DE1673601C3

DE1673601C3 - PI-Regler für eine trägheitsbehaftete Regelstrecke

Info

Publication number: DE1673601C3
Application number: DE1673601A
Authority: DE
Inventors: Werner 8520 Erlangen Elischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-07-01
Filing date: 1967-07-01
Publication date: 1975-12-18
Also published as: BE717320A; US3539693A; GB1226015A; DE1673601A1; ES355560A1; DE1673601B2; NL6809086A; FR1569486A; AT280426B; SE353969B

Description

Die Erfindung betrifft einen PI-Regler für eine i.rägheitsbehafiete Regelstrecke. Zwar haben sich PI-Regler als gut erwiesen zur raschen und vollständigen Beseitigung von Regelabweichungen. Weist jedoch die Regelstrecke bezüglich ihres dynamischen Verhaltens eine Trägheit- bzw. eine Totzeit auf, dann bring! der Einsatz eines PI-Reglers prinzipiell ein Uberschwingen der Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert mit sich. Für manche Anwendungsfälle muß aber ein solches Überschwingen vermieden werden, so daß sich hier die Verwendung herkömmlicher PI-Regler verbietet, wie sie in elektronischer Ausführung in Form eines kapazitiv-ohmisch gegengekoppelten elektronischen Verstärkers (W. O ρ pelt, »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, 1960, S. 285) oder in mechanischer Ausführung in Form eines mechanischen Regelverstärkers mit federgekoppelter Bremstopfrückführung (W. Op pelt, »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, 1960, S. 293) bekanntgeworden sind.

Bei einer bekannten elektrischen Regelvorrichtung

mit Rückführung ist ein Rückführkondensator vorgesehen, der während der Anfahrzeit der Regelstrecke überbrückt ist (DT-AS 1 080 197). Die Überbrückung des Rückführkondensators erfolgi in Abhängigkeit von der an ihm anstehenden Spannung oder wird von einem Zeitschalter gesteuert.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Integralanteil eines PI-Reglers in Abhängigkeit von der Anderiingsgeschwindigkeit der Regelabweichung bzw.

ίο der Regelgröße während der Anregelzeit zu unterdrücken, so daß seine Wirkung erst dann voll zur Wirkung gelangt, wenn bei Annäherung der Regelaröße an den Sollwert die Anderiingsgeschwindigkeit der Regelabweichung praktisch verschwindet.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem PI-Regler für eine trägheitsbehaftete Regelstrecke, insbesondere zum Regeln der Temperatur eines Diffusionsofens für Halbleiterdotierung, mit einem elektronischen Regel- \ erstärker, dessen Gegenkopplungszweig aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators besteht erlindungsgemäß dadurch, daß der Kondensator in Abhängigkeit von der Anderungs- «eschwindigkeit der Reglereingangsgröl.ie galvanisch überbrückbar ist.

Bei einem PI-Regler für eine trägheitsbehafieie Regelstrecke mit einem mechanischen Regelverstärker mit federgekoppelter Bremstopfrückführung besteht ein erfindungsgemäßer Lösungsweg darin, daß ein in Abhängigkeit von der Anderiingsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröfie betätigter elektromechanischer Kraftschalter einen verschiebbaren, eine starre Kopplung zwischen Bremstopfzylinder und Bremstoplkolb.cn aufhebenden Bolzen bewegt.

Damit wird bei beiden der zuvor erwähnten Y'arianten eine überschwingungsfreie Einregelung mit hoher Genauigkeit der Regelung bei kleiner Anregel/eit ermöglicht.

Wird die den mechanischen Regelverstärker beaufschlagende Regelabweichung durch Kraftvcrglcich.

d. h. Tiurch 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 Kraltrichtung der Regeleingangsgröße angeordnete Druckmeßdose vorgesehen werden, deren elektrische Ausgangsspannung über ein Differcn Herglied einen elektrischen Kippverstärker zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung den elektromechanischen Kraftschalter betätigt. An Stelle der Druckmeßdose könnten auch auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende Meßwertgeber verwendet werden.

Die Überbrückung des Kondensators kann bei der

elektronischen Lösung in einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung durch einen über ein Differenzierglied von der Regelabweichung bcaufschlagten Kippverstärker erfolgen, von dessen Ausgängen ein den Kondensator überbrückendes Schaltglied betätigt wird. Iu diesem Falle würde sich je nach Stellung des Schaltgliedes reines P- oder Pl-Verhaltcn des Regelverstärkers ergeben.

Je nach Art der Regelstrecke kann es sich aber 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 Erfindimg vorgesehen werden, daß dem Kondensator ein fremdgeheizter Heißleiter parallel geschaltet ist, dessen Heizspannung ·■ von einem Verstärker

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geliefert wird, der über ein Differenzierglied von der dem konstanten proportionalen Anteil 1.RJR₀) ein Regelabweichung beaufschlagt ist. Dadurch kann zu noch einer Exponentialfunktion bis zu einem durch Beginn der Anregelzeit ein P-Verhalten, während der die Größe des Widerstandes /?., bestimmten Endwert Anregelzeit ein sogenanntes PlP-Verhalten und gegen ansteigender Anteil entsprechend den Kurven b, bis b„ Ende der Anregelzeit das für ein Verschwinden bei 5 addieren. Die Anfangssteieung dieser Kurven ist bleibender Regelabweichung erfordernd ζ Pl-Ver- konstant und durch den Ausdruck 1/R₁₁ ■ C bestimmt, halten erzielt werden. Der Verstärker würde für diesen Widerstandsbereich

Die Erfindung soll mit ihren Ausgestaltungen im ein PlP-Verhalten aufweisen. Für den Fall des prakfolgenden an Hand der Figuren naher veranschaulicht ^liscn gegen den Wert χ gehenden Widerstandes R, werden. ₁₀ ergibt sich entsprechend der Kurve <■ ein Pl-Verhalien.

Fig. 1 zeigt die Anwendung des PI-Reglers bei Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten

einer Ofenregelung. Eine innerhalb des mit 1 be- Anordnung ist folgende: Beim Aufheizen des Ofens 1 zeichneten Ofens angeordnete Heizwicklung wird auf die durch den konstanten Sollwert \* vorgegebene von einem phasenanschnittgesteuerten Siliziumstrom- Betriebstemperatur tritt infolge der großen Änderungstore enthaltenden Stellglied 2 beaufschlagt, wobei 15 geschwindigkeit der Regelabweichung am Ausgang des die Phasenlage der Ziindimpulse fü>- die Stromiore in Differenziergliedes 6 und damit auch am Ausgang des Abhängigkeil von der Ausgangsspanniing V eines Verstärkers 7 eine große Heizspannung auf. so daß Regehcrstärkers 3 verschoben werden. Der' Istwert \ sich für den Heißleiter R₁ ein kleiner Widerslandswcrt der Ofentemperatur wird von einem im Inneren des ergibt und er so den kondensator C niederohinig Ofens 1 an geeigneter Stelle angebrachten Meßwert- ²° überbrückt. Der Regler wirkt während dieser Zeit als geber 4 geliefert, beispielsweise von einem Thermo- reiner P-Regler. Hei entsprechender Einstellung der dement und einem Eingang eines Differenz\erstärkers5 Proportionalverstärkimg ergibt sich eine überschwinzugeführt, an dessen anderen Eingan« der Temperatur- gungsfreie Annäherung an den Sollwert \* bis auf M>ll\vcrt λ eingegeben wird. Am Ausgang des Differenz- den jeder Proportionalregelung charakteristischen \erstärkers 5 erscheint daher die mit l\ bezeichnete ²5 Proportionalfehler. Nach Ablauf dieser Groheinrcge-Regelabweichung. welche einerseits über einen Ein- '¹¹¹¹U "^cnt die zeitliche Anderungsgesclrwindigkeil der gangswiderstand R₀ dem Rcgelverstärker 3 zuceführi Regelabweichung gegen Null, der Heißleiter/?;; wird ist und andererseits über ein mit 6 bezeichnetes DiITe- nicht mehr geheizt und ist infolgedessen sehr hochrenzierglied auf den Eingang eines Verstärkers 7 ohmig. Der Kondensator C kann nun ungehindert wirkt, der die Spannung für einen in einer Heißleiter- 3° einen integrierenden Eintluß einfallen und in der bei anordnung 8 angeordneten Ileizwidcrsiand 9 liefert. normalen Pl-Reglern üblichen Weise allmählich den Wird der Widerstand 9 mit einer Spannuiiii bcaiif- Proportionalfehler abhauen, so daß die vorgegebene schlagt, dann tritt eine Aufheizimg des Heißleiter- Temperatur mit hoher Genauigkeit erreicht und konwiderstandss R₁ auf. welcher in seinem unheheizten slant gehalten werden kann.

Zustand einen hochohmigen Wert und hei Auf- 35 In I-i g. 3 ist der typische Verlauf des vorstehenden heizung einen niederohmigen Wert aufweist. Der beschriebenen Einregelvorganges mit ocr Kurve 10 Heißleiter R₁ überbrückt den im Gegenkopplung- veranschaulicht. Ein Verlauf entsprechend der Kurve /wcig des RcgeUerstärkers 3 in Reihe mit einem Wider- " mit einem bleibenden Proportionalfehler /' würde stand R₁ angeordneten Integrierkondensator C. Bei sich dagegen hei Verwendung eines reinen Pm-Aufheizung des Heißleiters /?... welche ensa proportio- 40 porlionalreglers. ein Verlauf entsprechend der Kennnal der Änderungsgeschwindigkeil der Regclabwei- linie 12 mit einem typischen LJbcrsclissingen I der chung Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert \^s bei

d (/J«) dauernder Verwendung eines PI-Reglers ergehen. Man

— erkennt, daß durch die, von der Änderungsgeschwin-

45 digkeit der Regelabweichung abhängige Integralerfolgt, wird dadurch der Integrierkondensator C anteilunterdrückung sich die Vorteile dieser beiden mehr oder weniger niederohinig überbrückt bzw. kurz- Reglertypen bei Eliminierung ihrer charakteristischen geschlossen. Entsprechend dem jeweils vorliegenden Nachteile kombinieren lassen.

Wert des dem Kondensator C parallelgesehalleten F i g. 4 zeigt eine Variante für die Ausbildung der

und mit der Änderungsgeschwindigkeit der Regel- 5° Rückführheschaltung des Reglerverstärkers 3. Für abweichung veränderlichen Widerstand R₁ ändct sich gleich wirkende Elemente sind die entsprechenden die Rückführheschaltung des Receiv erstärkers 3 und Bezugszcichen aus Fig. 1 übernommen worden, damit sein dynamisches Verhalten. Abweichend von der Anordnung entsprechend 1 i g. 1

In Fig. 2 ist der prinzipielle zeitliche Verlauf der ist an den Ausgang des Differenzier«licdes 6 ein Rcgelausgangsgröße rdes Regelverstärkers hei sprung- 55 Dreipunktkippversiärker 13 angeschlossen, dessen stahaftcr Veränderung seines Eingangssignals —■ seine tische Kennlinie, d. h.. der Verlauf seiner Aiisgangs-Übcrgangsfimktion für verschiedene Widerstands- spannung A in Abhängigkeit von seiner Eingangswertc R., dargestellt. Bei sehr großer Änuerungs- spannung/: in dem entsprechenden Blocksvmbol geschwindigkeit der Regelabweichung geht dei Wider- dargestellt ist. Die Ausgangsspannuni; des Kippstand R₁ praktisch gegen Null, so daß der Regelver- ^6o Verstärkers 13 betätigt ein Schallglied, im dargestellten stärker praktisch reines Proportionsverhallen aufweist, Beispiel die Spule eines Relais 14. Fs könnte selbstcntsprechend der in F i g. 2 parallel zur Zeitachse verständlich an dieser Stelle auch ein elektronisches . . . _ . ,. . , , R₁ . Schaltglicd. z. B. in Form einer an sich bekannten

verlaufenden Geraden a. Der Ausdruck _R ,st da- _TorschalUmg< Verwendung linden. Zu lieginn des dabei ein Maß für den Proporlionalvcrstäikiing des ⁶5 Anregelvorganges überschreitet die der Anderungs-Regelverslärkers. Mit dem sich bei kleiner werdender geschwindigkeit der Regelabweichung proportionale Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung vcr- Alisgangsspannung des Diffcrenziergliedes 6 den Angrößernden Wert des Widerstandes R₂ wird sieh zu sprechwert des Kippverstärkers 13 und betätigt so das

Relais 14. wodurch sein Aibeitskoniaki den Kondensator C überbrückt Der Regelverslärker 3 arbeilet dann als reiner Proportionaherstärker. Hei Annäherung der Regelgröße an den Sollwert wird die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung kleiner. und die Ansprechgrenze des Kipp\erslärkers 13 wird unterschritten. Der Anker des Relais 14 fällt sodann ab, womit der dem Kondensator C" zugeordnete Parallelweg unterbrochen ist. Der Regelverstärker 3 besitzt dann Pl-Verhalten. Soll dem Regeiverstärker 3. wie bei der Anordnung nach Fig. 1. zu Beginn des Anregelvorganges kein reines P-Verhalten, sondern ein PIP-Verhalten verliehen werden, dann kann die mil 15 bezeichnete Schaltbrücke zwischen den Klemmen 16 und 17 entfernt und damit ein Widerstand 18 in den ilberbrückungspfad des Kondensators C eingefügt weiden.

F i g. 5 zeigt die Realisierung des PI-Reglers mit mechanischen Bauteilen. Einem mit V bezeichneten Kraftverstärker ist in an sich bekannter Weise mittels eines eine Feder 19 sowie einen mit ihr gekoppelten Bremstopf 20 aufweisenden Gegenkopplungszweig ein Pl-Verhalten verliehen. Die Unterdrückung des Integralanteils wird dadurch bewirkt, daß ein beim dargestellten Ausführungsbeispiel in vertikaler Riehtung 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 Zuganker einer Spule 23 verbunden.

Im stromlosen Zustand der Spule ist daher der ßremskolben 24 gegenüber dem Bremstopfzylinder fixiert und kann sich relativ nicht gegenüber demselben bewegen, während im angezogenen Zustand des Zugankers das untere linde des Hol/.ens 22 so weit nach oben bewegt wird, daß die starre Kopplung /wischen Brcmsiopf/ylinder und Bremstopfkolben aufgehoben ist. In diesem Fall würde der Krafherstärker als PI-Regler wirken, während im unbetätigten Zustand der Spule 23 der Regeherstärker als reiner Proportionalverstärker arbeiten würde. Die Beaufschlagung der Spule 23 erfolgt analog der Anordnung gemäß F i g. 4, wobei die in Form einer Kraft vorliegende Regelabweichung P I \ mittels einer in deren Wirkungsrichtung angeordneten Druckmeßdosc 25 in eine ihr entsprechende elektrische Spannung umgewandelt und diese über ein Differenzierglied dem Dreipunktkippverstärker 13 zugeführt wird.

Die Erfindung ist nicht nur bei dem beschriebenen Anwendungsbeispiel der Ofcntemperalurregclungen von Bedeutung, sie kann vielmehr überall dort vorteilhaft zum Einsatz gelangen, wo die Verwendung herkömmlicher PI-Regler prinzipiell ein unerwünschtes Uberschwingen der Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert befürchten läßt. So könnte die Erfindung beispielsweise auch bei weggeregelten Antrieben insbesondere von Werkzeugmaschinen mit Vorteil angewandt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. PI-Regler für eine träglieiurehufteie Regelstrecke, insbesondere zum Regeln der Temperatur eines Diffusionsofens für Halbleiierdotierung, mit einem elektronischen Regelverstärker, dessen Gegenkopplungszweig aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) in Abhängigkeit \on der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße galvanisch überbrückbar ist.

2. PI-Regler für eine trägheitsbehaf-ete Regelitrecke mit einem mechanischen Regelverstärker mit federgekoppelter Bremstopfrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Reglereingangsgröße betätigter elektromechanischer Kranschalter (23) einen verschiebbaren, eine starre Kopplung zwischen Bremstopfzylinder (20) unu Bremstopfkolben (24) aufhebenden Bolzen (22) bewegt (Fig. 5).

3. Einrichtung nach Anspruch 2. gekennzeichnet durch eine in der Krafirichtung der Reglereingangsgröße angeordnete Druck me ßdose (25). deren elektrische Ausgangsspannung über ein Differenzierglied (6) einem elektrischen Kippverstärker (13) zugeführt ist, dessen Ausgangsspamuing den elektromechanischen Kranschalter (23) betätigt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch einen über ein Differenzierglied (6) von der Regelabweichung beaufschlagten Kippverstärker (13). von dessen Ausgängen ein den Kondensator (C) überbrückendes Schaltglied ί 14) betaüsil wird (Fig. 4).

5. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C) ein fremdgeheizter Heißleiter (R₂) parallel geschaltet ist, dessen Heizspannung von einem Verstärker (7) geliefert wird, der über ein Differen/ierglied (6) von der Regelabweichung beaufschlagt ist (F i g. 1).