DE1673601A1 - Regelverfahren fuer traegheitsbehaftete Regelstrecken - Google Patents
Regelverfahren fuer traegheitsbehaftete RegelstreckenInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den
Werner-von-Siemens-Str. 50
PLA 67/1292 1673601
• Rtegelverfahren für trägheitsbehaftete Regelstrecken
Zur raschen und vollständigen Beseitigung von Regelabweichungen
haben sich PI-Regler als gut geeignet erwiesen. Weist die Regelstrecke
bezüglich ihres dynamischen Verhaltens eine Trägheit bzw,
eine Totzeit auf» dann bringt der Einsatz eines IT-Reglers
209815/0265 Ha/Sr
' -'■-"■ PLA 67/1292
prinzipiell ein Überschwingen der·Hegelgröße über den vorgegebenen
Sollwert mit sich. Pur manche Anwendungsfälle muß ein solches überschwingen unter allen Umständen vermieden werden, so daß sich
hier die Verwendung herkömmlicher PI-Regler verbietet. Als Beispiel
hierzu seien Ofeiitemperaturregelungen genannt, wie sie bei
Diffusionsofen für die Halbleiterdotierung erforderlich sind.
Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für trägheitsbehaftete
Regelstrecken, insbesondere für Ofentemperaturregelungen, welches
dadurch gekennzeichnet ist, daß in den Rückführungskreis des Regelverstärkers
derart eingegriffen wird, daß sich sein dynamischesVerhalten
bei abnehmender Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung
von P in Pl-Verhalten ändert. Grundgedanke der Erfindung ist es also,
den Integralanteil eines PI-Reglers in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung bzw. der Regelgröße während der
Anregelzeit zu unterdrücken, so daß seine Wirkung erst dann voll zur
Wirkung gelangt, wenn bei Annäherung der Regelgröße an den Sollwert
die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung praktisch verschwindet. Bei überschwingungsfreier Binregelung kann dadurch eine
große Langzeitkonstanz sowie eine hohe Genauigkeit der Regelung bei kleiner Anregelzeit erreicht werden.
Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist einen elektronischen Regelverstärker auf, dessen Gegenkopplungszweig aus der Reihenschaltung eines Widerstandee und eines Kondensators
besteht, der in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit
der Reglereingangsgröße galvanisch überbrückbar ist.
-2- Ha/Sr ■/-"'
20fai5/0265
■ V PLA 67/1292
Die Überbrückung selbst kann dabei in einer besonders einfachen
Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Schaltgliedes erfolgen, welches von einem über ein Differensierglied mit der Regelabweichung
beaufschlagten Kippverstärker betätigt wird. In diesem Falle würde
sich je nach Stellung des Schaltgliedes reines P- oder Pl-Verhalten
des Regelverstärkers ergeben.
Je nach Art der Regelstrecke kann es sich hinsichtlich des dynamischen ■_..
Verlaufs der Regelung manchmal als vorteilhaft erweisen, wenn während """^
der Anregelzeit der Übergang von P- in Pl-Verhalten des Regelverstärkers
nicht abrupt sondern kontinuierlich erfolgt. Hierzu kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen werden, daß
dem Kondensator ein fremdgeheizter Heißleiter parallel geschaltet ist,
dessen Heizspannung von einem Verstärker geliefert wird, der über ein
Differenzierglied von der Regelabweichung beaufschlagt ist. Dadurch
kann zu Beginn der Anregelzeit ein P-Verhalten, während der Anregelzeit
ein sogenanntes PlP-Verhalten und gegen Ende der Anregelzeit
das für ein Verschwinden einer bleibenden Regelabweichung erforderliche
Pl-Verhalten erzieht werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei mechanischen
Regelverstärkern erweist sich eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
als vorteilhaft, bei welcher der Regelverstärker mit einer federgekoppelten
Bremstopfrückführung versehen ist, wobei ein in Abhängigkeit
von der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße betätigter
elektromechanischer Kraftschalter einen verschiebbaren,· eine
starre Koppllung zwischen Bremstopfzylinder und Bremstopfkolben auf-
"3" 209815/0265 Ha/Sr
BAD
PLA 67/1292
hebenden Bolzen bewegt. Wird die den mechanischen Regelverstärker beaufschlagende
Regelabweichung durch Kraftvergleich, d. h. durch Bildung der Differenz zwischen einer dem Sollwert und einer dem Istwert proportionalen Kraft gebildet-, dann kann gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung eine in der Kraftrichtung der Reglereingangsgröße
angeordnete Druokmeßdose vorgesehen werden, deren elektrische Ausgangsspannung über· ein Differenzierglied einem
elektrischen Kippverstärker zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung
den elektromechanischen Kraftschalter betätigt. Anstelle der Druckmeßdose könnten auch auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende
Meßwertgeber verwendet werden. "
Die Erfindung soll mit ihren weiten Ausgestaltungen im folgenden
an Hand der Figuren näher veranschaulicht werden.
Figur 1 zeigt die Anwendung des 'erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer
Ofenregelung. Eine innerhalb des mit 1 bezeichneten Ofens angeordnete
Heizwicklung wird von einem phasenanschnittgesteuerten Siliziumstromtore enthaltenden Stellglied 2 beaufschlagt, wobei die
• Phasenlage der Zündimpulse für .die Stromtore in Abhängigkeit von der
Ausgangsspannung Y eines Regelverstärkers 3 verschoben werden. Der
Istwert OC der Ofentemperatur wird von einem im Inneren des Ofens 1
an geeigneter Stelle angebrachten Meßwertgeber 4 geliefert, beispielsweise
von einem Thermoelement und einem Eingang eines Differenzverstärkers
5 zugeführt, an dessem anderen Eingang-der Temperatursollwert
Λ. eingegeben wird. Am Ausgang des Differenzverstärkers 5 erscheint
aaher die mit Abgezeichnete Regelabweichung, welche einerseits
Hä/S]
über einen Eingangswiderstand R dem Regelverstärker 3 zugeführt ist
und andererseits über ein mit 6 bezeichnetes Differenzierglied auf den
Eingang eines Verstärkers 7 wirkt, der die Spannung für einen in
einer Heißieiteranordnung β angeordneten Heizwisderstand 9 liefert,
Wird der Widerstand 9 mit einer Spannung beaufschlagt* dann tritt eine
Aufheizung des Heißleiterwiderstandes Ep auf, welcher in seinem wibeheizten
Sustand einen hochohmigen Wert und bei Aufhellung einen
niederohraigen Wert aufweist. Der Heißleiter Ey überbrückt den im
Gegenkopplungszweig des Regelverstärkers 3 in Reihe mit einem Widerstand
E1 angeordneten Integrierkondensator C» Bei Aufhellung des
Heißleiters R^» welche etwa proportional der Änderungsgesehwindigkeit
der Eegelabweichung ( ) erfolgt, wird dadurch der Integrierkondensator
C mehr oder weniger niederohmig überbrückt bzw. kurzgeschlossen.
Entsprechend dem jeweils vorliegenden Wert des dem Kondensator
C parallelgeschalteten und mit der änderungsgeschwiiidigkeit der
Eegelabweichung veränderlichen Widerstand E2 ändert sich tile Süekführ*-
beschaltung des Eegelverstärkers 3 und damit sein dynamisches Verhalten.
- ,, s
■■■ -■' .-■■..."■ ■■■ :■■ *·
In Figur 2 ist der prinzipielle zeitliche Verlauf der Eegelauögangsgröße
y des Eegelverstärkers bei sprunghafter Veränderung seines Eingangssignals - seine Übergangsfunktion - für verschiedene Widerstandswerte
E^, dargestellt» Bei sehr großer Änderungsgeschwindigkeit der Eegelabweiohüng
geht der Widerstand E2 praktisch gegen Null, so daß der
Eegelverstärker praktisch reines Proportionalverhalten aufweist, entsprechend der in Figur 2 parallel zur Zeitachse verlaufenden
'R1
Geraden a. Der Ausdruck ä— ist dabei ein Maß für den Eroportional-
Geraden a. Der Ausdruck ä— ist dabei ein Maß für den Eroportional-
-5- ' Ha/Sr
209815/0205
BAD
f FM 67/1292
verstärkung des Regelverstankers»Mit dem sich hei kleiner werdender
Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung versrröSernden Wert des
Widerstandes H„ wird sich zu-dem konstanten proportionalen Anteil (R-j/
R. ) ein noch einer Exponentialfunktion biB zu einem durch die Größe des
Widerstandes R« bestimmten Endwert ansteigender Anteil entsprechend
den Kurven b, bis b addieren, pie Anfangssteigung dieser Kurven ist
konstant und durch den Ausdruck 1/R .C bestimmt. Der Verstärker."
würde für diesen Widerstandsbereich ein PIP-¥erhalten aufweisen.
Pur den Fall des praktisch gegen den Wert OO gehenden Widerstandes
Hg ergibt'sich entsprechend der Kurve c ein Pl-Verhalten.
Die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist folgendes
Beim Aufheizen des Ofens 1 auf die durch den konstanten Sollwert
r *
**- vorgegebene Betriebstemperatur tritt infolge der großen Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung am Ausgang des Differenziergliedes 6 und damit auch am Ausgang des Verstärkers 1 eine große Heizspannung auf, so daß sich für den Heißleiter H2 ein kleiner Widerstandswert ergibt und er so den Kondensator C niederohmig überbrückt. Der Hegler wirkt während dieser Zeit als reiner P-Regler, Bei entsprechender Einstellung der Proportionalverstärkung ergibt sich eine überschwingungsfreie Annäherung an den Sollwert ou bis auf
**- vorgegebene Betriebstemperatur tritt infolge der großen Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung am Ausgang des Differenziergliedes 6 und damit auch am Ausgang des Verstärkers 1 eine große Heizspannung auf, so daß sich für den Heißleiter H2 ein kleiner Widerstandswert ergibt und er so den Kondensator C niederohmig überbrückt. Der Hegler wirkt während dieser Zeit als reiner P-Regler, Bei entsprechender Einstellung der Proportionalverstärkung ergibt sich eine überschwingungsfreie Annäherung an den Sollwert ou bis auf
den jeder Proportionalregelung charakteristischen Proportiorialfehler.
Nach Ablauf dieser Grobeinregelung geht die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit
der Regelabweichung gegen Null, der Heißleiter Rg wird
nicht mehr geheizt und ist infolgedessen- sehr hochohmig. Der Kondensator
G kann nun ungehindert einen integrierenden Einfluß entfalten
und in der bei normalen .PI-Reglern üblichen Weise allmählich den
-6- ■ Ha/Sr "
209815/0265
BAD
PLA 67/1292
Proportional-fehler abbauen, so daß die vorgegebene Temperatur
mit hoher Genauigkeit erreicht und konstant genalten werden kann".
In Figur 3 ist der typische Verlauf des vorstehenden beschriebenen
Einrege!Vorganges mit der Kurve 10 veranschaulicht. Ein Verlauf
entsprechend der Kurve 11 mit einem bleibenden Proportional?ehler P
würde sich dagegen bei Verwendung eines reinen Proportionalreglers,
ein Verlauf entsprechend der Kennlinie 12 mit einem typischen Über- a.
schwingen 0 der Hegelgröße über den vorgegebenen Sollwert 0^* bei
dauernder Verwendung eines PI-Reglers ergeben. Man erkennt, daß durch
die erfindüngsgemäße, von der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung
abhängige Integralanteilunterdrückung sich die Vorteile dieser beiden Seglertypen bei Eliminierung ihrer charakteristischen
Nachteile kombinieren lassen« ■·",/■""
Figur 4 zeigt eine Variante für die Ausbildung der Rüekführbeschaltung
des Regierverstärkers 3» Für gleichwirkende Elemente sind die
entsprechenden Bezugszeichen aus Figur t übernommen worden. W
Abweichend von der Anordnung entsprechend Figur 1 ist an den Ausgang
des Differenziergliedes 6 ein Dreipunktkippverstärker 13 angeschlossen,
dessen statische Kennlinie, d, h. der Verlauf seiner Ausgangsspannung
A in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung E in dem entsprechenden
Blocksymbol dargestellt ist. Die Ausgangsspannung des Kippverstärkers
13 betätigt ein Schaltglied, im dargestellten Beispiel die Spule,
eines Relais 14. Es könnte selbstverständlich an dieser Stelle auch
ein elektronisches Schaltglied, z.B. in Form einer an sich bekannten
Torschaltung Verwendung finden. Zu Beginn des Anregelvorganges über-
■--·* ft·;-- ■:-■: -7- ■ Ha/Sr ■
5 * 209815/0265
bad
PIA 67/1292
schreitet die der Anderungsgescliwindigkeit der Regelabweichung
proportionale Ausgangsspanmmg des Differenziergliedes 6 den
Ansprechwert des KippVerstärkers 13 und betätigt so das Relais 14,
wodurch sein Arbeitskontakt den'Kondensator C überbrückt. Der Regelverstärker
3 arbeitet dann als reiner Proportionalverstärker. Bei
Annäherung der Regelgröße an den Sollwert wird die Änderungsge-■
■ schwindigkeit der Regelabweichung kleiner und die Ansprechgrenze
des Kippverstärkers 13 wird unterschritten. Der-Anker des Relais
# "'-■■■■■-■ ' - " ■ -
^ : fällt sodann ab, womit der dem Kondensator C zugeordnete Parallelweg
unterbrochen ist. Der Regelverstärker 3 besitzt dann-PI-Verbalten..
Soll dem Regelverstärker 3 wie bei der Anordnung nach Figur 1 zu
Beginn des Anregelvorganges kein reines P-Verhalten,, sondern ein PIP-Verhalten verliehen werden, dann kann die mit 15 bezeichnete
Schalfbrücke zwischen den Klemmen 16 und 17 entfernt und damit ein
Widerstand 18 in den Überbrückungspfad des Kondensators C eingefügt
werden. ; .---. - _.
£ Figur 5 zeigt die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
einem mechanischen Regler. Einem mit V bezeichneten Kraftverstärker
ist in an sich bekannter Weise mittels'eines eine Feder 19 sowie
einen mit ihr gekoppelten Bremstopf 20 aufweisenden (Jegenkopplungszweig
ein PI-Verhalten verliehen. Die für das erfindungsgemäße Ver-
• fahren wesentliche Unterdrückung des Integralanteils wird bei dieser
Ausgestaltung der Erfindung dadurch bewirkt, daß ein beim dargestellter
Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung verschiebbarer sowohl von der Wandung des Bremstopfes 20 als auch von der Kolbenstange 21 -.'""
geführter Bolzen 22 vorgesehen ist. Der Bolzen 22 ist mit dem."Zug-
• anker einer Spule 23 verbunden. Im stromlosen Zustand der Spule ist da-
. --V-V--;:- -8- ■■ Ha/Sr
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■ . ■- .■ .- BAD
PLA 67/1292-
her der Bremskeil ben 24 gegenüber dem Bremstopfzylinder fixiert und
kann sich relativ nicht gegenüber demselben bewegen, während im
angezogenen Zustand des Zugankers das untere Ende des Bolzens
so weit nach oben bewegt wird, daß die starre Kopplung zwischen
Bremstopfzylinder und Bremstopfkolben aufgehoben ist. In diesem
Fall würde der Kraftverstärker als PI-Regler wirken,/ während im
unbetätigten Zustand der Spule 23 der Regelverstärker als reiner
Proportionalverstärker arbeiten würde. Die Beaufschlagung der Spule
23 erfolgt analog der Anordnung gemäß Figur 4, wobei die in Form
einer Kraft vorliegende Regelabweichung Pack mittels einer in deren
Wirkungsrichtung angeordneten Druckmeßdose 25 in eine ihr entsprechen
de elektrische Spannung umgewandelt und diese über ein Differenzierglied
dem Dreipunktkippverstärker 13 zugeführt wird.
Die Erfindung ist nicht nur bei dem beschriebenen Anwendungsbeispiel
der Ofenteraperaturregelungen von Bedeutung, sie kann vielmehr
überall dort vorteilhaft zum Einsatz gelangen, wo die Verwendung
herkömmlicher PI-Regler prinzipiell ein unerwünschtes iiberschwingen
der Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert befürchten läßt. So
könnte die Erfindung beispielsweise auch' bei weggeregelten Antrieben insbesondere von Werkzeugmaschinen mit Vorteil angewandt
werden«
5 Figuren
7 Patentansprüche
Ha/Sr 209815/0255
Claims (7)
1. Regelverfahren für Trägheit »behaftete Regelfi trecken, insbesondere."für
Ofentemperaturregelungen, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Rückführungskreis des Regelverstärkers derart eingegriffen wird, daß
sein dynamisches Verhalten sich "bei abnehmender Änderungsgeschwindigkeit
der Regelabweichung von P- in Pl-Verbalten ändert.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch einen elektronischen Regelverstärker, dessen Gegenkopplungszweig aus der Reihenschaltung eines .Widerstandes-und
eines Kondensators besteht, der in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße galvanisch überbrückbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen über ein
Differenzierglied von der Regelabweichung beaufschlagten Kippverstärker,
von dessen Ausgängen ein den Kondensator überbrückendes Schaltglied betätigt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator ein fremdgeheizter Heißleiter parallel geschaltet
ist, dessen Heizspannung von einem Verstärker geliefert wird, der über ein Differenzierglied von der Regelabweichung beaufschlagt ist.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen mechanischen-Regelverstärker mit .
federgekoppelter Bremstopfrückführung, wobei ein in Abhängigkeit
BAD ORIGINAL
PLA 67/1292
von der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße betätigter
elektromeehanischer Kraftschalter einen verschiebbaren, eine
starre Kopplung zwischen Bremstopfzylinder und Bremstopfkolben
aufhebenden Bolzen bewegt.
6. Einrichtung nach Anspruch5> gekennzeichnet durch eine in der
Kraftrichtung der Reglereingangsgröße angeordnete Druckmeßdose, deren elektrische Ausgangsspannung über ein Differenzierglied einem
elektrischen Kippverstärker zugeführt ist, dessenAusgangsspannung
den elektromechanischen Kraftschalter betätigt.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4» gekennzeichnet durch ihre
Verwendung bei Diffusionsofen für Halbleiterdotierung.
-11- ' Ha/Sr
20981570265 BAD ORIGiNAL
Le e rs e i te
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