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Digitaler Regler
Zur Regelung aller Grössen, die in Form einer Impulsfolgefrequenz darstellbar sind, z. B. zur Dreh- zahl-oder Lageregelung, werden digitale Regler bevorzugt, da sie eine Messung der Regelgrösse mit ho- her Genauigkeit ermöglichen. Die Beeinflussung des Stellgliedes kann hiebei kontinuierlich erfolgen. Die hiezu geeigneten Regler bedürfen also einer Digital-Analog-Umsetzung, die zumeist mittels komplizier- ter Widerstandsnetzwerke ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft einen Regler für durch Frequenzen, insbesondere Impulsfrequenzen, darstellba- reRegelgrössen, der unmittelbar als Digital-Analog-Umsetzer wirkt, ohne hiezu ein eigenes Widerstands- netzwerk zu benötigen, wobei aber auch die statische Genauigkeit der digitalen Regelung erhalten bleibt.
Der erfindungsgemässe Regler ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der die Regelgrösse darstellenden
Frequenz betriebener Zähler (5, 5', 5") zur periodisch wiederkehrenden Erzeugung eines während des zum Erreichen einer vor einstellbaren Perioden - bzw.
Impulszahl (no) erforderlichen Zählzeitintervalles (T) be- stehenden Signales einerseits und eine periodisch während eines gleichzeitig mit dem Zählzeitintervall (T) beginnenden konstanten Zeitintervalles (Sollzeitintervall To/2) ein weiteres Signal gebende Enrich- tung (9, 9', 9") anderseits an eine Koinzidenzschaltung (8, 12, 13, 14) angeschlossen sind, welche letztere aus beiden Signalen Impulse gewinnt, deren Dauer gleich der Differenz zwischen dem konstanten Zeitin- tervall (To/2) und dem Zählzeitintervall (T) ist.
Um die von der Differenz zwischen dem konstanten Zeitintervall und dem Zählzeitintervall abhängigen Reglerausgangsimpulse direkt zur Beeinflussung des Stellgliedes auswerten zu können, erweist es sich als zweckmässig, deren Polarität vom Vorzeichen dieser Differenz abhängig zu machen. Zur Bildung des konstanten Zeitintervalles eignet sich ein weiterer, von einem Impulsgeber mit konstanter Impulsfrequenz beaufschlagter Zähler mit voreingestellter Impulszahl.
Zur Vermeidung des Überschwingens des Reglers erweist sich die Verwendung einer Rückführung als vorteilhaft, die zur gegensinnigen Beeinflussung der Ausgangsgrösse durch Einführen von Zusatzimpulsen oder auch durch Sperrung der Eingangsimpulse während eines durch dieRückführungseinstellung gegebenen Zeitintervalles dient und die über Integrierglieder mit vorzugsweise einstellbarem Ansprechwert an den Reglerausgang angeschlossen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Zur Erläuterung der Arbeitsweise des erfindungsgemässen Reglers dienen die Diagramme der Fig. 2.
Die Regelgrösse wird, sofern sie nicht selbst eine Frequenz ist, in eine proportionale Impulsfrequenz umgewandelt, die an den Eingang 1 des Reglers geführt wird. Über einen Impulsformer 2, ein Sperrgatter 3 und ein Oder-Gatter 4 werden die Impulse einem Zähler zugeführt, der im Beispiel drei Zähldekaden 5, 5', 5" aufweist. Die zehn Ausgänge jeder Zähldekade sind an die Kontaktlamellen je eines von drei voreinstellbaren Schaltern 6, 6', 6" angeschlossen, deren Kontaktarme an ein Und-Gatter 7 angeschlossen sind. Diese Schaltung hat die Funktion, nach einer bestimmten Anzahl von Impulsen, die durch die Kontaktarme der Schalter 6, 6', 6" eingestellt wird, an den Ausgang des Und-Gatters 7 einen Impuls zu liefern, der einer Kippstufe 8 zugeführt wird.
Mit 9, 9'und 9" sind die Zàhldekaden eines weiteren Zählers bezeichnet, der von einem Impulsgeber 10 mit Impulsen konstanter Frequenz gespeist wird. Die letzten Ausgänge der einzelnen Zähldekaden 9, 9', 9" sind an die Kontakte eines Schalters 11 geschaltet. Je nach Einstellung des Kontaktarmes des Schalters 11 wird an dessen Ausgang nach jedem 10., 100. oder 1000. Impuls des Impulsgebers 10 ein Impuls erhalten und einer Kippstufe 12 zugeführt.
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Die Kippstufen 8 und 12 sind so geschaltet, dass deren linke Ausgänge im Ruhezustand der Schaltung jeweils logisch gleich L sind. Den beiden Kippstufen. 8 und 12 sind zwei Und-Gatter 13 und 14 nachgeschaltet, derart, dass die Eingänge des Gatters 13 mit dem rechten Ausgang der Kippstufe 8 und mit dem linken Ausgang der Kippstufe 12 verbunden sind, während die Eingänge des Gatters 14 mit den restlichen Ausgängen der beiden Kippstufen verbunden sind. Mit dieser Schaltung wird erzielt, dass sowohl in der Ruhelage als auch bei Umschaltung beider Kippstufen beide Gatter 13, 14 gesperrt sind. Bei Umschaltung der Kippstufe 8 allein wird der Ausgang des Gatters 14 und bei Umschaltung der Kippstufe 12 allein wird der Ausgang des Gatters 13 logisch gleich L.
Der Ausgang des Gatters 13 führt zum Eingang eines weiteren Und- Gatters15, dessen zweiter Eingang an negativer Spannung liegt, so dass bei Öffnen des Gatters 13 am Ausgang des Gatters 15 negatives Potential auftritt. In analoger Weise ist der Ausgang des Gatters 14 an einen Eingang eines Und-Gatters 16 geschaltet, dessen zweiter Eingang an positiver Spannung liegt, wodurch bei Öffnen des Gatters 14 die positive Spannung an den Ausgang des Gatters 16 gelangt. Über einen Verstärker 1. 7 werden diese Spannungen verstärkt demReglerausgang 18 zugeführt. Zur Vermeidung von Regelschwingungen ist eine aus den Teilen 21-33bestehendeRuckführung, durch eine strichpunktierte Linie getrennt von den übrigen Sehallelementen, dargestellt.
Wenn das Zeitintegral der Reglerausgangsgrösse einen vorgesehenen Schwellwert überschreitet, wirkt die Rückführung im Sinne der Reduzierung der Länge der Ausgangsimpulse.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Reglers ist an Hand der Diagramme der Fig. 2 erläutert ; das obere Diagramm zeigt in strichlierten Linien den Zeitablauf der Summe der am Reglereingang eintreffenden Impulse, deren Anzahl mit n bezeichnet und als Ordinate aufgetragen ist. Die Impulsfrequenz ergibt sich somit als die Steigung der strichlierten Linien. Im oberen Diagramm ist der Ablauf von fünf verschiedenen Impulsfolgen mit verschiedenen Impulsfrequenzen dargestellt. Der erfindungsgemässe Regler dient zur Regelung auf eine im Mittel über ein Zeitintervall To konstante Impulsfrequenz fo, die der dritten dargestellten Impulsfolge entspricht. Die Feststellung der Reglereingangsfrequenz erfolgt in Perioden von der Länge T..
Die Kippstufe 12 ist so geschaltet, dass sie durch einen vom Zähler 9,9',9" relie- ferten Eingangsimpuls von'der jeweils bestehenden Lage in die Gegenlage gekippt wird, sie wechselt daher
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eingestelltechen der Impulszahl no erforderliche Zeit wird mit einer Zeit verglichen, die im vorliegenden Beispiel gleich der halben Periodendauer, also To/2 ist. Demgemäss ist die Periodendauer To so festgelegt, dass
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Einstellung des Schalters 11 nach 10, 100 oder 1000 Impulsen des Impulsgebers 10 einen Umstellimpuls an die Kippstufe 12 liefert. Hiedurch wird während der ersten Hälfte einer Periode der linke Ausgang und während der zweiten Hälfte der rechte Ausgang der Kippstufe 12 logisch gleich L.
Entspricht die Reglereingangsfrequenz genau der Sollfrequenz f, so erreicht auch der Zähler 5, 5', 5" die eingestellte Zahl no innerhalb einer halben Periode To/2, so dass gleichzeitig beideKippstufen 8 und 12 umgestellt werden, worauf die Gatter 13 und 14 weiterhin gesperrt bleiben und also kein Impuls an den Reglerausgang 18 gelangt. Bei Abweichung der Istfrequenz von der Sollfrequenz ergibt sich jedoch ein Unterschied der Umschaltezeiten der Kippstufen 8 und 12.
Wenn die Istfrequenz höher ist als die Sollfrequenz fo, erreicht der Zähler 5, 5', 5"den Zählerstand no vor Beendigung der ersten Halbperiode, wodurch auch die Kippstufe 8 von der Kippstufe 12 umgeschaltet wird,. Hiedurch werden beide Eingänge des Gatters 13 logisch gleich L und es gelangt über das Gatter 15 negative. Spannung an den Ausgang 18, bis nach Ablauf der halben Periode auch die Kippstufe 12 umgeschaltet wird.
Unterschreitet dieistfrequenz diesollfrequenz f., so wird der Zählerstand no erst in der zweiten Hälfte der periode To erreicht und dementsprechend wird die Kippstufe 8 erst nach der Kippstufe 12 umgeschaltet, und in der Zeit zwischen den beiden Umschaltungen das Gatter 14 durchgeschaltet, das im Zusammenwirken mit dem Gatter 16 über den Verstärker 17 einen positiven Impuls an den Ausgang 18 liefert.
Am Ende jeder Periode wird die Kippstufe 12 durch den Zähler 9, 9', 9" wieder in die Ausgangslage zurückgestellt. Hiebei werden über die Kondensatoren 19 und 20 Rückstellimpulse an den Zähler 5,5', 5'' und an die Kippstufe 8 übertragen.
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Das untere Diagramm der Fig. 2 zeigt die am Reglerausgang 18 erhaltenen Impulse, deren Dauer ein Mass für die Abweichung der Istfrequenz f von der Sollfrequenz fo ist, dargestellt durch die Zeitdifferenz (To/2) -T, also zwischen der halben Periodendauer und der zum Zählen der Impulszahl no erforderlichen Zeit. Das Vorzeichen der Reglerausgangsimpulse ist abhängig vom Vorzeichen dieser Differenz. In den beiden ersten der fünf dargestellten Perioden der Diagramme der Fig. 2 weist die Eingangsfrequenz des Reglers einen zu hohen Wert auf ; demgemäss werden negative Impulse von der Dauer (To/2)-T am Reglerausgang 18 geliefert. In der dritten Periode ist die Zählzeit T gleich der halben Periode To/2. so dass innerhalb dieser Periode kein Impuls gegeben wird.
Eine weitere Verminderung der Reglereingangsfrequenz bedingt, wie in den letzten beiden Perioden dargestellt, noch längere Zählzeiten T, die länger sind als die halbe Periode To/2 und demgemäss positive Impulse am Reglerausgang 18 auslösen.
Die Ausgangsimpulse des Reglers werden einem in der Fig. 1 nicht mehr dargestellten Stellglied zugeführt, das die Regelgrösse in dem Sinne beeinflusst, dass die Reglereingangsfrequenz auf den Sollwert fo eingestellt wird. Bei integrierenden Stellgliedern kann es hiebei zu Regelschwingungen kommen. Um diese zu vermeiden, ist eine Rückführung vorgesehen, deren Schaltelemente Fig. 1 durch strichpunktierte Linien von den Schaltelementen des Reglers getrennt dargestellt sind. Mit 21 und 22 sind zwei über entsprechend gegensinnig gepolte Gleichrichter 23 bzw. 23'an den Reglerausgang 18 angeschlossene Integrierglieder, z. B. RC-Glieder bezeichnet, die dem Zeitintegral derRegler-Ausgangsspannung (Impulsspannung) proportionale Spannungen liefern.
Dem Integrierglied 21 ist ein Umkehrglied 24 nachgeschaltet, das das Vorzeichen der Ausgangsspannung des Integriergliedes umkehrt. Über ein Oder-Gatter 25 liefert das Integrierglied 21 eine dem Zeitintegral der negativen Impulse und das Integrierglied 22 eine dem Zeitintegral der positiven Impulse proportionale Spannung an eine Kippstufe 26, der ein Tor 27 (z. B. Schmitt-Multivibra- tor) vorgeschaltet ist, das erst ab einem gewissen Schwellwert dieser Spannung ein Ansprechen der Kipp- stufe 26 zulässt. Der Schwellwert ist mittels eines Schalters 28 einstellbar, dessen Kontaktarm willkürlich an eine der Anzapfungen eines Spannungsteilers 29 anschaltbar ist. Der Ausgang der Kippstufe 26 ist an zwei Und-Gatter 30 und 31 geschaltet, deren zweite Eingänge zu den Ausgängen der Gatter 13 bzw. 14 geführt sind.
Die Ausgänge der Gatter 30 und 31 führen zu einem Oder-Gatter 32, das das in den Regler- eingangskreis geschaltete Sperrgatter 3 steuert, derart, dass dann, wenn das Zeitintegral der Regleraus- gangsgrösse seinen vorgesehenen Schwellwert überschritten hat, die Zufuhr der Reglereingangsimpulse zum
Zähler 5, 5', 5" unterbrochen wird. Bei zu hoher Reglereingangsfrequenz wirkt dies allein schon im Sin- ne einer Verkürzung der Reglerausgangsimpulse. Ist jedoch die Länge der Reglerausgangsimpulse durch eine zu geringe Reglereingangsfrequenz hervorgerufen, so werden aus dem Impulsgeber 10 über ein dem Gatter 31nachgeschaltetesUnd-Gatter33zusätzlicheZäblimpulsedemZähler5, 5', 5"zugeführt, die ebenfalls im Sinne einer Reduzierung der Länge der Ausgangsimpulse wirken.
ImFalle kleinerRegelabweichungen wird jedoch der eingestellte Ansprechwert der Rückführung nicht erreicht, so dass die Rückführung selbst unwirksam bleibt. Daher wird die statische Genauigkeit des erfin- dungsgemässenReglers durch die Rückführung nicht beeinträchtigt, wogegen das dynamische Verhalten des Reglers durch sie wesentlich verbessert wird.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Reglers gegenüber den bekannten digitalen Reglern mit kompliziertenWiderstandsschaltungen zurDigita]-Analog-Umwandlung beruht auf der direkten Auswertung eines durchZählung gewonnenenZeitintervalles als analoge Grösse. Der erfindungsgemässe Regler weist überdies den Vorteil auf, dass er zur Steuerung von Stellmotoren mit konstanter Drehzahl, die also nur durch Einund Ausschaltung betätigt werden, geeignet ist.
Die bekannten digitalen Regler sind üblicherweise als lineareRegler ausgebildet und eingesetzt, beispielsweise als PID-Regler. Der erfindungsgemässe Regler weist hingegen ein nichtlineares Verhalten auf, das ein Begrenzerverhalten annähert.
Die Rückführung erlaubt eine weitgehende Anpassung des erfindungsgemässen Reglers an die Eigenschaften der Regelstrecke, da die Zeitkonstanten für positive und negative Impulse getrennt durch Einsatz entsprechender Integrierglieder und durch entsprechende Festlegung der Ansprechschwelle der in die Rückführung eingeschalteten Kippstufe unabhängig voneinander gewählt werden können. Ausserdem kann die Zeit To/2 durch Einschalten des Schalters 11 an die Zeitkonstanten der Regelstrecke angepasst werden.
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