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Regeleinrichtung für Grössen, die längs einer Messstrecke einen Extremwert besitzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Grössen, die längs einer Messstrecke einen
Extremwert besitzen, der an einem, z. B. durch den Sollwert oder einen Führungswert vorgegebenen Ort festzuhalten ist. Derartige Grössen treten in den verschiedensten Anlagen der Verfahrenstechnik auf, und die Qualität des Endproduktes oder auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hängt davon ab, dass der
Extremwert an einem bestimmten Ort der Mess-oder Regelstrecke gehalten wird.
So werden z. B. zum Sintern von Erzen sogenannte Bandsinteranlagen verwendet, bei denen das zu sinternde Gut auf einem Band läuft. Der Prozess verläuft dann am günstigsten, wenn das Maximum der Temperatur an einer Stelle auftritt, die im letzten Teil des Bandes liegt. Die Lage des Temperaturmaximums lässt sich verschieben, wenn die Geschwindigkeit des Sinterbandes geändert wird.
Ähnlich liegen die Vorgänge in Zementöfen. Auch hier soll das Temperaturmaximum an einer bestimmten Stelle auftreten und seine Lage lässt sich beeinflussen, wenn die Drehgeschwindigkeit des Ofens, die Beschickung oder die Verbrennungsluftzufuhr geändert wird. Verschiedene Grosskesselanlagen arbeiten am wirtschaftlichsten, wenn die maximale Feuerraumtemperatur, die sich mit der Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft ändern kann. an einer bestimmten Stelle innerhalb des Kessels liegt.
Die zu erfassenden oder zu regelnden Grössen können an sich beliebiger Art sein, wenn nur bekannt ist, dass die betreffende Grösse an einem bestimmten Ortsbereich der Anlage einen Extremwert (Maximum oder Minimum) durchläuft und festgestellt ist, dass es innerhalb dieses Ortsbereiches nur einen Extremwert gibt. Manche chemischen Reaktionen. die z. B. in einer Kolonne oder einer Rohrleitung kontinuierlich ablaufen, liefern das beste Ergebnis, wenn der pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit oder eine andere charakteristische Grösse an einer bestimmten Stelle der Messstrecke einen Extremwert erreicht. Die Lage des Extremwertes kann durch eine Änderung der Umlaufgeschwindigkeit der behandelten Stoffe oder irgendwelcher Zusatzkomponenten beeinflusst werden. Auch die Messwerte Druck, Menge können als charakteristische Grössen herangezogen werden.
Wenn es sich um Prozesse handelt, bei denen die beteiligten Stoffe im gasförmigen Zustand vorliegen, werden für die Messung Gasanalysegeräte zu verwenden sein. Die Zahl der Beispiele lässt sich weiter vermehren. Es kann auch daran gedacht werden, den Prozessablauf in einem Kernreaktor so zu beeinflussen, dass das Maximum oder Minimum des Neutronenflusses an einer bestimmten Stelle auftritt.
Für alle diese vielfältigen Probleme ist die nachfolgend angegebene Einrichtung zu verwenden, die mit relativ einfachen Mitteln aufgebaut ist. Gemäss der Erfindung ermittelt ein Rechengerät als Regelgrösse (Istwert) die örtliche Lage des Scheitelwertes einer durch drei Messwerte bestimmten Parabel, welche Messwerte an drei dem vorgegebenen Ort (Sollwert) des Extremwertes benachbarten Stellen gemessen werden und dass ein Regler nach der vorliegenden Abweichung vom Sollwert das den Ort des Auftretens des Extremwertes beeinflussende Stellglied betätigt. So wird beispielsweise bei einer Bandsinteranlage die Temperatur in den drei letzten Absaugekästen des Sinterbandes gemessen und über das Rechengerät die Lage des Extremwertes der Temperatur mit der Lage verglichen. bei der der Extremwert auftreten soll, um die beste Qualität des Endproduktes zu erhalten.
Aus diesem Vergleich ergibt sich die Regelabweichung, nach der ein Regler die Bandgeschwindigkeit in der Richtung verändert, dass der Ort des Extremwertes sich an die vorgeschriebene Stelle verlagert.
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oderlautet :
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Nach den bekannten Regeln der Mathematik kann man die Bestimmungsgleichungen für die Koeffizienten aufstellen und in die differenzierte Gleichung zur Bestimmung des Scheitelwertes einsetzen. Für den Scheitelwert ergibt sich dann :
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oder
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In diesen Gleichungen stehen bekannte Ortskoordinaten x2, # x und als wichtigstes Glied ein Quotient aus den Messwertdifferenzen. Dieses Glied gibt mit ausreichender Näherung die Lage des Ortes an, an dem der Extremwert auftritt.
Die oben angegebenen Gleichungen lassen sich so umformen. dass die Ortskoordinaten alle auf der linken Seite stehen.
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Diese Beziehung lässt sich graphisch nach Fig. 2 als Gerade darstellen. Es ist somit ausreichend die Beziehung f (y) zu bestimmen, um den Ort festzulegen, an dem der Extremwert der Messgrösse auftritt.
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bzw.
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Der Quotient f (y) kann mit einem elektromechanischen Kompensator ermittelt werden, dem die Gleichströme
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zugeführt werden. Ein Beispiel für den Aufbau eines derartigen Quotientenrechners zeigt Fig. 3. Der Strom il durchfliesst dabei einen Widerstand r und der Strom i den Widerstand r.
Die Spannungen am Widerstand r und am Abgriff A des Widerstandes r2 werden über einen Verstärker V miteinander verglichen und der Abgleichmotor im Ausgang des Verstärkers verstellt den Abgriff so lange, bis die Spannung am Abgriff den gleichen Wert hat wie die Spannung am Widerstand r. Die hiezu erforderliche Stellung des Abgriffes A ist mit ar bezeichnet. Aus der Gleichgewichtsbedingung lässt sich ableiten
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Die Stellung des Abgriffes gibt somit die Lage des Ortes an, an dem der Extremwert der Messgrösse auftritt.
Wählt man
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so ergibt sich für
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Ist dagegen
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so wird
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wird. Innerhalb eines bestimmten Ortsbereiches wird somit kontinuierlich der Ort für den maximalen Messwert näherungsweise ermittelt. Dieser Wert liegt in einer Potentiometerstellung des Quotientenrechners vor und kann als Istwert in einen Regler eingeführt werden. An Stelle des im Beispiel der Fig. 3 beschriebenen Quotientenrechners mit einem elektromechanischen Kompensator können auch andere Geräte zur Quotientenbildung, z. B. ein Quotientenmesswerk, verwendet werden.
Ein schematisches Ausführungsbeispiel für eine komplette Regeleinrichtung zeigt Fig. 5. An den
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anWenn es sich bei der vorliegenden Regelstrecke um Prozesse mit Totzeit und Anlaufzeit handelt, so vergeht unter Umständen eine bestimmte Zeit, bis nach einer Änderung der Messgrösse an der Stelle x diese Änderung auch an den Stellen X2 und x auftritt. Der Rechner würde während dieser Zeit die Lage des Scheitelwertes der Parabel nicht richtig ermitteln. Aus diesem Grunde kann es zweckmässig sein, in den Übertragungsweg der Messgrössen zum Rechner Verzögerungsglieder einzuschalten.
Verläuft der Prozess in der Regelstrecke 1 nach Fig. 5 in der angegebenen Richtung, so wird in den Übertragungsweg der Messgrösse von der Stelle x ein Verzögerungsglied eingeschaltet, das so zu bemessen ist, dass der Messwert y erst dann im Eingang des Rechners erscheint, wenn sich die durch Laufzeit und Anlaufzeit verzögerte Änderung der Messgrösse auch an der Stelle x3 im Messwert y auswirkt. Ein entsprechendes Verzögerungsglied mit geringerer Verzögerungszeit ist in den Übertragungsweg der Messgrösse y vom Messort x einzuschalten. Bei einer Bandsinteranlage sind die Verzögerungsglieder z. B. der Laufgeschwindigkeit des Bandes anzupassen.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Regeleinrichtung für Grössen, die längs einer Mess- oder Regelstrecke einen Extremwert besitzen, der an einem (durch Sollwert bzw. Führungswert) vorgegebenen Ort festzuhalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechengerät als Regelgrösse (Istwert) die örtliche Lage des Scheitelwertes einer durch drei Messwerte bestimmten Parabel ermittelt, welche Messwerte an drei dem vorgegebenen Ort (Sollwert) des Extremwertes benachbarten Stellen gemessen werden und dass ein Regler nach der vorliegenden Abweichung vom Sollwert das den Ort des Auftretens des Extremwertes beeinflussende Stellorgan betätigt.