DE2638231A1 - Pid-regler mit nichtlinearem eingriff - Google Patents

Description

• PID-Regler mit nichtlinearem Eingriff
• Die Erfindung betrifft einen PID-Regler mit nichtlinearem Eingriff, wie in den Ansprüchen gekennzeichnet.
• PID-Regler wirken in der Weise, daß nach einer auftretenden Störung die Stellgröße sehr schnell und nehr als notwendig verstellt wird, damit die Störung sofort wirkungsvoll bekämpft werden kann. Danach geht der Regler dann auf den zum Ausgleichen der Störung genügenden Wert zurück und regelt die Abweichung durch seinen Integralanteil vollständig aus.
• Bisher bekannte Regler zeigen nach einer sprungförmigen Änderung des Sollwertes ein starkes Überschwingen der Regelgröße. Das Über schwingen der Regelgröße, insbesondere bei großer Amplitude und langer Zeitdauer, kann bei Reglern mit großer Verzögerungszeit bzw. Totzeit der Regelstrecke sehr stark sein. Dies führt zu einem unerwünschten Regelverhalten.
• Dieses Verhalten ist u.a. bei der Temperaturregelung eines Heizelementes, das die Haut eines Probanden erwärmen soll, von Nachteil, da das Überschwingen unerwünscht hohe Temperaturen auf der Haut hervorruft, die u.a. zu Vei-brennungen führen können. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regler zu entwicklen, bei dem das Überschwingen durch geeignete Eingriffe in den Regelkreis so verringert wird, daß eine vorgegebene obere Grenze der Scgungsamplitude nicht überschritten werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein nichtlinearer Eingriff in den PID-Regler erfolgt, sobald ein vorgegebener Grenzwert von der Regelabweichung überschritten wird. Durch die veränderte Einstellung des Reglers verringert sich die Überschwingweite und die Regelzeit.
• Gleichzeitig kann außerdem das Stellglied des Regelkreises durch geeignete Maßnahmen noch zusätzlich vorübergehend beim Uberschreiten des Grenzwertes blockiert werden. Damit wird eine zusätzliche Sicherung gegen zu große Überschwinger erreicht. Das Blockieren des Stellgliedes ohne den Eingriff in den Regler würde jedoch für sich alleine zu einem unerwünschten Schwingen des Regelkreiees führen.
• Für den Fall, daß der Regler ausfällt und dadurch die Regelstrecke unkontrollierbar ihre Werte verändert, kann das Stellglied durch eine weitere zusätzliche Schaltungsanordnung bleibend blockiert werden.
• Die Erfindung wird anhand eines Blockschaltbildes (Figur 1) erläutert, an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben (Figur 2) und die Wirkung des Eingriffs an einem Diagramm (Figur 3) gezeigt.
• Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt einen Regelkreis mit der Regelstrecke 1, dem Stellglied 2, dem Regler 3 mit dem Summationspunkt S, dem Sollwertgeber U 11 dem Istwertaufnehmer ist und dem Vergleicher 5. Der Regelkreis mit diesen Elementen entspricht dem Stand der Technik.
• Gemäß der Aufgabe der Erfindung soll ein nichtlinearer Engriff in den Regler erfolgen. Dies wird durch folgende Maßnahmen bewirkt: Der Unterschied von Ist- und Sollwert (Uist - Usoll) wird mit einem Grenzwert U im Vergleicher 6 verglichen, wobei ein g Schwellenwertschalter 4 ein Signal an den Summationspunkt S abgibt, sobald die Schwelle überschritten wird. Durch diesen Eingriff in den Regler S,3 wird dessen Regelverhalten verändert, sodaß das Überschwingen begrenzt wird. Die Stabilität des Regelkreises bleibt durch diese Anordnung erhalten.
• Desweiteren besteht eine Verbindung des Ausgangs des Schwellenwertschalters 4 zum einen direkt mit dem Stellglied 2, wodurch dieses zusätzlich kurzzeitig blockiert wird, und zum anderen mit dem Zeitglied 7 und dem Speicherglied 8. Diese zweite Anordnung, die eine weitere Sicherung darstellt, bewirkt ehe vollständige und bleibende Blockierung des Stellglieds 2, wenn eine Störung länger anhält als die Zeitkonstante des Zeitgliedes 7 vorgibt.
• Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Regelschaltung und Figur 3 graphisch das Verhalten des Reglers bei einer stufenförmigen Änderung des Sollwertes.
• Der Sollwertgeber besteht aus dem Spannungsteiler mit den Widerständen R1, R2, R3, dem Schalter S1, mit dem verschiedene Sollwerte eingestellt werden können, und dem Impedanzwandler V1, an dessen Ausgang die Sollspannung U ansteht. Der Istwert wird über den temperaturempfindlichen Widerstand R14 (z.B. einen NTC) der Meßbrücke bestimmt, die aus den Widerständen R11...R14 besteht. Die Brückenspannung wird durch den Verstärker V2 mit dem parallel geschalteten Widerstand Rlo auf die Ausgangsspannung Uist verstärkt.
• Der Regler des Regelkreises ist ein PID-Regler mit dem Verstärker V3, den Widerständen R4 ... R7 und den Kondensatoren C6, C7 in bekannter Anordnung; dabei ist S der Sumuationspunkt des Reglers. Die Stellgröße, die am Ausgang des Verstärkers V3 anliegt, wird über den Widerstand Rg an die Basis des Transistors T1 geschaltet, der die Funktion eines Stellgliedes hat, welches das Heizelement R15 an seinem Emitter steuert Der Soll- und der Istwert U oll Uist werden über den Widerstand R4 bzw. R im Summationspunkt S des PID-Reglers 5 subtrahiert. Parallel dazu werden die beiden Werte Usoll und Uist über die Widerstände R16 und R17 auf den nichtinvertierenden Eingang des Komparators V4 geschaltet. Im Komparator wird die Differenz dieser beiden Spannungen mit der durch den Spannungsteiler R18, R19 definierten Grenzwertspannung u verglichen, die am g invertierenden Eingang des Komparators V4 ansteht. Ist die Differenz zwischen Istwert und Sollwert größer als der Grenzwert, so steht am Ausgang des Komparators V4 eine positive Spannung, die über die Diode D1 und den Widerstand R8 in den Summationspunkt S des PID-Reglers eingreift.
• Figur 3 3eist die Sprungantwort des Reglers bei einer stufenförmigen Anderung des Sollwertes A von einer Temperatur t1 auf eine zweite t2. Der Verlauf der Sprungantwort für einen bisher bekannten Regler ist durch den Kurvenzug B dargestellt, während der Kurvenzug C die Sprungantwort des neuerungsgemäßen Reglers wiedergibt. Dabei erhöht sich die Temperatur über den neuen Sollwert t2 nur um einen niedrigen fest vorgegebenen Wert G, der durch den Grenzwert U gegeben ist.
• g Die Ausgangsspannung des Komparators V4 kann zusätzlich über die Diode D2 und den Widerstand R23 an die Basis eines zweiten Transistors T2 geführt werden, dabei ist der Emitter über den Widerstand R24 mit der Basis verbunden und auf den Nullpunkt bezogen, während der Kollektor mit der Basis des Stel3+ransistors T1 verbunden ist. Ist die Ausgangs spannung des Komparators V4 positiv (Übertemperatur), so wird der Schalttransistor T2 leitend und sperrt somit den Stelltransistor T1 und blockiert die Regelstrecke.
• Fällt der Regler aus irgendeinem Grund aus, so ist eine weitere Sicherung eingebaut, die eingeschaltet wird, wenn die Ausgangsspannung am Komparator V4 längere Zeit ansteht, was auf eine Störung hinweist.
• Der Ausgang des Komparators ist über den Widerstand R20 und den Kondensator C21 mit der Basis des Transistors T3 verbunden; dabei ist der Widerstand R21 vom Bezugspotential zur Basis des Transistors T3 geschaltet, sodaß dieser normalerweise leitet. Am Kollektor über dem Kollektorwiderstand R22 wird ein Impuls einer bestimmten Zeitdauer abgenommen und auf den Takteingang des Spéicher-Flip-Flops Z1 geschaltet. Der D-Eingang des Speicher-Flip-Flops ist über das Verzögerungsglied R25C25 mit dem Ausgang des Komparators V4 verbunden. Ist die Zeitdauer für die Störung länger als die Zeitkonstante des Zeitgliedes, so wird das Flip-Flop gekippt.
• dessen Ausgang schaltet über die Diode D und den Widerstand R23 den Schalttransistor T2, der die Regelstrecke, wie oben beschrieben, blockiert. Diese Blockierung ist jedoch von bleibender Dauer.
• Sie kann nur durch den Schalter S2, der über den Reset-Eingang R das Flip-Flop Z1 zurücksetzt, aufgehoben werden, nicht Jedoch durch späteres Aufheben der Übertemperaturmeldung am Ausgang des Komparators V4 allein.
• Die Stell-, Zeit- und Speicherglieder können selbstverständlich auch auf andere Art und Weise als beschrieben verwirklicht werden.
• Die beschriebene Blockiervorrichtung kann bei entsprechender Umbeschaltung auch für den Fall benutzt werden, daß ein vorgegebener Grenzwert nicht für längere Zeit unterschritten werden soll.
• Der erfindungsgemäße Regler hat eine besonders große praktische Bedeutung bei der Temperaturregelung von Meßwertaufnehmern für bestimmte physiologische und medizinisch-diagnostische Messungen, z.B. wenn der Aufnehmer unmittelbar auf der Haut eines Probanden aufliegen und zwecks Hyperämisierung des darunter liegenden Gewebes beheizt werden soll. Dies ist der Fall bei der transkutanen Bestimmung des Gehaltes von Blutgasen, insbesondere Sauerstoff (p02-Messung) mittels polarographisch wirkender Meßelektroden.
• Durch die erfindungsgemäßen Schaltungsmaßnahmen wird zuverlässig verhindert, daß der Aufnehmer auch nur kurzzeitig zu heiß wird und dem Probanden Verletzungen zufügt.

Claims (5)

1. ANSPRffCHE PID-Regler mit nichtlinearem Eingriff, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (4,6,Ug; R16-R19,R8,D1,V4) die in den Summationspunkt (S) des PID-Reglers (3;R4-R7,C6,C7,V3) eingreift und dadurch ein Überschwingen der Regelgröße über einen festen vorgegebenen Grenzwert (U ) vermeidet.
2. g 2. PID-Regler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kopplung der Steuervorrichtung (4,6,Ug;R16-R19,R8,D1,V4) mit dem Stellglied (2;T1) in der Weise, daß dieses bei Überschreiten des Grenzwertes (Ug) von der Regelgröße vorübergehend blockiert wird.
3. 3. PID-Regler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein von der Steuervorrichtung bei einer länger anhaltenden Überschreitung des Grenzwertes (U ) über ein Zeitglied g (7;R20-R22,C21,T3) geschaltetes Speicherglied (8;Z1), das das Stellglied (2;T1) bleibend blockiert.
4. 4. PID-Regler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) einen Sollwertgeber, bestehend aus einem Spannungsteiler (R1-R3), von dem mittels eines Schalters (S1) die Sollwerte abgegriffen und einem Impendanzwandler (V1) zugeführt werden; b) einen Istwertaufnehmer, bei dem der Istwert mittels eines temperaturempfindlichen Widerstandes (R14) einer MeB-brücke (R11-Rl4) aufgenommen und die Brückenspannung einem Differenzverstärker (V2,R10) zugeführt wird; c) den eigentlichen Regler, bestehend aus einem Verstärker (V3), Kondensatoren (C6,C7) und Widerständen(R4R7) mit einem Summationspunkt (S) am invertierenden Eingang des Verstärkers in bekannter Anordnung; d) ein Stellglied, insbesondere einem Transistor (T1), an dessen Basis über einem Widerstand (R9) die Stellgröße anliegt, welches einen Heizwiderstand (R15) steuert; e) eine Steuervorrichtung, bestehend aus einem Komparator (V4), an dessen nichtinvertierenden Eingang über je einen Widerstand (Rj6,R17) die Differenz von Ist- und Sollwert (Uist, UsOll) und an dessen invertierenden Eingang der von einem Spannungsteiler (R18,R19) gebildete Grenzwert (Ug) ansteht, und dessen Ausgangsspannung über ekle Diode (D1) und einen Widerstand (R8) in den Summationspunkt (S) des Reglers eingreift.
5. 5. Anwendung des PID-Reglers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Temperaturregelung von elektrisch beheizten physiologischen oder medizinischen Meßwertaufnehmern, insbesondere zwecks Hyperämisierung des Körpergewebes bei der transkutanen Bestimmung des Gehaltes von Gasen im Blut.