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Nichtstetiger Zwei- oder Dreibereichsregler mit
Kompens ations einrichtung
Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei nicht stetigen Zwei- oder Dreibereichsreglern.
Das Arbeitsprinzip solcher Regler, die eine Regelgrösse in der Nähe eines vorgegebenen Wertes halten sollen, sind bekannt. Wenn die Grösse vom vorgegebenen Wert abweicht, stellt ein Fühler (détecteur) die Abweichung fest und schickt eine Information auf einen Regler, der die Aufgabe hat, die Grösse auf den vorgegebenen Wert zurückzuführen, indem nicht stetige Signale auf ein Regelorgan gegeben werden. Der Fühler spricht auf"ja"oder"nein"an, d. h., dass er nicht die Stärke der Abweichung zwischen der Regelgrösse und dem vorgegebenen Wert registriert, sondern lediglich die Tatsache, dass die Regelgrösse nicht mehr mit dem vorgegebenen Wert übereinstimmt : daher gibt er weiterhin dem Regler die Information so lange, bis die Grösse auf den vorgegebenen Wert zurückgeführt ist.
Hat der Regelsatz eine gewisse Trägheit, so folgt die Rückführung auf den vorgegebenen Wert dem ersten Signal nicht unmittelbar, und der Regelsatz schickt eine Reihe von Signalen, deren Wirkung anwächst und ein immer schnelleres Rückführen der Regelgrösse auf die vorgegebene Grösse hervorruft. Im Augenblick, wo der vorgegebene Wert erreicht ist, hört der Regler auf zu arbeiten ; aber auf Grund seiner Trägheit schwenkt das geregelte System mit der erreichten Geschwindigkeit weiter aus und die Regelgrösse weicht von neuem vom vorgegebenen Wert ab, diesmal in entgegengesetzter Richtung. Ein entgegengesetztes Wirken des Regelsatzes wird da- her notwendig, um wieder auf den vorgegebenen Wert zu kommen.
Das Arbeiten des "ja"- oder "nein"- Reglers wird also in Schwingungen übersetzt, deren Amplitude, die von der Trägheit des Regelsatzes abhängt, erheblich sein kann und sich manchmal sogar bei jeder Schwingung vergrössert.
Diese Dinge können graphisch durch die Fig. 1 dargestellt werden :
Auf den Ordinaten trägt man die Werte der regelbaren Grösse X auf und auf den Abszissen die Zeit ; zwei Bereiche (0) und (1) sind durch die Gerade AL getrennt, die dem Wert des vorgegebenen Wertes X 0 entspricht, der dem Regelsatz eingegeben wurde. Ein Fühler wird so geregelt, dass er schon reagiert, wenn der Wert Xo nicht eingehalten wird. WenD z. B. zum Zeitpunkt, der auf der Abszisse durch A dargestellt ist, die zu regelnde Grösse beginnt, vom Wert Xo abzuweichen, indem sie vom Bereich 0 in den Bereich i übergeht, reagiert der Fühler sofort und übermittelt dem Regler eine Information, der auf beliebige Weise ein Signal auf ein Organ zur Berichtigung und Rückführung der verstellten Regelgrösse auf die vorgegebene Grösse gibt.
Wegen der Trägheit des Regelsatzes ist die Grösse noch nicht auf die Normalstellung zur Zeit, die dem Punkt B entspricht, zurückgegangen. Es wird also ein zweites Signal durch den Regelsatz geschickt, das so die berichtigende Wirkung verstärkt. Zur Zeit, entsprechend Punkt C, weicht die Grösse weiterhin vom vorgegebenen Wert ab, aber mit geringerer Geschwindigkeit. Zur Zeit, entsprechend Punkt D, erreicht diese Abweichung ihr Maximum, dann fängt sie an kleiner zu werden, aber, da der Fühler auf"ja"oder"nein"anspricht, sendet der Regler weiterhin auf das Regelorgan Signale zu den Zeiten, die den Punkten E und F entsprechen, und das Zurückgehen auf den vorgegebenen Wert wird immer mehr beschleunigt. Erst wenn der Zustand G erreicht ist, hört der Fühler auf zu informieren.
Aber zu diesem Augenblick wird durch die Geschwindigkeit, die auf Grund von überschüssigen Impulsen erreicht wurde, der vorgegebene Wert überschritten, diesmal in der andern Richtung. Die Regelgrösse verlässt den Bereich 1 und tritt umso tiefer in den Bereich 0 ein, je zahlreicher die überschüssigen Impulse
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waren und je länger jeder gedauert hat.
Die Abweichung in den Bereich 0 kann durch den gleichen Fühler oder durch einen andern nachge- wiesenwerden, der genau wie vorher auf den Regelsatz wirkt, aber diesmal in umgekehrter Richtung, um die Abweichung auf einen 0-Wert zu bringen.
Könnte man die Impulse stoppen, wenn die zu regelnde Grösse sich im Gebiet zwischen D und E befindet, könnte das Rückführen auf den vorgegebenen Wert mit einer geringeren Geschwindigkeit vor sich gehen, und es würde sich eine geringere Abweichung im Bereich 0 ergeben. Aber da der Fühler auf "ja" oder "nein" reagiert und nicht in Funktion des Wertes der Abweichung, ist es unmöglich, dieses Stoppen der Impulse in den betrachteten Regelsätzen zu erreichen.
Der Fehler dieser Regelsysteme besteht also darin, dass bei geregelten Systemen mit grosser Trägheit Schwingungen mit grosser Amplitude um den vorgegebenen Wert aufrecht erhalten werden.
Verschiedene Verfahren sind schon verwendet worden. um die Amplitude der Änderungen der Regelgrösse zu verringern und deren Schwingungen zu dämpfen.
Bei diesen Verfahren kann man solche erwähnen, die auf einem Verschieben des vorgegebenen Punktes als Funktion der Wirkzeit auf das Regelorgan beruhen sowie die Verfahren, die eine dosierte Impulswirkung auf das Regelorgan verwenden.
Das erste dieser Verfahren birgt den Nachteil, dass der vorgegebene Punkt verschoben werden muss (oder eine Unsicherheit für den Bedienungsmann). Das zweite reicht manchmal nicht aus, um die Schwingungen des geregelten Systems zu dämpfen.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine Verbesserung der nicht stetigen Regelsysteme mit zwei oder drei Bereichen zu schaffen. Diese Verbesserung besteht darin, dass dem Regelsatz eine Kompensationseinrichtung hinzugefügt wird, die es erlaubt, die überschüssige Wirkung des Regelsystems rasch aufzuheben und die die Aufeinanderfolge der folgenden logischen Vorgänge sicherstellt : Diese Kompensationseinrichtung registriert die Gesamtwirkung (weiter unten definiert) des Regelsystems, die in einem bestimmten Sinn (z.
B. positiv) auf das Regelorgan so gewirkt hat, dass die Regelgrösse den vorgegebenen Wert nicht wieder überschritten hat ; sobald als dann die Regelgrösse den vorgegebenen Wert überschritten hat, d. h. in dem Augenblick, wo der Fühler nicht mehr das Regelsystem arbeiten lässt, übermittelt diese Einrichtung dem Regelorgan den Befehl, eine Korrektur, entsprechend einem bestimmten Bruchteil lit (wobei K eine Zahl grösser als 1 ist) der insgesamt registrierten Wirkung, vorzunehmen, aber dieses Mal im umgekehrten Sinn (negativ) und während einer Zeit, entsprechend einem bestimmten, so klein wie möglichen Bruchteil der
Zeit, während der die Wirkung im positiven Sinne verlief.
Unter diesen Umständen ist die entgegengesetzte (negative) Abweichung, bezogen auf den vorgegebenen Wert, die sich gewöhnlich unter der Wirkung der überschüssigen Regelimpulse einstellt, erheblich geringer und wird kürzere Zeit aufrechterhalten (Punkte G, H, I auf der Kurve-Fig. l).
Praktisch setzt sich ein verbesserter erfindungsgemässer Regelsatz aus folgenden Teilen zusammen, wie schematisch in den Fig. 2 und 3 gezeigt, auf denen man erkennen kann : a) Einen Regelkreis, wie ar gewöhnlich verwendet wird mit Relais R und Impulsgeber, genannt Wirkungsgeber (IA) oder Geber mit langsamer Impulsfolge, u. zw. mit regelbarer Dauer und Folge. b) Einen Kompensationskreis, bestehend aus einer Vorrichtung M mit Speicher und Befehlsteilen und einem Impulsgeber, genannt"Abzugssender" (ID) oder Sender mit schneller Folge, u. zw. ebenfalls mit regelbarer Dauer und Folge. c) Fühler D (Fig. 2) oder D+ und D- (Fig. 3) und einem Regelteil OR.
Die verschiedenen Elemente dieser Kreise können jedem bekannten Typ angehören, jeweils dem entsprechenden Gebrauch angepasst ; sie können mechanisch, elektrisch, elektronisch oder pneumatisch ausgebildet sein.
Die Impulsgeber IA und ID sind vorzugsweise Sender mit einem eigenen Wirkungszeitenbereich, z. B. von 0,5 bis 5 sec, aber mit Bereichen verschiedener Totzeiten. Diese Totzeiten müssen tatsächlich beim Sender ID kürzer sein als beim Sender IA. Zum Beispiel kann man einen Sender ID mit Totzeiten, die innerhalb der Extremwert liegen, verwenden, wobei jeder einen festgesetzten Bruchteil, z. B. 1/10 bis 1/100 der Extremwerte der Totzeiten des Senders oder Gebers IA darstellt.
Die Wahl der Einzelteile, die die Anordnung M bilden, hängt von der Art der Mittel ab, die im Regler verwendet werden, und welche physikalischen Erscheinungen verwendet werden, durch die die aufzunehmende Gesamtwirkung ausgedrückt werden kann. Letztere kann tatsächlich entweder durch die Impulszahl, die während der Zeit des Wirkungsablaufes durch den Sender IA geliefert wird, oder durch die Zeitdauer, während der der Regler arbeitet oder durch die Verschiebungsamplitude des Regelgliedes ausgedrückt werden. Welches auch immer die konkrete Ausführungsart der Anordnung M ist, sie muss die Folge
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der logischen Vorgänge, wie oben definiert, durchführen.
In dem Fall, wo der Regler durch elektrische Impulse auf das Regelglied wirkt, kann das Organ, das diese Wirkung aufnimmt, z. B. ein schrittweise arbeitender Kommutator sein (ein beim Telephcn verwendeter Kommutator oder irgendein anderes System), der bei jedem Impuls, der vom Regler abgegeben wird, vorstellt. Ausgehend von der Schaltstufe Null zum Zeitpunkt des Auslösens der Reglerwirkung, er- reicht ein solcher Kommutator die Schaltstufe N nach N Impulsen, die durch den Regler dem Regelglied geliefert wurden, wobei die Regelgrösse den vorgegebenen Wert durchläuft. In dem Augenblick, wo die
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wirkung gibt.
Daraufhin verstellt der Kommutator um einen Schaltschritt bei jedem Impuls des Senders
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wählt man Impulse mit jeweils der gleichen oder nahezu der gleichen Dauer im Regler und Kompensationskreis, so dass man in diesem Fall K'gleich K setzen kann.
Die erfindungsgemässe Verbesserung Beschränkt sich nicht auf die Anwendung einer Anoidnung M, wie es der schrittweise arbeitende, eben beschriebene Kommutator ist. Jede andere Anordnung, die eine festgelegte Wirkung aufnehmen kann, so wie oben beschrieben, und unmittelbar nachher das Arbeiten des Senders ID bis zur Herstellung des richtigen Gegenwirkungsverhältnisses, das vorher eingestellt wurde, regeln kann, kann verwendet werden.
Diese Beziehung zwischen der durch den Regler hervorgerufenen Vielzahl der Wirkungen und dem zu schaffenden Gegenwirkungsverhältnis, d. h. dem Faktor l/K, wird in Abhängigkeit der Charakteristiken des geregelten Systems festgelegt. Für den Fall, dass der Regelverlauf dieses Systems unter der Reglerwirkung durch eine symmetrische Kurve dargestellt werden kann, wie es der Kurventeil ADG in der Fig. l ist, erscheint es vorteilhaft, den Wert 1/K = 1/2 zu setzen.
Im folgenden sind noch eingehender beschrieben die Beschaffenheit und die Funktion einer Regelkompensationseinrichtung in einem Dreibereichsregler. wobei diese Einrichtung mit Hilfe von statischen elektronischen Blöcken verwirklicht ist. Das Schema einer solchen Einrichtung ist in Fig. 4 veranschaulicht, in welcher die verschiedenen Blöcke durch graphische Symbole angedeutet sind, deren Bedeutung am Fuss der Fig. 4 angegeben ist.
Bekanntlich sind die verschiedenen logischen Funktionen, die man mit solchen Blöcken durchführen kann, folgende :
Logische Funktion"ET" : Der Block liefert nur dan'1 ein Signal, wenn beim ersten Eingang und beim zweiten Eingang Signale eintreten.
Logische Funktion "NI" : Der Block gibt nur dann ein Signal, wenn er weder ein Signal beim ersten Eingang noch beim zweiten Eingang gibt.
Logische Funktion "OU": Der Block gibt ein Signal, wenn bei dem einen oder bei dem andern Eingang ein Signal vorhanden ist (eintrifft).
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:gang "1" und speichert dieses Signal, wenn das Signal beim Eingang "1" verschwindet; das Ausgangssignal des Blockes verschwindet erst, wenn man ein Signal beim Eingang"0"zuführt.
Ausser den logischen Blöcken umfasst die erwähnte Regelkompensationsanordnung folgende ebenfalls in Fig. 4 aufscheinende Organe :
Die Fühler (Detektoren D+'und D-, die die Vorrichtung nach Massgabe der Grössenmessung in den Bereichen 1 und 2 betätigen, die Impulsgeberblöcke IA und ID, ein Regelorgan OR und einen Speicherzähler M, der mit einem
Reduktionsblock F vereinigt ist.
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Das Regelorgan OR kann z. B. ein elektrischer Servomotor sein mit zwei Laufrichtungen, dessen zwei Wicklungen durch zwei Relais V1 und V2 gespeist werden. Wenn das Relais V1 erregt ist, dreht sich der Servomotor in einem solchen Sinn, dass er den Messwert od. dgl. vom Bereich 1 gegen den mittleren Bereich 0 zurückbringt. Wenn das Relais V2 erregt ist, dreht sich der Servomotor im entgegengesetzten Sinn und verschiebt den Messwert vom Bereich 2 gegen den mittleren Bereich 0.
Der Speicherzähler M ist in der Lage, die Zahl der Spannungsimpulse zu registrieren, die beim Zäh- lereingang"l" einlangen, und speichert diese. Die gespeicherte Zahl wird um eine Einheit vermindert für jeden Spannungsimpuls, der beim Eingang "2" einlangt. Wenn der Speicherzähler leer ist, erzeugt er einen Impuls beim Ausgang"3". Der Eingang "1" des Speicherzählers istverbunden mit dem Ausgang des Reduktionsblockes F, der beim Ausgang nur einen Teil der Impulse abliefert, die er selbst beim Eingang empfangen hat ; das kann z. B. eine Klappe sein, welche einen Impuls beim Ausgang liefert, zwei Impulse beim Eingang.
Die Funktionsweise der Einrichtung ist folgende : Man nimmt zunächst an, der Messwert der zu regelnden Grösse sei im Bereich 0. Der Speicherzähler M ist leer. die Speicher M1 und M2 befinden sich in Ruhe (kein Signal beim Ausgang). Es gibt weder ein Signal auf der Leitung" a" noch auf der Leitung "b". Die Sender IA, ID sind nicht gespeist (kein Signal beim Ausgang der Blöcke OA und OD). Es gibt auch kein Signal beim Ausgang der Blöcke Al und A2 ; es gibt auch kein solches beim Ausgang EV1. E"Vz, noch
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Die"1" eintritt, dann liefert der Fühler D+ ein Signal auf der Leitung" a". Es erscheint daher ein Signal bei einem Eingang und bei dem Ausgang von OA. Der Impulsgeber IA wird daher gespeist. Seine Impulse werden beim Ausgang von Al wiederholt.
Das Relais Vl wird ebenfalls gespeist durch die Impulse mit der Frequenz des Senders IA. Der Servomotor OR dreht sich ebenfalls durch Impulse und ist bestrebt, den Messwert in den Bereich 0 zu verschieben. Bis dahin funktioniert die Anordnung wie ein gewöhnlicher Regler, der durch Impulse wirksam ist.
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"1" desSpeicherzähle : s M verbunden ist, wird ein gewisser Teil der von IA ausgesendeten Impulse in den Speicher gesendet, z. B. einer für zwei.
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gnal auf der Leitung "c", während gleichzeitig ein Signal beim Ausgang des Speichers Ml bestehen bleibt.
Es erscheint auch ein Signal beim Ausgang des Blockes EV1 und der Impulssender ID wird gespeist über den Block OD. Man findet die von ID gelieferten Impulse wieder beim Ausgang des Blockes Dl, ebenso beim Ausgang von Cri. ! n diesem Augenblick wird das Relais V2 mit Impulsen gespeist, die die Frequenz des Senders ID aufweisen. Der Servomotor dreht sich dagegen infolge von Impulsen im entgegengesetzten Sinn gegenüber vorher- und ist bestrebt, den Eingang des Messwertes in den Bereich 0 zu verlangsamen.
Diese Impulse kehren zum Abzugseingang"2"des Speicherzählers M zurück. Wenn die Zahl der Impulse die Zahl der vorher registrierten Impulse erreicht, erscheint ein Signal beim Ausgang "3" von M. Dieses Signal hat die Wirkung, den Speicher Ml in Ruhe zu setzen. Das Signal beim Austritt von Ml verschwin- det daher und die Wirkung auf den Servomotor hört auf, bis der Messwert in den Bereich 1 oder den Bereich 2 gelangt.
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betätigt werden.
Das erfindungsgemässe Regelsystem mit Kompensator kann vorteilhafterweise mit allen Integrationssystemen oder Trägheitssystemen verwendet werden, die sich nicht nach jeder Änderung des Regelorgans schnell zu einem neuen Gleichgewichtszustand hin bewegen. Ein Beispiel für den Typ dieses Systems wird durch die Maschinen mit endlosem metallischem Band geliefert, die zur Herstellung von Folien bzw. Filmen durch Giessen einer Polymerenlösung dienen. Man weiss, dass die Bänder diese Maschinen, die erhebliche Abmessungen erreichen können (z. B. ein Vielfaches von 10 m abgewickelter Länge und einer Breite, die l m übersteigt) und die auf die Führungswalzen und den Motor erhebliche Kräfte ausüben (in der Grössenordnung von mehreren Tonnen), eine sehr grosse Trägheit bildet.
Anderseits zwingen die Forderungen in bezug auf Regelmässigkeit, die für die Folie bzw. den Film aufgestellt sind, dazu, die seitlichen Verschiebungen, die das Band unvermeidlich unter dem Einfluss von verschiedenen Ursachen ausführt, aufs
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engste zu begrenzen. Lässt man eine solche Maschine ohne Regler arbeiten, wie auch immer die Parallel- tät der Antriebs- und Führungswalzen ist, so wird das Band erhebliche seitliche Verschiebungen ausführen.
Hier kann man Abhilfe schaffen, indem man die Ausrichtung der Führungsrollenachse durch ein Regelorgan bewirkt, das aus einem elektrischen Hilfsmotor mit Schnecke und Ritzel besteht und das kleine Ver-
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Regelgerät kann automatisch durch ein Fühlgerät in Gang gesetzt werden.
So hat man eine Maschine zur Herstellung von Folien bzw. Filmen durch Giessen (Fig. 5) (film par coulee) mit einem automatischen Regler ausgestattet, der folgende Besonderheiten aufweist : abgewickelte Länge des Bandes : 28m ; Breite : 1, 40m ; Druc. < auf die Lager : 8-10t : regelbare Lineargeschwindig- keit : 200 - 1200 rn/h.
Zunächst war die Maschine mit einer Regelung mit einem einfachen Regler ausgestattet, der folgendes umfasste : als Fühler zwei Widerstandsphotozellen A und B, die durch zwei Licht- bündel, die auf je einer Seite des Bandes und senkrecht dazu angebracht waren, betätigt wurden und die durch optische Systeme mit Brennpunkten in einer der Bandebene,2,5 mm vom Rand, ausgestrahlt wurden ; einem Relais ; einem Impulssender mit regelbarer Impulsdauer zwischen 0, 5 und 10 sec und regela- rer Totzeit zwischen 0, 5 und 10 min ; einem Regelorgan mit elektrischem Hilfsmotor ; Schnecken und Rit- zel, so wie oben beschrieben, die eine Verschiebung des Lagers, an dem geregelt werden soll, mit einer Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 0,4 mm/min erlaubt.
Später hat man versucht, die Regelung der Maschine zu verbessern, indem man in den ursprünglichen Kreis entsprechend dem Schema der Fig. 3 und 4 einen Gegenwirkungskreis einbaute, umfassend : eine Anordnung M aus einem Telephonkommutator vom vorbeschriebenen Typ und der durch einen Wert 1/K = 1/2 geregelt wurde, und einen Sender mit rascher Impulsfolge mit einer Impulsdauer zwischen C, 5 und 10 sec mit regelbarer Zwischenzeit zwischen 0, 5 und 5 sec.
Beim Arbeiten mit dem einfachen Regler und bei besseren Betriebsbedingungen desselben, d. h. für Impulse mit einer Dauer von 10 sec, unterbrochen durch eine Totzeit von 6 min, erhielt man noch bemerkenswerte Verschiebungen, aie sich bei jeder Hin- und Herbewegung des Bandes von der einen Seite auf die andere durch die Brennpunkte der Strahlenbündel des Fühlersystems festgelegten Begrenzungen vergrösserten. Mit dem Reglerkompensator und unter Verwendung von Impulsen mit einer Dauer von 10 sec unterbrochen durch eine Totzeit von 3 sec im Reaktionskreis ist es gelungen, die Schwingungen erheblich zu dämpfen, die durch das einfache Regelsystem aufrechterhalten würden.
Das Regelsystem mit Kompensation erlaubt es nun, grosse Lineargeschwindigkeiten auszunutzen, für die die Stabilisation des Bandes von Hand praktisch ohne Beschädigung des Bandes unmöglich wäre.