DE4321286C2 - Digitaler Regelkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen Regelkreis gemäß dem einleitenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus der DE-PS 4 012 577 ist ein Regelsystem für ein reibungsbehaftetes Stellglied in einem Kraftfahrzeug beschrieben, bei dem ein erster Regler eine erste Größe, die den Ist-Wert der Stellgliedposition kennzeichnet, mit einer zweiten Größe, die den Soll-Wert kennzeichnet, vergleicht. Hierbei wird vom ersten Regler eine Eingangsgröße für einen nachgeschalteten Zweipunktregler berechnet, wobei dieser eine variable Hysteresebreite aufweist, die be­ triebskenngrößenabhängig steuerbar ist.

Aus der DE-OS 32 43 549 ist eine volldigitale vierte Drehzahlregelvorrichtung für eine Näh­ maschine bekanntgeworden, die einen Mikrocomputer und zwei Bausteine enthält, die zwecks Datentransfer über einen Steuerbus und einen Datenbus mit dem Mikrocomputer verbunden sind. Der eine Baustein besteht aus Zählern und bearbeitet die Ist-Wert-Mes­ sung, und der andere Baustein besteht aus einem programmier- und retriggerbaren mono­ stabilen Multivibrator, der die Stellgröße zusammen mit dem Mikrocomputer bearbeitet. Beim Soll-Ist-Vergleich wird die Regelabweichung aus binären, den Kehrwerten der Soll- und Ist- Drehzahl entsprechenden Größen gebildet.

Bei digitalen Regelkreisen ist die Ausgangsgröße des Reglers - die Stellgröße - bedingt durch die Rechengenauigkeit des Reglers oder die Wortbreite des Ausgabekanals nur stu­ fenweise veränderbar. Damit ist der Nachteil verbunden, daß nicht jeder beliebige Ist-Wert statisch angefahren werden kann. Beispielsweise gilt für einen Drehzahlregler, dessen Stell­ größe 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 erfindungsgemäß darin, daß dem konventionellen Regler ein 2-Punkt-Regler parallel geschaltet ist, dessen Eingangsgröße die Regelabweichung Xd ist und dessen Stellgröße Y2pkt zu derjenigen Yk des konventionellen Reglers addiert wird, wobei die Gesamtstellgröße Y = Yk + Y2pkt der Regelstrecke zugeführt wird.

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 Regelabwei­ chungen mit einem P-Regler mit unendlicher Verstärkung vergleichbar, das heißt, minimale Regelabweichungen führen zu einer Änderung der Stellgröße. Bei großen Regelabwei­ chungen geht die Verstärkung gegen Null, da die Stellgröße durch den 2-Punkt-Regler ma­ ximal um eine Stufe geändert werden kann. Dieses System regelt kleine Regelabweichun­ gen 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 beeinflußt 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 konventio­ nelle Regler die Reaktion des 2-Punkt-Reglers verstärkt und damit das Regelverhalten ne­ gativ beeinflußt.

Vorzugsweise ist eine Anwendung zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors vor­ gesehen, 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 wer­ den. Die Regelstrecke führt dann die Digital-Analog-Umsetzung durch ihr integrierendes Verhalten aus. Das ist beispielsweise bei einer digitalen Drehzahlregelung eines Elektromo­ tors 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 Unteransprüchen gekennzeichnet beziehungs­ weise werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Regelkreises und

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

Der in Fig. 1 dargestellte digitale Regelkreis besteht im wesentlichen aus einem konven­ tionellen Regler 1, der ein P-, PI-, I- oder PID-Regler sein kann, einem diesem vorgeschalte­ ten 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 Diffe­ renzgliedes 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 Stell­ größe Yk, während der 2-Punkt-Regler 4 eine Korrekturstellgröße Y2pkt bildet. Beide Reg­ lerausgänge 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 Regelstrecke 3 verarbeitbare Signalform umgesetzt werden. Der 2-Punkt-Regler 4 dient quasi zur Modula­ tion 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 Zeitdia­ grammen. Im oberen Diagramm ist der Ist-Wert-Verlauf und im unteren Diagramm die jewei­ lige Stellgröße des 2-Punkt-Reglers 4 dargestellt. Ohne Stellgrößenmodulation sind nur weit auseinanderliegende diskrete Ist-Werte, die hier mit Xy_i, Xy_i+1 und Xy_i+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 ge­ nauere Einstellung zu ermöglichen, ist daher vorgesehen, daß der relativ grob geteilten Stellgröße Yk des konventionellen Reglers eine Korrekturstellgröße Y2pkt überlagert wird. Im Zeitraum zwischen t₁ und t₂ 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 t₂ und t₃ der Fall. Dieser Vorgang wiederholt sich bei konstanter Führungsgröße mit der sy­ stemeigenen Regelfrequenz. Die durch die Modulation hervorgerufenen Regelschwankun­ gen sind folglich nur noch von der Abtastzeit des 2-Punkt-Reglers 4 abhängig.

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

Claims (4)

1. Digitaler Regelkreis mit einem konventionellen 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, unter Zwischenschaltung eines Digital- Analog-Wandlers, beaufschlagt, deren Ausgangsgröße X wiederum zur Bildung der Stellgröße Yk dient, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem konventionellen Regler (1) ein 2-Punkt-Regler (4) parallel geschaltet ist, dessen Eingangsgröße die Regelab­ weichung Xd ist und dessen Stellgröße Y2pkt zu derjenigen Yk des konventionellen Reglers (1) addiert wird, wobei die Ge­ samtstellgröße Y = Yk + Y2pkt der Regelstrecke (3) zugeführt wird.

2. Digitaler Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem konventionellen Regler (1) ein Schwellwertgeber (2) zur Erzeugung einer Ansprechschwelle Xdmin vorgeschaltet ist.

3. Digitaler Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zur digitalen Drehzahlregelung eines Elektromotors eingesetzt wird, wobei die Gesamtstellgröße Y eine pulsweite mo­ dulierte Spannung ist, die durch die Induktivität des Elektromotors geglättet wird.

4. Digitaler Regelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlgeregelte Elektromotor zur Ansteuerung eines Gebläses im Luft- und/oder Abgasstrom eines mit fossilen Brenn­ stoffen beheizten Warmwasserbereiters eingesetzt wird.