DD160247A3 - Dreipunkt-schrittregler mit dpi-verhalten - Google Patents

Abstract

Steuerelektronik fuer einen Dreipunkt-Schrittregler mit DPI-Verhalten, der zur Regelung v. langsamen verfahrenstechnischen Prozessen angewendet wird. Die Erfindung bezweckt durch eine weitgehende entkoppelte Einstellbarkeit der Reglerparameter und Vermeidung einer Integralsaettigung die Reglerbedienung zu vereinfachen, den Bauelementeaufwand und Energieverbrauch zu senken sowie die Zuverlaessigkeit zu erhoehen. Erfindungsgemaess werden die Zeitkonstanten TN und TV des Reglers im Verhaeltnis zueinander von einem Tastgenerator gleichzeitig gesteuert, wobei eine Steuerlogik, bestehend aus Optokoppler und Transistor, elektronisch zwischen integralem Aufladen und verzoegertem Entladen umschaltet. Die Erfindung kann in allen entsprechenden verfahrenstechnischen Prozessen der BMSR-Technik Anwendung finden.

Description

Erfinder: Dipl.-Ing· Werner Zuchold Berlin, 25·10·1982

Dipl.-Ing, Bernd Schmidt P 1197 ,

Zustellungsbevollm«,: 9 9 7 C C

Institut für Begelungstechnik *- *· / Q D im Kombinat VEB EAW Berlin-Treptow "Friedrich Ebert" 1055 Berlin, Storkower Str. 101 Pat.-Ing· Peter Mittelberger

Steuerelektronik für einen Dreipunkt-Schrittregler mit DPI-Verhalten

G 05 B 11/42

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Steuerelektronik für einen Dreipunkt-Schrittregler mit DPI-Verhalten, der insbesondere als stetig ähnlicher Begier bei der Begelung von langsamen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz kommt«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es gehört zum allgemeinen Stand der Technik stetig ähnliche Dreipunktregler, bestehend aus einem Dreipunktglied und einer Bückführung, aufzubauen, wobei das Zeitverhalten durch Steuerung der Bückführung beeinflußt wird·

Derartige Begierstrukturen sind von A. Wierzbicki in der Begelungstechnik (München) (14) 1966 S. 166 - 171 and S. 277 281 sowie von Latzel in der Begelungstechnik (15) 1967 Seite 355 - 361 beschrieben. Hier wird das PID-Zeitverhalten durch die Ausführung der Bückführung erreicht, die durch Gegeneinanderschaltung von zwei PTI-Gliedern bzw· durch Beihen-schaltung eines PT1 oder eines DT1-Gliedes realisiert wird. Diese Strukturen besitzen den Nachteil der starken Verkopplung der Parameter Kp, TS und TV₁ wodurch die optimale Begelkreisanpassung erschwert wird,

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Problematisch bei diesen Seglern ist auch das Verhindern der IntegralSättigung₈ die bei Übersteuerung des Reglers auftritt.

In dem DD-WP 178 503 ist eine Lösung für einen unstetigen PI-Begier bei nachgeschaltetem integralem Stellglied angegeben, die durch Wahl der Bückführstruktur eine weitestgehend unabhängige Einstellung von Ep und TN ermöglicht sowie eine Integralsättigung verhindert. Nachteilig bei dieser Lösung sind die hohen Forderungen an den Bückführverstärker bezüglich Eingangsstrom und Offsetspannung. Außerdem sind die Seglerparameter TV und TN nicht mit einem Bedienelement einstellbar, was für viele Anwendungsfälle sinnvoll ist.

In der DE-OS 23 10 892 wird weiterhin eine Schaltung beschrieben, bei der durch Tastung des Integrationswiderstandes eines Integrators eine in weiten Grenzen veränderbare Integrationszeitkonstante eingestellt werden kann. Durch diese Maßnahme werden die Fehlereinflüsse des Verstärkers reduziert sowie sehr große Widerstände bzw· Kondensatoren vermieden. Nachteilig ist der hohe Aufwand einer Bealisierung mehrerer Tastgeneratoren_s um die Parameter des P-, I- und D-Anteils einzustellen«,

Ziel der Erfindung

Der nützliche Effekt der Erfindung besteht darin, daß durch die gefundene Lösung für die Veränderung der Zeitkonstanten und für die Steuerlogik mittels Optokoppler eine Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Verringerung der Anzahl der erforderlichen Bauelemente erreicht wird. Weiterhin wird eine geringere stabilisierte Versorgungsspannung für die Operationsverstärker benötigt, da die Feldeffekttransistoren nicht direkt durch die Ausgangsspannung des Dreipunktschalters, sondern über den Optokoppler gesteuert werden. Diese Maßnahme reduziert den Energieverbrauch der gesamten Schaltung.

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Daneben besteht der nützliche Effekt in einer einfacheren Reglerbedienung. Auf große RO-Kombinationen kann verzichtet werden und an den Eückführverstärker werden keine hohen Forderungen bezüglich der Offsetspannung gestellt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird, besteht darin, mit geringem Aufwand eine Steuerelektronik für einen Dreipunkt-Schrittregler zu realisieren, der sich integral auflädt und verzögert abklingt, wobei eine weitgehende entkoppelte Einstellbarkeit der Begierparameter erreicht sowie eine Integralsättigung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird unter Verwendung eines bekannten Dreipunktschalters, einer integral aufladbaren und verzögert entladbaren Bückführung, DOM-Glied und integralem Stellglied gelöst, indem erfindungsgemäß die Bückführung aus einem aktiven Zeitglied besteht, das aus einem invertierenden Verstärker mit Integrationskondensator und Entladewiderstand zwischen Eingang und Ausgang sowie Integrationswiderstand am Eingangspunkt gebildet wird. Der Entladewiderstand besteht aus der Reihenschaltung eines Integrationswiderstandes und eines MOS-FeIdeffekttransistors, der vom Tastgenerator gesperrt bzw. leitend gesteuert wird. Hierdurch erhöht sich der für den Abklingvorgang verantwortliche Widerstand um das Verhältnis Periodendauer zur Einschaltzeit des Tastgenerators. Durch Veränderung der Periodendauer T bei konstanter Einschaltzeit t_ei des Feldeffekttransistors kann somit die Zeitkonstante in weitem Bereich verändert werden· Die wirksame Zeitkonstante ist dann

= H-C-S

wobei T die Periodendauer und t_Q* die Einschaltzeit ist· Beim Schalten des Triggers 3 wird die Ausgangsspannung, die negativ und positiv sein kann, auf die Diodenkombination D1 bis D4 mit dem Optokoppler 0?1 in der Brückendiagonale gegeben.

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Der Optokoppler in der Brücke bewirkt nun, daß die "bipolar ankommende Eingangsspannung in eine unipolare Spannung umgewandelt wird und daß bei Anliegen eines Ausgangssignals des Triggers 3 die Umschaltung von PT1- in I-Verhalten erfolgt. Gleichzeitig wird die erforderliche bipolare Rückführeingangsspannung durch die Brücke stabilisiert.

Die Abklingzeitkonstante des DT1-Gliedes wird durch einen Differentiationswiderstand mit getastetem !Feldeffekttransistor in Reihe gebildet, wobei die Tastimpulse für die Abklingzeitkonstante des DT1-Gliedes und den Abklingvorgang der Rückführung von einem gemeinsamen Tastgenerator erzeugt werden. Somit wird durch diese Lösung der Vorteil erzielt, daß bei Änderung der Periodendauer an einem Bedienelement die Reglerparameter TH und TY im Verhältnis

zueinander gleichzeitig geändert werden· Die veränderlichen Zeitkonstanten für den Abklingvorgang der Rückführung und den Abklingvorgang des DT1-Gliedes werden mit relativ kleinen Kapazitäts- und Widerstandswerten realisiert.

Nach dem Abklingen aller Zeitkonstanten befindet sich der Dreipunktregler im Ruhezustand und das Stellglied wird nicht betätigt·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Steuerelektronik für einen Schrittregler,

Die Regelgröße χ wird über die Eingangseinheit 1 auf den Dreipunktschalter 3 geschaltet, der die Regelabweichung, bestehend aus der Differenz zwischen Istwert χ und Sollwert W, bildet.

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Ist die Begelabweichung größer als der Ansprechwert x__ des Dreipunktschalters 3» so wird er darchgesehaltet und ein Belais, durch eine Treiberstufe 4 angesteuert, zur Steuerung des integralen Stellgliedes 8 "betätigt. Gleichzeitig steuert das Ausgangssignal die Rückführung 5 und den Tastgenerator 7 an. Eine Steuerung bewirkt, daß sich die Bückführung 5 integral mit entgegengesetztem Vorzeichen auflädt, dadurch die Begelabweichung abbaut und den Dreipunktschalter 3 bei Erreichung der Abschaltschwelle χ . abschaltet. Dadurch kommt das Stellglied 8 zum Stillstand. Die Bückführung 5 wird jetzt als PT1-Glied umgeschaltet und entlädt sich mit der Zeitkonstante

= TN * 01 . B2 . ¥

bis die Bückführausgangsspannung den Ansprechwert des Dreipunktschalters 3 wieder erreicht und erneut das Stellglied 8 betätigt. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig. Die Eingangsspannung der Bückführung 5 wird durch das Kp-Potentiometer B4 festgelegt.

Die Zeitkonstante der PT1 -Bückführung entspricht der Nachstell zeit TN. Das Zeitverhalten dieser beschriebenen Struktur hat PD-Verhalten und mit nachgeschaltetem integralem Stellglied wird so PI-Verhalten erzeugt. Wird die Begelgröße χ zusätzlich differenziert und am Summierverstärker des Dreipunktschal ters 3

hinzuaddiert, so erhält man einen Dreipunkt-Schrittregler mit DPI-Verhalten bei nachgeschaltetem integralem Stellglied 8.

Die Vorhalt zeit wird durch ein Düii-Glied 6 gebildet, dessen Zeitkonstante ebenfalls durch das Tastverhältnis bestimmt wird. Die Zeitkonstante der Bückführung 8 und die Zeitkonstante des DT1-Gliedes 6 werden von einem Tastgenerator 7 gesteuert, dessen Tastverhältnis mit einem Potentiometer eingestellt werden kann.

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Das aktive Zeitglied der Buchführung 5 wird durch den invertierenden Verstärker V1 gebildet, wobei die Abklingzeitkonstante durch den Integrationskondensator 01, den Entladewiderstand R2 und dem Tastverhältnis am MOS-Feldeffekttransistor T2 bestimmt wird. Gleichzeitig erfolgt mit den MOS-Feldeffekttransistoren T2 und T3 die elektronische Umschaltung zwischen dem integralen Aufladvorgang und dem verzögerten Abklingvorgang, indem durch die Steuerlogik, bestehend aus Optokoppler OM und Si-npn-Transistor T5, eine wechselseitige Sperrung vorgenommen wird. Um ein sicheres Durchschalten des Feldeffekttransistors T3 zu gewährleisten, muß das Gate gegenüber dem Source um den Abschnürbereich (-7V) negativer vorgespannt sein. Da die Dreipunktreglerausgangsspannung Y durch die positive und negative Sättigungsausgangsspannung eines Verstärkers bestimmt wird, wird das Gate des MOS-Feldeffekttransistors T3 über einen Optokoppler T1, dessen Diode in der Brückendiagonale der Dioden D1 bis D4 liegt, immer mit der negativen Betriebsspannung angesteuert. Er ist somit beim Ansprechen des Dreipunktschalters 3 immer leitend, die Rückführung 5 kann sich mit der Zeitkonstante R1 . 01 aufladen, da das Gate des MOS-Feldeffekttransistors T2 in diesem Moment über den Si-npn-Transistor T5 gesperrt ist.

Hat der Regler seine Ruhelage, d. h. Ausgangssignal Null, ist der Transistor des Optokopplers T1 gesperrt. Dadurch ist der MOS-FeIdeffekttransistor T3 und der Si-npn-Transistor T5 ebenfalls gesperrt. Der MOS-Feldeffekttransistor T2 wird durch den Tastgenerator 7 gesteuert und ermöglicht somit den Abklingvorgang.

Die Abklingzeitkonstante des DT1-Gliedes 6 wird durch den Differentiationskondensator 02, dem Differentiationswiderstand R3 und dem Tastverhältnis am MOS-Feldeffekttransistor T4 gebildet. Der nichtinvertierende Verstärker V2 ist ein Spannungsfolger und dient zur Entkopplung.

Neben der einfachen Bedienung durch die gleichzeitige Verstellung von TN und TV durch ein Bedienelement, zeichnet

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sich die erfindungsgemäße Lösung der Steuerlogik mittels Optokoppler durch höhere Zuverlässigkeit, geringeren Volumens und weniger Bauelemente aus. Daneben erlaubt die Lösung den Einsatz einer weniger stabilisierten Versorgungsspannung für die Operationsverstärker und somit einen geringeren Energieverbrauche

Claims (2)

1. 227664 7 -⁸-

   Erfindungsanspruch

   1. Steuerelektronik für einen Dreipunkt-Schrittregler mit DPI-Verhalten unter Verwendung eines Dreipunktschalters, einer integral aufladbaren und verzögert entladbaren Rückführung, DT1-Glied und integralem Stellglied, gekennzeichnet dadurch, daß von einem gemeinsamen Tastgenerator (7) die Zeitkonstanten (03J) und ((EV) gleichzeitig eingestellt werden, indem der Rückkopplungszweig des invertierenden Verstärkers (V1) der I/PTI-Rückführung (5) durch Parallelschaltung des Integrationskondensators (01) mit einem in Reihe liegenden Entladewiderstand (R2) und getasteten MOS-Eeldeffekttransistor (T2) sowie sein Eingangswiderstand aus der Reihenschaltung eines Integrationswiderstandes (R1) mit einem MOS-Peldeffekttransistor (0?3) gebildet wird und daß die elektronische Umschaltung zwischen integralem Auflade- und verzögertem Abklingvorgang an dem invertierenden Verstärker (V1) durch eine Steuerlogik, die wechselseitig die MOS-Peldeffekttransistoren (T2; T3) sperrt, erfolgt.
2. 2. Steuerelektronik naoh Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerlogik aus einem Si-npn- Transistor (T5) und einem Optokoppler (T1), dessen Diode in der Brückendiagonale der Dioden (D1 bis D4) liegt, besteht.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung