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Pneumatischer Extremalregler DieErfindungbeziehtsich auf pneumatische Extremalregler, sogenannte Optimatoren, zur Steuerung und/oder Regelung von Betriebsvorgängen, insbesondere unter Heranziehung eines nicht linearen funktionalen Zusammenhanges (statische Charakteristik) zweier Betriebsgrössen.
BekanntlichkönnenExtremalregler als elektrische, elektronischeund pneumatische Regler ausgeführt werden.
Elektrische und elektronische Regler sind jedoch in explosions- und feuergefährlichen Räumen nicht anwendbar, sie sind teuer, bedingen eine komplizierte Einregelung bei Instandsetzung, eine dauernde Wartung und sind nicht genügend zuverlässig im Betrieb.
Die bekannten pneumatischen Extremalregler besitzen den Nachteil, dass jeder von ihnen nur fUr die Erfüllung einer ganz bestimmten Aufgabe der automatischen Optimierung verwendet und nicht zur Ausführung einer andern solchen Aufgabe umgestellt werden kann.
Obwohl Versuche angestellt worden sind, die genannten Schwierigkeiten und Mängel zu beseitigen, so haben sie doch bisher zu keinem brauchbaren Ergebnis geführt. Erst die Erfindung weist einen Weg und gibt an, wie ein funktionstüchtiger pneumatischer Extremalregler aufzubauen ist, wobei sich zeigt, dass mit einer Anzahl von standardisierte Einheitselementen das Auslangen gefunden werden kann.
Zur Zeit ist es festgestellt, dass. diese Aufgabe mittels des erfindungsgemässen pneumatischen Extremalreglers gelöst werden kann, welcher aus vereinheitlichten pneumatischen Elementen aufgebaut wird, diein der österr. Patentschrift Nr. 242994auf ein"Universelles System von Elementen der industriellen Pneumoautomatik"erläutert worden ist.
Die Erfindung im weiten Sinne ist für folgende Zwecke bestimmt : a) Aufrechterhaltung eines Betriebszustandes, bei welchem ein aufgegebener Neigungswinkel der Tangente der statischen Charakteristik Py=f (Px) eingehaltenwerdensoll, welche der zu regelnden oder zu steuernden Betriebsgrösse zugeordnet ist.
In der Gleichung Py=f (Px) bedeutet Py den der zu opti- mierenden Grösse proportionalenLuftdruck und Px den Druck, welcher der jeweiligen Lage eines Stell-
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(Px)aus einer logischen Einrichtung mit einem Eingang zum Aufgeben des laufenden Wertes Py der zu optimierenden Grösse, einem von den Ausgangssignalen dieser Einrichtung steuerbaren Trigger und einem Integrator, dessen Eingang mit dem Ausgang des Triggers verbunden ist, wobei diese in einem Schaltnetzwerk zusammengeschalteten Bestandteile aus baukastenartig zusammenfügbaren, pneumatisch betätigbaren Einheitselementen aufgebaut sind.
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Die Umstellung des zur Erfüllung einer der obengenannten Optimierungsaufgaben aufgebauten Reglers auf eine andere erfolgt durch Umbauen der logischen Einrichtung durch Austauschen, Weglassen oder Hinzufügen pneumatischer Elemente. Die Anpassung auf eine andere Aufgabe ist also sehr einfach durchzuführen, weil sich die durchzuführenden Änderungen nur auf einen einzigen Bestandteil, nämlich die logische Einrichtung erstrecken.
Insbesondere enthält z. B. bei einem Regler, der zur Aufrechterhaltung einer Betriebsgrösse auf einem Wert, der einem vorgegebenen Neigungswinkel der Tangente der Charakteristik entspricht, die logische Einrichtung zwei Speicherelemente, zwei Verzögerungselemente, zwei Verstärkungsrelais, zwei Und-Ele- mente, zwei Entweder-Oder-Elemente und ein Nicht-Element und der Wert P der zu steuernden Grösse wird dem einen Speicherelement sowie beiden Verstärkerrelais und von jedem dieser Relais je einem Verzögerungselement zugeführt ;
das eine Verzögerungselement ist mit dem Nicht-Element und dem ersten Und-Element verbunden und die Ausgänge des andern Verzögerungselementes, des Nicht-Elementes sowie des zweiten Speicherelementes sind an das erste Entweder-Oder-Element angeschlossen, der Ausgang des ersten Und-Elementes ist an das zweite Entweder-Oder-Element und dessen Ausgang an den Trigger geschaltet, der Triggerausgang zu dem zweiten Speicherelement und zu dem Integrator geführt, vom Ausgang des ersten Entweder-Oder-Elementes zu dem zweiten Und-Element und von dem letzteren ist eine Leitung zu dem ersten Und-Element verlegt und das zweite Entweder-Oder-Element ist mit dem Ausgang des Integrators in Verbindung gebracht.
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absolute Wert des Neigungswinkels der Tangente der Charakteristik unter dem aufgegebenen Grenzsollwert des Neigungswinkels bleiben muss und Fig. 12 die Reihenfolge der Druckänderungen an verschiedenen Stellen des Reglers nach Fig. 11.
Im folgenden und in den Zeichnungen bedeuten i ps den Speisungsdruck des Elementes, insbesondere den festgesetzten Eintrittsdruck für ein Niveau, Pl den Eintrittsdruck, 1'2 den festgesetzten Eintrittsdruck für ein anderes Niveau, Pa den Austrittsdruck, q das Signal am Ausgang des Verzögerungsrelais II, q2 das q2 verneinende Signal, Pu den Druck der Steuerung, Piz'Pi ein pneumatisches Eintrittssignal, p.. ein Austrittssignal, q den Druck vom Umschalter von Handsteuerung auf automatische Steuerung "Handsteuerung-Automat",
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denp denAustrittsdrucknach dem Integrator mit Handeinstellorgan für den Anfangswert.
Der in Fig. 6 veranschaulichte Extremalregler besteht aus zwei Speicherelementen I und ;, fünf Verstärkungsrelais II1-II5, zwei Verzögerungselementen II11 bzw. III,, einer Anzahl logischer Elemente, nämlich zwei Und-Elementen V1 bzw. V2, drei Entweder-Oder-Elementen IV1, IV2, IV3 einem Nicht-Element VIII sowie aus einem Trigger VI, einem Integrator VII und einem Zeitwächter IX, vorzugsweise einem Zeitrelais mit einem Kontaktgeber.
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und 12,logischen Elemente V1 und V2,IV1 und IV2 sowie das Nicht-Element VIII bilden die logische Einrichtung des Reglers wogegen die Relais II2-II5 und das logische Element IV zu einer Einrichtung zum Umschalten der Bewegung des Stellorganes zusammengeschaltet sind.
Dieses Umschalten wird notwendig, wenn die geregelte Betriebsgrösse einen Grenzwert erreicht.
Die Drücke Px am Ausgang bzw. p am Eingang sowie der Druck p 11 welcher aufgespeichert worden war und der einem bestimmten Wert der zu optimierenden Grösse proportional ist, können beliebigeWerteindenGrenzenvon0,2bis1kg/cm2, dieDrückeqi,riindenverschiedenenPunkten der Verbindungsleitungen des Reglers nur zwei diskrete Werte-0 oder 1 kg/cm -aufweisen.
Der laufende Wert Py, welcher der zu optimierenden Grösse proportional ist, kommt zum Eingang des Speicherelementes J1 und zu den Verstärkungsrelais II1 und II2, von welchen die pneumatischen Signale auf die Verzögerungselemente RIZ und III, gelangen. Der Austrittsdruck q, des Verzögerungselementes Il, wird an den Eingang des Entweder-Oder-Elementes IV übertragen, dem auch
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zweiten Speicherelement 4 der Druck q6 und derdruck q2des Nicht-Elementes VIII zugefuhrt werden.
Wenn an das Und-Element V irgendein beliebiges von den Signalen ql, odeur ers des Elementes IV und ein Impuls ra des Zeitwächters IX gelangt, so erscheint am Ausgang dieses UndElementes das Signal q8, welches zum Eingang des Und-Elementes V1 und an das Speicherelement I1 weiter geleitet wird und gleichzeitig auch den im Speicherelement aufgespeicherten Wert aufhebt.
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an seinem Ausgang das Signal qVerstärkungsrelais 11g und II4 geführt. An den Eingängen dieser Relais und des Verstärkungsrelais 14 liegen die Begrenzungssignale PXIIIin und PXmax.
Die Ausgangssignals der Relais II3, II4 und II5 wer- denandas Entweder-Oder-Element IV, und dessen Ausgangssignal an das Entweder-Oder-Element IV2 übertragen.
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element 1 Taktimpulse r2, an das Und-Element V, Taktimpulse r. und an den Integrator VII Taktimpulse r..
Der Druck q5 vom Ausgang des Triggers gelangt zum Eingang des Speicherelementes 1 und dessen Ausgangssignal zum Eingang des Entweder-Oder-Elementes IV.. Die Aufhebung des aufgespeicherten Wertes des Speicherelementes 1 wird vom Ankommen des nächstfolgenden Taktsignales r2
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des Zeitwächters IX ausgelöst.
Der Druck Pymax'welcher dem höchsten erreichbaren Wert der zu optimierenden Grösse proportional ist, wird in der Speicherkammer des Speicherelementes It fixiert, welches ein Ventil der Type "Düse-Klappe" enthält, das zwangsläufig mittels der Relais I und n gesteuert wird. Die oben erläuterte pneumatische logische Einrichtung bewirkt die Umschaltung der Bewegungsrichtung des Steuerorganes.
Falls dasSteuerorgan sich beispielsweise in einem zur Verminderung des Druckes Px fuhrenden Sinn bewegt, so wird die Umschaltung zur Umkehr der Bewegung in dem Augenblick erfolgen, in dem der laufende Wert der zu optimierenden Grösse Py um einen festgelegten Betrag unter dem aufgespeicherten Wert liegt.
Wenn sich das Steuerorgan in der entgegengesetzten Richtung bewegt, so erfolgt die Umschaltung dann, wenn der laufende Wert der zu optimierenden Grösse den aufgespeicherten Wert um einen kleinen festgelegten Betrag übersteigt bzw. ihm gleich oder geringer wird.
Für die Wirkungsweise eines nach dem beschriebenen Schema aufgebauten Extremalreglers sind zwei Fälle zu unterscheiden, je nachdem zum Anfangszeitpunkt der Druck qs am Triggerausgang gleich 1 (Fig. 7) oder gleich 0 ist (Fig. 8).
Im ersten Falle findet eine Bewegung des Steuerorganes statt, die in Richtung einer'Vergrösserung von Px wirkt. Falls beim Auftreten des nächstfolgenden Impulses rl des Zeitwächters IX dieBedingung Py-P < 6 erfUllt ist, in welcher die positive Grösse 6 die zulässige Abweichung darstellt, die unter BerUcksichtigung der notwendigen Regelgenauigkeit des Reglers und der Beschaffenheit der zu regelnden Betriebsgrösse am Speicherelement I, eingestellt wird, so entsteht am Ausgang des Entweder-Oder-Elementes IV ein Impuls q, mit dessenHilfe die Umschaltung der Bewegungsrichtungeine Umkehrung der Bewegung des Stellorganes hergeleitet wird, d. h. die Verstellung des Stellorganes geschieht im Sinne einer Verminderung von Px.
Im zweiten Falle erfolgt im Anfangszeitpunkt eine Bewegung im Sinne einer Verringerung des Drukkes Puy, der durch seinen Maximalwert hindurchgeht. In der Speicherkammer ergibt sich der Druck pn - Pymax und in dem Augenblick, in dem diese Differenz grösser als 5'wird, entsteht der Impuls q, mit dessen Hilfe die Umschaltung der Bewegung des Stellorganes zu einer Vergrösserung von Px bewirkt wird. Als Ergebnis stellt sich ein Pendeln des Druckes Px in der Umgebung des Punktes ein, für den
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gilt, worin APX gleich dem Zuwachs des Druckes Px ist, der einem Schritt des Stellorganes entspricht.
Im Verlaufe der Arbeit des Reglers können Schrauben für die Verstellung des Stellorganes vorhanden sein, welche beispielsweise durch die Unmöglichkeit bedingt sein können, den Wert irgend eines Parameters zu Uberschreiten.
Wenn in einem solchen Falle im Verlaufe der Verstellung einer der Grenzwerte der DrUcke Pxmax' Pxmin oder Pimax (Pi bedeutet den einem willkürlich gewählten Parameter, beispielsweise der Tem-
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Falls die zufälligen Schwankungen des Druckes P im Verhältnis zur erforderlichen Regulierungsgenauigkeit bedeutend sind, können fUr die Grösse Py Durchschnittsmittelwerte, bezogen auf einen be- stimmten Zeitabschnitt, zugrunde gelegt werden, die mit Hilfe eines dem Extremalregler vorgeschalteten, pneumatischen Integrators ermittelt worden sind. Die Dauer der Integration wird durch den Zeitwächter festgesetzt.
Vor dem Beginn der Integration wird am Ausgang des Integrators jeweils ein festgelegter Nullwert, z. B. bei Arbeitsdrücken zwischen 0, 2 - 1 at der Wert 0, 6 kg/cm2 eingestellt.
Zur Aufrcchterhaltung eines Betriebszustandes einer Betriebsgrösse gemäss dem Extremum ihrer stati- schen Charakteristik wird der pneumatische Extremalregler nach dem in Fig. 9 dargestellten Schema aufgebaut. Dieser Regler enthält, ebenso wie auch der Regler nach Fig. 6, eine logische Einrichtung, einen
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Trigger, einen Integrator und eine Einrichtung zum Umschalten der Bewegung des Stellorganes im Falle der Erreichung irgend eines der Grenzwerte und unterscheidet sich vom Regler nach Fig. 6 nur durch den Wegfall des Zeitwächters IX und durch ein einfacheres Schaltschema der logischen Einrichtung.
Dieser modifizierte Regler kann aus dem in Fig. 6 veranschaulichten durch Entfernung der Elemen-
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menten IV1 bzw. IV, zugefuhrt werden.
Das Ausgangssignal des Elementes IV gelangt nach einer Zeit, deren Dauer durch das Verzögerungselement III bestimmt wird, zum Eingang des Elementes IV, und schaltet gleichzeitig den Trigger VI um, dessen Ausgangssignal q5 zur Steuerung des Integrators VII dient, von dessen Ausgang dasSteuersignal Px abgeleitet wird, welches das Stellorgan steuert. Eine Aufhebung des aufgespeicherten Wertes des Speicherelementes L findet bei Vorhandensein irgend eines beliebigen der Signale ql,
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der Änderungen der Drücke an-verschiedenen Punkten oder Stellen gezeigt ist.
Das Maximum des Druckes Py wird in der Speicherkammer des Speicherelementes Il eingestellt, bei einer Bewegung des Steuerorganes nach "rechts" oder nach "links", je nach dem Verlauf der statischen Charakteristik. Eine Reversierung der Bewegungsrichtung erfolgt in den Augenblicken, in denen p 11- Py > # ist. In diesen Zeitpunkten empfängt der Trigger VI von dem Verzögerungsrelais III einen Impuls q, und wird umgeschaltet.
Falls vor der Aufgabe des Impulses q der Druck q am Ausgang des Triggers VI gleich 1 war, so wird der Druck q durch den Impuls q auf 0 gebracht. Gleichzeitig gelangt der Impuls q, zum Eingang des Entweder-Oder-Elementes IV, und hebt den im Speicherelement It aufgespeicherten Wert auf.
Je nach den dynamischen Eigenschaften der Betriebsgrösse wird eine bestimmte Verzögerungsdauer gewählt, während welcher die Wirkung des Impulses q, bestehen bleibt. Im Falle im Verlaufe der Einstellung irgendeiner der Grenzwerte Pxmax, Pxmin'max erreicht werden sollte, erfolgt die Umschaltung des Stellorganes in der gleichen Weise, wie bei der Lösung oder Erfüllung der ersten Aufgabe.
In Fig. 11 ist das Schaltschema eines pneumatischen Extremalreglers dargestellt, welcher zur Aufrechterhaltung eines Betriebszustandes bestimmt ist, bei welchem der Neigungswinkel der Tangente an die statische Charakteristik einer Betriebsgrösse dem Absolutwert nach kleiner gehalten werden soll', als
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Diese dritte Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Reglers enthält, wic die beiden beschriebenen eine logische'Einrichtung, einen Trigger, einen Integrator und eine Einrichtung zur Umschaltung der Bewegung des Stellorganes, im Falle der Erreichung eines der Grenzwerte. Sie unterscheidet sich vom Regler nach Fig. 6 nur dadurch, dass ihre logische Einrichtung lediglich ein Speicherelement ein Verstärkungsrelais 112 und ein logisches Element IV enthält.
Diese Ausführungsvariante lässt sich aus einem Regler nach Fig. 6 durch Entfernung der Und-Ele-
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Oder-Elementes IV, gewinnen.
Der laufende Wert der zu optimierenden Grösse Py gelangt zu den Eingängen des Speicherelementes I, und des Verstärkerrelais IL. Vom Ausgang dieses Relais wird das Signal q, zum Eingang des Entweder-Oder-Elementes IV, geführt, dessen Ausgangsimpuls q. zum Umschalten des Triggers VI dient. Das Ausgangssignal q5 des Triggers wird in den Integrator VII eingespeist, von dessen Ausgang die Grösse Px abgenommen wird.
Fig. 12 zeigt das Arbeitsdiagramm dieses Reglers und gibt die Reihenfolge der Änderung der Drücke an verschiedenen Punkten wieder. Die Umschaltung erfolgt immer dann, wenn im Augenblick des Vergleiches (Augenblick des Auftretens der Impulse r1) für das Verhältnis Py-pl, < 8 (6 > 0), gilt, unabhängig davon in welcher Richtung sich das Stellorgan gerade bewegt.
AmAusgangdesRelaisII2erscheintderImpulsq2, welcherzumEntweder-Oder-elementIV2 gelangt und den Trigger VI umschaltet. Wenn das Signal q, am Triggerausgang gleich 1 bzw. gleich 0 war, so wird bei Eintreffen des nachfolgenden Impulses q2, das Sinal q5 gleich 0 bzw. gleich 1 entstehen. Die Änderung des Signales q am Ausgang des Triggers VI erwirkt unmittelbat
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die Umschaltung der Bewegung gleichgültig, ob in dem Zeitpunkt der Umschaltung eine Bewegung im
Sinne einer Verringerung oder einer Vergrösserung von P stattgefunden hat.
DasperiodischeSignalI2vomAusgangdesZeitwächtersdientzurAufhebungdesimSpeicherele- ment 11 aufgespeicherten Wertes.
Wenn ein beliebiger der Grenzwerte P,max Pxmin'Pimax erreicht wird, verläuft die Arbeit dieser Reglervariante wie die der oben beschriebenen Regleraustührungen.
PATENTANSPRÜCHE : l. Pneumatischer Extremalregler (Optimator) zur Steuerung und/oder Regelung von Betriebsvorgängen, insbesondere unter Heranziehung eines nicht-linearen funktionalen Zusammenhanges (statische
Charakteristik) zweier Betriebsgrössen, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Aufrechterhaltung eines optimalen Betriebszustandes gemäss dem jeweils aufgegebenen Neigungswinkel der Tangente dieser Charakteristik oder gemäss dem Extremwert dieser Charakteristik oder gemäss einem Neigungswinkel der Tangente, welcher seinem Absolutwert nach kleiner als der aufgegebene Grenzsollwert ist, ausgebildete Extremalregler eine logische Einrichtung mit einem Eingang zum Aufgeben des laufenden Wertes (py) der zu optimierenden Grösse, einen von den Ausgangssignalen dieser Einrichtung steuerbaren Trigger (VI) und einen Integrator (VII) aufweist,
dessen Eingang mit dem Ausgang des Triggers verbunden ist, und dass diese in einem Schaltnetzwerk zusammengeschalteten Bestandteile aus baukastenartig zusammenfugbaren, pneumatisch betätigbaren Einheitselementen aufgebaut sind.