellzeit dieses PI-Reglers unabhängig voneinander verändert sowie eine einfache Begrenzungsmöglichkeit mittels der Begrenzung JJ vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen PI-Regler in Hybridtechnik, bei dem der Integralanteil unter Verwendung eines digitalen Zählers 16 gebildet wird. Diesem ist ein Digital-Analogwandler 17 mit veränderbarer Speisespannung l/m nachgeordnet, welcher bei gleichzeitiger Umsetzung der digitalen Ausgangsgröße des 2'ählers 16 in eine analoge Spannung eine Multiplikation mit 1/m erlaubt. Die Ausgangsspannung des Wandlers 17 ist dem Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers 18 zugeführt, welcher die analoge Ausgangsspannung des Wandlers 17 in eine Impulsfolge It umsetzt, deren Frequenz proportional der Eingangsspannung des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 18 ist. Als weitere digital arbeitende Elemente sind die Differenzgatter 19 und 20 vorgesehen. Diese enthalten in an sich bekannter Weise zur Bildung der Differenz von Impulsreihen Synchronisierspeicher, in welche die Eingangsimpulse zunächst übernommen werden sowie eine Vergleichsschaltung, welche pro Takt eine dem Differeniigatter zugeführten, mit T bezeichneten Taktfrequenz die Inhalte der beiden Synchronisierspeicher miteinander vergleicht und die Differenzfrequenz der Eingangsimpulsfolgen taktsynchron ausgibt. Da dann pro Taktperiode höchstens nur ein Impuls am Ausgang des Differenzgatters 20 erscheinen kann, ist dessen Ausgangsfrequenz, wie angedeutet, durch die Taktfrequenz begrenzt. Im Hinblick darauf, daß innerhalb des Differenzgatters 20 keine Verstärkung bzw. Vervielfachung der Eingangsimpulsfrequenzen stattfindet, stellt F i g. 4 das digitale Analogon zu der Anordnung nach F i g. 1 dar, wenn dort die Eingangsgröße 1/Kdes Multiplikators 6 gleich Eins ist. Es kann dann nämlich die Verbindung zwischen der Ausgangsgröße des Multiplikators 6 und dem Summierglied 2 samt dem Verstärker 9 entfallen.
Dem Differenzgatter 20 ist zur Bildung der Soll-Istwertdifferenz eine dem Sollwert w und eine dem Istwert χ entsprechende Impulsfolge sowie die mit A bezeichnete Ausgangsfrequenz des Spannungsfrequenzumsetzers 18 zugeführt, welche im Differenzgatter 19 mit der Ausgangsfrequenz des Differenzgatters 20 verglichen wird. Wesentlich ist, daß am Eingang des den Integralanteil bildenden Zählers 16 unabhängig von der Abbildungsgenauigkeit des Digital-Analog-Wandlers sowie des Spannungs-Frequenz-Umsetzers stets genau die Differenz Δ zwischen Sollwertgröße w und Istwertgröße χ erscheint, wie aus F i g. 4 ohne weiteres zu entnehmen ist. Der Abbildungsfehler dieser Umsetzei hat also keinen Einfluß auf die Regelgenauigkeit. Dasselbe gilt auch bei den Anordnungen nach der F i g. 1 und 2 bezüglich der Fehler der Multiplizierer" bzw. 6.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Ein derartiger PI-Regler ist nach W. Op pe It

   p_at ,,„-.,. ,Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, I960,

   Patentansprüche. £^ _{βω ζΐχ tekaimt und} ^^ _{aus dnem} ^

   Patentansprüche. £^ _{βω ζΐχ tekaimt und} ^^ _{aus dnem} ^

   PI-Reder mit einer direkten Ausgangs- und gangsbegrenzten Verstärker sehr großer Leerlaufver-

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