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Elektrische Regeleinrichtung
Bei den gebräuchlichen Reglern ist es erforderlich, zur Anpassung an die Regelstrecke Einstellmittel, beispielsweise für die Proportionalverstärkung, für die Rilckfrzeit, für die Integrierzeit usw., vorzusehen : Hiezu dienen in der Regel Potentiometer, unter Umständen auch einstellbare Kondensatoren. Dies ist einerseits mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden und erfordert anderseits eine zeitraubende Ab- gleicharbeit bei der Inbetriebnahme des Regelkreises.
Es ist bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden, einen Regelkreis auf Grund einer besonderen Optimierungsvorschrift derart aufzubauen, dass auch Regler höherer Ordnung mit einem einzigen Einstellknopf versehen werden können. Dadurch wird die Optimierung einer Anlage wesentlich erleichtert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bemessungsvorschrift für Regelkreise anzugeben, die es gestattet, die einzelnen Teilglieder des Reglers aus Reglerbausteinen aufzubauen, die überhaupt keine eigenen Einstellmittel mehr enthalten. Führt man die Regelverstärker in Transistorbauweise aus, so können sie mit Isoliermasse hermetisch vergossen werden. Die Anpassung an die Regelstrecke geschieht durch äussere Beschaltung der Reglerbausteine.
Die Erfindung geht von einer elektrischen Regeleinrichtung mit integralem Verhalten und Glättung des Istwertsignales aus. Eine solche Glättung ist insbesondere dann erforderlich, wenn als Stellglieder Stromrichter u. ähnl. Einrichtungen dienen, die ein Gleichstromsignal mit erheblicher Welligkeit abgeben.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein passives Vorhaltglied im Istwertkreis mit einer Übergangsfunktion, deren Zeitdiagramm eine Anfangssteilheit entsprechend der der Istwertglättung zugeordneten Glättungskonstante aufweist und auf etwa ein Viertel des Anfangswertes abfällt. Enthält der Regelkreis neben der Glättungszeitkonstante tG noch weitere kleine Zeitkonstanten mit der Summe F, t IL, so wird das Vorhaltglied so bemessen, dass das Zeitdiagramm seiner Übergangsfunktion auf etwa
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abfällt.
Der Ausdruck "passiv" charakterisiert in diesem Zusammenhang die Tatsache, dass im Vorhaltglied
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gangssignals zu verstehen.
Zur näheren Erläuterung sei zunächst das Blockschaltbild nach Fig. l betrachtet. Der Regelkreis nach Fig. l enthält einenPI-Regler l, dessen Übergangsfunktion in Operatorenschreibweise eingetragen ist. Die Stellgrösse y wiz der Regelstrecke S zugeführt und der Istwert x über ein Glättungsglied 2 mit der Glät- tungszeitkonstante tG an den Eingang des Reglers gegeben. Nach einem an anderer Stelle gemachten Vorschlag kann man zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit bei der Ausregelung von Laststössen die Rückführ- zeit r des PI-Reglers etwa gleich dem vierfachen der Summe der kleinen Zeitkonstanten bemessen.
Die Summe der kleinen Zeitkonstanten sei im vorliegenden Fall gleich der Glättungszeitkonstanten tG. Ein derart bemessener Regelkreis zeigt bei Sollwertstössen ein beträchtliches Überschwingen, das jedoch für sich durch ein Glättungsglied 3 vor dem Reglereingang unterdrückt werden kann. Dieses Glättungsglied
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hat eine Zeitkonstante, die zweckmässig gleich der Rtickfithrzeit r des PI-Reglers bemessen wird. Das Glättungsglied 3 beeinflusst die rasche Ausregelung von Laststössen nicht, wie man auch aus dem Blockschaltbild unmittelbar erkennen kann.
Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, dass der Regelkreis nach Fig. l in einen Regelkreis nach Fig. 2 übergeführt werden kann, der dynamisch und statisch exakt gleiches Verhalten aufweist. Der
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kreis entfällt, während im Istwertkreis an die Stelle des Glättungsgliedes 2 ein passives Vorhaltglied5 tritt, dessen Übergangsfunktion eingetragen ist. Der Faktor 4 im Zähler rührt von der obengenannten Vorschrift her, die Rückführzeit T des PI-Reglers gleich dem vierfachen der Summe der kleinen Zeitlzonstall- ten zu machen. Diese Bemessung ist jedoch nicht kritisch und der Faktor kann in relativ beträchtlichen Bereichen schwanken, ohne dass die Regelgüte wesentlich herabgesetzt wird.
Das Vorhaltglied 5 gemäss Fig. 2 entspricht der Hintereinanderschaltung eines Glättungsgliedes 2 und eines PD-Gliedes mit der Übergangsfunktion 1 + p. r. Während ein solches PD-Glied nur mit aktiven Elementen, d. h. einem Verstärker, realisierbar ist, kann das Vorhaltglied 5 erfindungsgemäss aus passiven Bauelementen bestehen.
Fig. 3 zeigt die Übergangsfunktion dieses Vorhaltgliedes. Man erkennt, dass die Ausgangsgrösse von
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anschaulicht eine Möglichkeit zur praktischen Realisierung eines solchen Vorhaltgliedes. Es besteht aus einem Spannungsteiler mit den Widerständen R und R2 > die im Verhältnis 3 : l stehen, während'der Längs- widerstand Ri durch einen Kondensator C überbrückt ist. Der Kondensator ist so bemessen, dass der gewünschte Abfall mit der Glättungszeitkonstante tG eintritt.
Es sei hier ein Beispiel für zusätzliche kleine Zeitkonstanten im Regelkreis gegeben. Wenn als Stellglied ein Stromrichter verwendet wird, so tritt zu der Glättungszeitkonstante noch die statistische Laufzeit ts des Stromrichters, die von der Phasenzahl und von der Netzfrequenz abhängig ist. Bei einem Dreiphasenstromrichter am technischen Drehstromnetz liegt die statistische Laufzeit in der Grössenordnung von
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vollwertig zu ersetzen. Wenn die Regelstrecke Integralverhalten aufweist (beispielsweise einen Stellmotor enthält), so genügt bereits ein P-Regler.
Beide Reglertypen sind mit Hilfe von gegengekoppelten Verstärkern so realisierbar, dass zur Anpassung an die Regelstrecke (z. B. über die Integrierzeit Ti) kein Eingriff in den inneren Aufbau des Verstärkers erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei Transistorregelverstarkern vorteilhaft, da man dann die gesamte Verstärkerschaltung als einheitlichen Baustein ausführen kann und gegen atmosphärische und mechanische Einflüsse leicht schützen kann.
Ein gegengekoppelter Verstärker kann so ausgebildet werden, dass der Eingangsstrom immer gleich dem Gegenkopplungsstrom ist. Das Verhältnis von Eingangsgrösse zur Ausgangsgrösse, also die Verstärkung, ist dann dynamisch bzw. statisch vom Verhältnis des Eingangswiderstandes zur Gegenkopplungsimpedanz abhängig.
Fig. 5 zeigt einen auf dieser Grundlage aufgebauten 1-Regler. Er besteht aus dem Verstärker 6 mit einem Satz mehrerer Eingangswiderstände 7,8, 9,10 mit abgestuften Werten sowie einem Gegenkopplungskondensator 11. Die gesamte Schaltung ist, wie durch die gestrichelte Umrahmung 12 angedeutet, zu einem Baustein zusammengefasst und kann zweckmässig vergossen werden. Die Integrierzeit ist vom Verhältnis des jeweils beschalteten Eingangswiderstandeszur Gegenkopplungskapazität abhängig, kann also stufenweise gewählt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, gemäss Fig. 6 den Verstärker 6 mit einem festen Eingangswiderstand 13 zu einem Reglerbaustein zusammenzufassen und für die Gegenkopplung Klemmen 14,15 vorzusehen, an die entweder ein Gegenkopplungskondensator 11 oder ein Gegenkopplungswiderstand 16 angeschlossen werden kann. Bei Einschaltung eines Gegenkopplungswiderstandes entsteht ein P-Regler,
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dessen Verstärkung vom Verhältnis der Widerstände 13 und 16 abhängig ist. Bei einer Bauform nach Fig. 6 können P-und 1-Regler aus den gleichen Bausteinen aufgebaut sein.
Das gemäss der Erfindung im Istwertkreis vorgesehene passive Vorhaltglied kann unter Umständen bereits im Messumformer selbst enthalten sein. Ist dies nicht möglich oder zweckmässig, so wird man auch das Vorhaltglied in Form eines Spannungsteilers als eigenen Reglerbaustein ausbilden, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Die beiden Widerstände 17 und 18 können in einem festen Verhältnis zueinander bemessen sein, beispielsweise 3 : 1. Die beiden Anschlüsse des Widerstandes 17 sind an Klemmen 19,20 geführt, an die ein Kondensator 21 geschaltet werden kann. Auf diese Weise ist die Einstellung der jeweils gewünschten Glättungszeitkonstante möglich.
Falls ein abweichendes Widerstandsverhältnis durch zusätzli- che kleine Zeitkonstanten im Regelkreis erforderlich gemacht wird, kann man dem Widerstand 18 einen weiteren Widerstand 22 parallelschalten, der in Fig. 7 gestrichelt angedeutet ist.
In vielen Fällen hat die Glättungszeitkonstante für Kategorien von Regelstrecken den gleichen Wert.
Beispielsweise ist eine Glättungszeitkonstante von 10 msec entsprechend einer Halbperiodendauer der Netzfrequenz gebräuchlich. In diesem Fall kann man den Kondensator 21 mit den Widerständen 17 und 18 unmittelbar zu einem Reglerbaustein gemäss Fig. 8 zusammenfassen. Auch bei dieser Bauform ist es möglich,
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oder Lötösenanschlüssengossene Blöcke ausgebildet sein. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, das Vorhaltglied mit einem Verstärkerbaustein zu kombinieren, so dass dann der gesamte Regelkreis bis auf die eigentliche Regelstrecke in einer Einheit zusammengefasst ist. Diese Einheit kann durch ausschliesslic1- äussere Beschaltung jeder vorliegenden Regelstrecke angepasst werden, ohne dass eine Einstellung der Kenndaten in der bisher üblichen Weise erforderlich ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Regeleinrichtung mit integrale Verhalten und Glättung des Istwertsignals, gekenn- zeichnetdurch ein passives Vorhaltglied im Istwertkreis mit einer Übergangsfunktion, deren Zeitdiagramm eine Anfangssteilheit entsprechend der der Istwertglättung zugeordneten Glättungszeitkonstante aufweist und auf etwa ein Viertel des Anfangswertes abfällt.