DE2508434A1 - Integrated circuit proportional integral differential controller - has multiple channels and gives wide range of gain settings - Google Patents
Integrated circuit proportional integral differential controller - has multiple channels and gives wide range of gain settingsInfo
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Abstract
Description
@itel: ELEKTRONISCHE REALISIERUNG EINES MEHRKANAL-PID-REGLERS IN INTEGRIERTER SCHALTKREISTECHNIK nwendungs- Die erfindung betrifft einen Mehrkanal-PID-Regler in gebiet: integrierter Schaltkreistechnik mit unabhängiger Reglerparameter-Einstellung bei raumsparender Bauweise für den Einsatz für zu regelnde systeme mit veränderlichen Systemparametern wie bei Fertigungsabläufen, Werkzeugmaschinen sowie bei foroptimierung von Anlagen vor Ort.@itel: ELECTRONIC REALIZATION OF A MULTI-CHANNEL PID CONTROLLER IN INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY application The invention relates to a multi-channel PID controller in area: integrated circuit technology with independent controller parameter setting with space-saving design for use in controlled systems with variable System parameters such as for production processes, machine tools and for optimization of systems on site.
zweck Für die Automatisierung von Bertigungsprozessen und Anlagen, elektrische und hydraulische Antriebe sind elektronische Regler erforderlich, die einerseits eine zu regelnde physikalische Größe (Regelgröße) genau einhalten, und andererseits enen sicheren Prozeßablauf gewährleisten.purpose For the automation of operating processes and systems, Electric and hydraulic actuators are electronic controllers that require on the one hand, precisely comply with a physical variable to be controlled (controlled variable), and on the other hand, ensure a safe process flow.
stand Es ist bekannt, daß zur Erfüllung dieser Erfordernisse 1er Technik: elektronische, pneusatische und hydraulische Regler eingesetzt werden,für komplexe Anlagen wie in der Verfahrenstechnik auch Prozeßrechner zum Einsatz kommen, denen konventionelle Regelkreise mit elektronischen Reglern unterlagert sind(Firma Siemens, AEG, Honeywell ect,).It is known that to meet these requirements of the 1st technology: electronic, pneumatic and hydraulic regulators are used for complex Plants such as process computers are used in process engineering, where conventional control loops with electronic controllers are subordinate (Siemens company, AEG, Honeywell ect,).
ritik Dabei werden allerdings Einkanalregler mit einem des Standes Verstärkerelement angewandt, bei denen die Entkopder Technik: plung der Regelparameter Kp, Tn, Tv durch komplizierte passive Netzwerke erzielt wird. Dies hat den Nachteil, daß bei einem Fehler im Regler der ganze Regler zu Instandsetzung aus der Anlage herausgenommen werden muß, was die Stillegung der Anlage zur F@lge hat und BetreibsauJfall und Kosten verursacht.ritik, however, are single-channel controllers with one of the standards Amplifier element applied in which the decoupling technique: plung of the control parameters Kp, Tn, Tv is achieved through complicated passive networks. This has the disadvantage that in the event of a fault in the controller, the entire controller has to be repaired from the system must be taken out what the shutdown of the plant has to the result and operational failure and causes costs.
Diese Nachteile werden durch die Adaptierbarkeit des Mehrkanalreglers vermieden. These disadvantages are due to the adaptability of the multi-channel controller avoided.
Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Mehrkanal-PID-Regler elektronisch zu raeli ;eren, der eine große Variationsbreite in der Anwendung; und eine große Adaptierbarkeit bei Parameteränderung der zu regelden Anlage besitzt. Dabei soll besonderen Wert gelegt werden auf Konstanhaltung der Rauschunterdrückung bei Bereichsumschaltung im D-Kanal, große Aaptierbarkeit bei eystemparameteräderung, große Variationsbreite zur Austauschbarkeit von ieglerfunktionen im Laufenden Betreib der Anlage Lösung: Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelößt, daß für jede Xeglerfunktion (nach Bild 1) ein Verstärker in integrierter ochaltkreistechnik hoher Genauigkeit eingesetzt wird, wob«t jeder Reglerfunktion P-, I-, funktion eine separate Funktion karte (Funktionselement) bei der elektronischen Realisierung zugeordnet wird. Durch die Variation der verschiedenen Kartenbestückung des Reglers ergibt sich bei dem Mehrkanal-Regler eine große Variationsbreite und damit Austauschbarkeit im laufenden betrieb. Die Rauschunterdrückung und deren Konstanhaltung wird durch eine Spezialumschalturig im Eingang des D-Kanals erzielt (5. Bild 3).Task: The invention is based on the task of a multi-channel PID controller electronic to raeli; eren, which offers a wide range of variation in the application; and has great adaptability when parameters are changed in the system to be controlled. Special emphasis should be placed on keeping the noise suppression constant with range switching in the D-channel, great adaptability when changing system parameters, large variation range for the interchangeability of control functions during operation the system solution: This task is solved according to the invention that for each Controller function (according to Fig. 1) an amplifier with integrated circuit technology Accuracy is used, with each controller function P, I, function a separate one Function map (functional element) assigned in the electronic implementation will. Due to the variation of the different card configuration of the controller results The multi-channel controller offers a wide range of variation and thus interchangeability in operation. The noise reduction and its constancy is achieved by A special switch is achieved in the entrance of the D-channel (5. Fig. 3).
Der Regler ist erweiterungsfähig auf. weitere Regler funktionen -auch mit @rädiktorverha@@en.The controller can be expanded to. further controller functions -also with @ rädiktorverha @@ en.
Die Grundlagen und die elektronische Realisierung des Mehrkanal-PID-Reglers sind nachfolgend genau beschrieben, wobei das gezeigte Prinzip nicht von der speziellen zahlenmäßigen Dimesionierung abhängig ist.The basics and the electronic implementation of the multi-channel PID controller are described in detail below, whereby the principle shown does not differ from the special one numerical dimensioning is dependent.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung: Grundlagen des Mehrkanalreglers Ausgehend von den Grundgedanken des Mehrkanal-PID-Reglers [2] werden aus dem Einkanal-PID-Regler die mathematischen Bedingungen fürdie elektronische Realisierung des Mehrkanal-PID-Reglers abgeleitet.Further embodiment of the invention: Basics of the multi-channel controller Based on the basic idea of the multi-channel PID controller [2], the single-channel PID controller the mathematical conditions for the electronic implementation of the multi-channel PID controller derived.
Nach Signalflußdiagramm Bild la lautet die komplexe Übertragungsfunktion mit s als Laplace-Operator für den Einkanalregler: FPID = Kp (l + s Tn)(1 + s Tv)/s Tn (1) Einstellwerte: Tn = Nachstellzeit Tv = Vorhaltzeit Kp = Reglerverstärkung Dabei sind die Größen Kp Tn' Tv nicht unabhängig voneinander einstellbar, was bei Versuchsbetrieb und Auffinden eines Optimums ein Nachteil ist, der von dem Kanalregler vermieden wird. Die in Bild Ib dargestellten Zusammenhänge lassen sich aus Gleichung (1) herleiten. According to the signal flow diagram in Fig. La, the complex transfer function reads with s as the Laplace operator for the single-channel controller: FPID = Kp (l + s Tn) (1 + s Tv) / s Tn (1) Setting values: Tn = reset time Tv = derivative time Kp = controller gain The variables Kp Tn 'Tv cannot be set independently of one another, which is the case with Trial operation and finding an optimum is a disadvantage of the duct controller is avoided. The relationships shown in Figure Ib can be derived from equation (1) derive.
Durch Ausmultiplizieren im Zähler ergibt sich: -xa Kp(1 + s(Tn + Tv) + s2TnTv) FPID = = (2) xe s Tn Kp Kp(Tn + Tv)s KpTnTvs2 FPID = + + (3) s Tn s Tn s Tn Durch Kürzen und Zusammenfassen folgt schließlich: Dies ist die Gleichung des Mehrkanal-PID-Reglers mit den Einstellwerten Kp, Tn, Tv des Einkanalreglers, die aber bei den meisten Optimierungsverfahren, wie beim Ziegler-Nichols-Verfahren, aus der Betragsoptimierung und der symmetrischen Optimierung primär ermittelt werden.By multiplying it out in the numerator, the result is: -xa Kp (1 + s (Tn + Tv) + s2TnTv) FPID = = (2) xe s Tn Kp Kp (Tn + Tv) s KpTnTvs2 FPID = + + (3) s Tn s Tn s Tn By shortening and summarizing it finally follows: This is the equation of the multi-channel PID controller with the setting values Kp, Tn, Tv of the single-channel controller, which, however, in most optimization methods, such as the Ziegler-Nichols method, are primarily determined from the absolute value optimization and the symmetrical optimization.
Beim Mehrkanalregler lassen sich primär die Integrierzeit und die Differenzierzeit einstellen, die wiederum aus der Nachstellzeit und der Vorhaltzeit errechnet werden können.With the multi-channel controller, the integration time and the Set the differentiation time, which in turn is made up of the reset time and the derivative action time can be calculated.
Tn = Kp # TI und TD = Kp # Tv (5) = Integrierzeit TD = Differenzierzeit
Mit diesen Zusammenhängen ergeben sich aus Gleichung (4) folgende Ausdrücke für
die drei Parallelkanäle:
Bild 1b zeigt die Zusammenhänge nach den Gleichungen(6), (7) und (8).Figure 1b shows the relationships according to equations (6), (7) and (8).
Es ist also ersichtlich, daß primär die Parallelverstärkung KPM, die Integrierzeit T1 und die Differenzierzeit TD eingestellt werden, die man nach derOptimierung gemäß Gleichung (6) ermittelt. Außerdem ist aus dem Signalflußdiagramm bereits der Weg für die elektronische Realisierung zu erkennen.It can therefore be seen that primarily the parallel gain KPM, the Integration time T1 and the differentiation time TD can be set, which are set after optimization determined according to equation (6). In addition, from the signal flow diagram is already the Recognize way for the electronic realization.
Elektronische Realisierung Ausgehend von dem Signalflußdiagramm (Bild 1 b) wird für jeden Kanal ein Operationsverstärker für den Reglereingang zum Vergleich von Soll- und Istwert und für den Reglerausgang zur Summation der Teilausgangssignale des P-, 1- und D-Kanals benötigt. Der Aufbau ist in dem Blockschaltbild (Bild 2) dargestellt.Electronic implementation Based on the signal flow diagram (Fig 1 b) an operational amplifier is used for the controller input for each channel for comparison of setpoint and actual value and for the controller output for summing the partial output signals of the P, 1 and D channels are required. The structure is shown in the block diagram (Fig. 2) shown.
Im Hauptsignalflußzweig liegen drei Operationsverstärker, von denen jeder das Vorzeichen einmal umkehrt, so daß sich zwischen Eingang des ersten Summationsverstärkers und dem Ausgang des letzten Summationsverstärkers genau die erforderliche Vorzeichenumkehr ergibt.In the main signal flow branch there are three operational amplifiers, one of which each reverses the sign once, so that there is between the input of the first summing amplifier and the output of the last summing amplifier exactly the required sign reversal results.
Für den gesamten Mehrkanal-PI D-Regler werden fünf Operationsverstärker in IS-Technik benötigt. Eingesetzt wurden speziell die Operationsverstärker TBA 221, deren Schaltbild in Bild 3 dargestellt ist. Dabei handelt es sich um monolithische integrierte Verstärker im Rundgehäuse mit einem maximalen Durchmesser von d = 8,5 mm und einer maximalen Höhe von h = 4,7 mm (im Vergleich hierzu die Baugröße eines Operationsverstärkers in klassischer Modulbauweise: Kantenlänge I = 30 mm und Höhe h = 15 mm). Damit lassen sich die Verstärkerschaltungen in IS-Technik auf gedruckten Schaltplatinen kleiner bauen und übersichtlicher gestalten.There are five operational amplifiers for the entire multi-channel PI D controller required in IS technology. The TBA operational amplifiers were used in particular 221, the circuit diagram of which is shown in Figure 3. These are monolithic Integrated amplifier in a round housing with a maximum diameter of d = 8.5 mm and a maximum height of h = 4.7 mm (in comparison the size of a Operational amplifier in classic modular design: edge length I = 30 mm and height h = 15 mm). This means that the amplifier circuits can be printed on using IS technology Build circuit boards smaller and make them clearer.
Summationsverstärker Die zwei Summationsverstärker 1 und 5 nach Bild 2 für den Ein- und Ausgang des Reglers werden nach Bild 4 gleich ausgeführt. Damit ergibt sich eine gegenseitige Austauschbarkeit. Wie bei den einzelnen Regelkanälen ist bei den Summationsverstärkern der Operationsverstärker TBA 221 das Kernstück. Alle Verstärker in dem Mehrkanalregler werden zwischen Klemme 2 und Erde mit einem Widerstand von 220 kst zur Temperaturstabilisierung versehen. Ferner wird zwischen Klemme 1 (negative Spannung) und Klemme 5 ein zwölfgängiges 10-kQ-Wendelpotentiometer zum Abgleich der Offset-Spannung eingebaut. Die zwei Summationsverstärker addieren drei Spannungen (z.B.Summation amplifier The two summation amplifiers 1 and 5 as shown in the picture 2 for the input and output of the controller are carried out in the same way as shown in Figure 4. In order to there is mutual interchangeability. As with the individual control channels The TBA 221 operational amplifier is the core of the summation amplifiers. All amplifiers in the multi-channel controller are connected between terminal 2 and earth with a Provided a resistance of 220 kst for temperature stabilization. Furthermore, between Terminal 1 (negative voltage) and terminal 5 a twelve-turn 10 kQ spiral potentiometer built in to adjust the offset voltage. Add the two summing amplifiers three voltages (e.g.
Addition der Ausgangssignale an den Reglerkanälen) oder sie subtrahieren diese (Bildung der Regeldifferenz am Reglereingang).Addition of the output signals on the controller channels) or subtract them this (formation of the control difference at the controller input).
Die allgemeine Gleichung für den Summationsverstärker lautet: Ra - Ua = K(Ue1 + Ue2 + Ue3) mit K = = 1 (10) Re Sollen alle Eingangssignale gleich groß übertragen werden, dann müssen auch alle Eingangswiderstände gleich sein: Re1 5 Re2 = R e3 = lokfl.The general equation for the summing amplifier is: Ra - Ua = K (Ue1 + Ue2 + Ue3) with K = = 1 (10) Re All input signals should have the same size are transmitted, then all input resistances must also be the same: Re1 5 Re2 = R e3 = lokfl.
Für die exakte Einhaltung der VerstärkungK 5 1, die für die Genauigkeit des Reglers wünschenswert ist, wird eine Widerstandskombination in der Rückführung eingesetzt. Die Widerstände R. und R.2 dienen zur Bereichsspreizung, der Widerstand Rx = 10 k# zur Feineinstellung. Mit diesen Werten ergibt sich der Rückführungswiderstand zu: Ra = 300 + 20 Rx k#; Ramin = 8,6 k# und Ramax = 11,1 k# 35 + Rx (11) Damit ist eine Feineinstellung speziell beim Einsetzen eines zwölfgängigen Wendelpotentiometers für Rx im Bereich K - 0.81 bis Wlmpglic- ~ (12) P-Kanal Der P-Kanal des Reglers ist im Grundaufbau dem Summationsverstärker sehr ähnlich (siehe Bild 4) Die Grundgleichung des P-Kanals lautet: - xaP = KPM # xd oder - Uap = KPM Uc (13) Die Proportionalverstärkung errechnet sich aus dem festen EingangswiderstandRep(mit Bereichsumschaltung 10 k# parallel) und dem veränderlichen Ausgangswiderstand RaP zu: KPM = RaP (14) ReP Der Eingangswiderstand für den unteren Verstärkungsbereich soll R,p = 10 k# (15) sein. Der Rückführungswiderstand Ra wird veränderlich ausgeführt: RaP = RaO + RxO = 10 k# + (0 bis 500) k# (16) Für die obigen Werte errechnet sich die Verstärkung des P-Kanals zu: KPM = 1 bis 50 (17) Durch Schließen des Schalters am Eingangswiderstand ergibt sich Rcpi = 5 kn und eine Verstärkung von KPMI = 2 bis 100 (18) Die Skala des P-Kanals kann für offenen Schalter auf bestimmte Werte kalibriert werden, die sich dann beim Schließen um den Faktor 2 erhöhen.For the exact adherence to the gain K 5 1, that for the accuracy of the controller is desirable, a combination of resistors is used in the feedback used. The resistors R. and R.2 are used to spread the range, the resistance Rx = 10 k # for fine adjustment. The feedback resistance results from these values to: Ra = 300 + 20 Rx k #; Ramin = 8.6 k # and Ramax = 11.1 k # 35 + Rx (11) So that a fine adjustment especially when inserting a twelve-turn spiral potentiometer for Rx in the range K - 0.81 to Wlmpglic- ~ (12) P-channel The P-channel The basic structure of the controller is very similar to the summation amplifier (see Fig 4) The basic equation of the P-channel is: - xaP = KPM # xd or - Uap = KPM Uc (13) The proportional gain is calculated from the fixed input resistance Rep (with Range switching 10 k # parallel) and the variable output resistance RaP to: KPM = RaP (14) ReP The input resistance for the lower gain range should be R, p = 10 k # (15). The feedback resistance Ra is variable: RaP = RaO + RxO = 10 k # + (0 to 500) k # (16) The above values are calculated the gain of the P channel to: KPM = 1 to 50 (17) By closing the switch at the input resistance, Rcpi = 5 kn and a gain of KPMI = 2 up to 100 (18) The scale of the P-channel can be set to certain values for an open switch calibrated, which then increase by a factor of 2 when closing.
D-Kanal Für die elektronische Realisierung ist ein reines D-Verhalten bezüglich der Rauschanfälligkeit sehr kritisch, selbst dann wenn der D- Kanal ohne Verstärkung arbeitet. Für das reine D-Veralten gilt (s. Bild 5): xaD FD = = s # CeD # RaD (19) xe Darin ist die Differenzierzeitkonstante TD = CeD # RaD (20) Zum Festlegen von TD wird entweder der Eingangskondensator oder der Rückführungswiderstand verändert. Da nun das Verändern der Eingangskapazität etwas aufwendiger ist als das Verändern des Rückführungswiderstandes, wird der Rückführungswiderstand variabel ausgelegt. D channel For the electronic implementation, a pure D behavior is required very critical with regard to susceptibility to noise, even if the D channel is without Reinforcement works. The following applies to pure D obsolescence (see Fig. 5): xaD FD = = s # CeD # RaD (19) xe This is the differentiation time constant TD = CeD # RaD (20) Zum Setting TD becomes either the input capacitor or the feedback resistor changes. Since changing the input capacitance is a bit more complex than changing the feedback resistance, the feedback resistance becomes variable designed.
Für mittelschnelle Regelsysteme, wie elektromotorische Antriebe und Flugsysteme, wäre eine Differenzierzeit von TD = 0,1 5 ...10 s wünschenswert. Diese Zeitkonstante läßt sich gut realisieren, jedoch haben erste Versuche gezeigt, daß der ideale D-Kanal so stark rauscht, daß der gesamte Mehrkanalregler dadurch gesperrt wird. Es muß daher eine Rauschunterdrückung im D-Kanal vorgenommen werden. For medium-speed control systems such as electromotive drives and Flight systems, a differentiation time of TD = 0.1 5 ... 10 s would be desirable. These The time constant can be implemented well, but initial experiments have shown that the ideal D-channel is so noisy that the entire multi-channel controller is blocked will. Noise suppression must therefore be carried out in the D channel.
Hier bieten sich zwei Möglichkeiten an: o Parallelschaltung eines Dämpfungskondensators Ca und o Reihenschaltung eines Dämpfungswiderstandes ReD im Eingang des D-Kanals. There are two possibilities here: o Parallel connection of one Damping capacitor Ca and o Series connection of a damping resistor ReD im Entrance of the D channel.
Grundsätzlich muß bei der Bedämpfung berücksichtigt werden, daß die Dämpfungszeitkonstante sehr viel kleiner sein muß als die Differenzierzeit und außerdem möglichst klein verglichen mit der kleinsten Zeitkonstanten des zu regelnden Systems. @ Für die komplexe Übertragungsfunktion des D-Kanals mit Eingangsdämpfungswiderstand gilt: - xaD Za FD = = (21) x@ Ze Die Impedanzen errechnen sich zu: Za = RaD und Ze = ReD + 1/s CeD (22) Aus den Gleichungen 21 u.22ergibt sich: s # RaD # CeD FD = (23) 1 + s # ReD # CeD Die komplexe Übertragungsfunktion mit den Zeitkonstanten lautet dann: FD = = s # TD # (24) xe 1 + s # Te Darin ist wieder die reine Differenzierzeitkonstante TD = RaD # CeD (25) Die Glättungszeitkonstante ergibt sich zu: Te = ReD CeD (26) Bei der Reihendämpfung muß Te # Td sein, d.h., für den Reihendämpfungswiderstand gilt: ReD # RaD (ReD = 1 k#) (27) Grundsätzlich sind beide Dämpfungsarten für den D-Kanal realisierbar. Es muß nur darauf geachtet werden, daß sich die Glättungszeitkonstante nicht beim Einstellen von TD ändert, weil sonst keine definierten Voraussetzungen mehr vorliegen. Basically, it must be taken into account with the damping that the Damping time constant must be much smaller than the differentiation time and also as small as possible compared to the smallest time constant of the system to be controlled. @ For the complex transfer function of the D-channel with input damping resistor the following applies: - xaD Za FD = = (21) x @ Ze The impedances are calculated as follows: Za = RaD and Ze = ReD + 1 / s CeD (22) Equations 21 and 22 result in: s # RaD # CeD FD = (23) 1 + s # ReD # CeD The complex transfer function with the time constants then reads: FD = = s # TD # (24) xe 1 + s # Te This is again the pure differentiation time constant TD = RaD # CeD (25) The smoothing time constant results from: Te = ReD CeD (26) For series attenuation, Te must be Td, i.e., for series attenuation resistance The following applies: ReD # RaD (ReD = 1 k #) (27) Basically, both types of damping are for the D-channel can be implemented. It must only be ensured that the smoothing time constant does not change when setting TD, because otherwise no defined requirements more available.
Die Differenzierzeit TD wird zweckmäßigerweise mit dem Rückführungswiderstand RaD vorgenommen. Der Differenzierkondensator bleibt dabei unverändert. Bei dieser Einstellungsart der Differenzierzeit bleibt nur bei der Reihenbedämpfung mit R cD die Glättungszeitkonstante Te konstant. The differentiation time TD is expediently with the feedback resistance RaD made. The differentiating capacitor remains unchanged. At this The differentiation time is only set in series damping with R cD the smoothing time constant Te constant.
Die Differenzierzeit TD soll bis 10 s einstellbar sein. The differentiation time TD should be adjustable up to 10 s.
Als Differenzierkondensator CeD' werden 10 µF eingesetzt. Bei TD = 5 s ergibt sich der Rückführungswiderstand zu: TD 5 s RaD = = = 500 k# (28) CeD 10 µF mit TD = 10 s wird RaD = 1000 k# Der Rückführungswiderstand RaD soll für folgende Werte stufig umgeschaltet werden: RaD = 0,20,60,80,100,120,140,180,200,300,400,750,1000 k# (29) Mit diesen Werten erhält man nach obiger Gleichung folgende Differenzierzeiten: TD = 0, 0,2, 0,6, 0,8, 1, 1,2, 1,4, 1,8, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10 s (30), die dann auf einer Skala angebracht werden, Die Glättungszeitkonstante errechnet sich bei RED = 1 kQ zu: Te = ReD # CeD = 1 k# # 10 µF = 10 ms. (31) Damit ist Te < TD. 10 µF are used as the differentiating capacitor CeD '. At TD = 5 s the feedback resistance results in: TD 5 s RaD = = = 500 k # (28) CeD 10 µF with TD = 10 s, RaD = 1000 k # The feedback resistance RaD should be used for the following Values can be switched over in stages: RaD = 0,20,60,80,100,120,140,180,200,300,400,750,1000 k # (29) With these values one obtains the following differentiation times according to the above equation: TD = 0, 0.2, 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4, 1.8, 2, 3, 4, 5, 7.5, 10 s (30) which then on attached to a scale, the smoothing time constant is calculated with RED = 1 kQ to: Te = ReD # CeD = 1 k # # 10 µF = 10 ms. (31) Hence Te <TD.
Durch das Tiefpaßverhalten der Reglerdämpfung nach Gleichung (31) erhält man als Eckfrequenz: 1 #@ = = 100 s-1 oderf@ = 37,2 Hz (32), T@ Damit wird jedes Rauschen mit einer Frequenz, die größer als 38 Hz ist, unterdrückt, insbesondere auch das Netzrauschen von 50 Hz. Due to the low-pass behavior of the controller damping according to equation (31) the following is obtained as the base frequency: 1 # @ = = 100 s-1 or f @ = 37.2 Hz (32), T @ thus becomes any noise with a frequency greater than 38 Hz is suppressed, in particular also the network noise of 50 Hz.
Bei Bereichsumschaltung zur Feinstellung auf CeD = 5 µF (s. Bild 4 Teil 1) erhält man bei gleichen Rückführungswiderständen folgende Werte für die Differenzierzeit: TD2 = 0, 0,1, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,9, 1, 1,5, 2, 2,5 s (33), Ein Vergleich mit den Werten nach 30 zeigt nun, daß die Bereichsumschaltung eine Feineinstellung ergibt, die genau die Zwischenwerte der Einstellreihe nach 33 ermöglicht. When switching the range for fine adjustment to CeD = 5 µF (see Fig 4 Part 1) the following values are obtained for the with the same feedback resistances Differentiation time: TD2 = 0, 0.1, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.9, 1, 1.5, 2, 2.5 s (33), A comparison with the values according to 30 now shows that the range switching is a Fine adjustment results, which enables exactly the intermediate values of the adjustment series according to 33.
Hier muß jetzt allerdings heachtet werden, daß sich bei schaltung auch die Glättungszeitkonstante ändert: Tc2 = ReD # C@D2 = 1 k# # µF = 5 ms und fc2 = 74,4 Hz (34) Hieraus ist ersichtlich. daß sich die Eckfrequenz zur Rauschunterdrükkung verdoppelt und daß das Netzrauschen von 50 Hz nicht mehr wirksam unterdrückt wird.However, it must now be ensured that the smoothing time constant also changes when switched: Tc2 = ReD # C @ D2 = 1 k # # µF = 5 ms and fc2 = 74.4 Hz (34) This can be seen. that the corner frequency for noise suppression doubles and that the network noise of 50 Hz is no longer effectively suppressed.
Es muß daher bei der Bereichsumschaltung die Glättungszeitkonstante den alten Wert beibehalten. Dies wird durch eine zusätzliche Schaltung am Eingang des Reglers erreicht. Ein zweipoliger Umschalter schaltet beim Umschalten vom Bereich CeD - 10 µF auf CeD = 5 µF automatisch einen weiteren Dämpfungswiderstand R@D2 - 1 kfl mit dem vorhandenen Dämpfungswiderstand in Reihe. Damit bleibt die Dämpfung erhalten, und es ergibt sich Te = ReD1 . CeD = 2k# . 0,5 µF = 10 ms 2 und fe = 37,2 Hz, ( 35) was auch eine gute Rauschunterdrückung für das 50-Hz-Netzrauschen bewirkt. The smoothing time constant must therefore be used when the range is switched keep the old value. This is done by an additional circuit at the input of the controller reached. A two-pole changeover switch switches when the area is switched CeD - 10 µF to CeD = 5 µF automatically another damping resistor R @ D2 - 1 kfl with the existing damping resistance in series. This leaves the damping obtained, and we get Te = ReD1. CeD = 2k #. 0.5 µF = 10 ms 2 and fe = 37.2 Hz, (35) which also provides good noise suppression for the 50 Hz network noise.
Die Besonderheit der elektronischen Realisierung des D-Kanals liegt: o in der Feineinstellung der Differenzierzeit Tu durch Bereichsumschaltung der Differenzierkapazität CeD und # in der Konstanthaltung der Glättungszeitkonstanten T@ durch den Reihendämpfungswiderstand ReD am Eingang des D-Kanals und weiterhin im Konstanthalten der Glättungszeitkonstanten bei Bereichsumschaltung. The specialty of the electronic implementation of the D-channel is: o in the fine adjustment of the differentiating time Tu by switching the range of the differentiating capacitance CeD and # in keeping the smoothing time constant T @ constant by the series damping resistor ReD at the input of the D-channel and still keeping the smoothing time constant constant when switching areas.
I-Kanal Beim Integrieren liegen gewisse Probleme in der Integratordrift Dies ist bei der Rückführung im geschlossenen Regelkreis nicht so kritisch wie das Rauschen des D-Kanals. Diese Drift wird hauptsächlich durch die Offsetspannung verursacht, die vom Eingang kommend integriert wird. Nach Bild 7 lautet die komplexe Übertragungsfunktion: FI = -xaI/xe = 1/S . CaI . ReI (36) Mit der Integrierzeit T1 = Rel . Ca1 erhält man: - xaI 1 FI = = (37) xe s # TI Im Zeitbereich lautet diese Gleichung: Bei der Auslegung wird von einer maximalen Integrierzeit T1 = 5 s ausgegangen. Man erhält bei einer Reglerverstärkung vonKp = 50 für die Nachstellzeit: Tn = Kp # TI = 250 s (39) Da bei den meisten Optimierungsverfahren die größte Systemzeitkonstante mit der Nachstellzeit Tn kompensiert wird, können bei dieser Auslegung des 1-Kanals auch größte Regelsysteme wie Turbogeneratoren und Düsenflugzeuge beherrscht werden.I-channel When integrating, there are certain problems with the integrator drift. This is not as critical as the noise of the D-channel in closed-loop feedback. This drift is mainly caused by the offset voltage that is integrated coming from the input. According to Figure 7, the complex transfer function is: FI = -xaI / xe = 1 / S. CaI. ReI (36) With the integration time T1 = Rel. Ca1 we get: - xaI 1 FI = = (37) xe s # TI In the time domain this equation is: The design is based on a maximum integration time T1 = 5 s. With a controller gain of Kp = 50 the following is obtained for the reset time: Tn = Kp # TI = 250 s (39) Since in most optimization methods the largest system time constant is compensated with the reset time Tn, with this design of the 1-channel even the largest control systems such as Turbo generators and jet planes are mastered.
Wird wiederum eine maximale Kapazität Ca = 10 uF eingesetzt, so erhält man für den Eingangswiderstand: II 5 s R@I = = = 500 k# (40) CaI 10 µF Es wird für die Widerstandsumschaltung (s. Bild 4) folgende Kombination gewählt: Rei = 10, 20. 30, 40. 50. 60, 70, 80. 90, @ 100, 200, 300, 400, 500 ) k# (41 ) Daraus ergeben sich die Integrierzeiten für Cai = 10 ) µF zu: T1 = @ 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,8, 0,9, 1, 2, 3, 4, 5 s. (42) Für die Feineinstellung wird auf die Kapazität Cal = 1 µF umgeschaltet, und man erhält dann für Tu: Tu = 0,01, 0,02, 0,03, 0,04, 0,05, 0,06, 0,07, 0,08, 0,09, 0,1 s (43) Zur Unterdrückung der Integratordrift wird die Offsetspannung mit dem Trimmpotentiometer von 10 kst minimisiert und zusätzlich der Offsetresistrom mit einer Potentiometerschaltung (Versorgungsspanming + 15 V) zu Null kompensiert. If again a maximum capacitance Ca = 10 uF is used, the result is man for the input resistance: II 5 s R @ I = = = 500 k # (40) CaI 10 µF It is used for the resistance switching (see Fig. 4) selected the following combination: Rei = 10, 20. 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, @ 100, 200, 300, 400, 500) k # (41) This gives the integration times for Cai = 10) µF become: T1 = @ 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5 s. (42) For fine adjustment, the capacity Cal = 1 µF switched over, and one then obtains for Tu: Tu = 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1 s (43) To suppress the integrator drift, the Offset voltage with the trimming potentiometer of 10 kst minimized and additionally the offset residual current with a potentiometer circuit (supply voltage + 15 V) compensated to zero.
So sind nun alle drei Kanäle des Mehrkanalreglers elektronisch ausgelegt. und der nächste Abschnitt soll die Anwendungsmöglichkeiten auf-@eigen. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Anwendung des Mehrkanal.PID-Reglers Der Vorteil eines M ehrkanalreglers in integrierter Schaltkreistechnik liegt in der großen Variationsbreite und Adaptierbarkeit bei kleiner Bauweise und niedrigen Kosten, so daß er sich auch hervorragend für den Einsatz in Fertigungsabläufen in der Elektronikindustrie eignet. All three channels of the multi-channel controller are now designed electronically. and the next section is intended to @ own the possible applications. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Use of the multi-channel PID controller The advantage of a multi-channel controller in integrated circuit technology lies in the large range of variation and adaptability with a small design and low cost, so that it is also excellent for suitable for use in production processes in the electronics industry.
Da der Regler, wie eingangs gesagt, im Baukastensystem aufgebaut ist, steht für jede Reglerfunktion einschließlich der Summationen eine separate Funktionskarte zur Verfügung. Because the controller, as mentioned at the beginning, is built in a modular system is, there is a separate one for each controller function including the summations Function card available.
Damit lassen sich je nach dem zu regelnden System bei freier und unabhängiger Einstellung der Reglerparameter folgende Reglertypen realisieren: Typ Kartenbestückung P-Regler im P-Kanal I-Regler im I-Kanal PI-Regler im P- und I-Kanal PD-Regler im P- und D-Kanal fID-Regler im P-. 1- und D-Kanal Der mechanische Aufbau des Reglers kann zweifach ausgeführt werden: o Aufbau im fest verdrahteten Rahmen mit Steckerleisten für die Reglerkarten o Aufbau in Einzelgehäusen mit Grundplatte ,; als Reglerkreis-Simulator Als festverdrahteter Regler soll er der Optimierung (z.B. nach Ziegler-Nichols) von Regelanlagen, wie elektromotorische Antriebe, Werkzeugmaschinen, und schnelle verfahrenstechnische Anlagen dienen. Thus, depending on the system to be controlled, with free and implement the following controller types independently setting the controller parameters: Typ Card equipping P-controller in the P-channel I-controller in the I-channel PI-controller in the P- and I-channel PD controller in the P and D channel fID controller in the P channel. 1- and D-channel The mechanical structure of the controller can be implemented in two ways: o Construction in a hard-wired frame with connector strips for the controller cards o Construction in individual housings with base plate ,; As a controller circuit simulator As a hard-wired controller, it is intended for optimization (e.g. according to Ziegler-Nichols) of control systems, such as electric motor drives, machine tools, and fast process engineering systems are used.
Als Regelkreis-Simulator Der Mehrkanal-PID-Regler kann, auf einen Regelkreis-Simulator erweitert werden. Das System kann wie die Reglerelemente durch aktive I- und PT1-Glieder mit einstellbaren Zeitkonstanten nachgebildet werden des Regelmodells).As a control loop simulator The multi-channel PID controller can, on one Control loop simulator can be expanded. Like the control elements, the system can pass through active I and PT1 elements can be simulated with adjustable time constants Rule model).
Zur Regelkreis-Simulation können nun die Konstanten des Svstems in diese Elemente eingegeben und dann der Regler optimal eingestellt werden.The constants of the system can now be used for control loop simulation in these elements can be entered and then the controller can be optimally adjusted.
Schrifttum /T Siemens: Int-egrier-e Schaltungen Datenbuch 1971/72 2 Dittmar: Der Operatiosverstärker als elektronischer Regler elektronikpraxis Nr.9.9 Sep. 70 S Fröhr : Grundlagen der elektronischen Regelungstechnik.Verlag Siemens 4 Dittmar:PID in IC elektronikpraxis Nr. 12 Dez. 74 elektronikpraxis Nr.1/2 Feb. 75 Vogel-Verlag Würzburg Erzeilbare Vorteile: Die mit der Erfindung erzielbare Vorteil bestehen inbesondere darin, daß eine große Variationsbreite bezüglich des Anwendungsbereichs und große Adaptierbarkeit bei @ystemparameterände@ung durch freieinstellbare Reglerparamet@r ergibt bei kleiner @auweise und niedrigen Kosten. Dabei wurde eine spezielle lonstanhaltung der Rauschunterdrückung bei Bereichsumschaltung des D-Kanals (s.Biid3) eingebaut. Literature / T Siemens: Integrated circuits data book 1971/72 2 Dittmar: The operational amplifier as an electronic controller elektronikpraxis Nr.9.9 Sep 70 S Fröhr: Fundamentals of electronic control technology. Siemens publishing house 4 Dittmar: PID in IC electronics practice No. 12 Dec. 74 electronics practice No. 1/2 Feb. 75 Vogel-Verlag Würzburg Obtainable advantages: those with the invention achievable advantage are in particular that there is a large range of variation with respect to the area of application and great adaptability in the case of system parameter changes Freely adjustable controller parameters result with a small design and low costs. In doing so, a special long-term maintenance of the noise suppression was implemented when switching ranges of the D-channel (see Biid3).
Der Mehrkanal-PID-Regler ermöglicht auch das Aus-tauschen von @eglerfunktionen während des laufenden Betriebs einer @nlage, was im Störungsfall einen Betreibsausfall und Kosten ersparen kann.The multi-channel PID controller also enables controller functions to be exchanged during the ongoing operation of a system, which in the event of a malfunction leads to an operational failure and save costs.
Claims (4)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19752508434 DE2508434A1 (en) | 1975-02-27 | 1975-02-27 | Integrated circuit proportional integral differential controller - has multiple channels and gives wide range of gain settings |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19752508434 DE2508434A1 (en) | 1975-02-27 | 1975-02-27 | Integrated circuit proportional integral differential controller - has multiple channels and gives wide range of gain settings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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ID=5939920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2508434A1 (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1975-02-27 DE DE19752508434 patent/DE2508434A1/en not_active Withdrawn
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