P/I Wert

Der Vorgang der Regelung hat aber auch ihre Tücken. Diese Probleme sind bereits seit langer Zeit bekannt, schon die Regelung von Dampfmaschinen oder ähnlichen Apparaten waren mit diesen Phänomenen konfrontiert. Modellbahn Lokomotiven können z.B. ruckeln oder beim Anfahren zu stark beschleunigen. Dieses Verhalten kann man beeinflussen, die Decoder-SW-Programmierer bieten hiezu CV's an um das Verhalten zu beeinflussen. Üblicherweise als P und I Wert bezeichnet.

The feedback process the regulation has some challenge as well. For quite some time engineers are faced with the problem. In model railroading there might be unsteady speed or an overshoot in acceleration. Firmware programmers have designed some CV's to give the user some control over those factors. All those decoders have P and I values to modify.

Regelkreis / control loop

Proportionalglied (P-Wert)

Der Proportionalregler bildet die Differenz zwischen Soll- und Istwert und multipliziert diese mit einem Verstärkungsfaktor. Der P Regler ist ein schneller Regler denn eine Veränderung der Regelgröße führt auch zu einer sprunghaften Änderung des Ausgangs. Der große Nachteil eines P Reglers: er braucht immer eine Abweichung vom Idealfall, sonst gibt es keine Regelung.

Integralglied (I-Wert)

Beim Integralregler ist die Stellgröße, abgesehen vom Anfangswert, proportional zum Zeitintegral der Regelabweichung. Da der I Regler Fehler aufsummiert kann mit einem I-Regler auf 0-Fehler ausgeregelt werden. Nachteil des I-Reglers: er ist langsam, es wird integriert und dazu braucht man Zeit.

Differenzierglied

Der D-Regler, wenn es ihn gäbe, siehe weiter unten, wird auch als Vorhalteregler bezeichnet. Die Stellgröße ist proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung. Bei einer Sprunghaften Änderung reagiert der Regler mit einem Impuls. Er eignet sich daher ideal zur Kompensation des Trägen Verhaltens eines I-Reglers. Einen reinen D-Regler kann es nicht geben, da beim Differenzieren der Sollwert heraus fällt, daher kann er keinen reinen D-Regler bilden. Üblicherweise ist dieser Wert bei Decodern nicht manipulierbar.

PI Regler

Kombiniert man einen P- und einen I- Regler entsteht ein PI-Regler der auf 0-Fehler ausregeln kann, aufgrund der I Eigenschaft aber auch schnell ist, ein Charakteristikum des P Reglers. Ist der P Wert zu hoch gewählt kommt es zu Starken Überschwingen, ist er zu klein, reagiert die Regelung träge. Man muss daher PI Regler immer an das System anpassen, Defaultwerte einer PI Regelung können nur Ausgangspunkt einer Anpassung sein.

Proportional (P value)

The proportional regulator subtracts the current value from the input value and multiplies it by an amplification factor. The result is added to the input value. The P loop is a fast regulation system. The disadvantage is, that it needs a offset, otherwise it cannot work.

Integral (I value)

The I loop delivers a correcting variable which is proportional to the time integral of the offset. The I loop summarizes the difference between input and output, it corrects the offset to zero. The disadvantage is that the I-loop is slow, as it integrates which needs time.

Differentiator

The D-loop does not exist alone, see below. The correcting variable is the differentiation of the modification speed of the offset. If you feed it with a sudden change the D-regulator will deliver an impulse. This makes it ideal to correct the slow speed of an I-regulator. A pure D-regulator is impossible as it eliminates the set value. It is usually combined with other regulators, for example to build a PID regulator. Usually this value is preset by the manufacturer.

PI regulator

This is the combination of a P and an I loop. The regulator corrects up to a 0-offset as it incorporated an I regulator. It is quite fast a property of the P component. If you set the P value too high it will overshoot, if it is set too small the regulation might be too slow, as known of the I regulator. It is necessary to set both values specifically for a given system. Decoder vendors can only guess an average setup for most common environments.

Ein ruckeliges Fahren kann auch durch Vergrößerung des I Wertes bekämpft werden. Wenn aber die Regelung sehr träge erfolgt, z.B. am Fuß einer Bergstrecke die Geschwindigkeit für 1-2 Sekunden eingeht , dann sollte der I-Wert verkleinert werden.

Wichtig zu verstehen ist, daß man bei Änderung eines Wertes auch implizit die Wirkung des anderen mit verändert. Nur an einem Wert zu "schrauben" kann kein optimales Ergebnis bringen. Wenn ein Wert verändert wurde und durch Erhöhung oder Verkleinerung keine Verbesserung des Fahrverhaltens zu erreichen ist, dann den anderen Wert optimieren. Danach nochmals den 1. Wert nachsehen und auch den 2. nochmals. Diese Optimierungsschleife solange abwechselnd bearbeiten bis beide Werte optimal sind. Das kann durchaus 3-5 x notwendig sein, je nach Modell und den Ansprüchen des Operators.

Wenn man die Temperaturdrift diverser Komponenten und die Abnutzungserscheinungen der Mechanik in Betracht zieht kann man auf eine völlige Optimierung des Regelkreises verzichten, die Lage ändert sich so und so. Bei guten Fahrleistungen des Modells kann man aufhören an den Variablen zu drehen.

If it moves unsteady increasing the I value might also help. If the regulation is too slow, e.g. the loco slows down when it approaches a slope and then reaccelerates, just increase the I value.

It is important to understand that after changing one parameter the function of the other one gets influenced as well. After setting the I value you need to check the P value as well. Next you need to return to the P-value again to verify whether it is necessary to adjust it again. For optimal performance of the control loop this procedure might need to run 3 up to 5 times. In most cases setting and rechecking might bring you quite close to the optimum.

Considering that the loco's performance changes with temperature and wearing out of bearings as well I recommend to set the variables properly but not overdo the optimization.

Die HF Entstörglieder in Fahrzeugen können Decodern das Leben schon recht schwer machen. Oft übertreiben Fahrzeughersteller um nur ja keine HF Störungen zu verursachen und legen die Werte übermäßig aus. So habe ich 100nF Keramikkondensatoren in N Modellen gefunden order gar 100µF in einem G Spur Modell. Das kann einen Decoder das Messen der EMK behindern, bzw. schwache Anfahr-PWM "auffressen". Kultiviertes Fahrverhalten ist dann unmöglich. Lösung ist die Entfernung der Entstörbauteile. Der Decoder übernimmt die Funkentstörung.

Das Entfernen ist aber auch keine allgemein gültige Empfehlung. Motore mit starkem Bürstenfeuer die bei überhöhter Gleisspannung betrieben werden erzeugen hohe Spannungsspitzen die möglicherweise den Decoder beschädigen können. In solchen Fällen sind die Kondensatoren unbedingt im Modell zu belassen.

HF filters inside the loco may hinder the decoder to detect the correct EMF of the motor. Quite often models have too big capacitors installed. The vendor tries to stay on the safe side to meet legal requirements. I have found 100nF in a N scale loco or even 100µF across a G scale motor! Good motor operation is not possible with such high capacitors! The model railroader needs to remove the capacitor. The decoder does the HF filtering.

The removal of filters is not a general solution for all cases. There are motors with strong brush fire. That generates spikes which may destroy the decoder. For such motors a small capacitor is definitely required, especially if too high track voltage is used

Wie bereits weiter oben beschrieben sind die Motore stark unterschiedlich aufgebaut, das kann ein Decoder nicht erraten. Je ausgereifter die Regelmechanismen sind um so mehr muß auch der Modellbahner zeit in die Optimierung investieren.

Einzige Alternative wäre das zurück gehen auf minderwertige Regelungen oder das Festlegen auf vom Hersteller gewählte unveränderbare Standardwerte. Diese Decoder werden oft, geradezu betrügerisch, als automatisch einstellende Fahrparameter bezeichnet.

Hochwertige Decoder können ebenfalls in so einen "Dummymode" gebracht werden. Man schaltet den Regelungseinfluß auf 0 und erreicht damit das Verhalten eines ungeregelten Decoders.

As I described more in detail above there are too many variants of motor requirements on the market. No decoder can guess that. Every good model railroader needs to set his requirements correctly.

The only alternative would be to hard code parameters by the decoder vendor. Some vendors call these simple constructions "automatically configured". This is of course camouflaging the inability to do regulation correctly.

High quality decoders may be configured to disable regulation. This brings the decoder into "dummy mode".