CH686268A5 - Digitaler Regelkreis. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen digitalen Regelkreis mit einem ersten Regler, der eine Regelabweichung Xd als Differenz zwischen einer Führungsgrösse W und einem Ist-Wert X in eine digitale Stellgrösse Yk umsetzt, welche eine Regelstrecke beaufschlagt, deren Ausgangsgrösse X wiederum zur Bildung der Stellgrösse Yk dient.

Bei digitalen Regelkreisen ist die Ausgangsgrösse des Reglers - die Stellgrösse - bedingt durch die Rechengenauigkeit des Reglers oder die Wortbreite des Ausgabekanals nur stufenweise veränderbar. Damit ist der Nachteil verbunden, dass nicht jeder beliebige Ist-Wert statisch angefahren werden kann. Beispielsweise gilt für einen Drehzahlregler, dessen Stellgrösse den Ist-Wert, das heisst die Drehzahl, in zwanzig Stufen im Bereich von 0 bis 2.000 [1/min] einstellen kann, dass die Drehzahl statisch nur in 100-[1/min]-Schritten fixierbar ist.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Regelkreis dahin gehend zu verbessern, dass auch Zwischenstufen einstellbar sind.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsge-mäss in den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Zwischenstufen auch anfahrbar sind, wenn die Stellgrösse mit für die Regelstrecke unbemerkbarer Frequenz moduliert wird.

Der zur Modulation der Stellgrösse verwendete 2-Punkt-Regler ist bei kleinen Regelabweichungen mit einem P-Regler mit unendlicher Verstärkung vergleichbar, das heisst, minimale Regelabweichungen führen zu einer Änderung der Stellgrösse. Bei grossen Regelabweichungen geht die Verstärkung gegen Null, da die Stellgrösse durch den 2-Punkt-Regler maximal um eine Stufe geändert werden kann. Dieses System regelt kleine Regelabweichungen durch die hohe Verstärkung aus, führt aber durch die abnehmende Verstärkung bei steigender Regelabweichung nicht zu instabilen Systemen. Das bedeutet, dass durch den 2-Punkt-Regler die Stabilität des gesamten Regelsystems nicht beein-flusst wird und trotzdem die systembedingten Abweichungen durch die Quantisierung der Stellgrösse ausgeregelt werden. Damit ist eine Optimierung des konventionellen Reglers nach bekannten Verfahren, insbesondere in bezug auf Stabilitätsbetrachtungen, möglich. Unter konventionellen Reglern sind hier alle Regler mit P-, PI-, I- oder PID-Charakteristik zu verstehen.

Da beim Einsatz dieser konventionellen Regler der I-Anteil auf die « Langsame»-Regelstrecke abgestimmt ist, müssen die durch die Quantisierung bedingten Abweichungen vom P-Anteil und gegebenenfalls auch vom D-Anteil ausgeregelt werden. Die Höhe des P-Anteils richtet sich in den meisten Fällen nach der Stabilitätsgrenze des Regelsystems. Die Modulation der Stellgrösse hängt folglich auch von der Regelstrecke ab, das bedeutet, dass bei vorgegebener Proportionalverstärkung des P-Anteils der minimale Fehler durch die Quantisierung der Stellgrösse festliegt.

Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass dem konventionellen Regler Schaltungselemente zur Erzeugung einer Ansprechschwelle Xdmin vorgeordnet sind. Die Ansprechschwelle sorgt dafür, dass der konventionelle Regler nur auf Regelabweichungen Xd über einer Schwelle Xdmin reagieren kann. Dadurch wird verhindert, dass der konventionelle Regler die Reaktion des 2-Punkt-Reglers verstärkt und damit das Regelverhalten negativ beeinflusst.

Vorzugsweise ist eine Anwendung zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors vorgesehen, wobei die Gesamtstellgrösse eine pulsweite modulierte Spannung ist, die durch die Induktivität des Elektromotors geglättet wird. Zur Umsetzung der digitalen Stellgrösse in ein analoges Signal muss in den meisten Fällen ein Digital-Analog-Wandler eingesetzt werden. Bei wenigen Anwendungen kann die Stellgrösse direkt auf die Regelstrecke gegeben werden. Die Regelstrecke führt dann die Digital-Analog-Umsetzung durch ihr integrierendes Verhalten aus. Das ist beispielsweise bei einer digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors durch dessen Induktivität der Fall. Ein drehzahlgeregelter Elektromotor lässt sich mit Vorteil beispielsweise zur Ansteuerung eines Gebläses im Luft- und/oder Abgasstrom bei einem mit fossilen Brennstoffen beheizten Warmwasserbereiter anwenden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet beziehungsweise werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsge-mässen Regelkreises und

Fig. 2 zwei Diagramme zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Regelkreises gemäss Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte digitale Regelkreis besteht im wesentlichen aus einem konventionellen Regler 1, der ein P-, PI-, I- oder PID-Regler sein kann, einem diesem vorgeschalteten Schwellwertgeber 2, einer nachgeschalteten Regelstrecke 3 und einem zu der Regler-1-, Schwellwertgeber-2-Baugruppe parallel geschalteten 2-Punkt-Regler 4. Dem Regelkreis werden die Führungsgrösse W und der momentane Ist-Wert X zugeführt. Mittels eines Differenzgliedes 5 wird die Regelabweichung Xd = W - X gebildet. Mit dieser Regelabweichung Xd wird über einen Verzweigungspunkt 6 sowohl der Schwellwertgeber 2 als auch der 2-Punkt-Regler 4 beaufschlagt. Wird eine minimale Regelabweichung Xdmin überschritten, wird der konventionelle Regler 1 aktiviert. Der konventionelle Regler 1 erzeugt eine Stellgrösse Yk, während der 2-Punkt-Regler 4 eine Korrekturstellgrösse Y2pkt bildet. Beide Reglerausgänge sind mit einem Addierglied 7 verbunden. Das Addierglied 7 bildet die Summe aus den beiden Stellgrössen Yk und Y2pkt. An seinem Ausgang liegt die Gesamtstellgrösse Y als digitales Signal an. Dieses Signal kann entweder direkt auf die Regelstrecke 3 gegeben werden oder muss noch über einen Digital-Analog-Wandler in eine von der Re-

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gelstrecke 3 verarbeitbare Signalform umgesetzt werden. Der 2-Punkt-Regler 4 dient quasi zur Modulation der Stellgrösse. Bei Regelabweichungen Xd grösser oder grösser/gleich Null wird auf die Stellgrösse Yk des konventionellen Reglers ein Schritt aufaddiert und damit die Stellgrösse moduliert. Diesen Zusammenhang zeigt Fig. 2 in zwei einander zugeordneten Zeitdiagrammen. Im oberen Diagramm ist der Ist-Wert-Verlauf und im unteren Diagramm die jeweilige Stellgrösse des 2-Punkt-Reglers 4 dargestellt. Ohne Stellgrössenmodulation sind nur weit auseinanderliegende diskrete Ist-Werte, die hier mit Xyi, Xyj + i und Xyi + 2 bezeichnet sind, statisch einstellbar. Liegt der Soll-Wert beziehungsweise die Führungsgrösse W zwischen zwei X-Werten, kann die resultierende Regelabweichung Xd erheblich sein. Um eine genauere Einstellung zu ermöglichen, ist daher vorgesehen, dass der relativ grob geteilten Stellgrösse Yk des konventionellen Reglers eine Korrekturstellgrösse Y2pkt überlagert wird. Im Zeitraum zwischen ti und te wird durch den 2-Punkt-Regler 4 ein Ausgangssignal mit dem Pegel «high» erzeugt, das heisst Y2pkt = 1 Schritt wird aufaddiert. Wird die Soll-Wert-Abweichung negativ, schaltet der 2-Punkt-Regler auf «low». Das ist im Zeitraum zwischen te und fe der Fall. Dieser Vorgang wiederholt sich bei konstanter Führungsgrösse mit der systemeigenen Regelfrequenz. Die durch die Modulation hervorgerufenen Regelschwankungen sind folglich nur noch von der Abtastzeit des 2-Punkt-Reglers 4 abhängig.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche bei grundsätzlich anders gearteter Ausbildung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Digitaler Regelkreis mit einem ersten Regler, der eine Regelabweichung Xd als Differenz zwischen einer Führungsgrösse W und einem Ist-Wert X in eine digitale Stellgrösse Yk umsetzt, welche eine Regelstrecke beaufschlagt, deren Ausgangsgrösse X wiederum zur Bildung der Stellgrösse Yk dient und dem konventionellen Regler (1) ein 2-Punkt-Regler (4) parallel geschaltet ist, dessen Ein-gangsgrösse die Regelabweichung Xd ist und dessen Stellgrösse Y2pkt zu derjenigen Yk des ersten Reglers (1) addiert wird, wobei die Gesamtstellgrösse Y = Yk + Y2pkt der Regelstrecke (3) zugeführt wird.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, bei dem dem ersten Regler (1) ein Schwellwertgeber (2) zur Erzeugung einer Ansprechschwelle Xdmin vorgeschaltet ist.

3. Anwendung des Regelskreises nach Anspruch 1 zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors, wobei die Gesamtstellgrösse Y eine pulsweite modulierte Spannung ist, die durch die Induktivität des Elektromotors geglättet wird.

4. Anwendung des Regelkreises nach Anspruch 3, zur Ansteuerung eines Gebläses im Luft- und/ oder Abgasstrom eines mit fossilen Brennstoffen beheizten Warmwasserbereiters.

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