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Regelanordnung mit Soll-Istwert-Vergleich
Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung mit Soll-Istwert-Vergleich, bei der für die Regelung einer physikalischen Grösse, wie Drehzahl, Weg, Winkel usw., der tatsächliche Wert mit dem geforderten Wert verglichen wird.
Als Beispiel sei die Regelung einer Drehzahl betrachtet, bei der ein Impulsgeber als Messwertgeber für den Istwert benutzt wird, der eine der Drehzahl streng proportionale Ausgangsfrequenz liefert. Zum Beispielkann mittelseinesFrequenz-Spannungswandlers eine der Drehzahl proportionale Spannung (Istwert) erzeugt werden, die in bekannter Weise mit einer festen Spannung (Sollwert) verglichen wird. Hiebei dient die Differenzspannung zur Beaufschlagung des Regelverstärkers.
Diesem Verfahren haften jedoch Mängel an, welche die obere Grenze der zu erreichenden Genauigkeit eines analogen Systems bestimmen, wie Kennlinienkrümmung des Umformers, Drift der Verstärkerelemente, Temperatur- und Spannungsschwankungen und Alterungserscheinungen der Bauelemente.
In der Praxis geht das Bestreben dahin, bei einer zu regelnden Anlage höchste Forderungen an Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Langzeitkonstanz zu stellen, weshalb digitale Regelverfahren bevorzugt werden.
Bekannte Anordnungen bedienen sich der Bildung der Messwerte durch Zählung, wobei vorwiegend solche Verfahren Anwendung finden, die diskontinuierlich arbeiten, d. h. die erst nach Ablauf einer gewissen Messzeit ein Zählergebnis speichern, gegebenenfalls mit einem andern Wert vergleichen und wieder erst nachAblauf einer Rechenoperation in einer Zeitspanne das Ergebnis ausgeben. Weniger gebräuchlich sind die sogenannten kontinuierlichen Messverfahren, bei denen fortlaufend das Messergebnis herausgegeben wird. Obwohl hiebei ein wesentlich besseres dynamisches Verhalten des gesamten Regelkreises erreicht werden kann, gestaltet sich doch in solchen Fällen die Vorgabe des Impuls-Sollwertes schwieriger.
Die Nachteile des diskontinuierlichen Verfahrens, nämlich das Auftreten einer Totzeit, die einen Regelprozess instabil gestalten kann, wird bekanntlich dadurch umgangen, dass eine digitale Messeinrichtung mit einer analogen Messeinrichtung, welche die erforderlichen dynamischen Eigenschaften aufweist, kombiniert wird.
Im folgenden soll näher auf die digitalen Rechenoperationen zur Bildung der Differenz aus dem SollIstwert-Vergleich eingegangen werden. Es sind Anordnungen bekannt, bei denen nur ein Zähler erforder- lich ist. Speziell für die Regelung von Drehzahlen ist ein aus vier Dekaden aufgebauter Zähler mittels Ziffernschalter auf jede Zahl zwischen 0 und 9999 voreinstellbar. Einem vereinbarten Wert, z. B.
Z = 8000, sei die spezifische Nullage der Soll-Istwert-Vergleichsanordnung zugeordnet. Soll-Impulszahl bzw. Zählervoreinstellung plus Ist-Impulszahl (z. B. Anzahl der Impulse während einer fest vorgegebenen Toröffnungszeit) ergeben bei einer Regelabweichung"Null"den vereinbarten Zählerstand 8000. Wird dieser Zählerstand infolge zu niedriger Ist-Impulszahl nicht erreicht, sondern beispielsweise nur ein Stand von 7978, so ergibt sich hieraus eine Regelabweichung Xw von - 22. Diese Impulszahl wird auf einen Speicher übertragen, der gleichzeitig Digital-Analog-Wandler ist.
In diesem Speicher ist jedem
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der beispielsweise binär-tetradisch verschlüsselten Flip-Flops-wobei binär tetradisch bedeutet, dass ein aus vier Flip-Flops bestehenderDual-Zähler so mitRückführungen beschaltet ist, dass er nicht wie ein reinerDual-Zähler von 0 bis 24 = 16, sondern von 0 bis 9, also über eine Dekade zählt - ein Bewertungs-
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pulszahl = 8000, z. B. + 12, ergäbe sich ein Bewsrtungsstrom von + 12 mA.
Obwohl diese Methode des Soll-Istwert-Vergleiches geringen Aufwand erfordert und einfach in der Funktion ist, ergeben sich doch für die nicht rein proportionale Darstellung der Regelabweichung relativ aufwendige Schaltungen, wenn beispielsweise das Integral der Regelabweichung gebildet werden soll.
In einer andern bekanntgewordenen Anordnung für den digitalen Soll-Istwert-Vergleich werden beispielsweise zwei Zähler benutzt. Der eine Zähler dient zur Einzählung der Sollfrequenz, der andere Zähler wird zur Einzählu ig der Istfrequenz benutzt. In einem Zeitpunkt gelangen nun Soll- und Istimpulse gleichzeitig auf die vorgesehenen Zahlereingänge. Sobald der vorgegebene Sollstand erreicht ist, werden beide Zahler gestopp'und der Vergleich der beiden Zählerstände durchgeführt. Die Differenz stellt dabei die Regelabweichung in Form einer Impulszahl dar, die mit Hilfe eines proportional mit Vorzeichenangabe oder integral wirkenden Zählers, der als Digital-Analog-Wandler ausgebildet ist, in eine entsprechende analoge Spannung umgesetzt und dem Regler zugeführt werden kann.
Während die anfangs beschriebene Anordnung eine relativ kurze Auswertungszeit, die unabhängig vom Momentanwert der Messgrösse ist, zulässt, weist das zuletzt beschriebene Prinzip Nachteile auf, die darin bestehen, dass bei einer in weiten Grenzen arbeitenden Regelung die Messzeit umgekehrt proportional zur Drehzahl ist. In eiern Regelbereich von 1 : 20 würde das bedeuten, dass die Messzeit tm von beispielsweise 1 sec bei der höchsten Drehzahl, auf 20 sec bei der niedrigsten Drehzahl ansteigen würde.
Diese Zeit stellt praktisch eine Totzeit dar, die in einem Regelkreis zur Instabilität führen kann.
Gegenstand der Erfindung ist eine Regelanordnung mit zwei Zählern, deren beliebiger Füllstand nach einem konstanten (quarzgesteuerten) Einzahlintervall auf den Maximalstand ergänzt wird, u. zw. in der Weise, dass beide Zähler synchron mit Impulsen weitergefüllt werden, bis einer von diesen Zählern seinen maximalen Füllstand erreicht hat, und dass von diesem Zeitpunkt an der andere Zähler genau mit dem Differenzbetrag, d. i. die Anzahl der zum maximalen Füllstand dieses Zählers erforderlichen Impulse, gefüllt wird.
Damit wird gleichzeitig diese Differenzimpulszahl vorzeichenrichtig über die Ausgänge der Regelanordnung ausgegeben.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Ausgang eines ersten Zählers über den zweiten Eingang eines letzten vox brei Logikgliedern und dessen Ausgang über ein zweites von drei Odergattern auf einen zweiten Zähler geführt ist, während der Ausgang des zweiten Zählers auf den zweiten Eingang eines zweiten Logikgliedes und über dessen Ausgang und das erste der Odergatter auf den Eingang des ersten Zählers gescnaltet und dadurch gleichzeitig an einem der Ausgänge der Regelanordnung der einer Impulsfrequenz entsprechende Differenzbetrag der Zählerstände als vorzeichenrichtige Impulszahl ansteht, die über eim Teilerstufe wahlweise über ein viertes Odergatter mit Vorzeichenschalter auf einen dritten Zähler oder einen vierten Zähler mit Speicherverhalten zur Digital-Analog-Umformung geschaltet ist,
und dass ferne der erste oder der zweite Zähler mittels Ziffernschalter auf einen maximalen Füllstand voreinstellbar sir. d.
Nachstehend wird dt, r Erfindungsgedanke in Verbindung mit einer Zeichnung als Ausführungsbeispiel näher erläutert :
Danach gelangt die Impulsfrequenz einer quarzstabilisMrten Schwingstufe Q aufFrequenz-Teiler- stufen TS, die eine Frequenzuntersetzung auf die Toröffr ungszeit tA und von dort auf die Steuerein- gänge von Toren Tl und T2 bewirken. Diese Toröffnungszeit ist so bemessen, dass innerhalb derselben bei der höchsten vorkommenden Impulsfrequenz zwei Zähler ZI, Z2 ihren maximalen Füllstand erreichen.
Wäre beispielsweise die Toröffnungszeit tA = 1 sec, 0 ergibt sich bei einem vierdekadigen Zähler eine Impulsfrequenz von maximal 10 kHz, d. h., die erreichbare Abbildungsgenauigkeit wäre somit z Die Tore Tl und T2 werden gleichzeitig geöffnet und geschlossen.
Bei gleicher Impulsfrequenz f1 (Ist-Frequenz) = f2 (Soll-Frequenz) würden von Tl und T2 über die Odergatter 01 und 02 gleich viele Impulse in die Zähler ZI und Z2 mit ihren Einer- (E), Zeh- ner- (Z), Hunderter- (H) und Tausender- (T) Zähldekaden einlaufen und dort als gleichgrosse Zählergebnisse erscheinen (gespeichert werden).
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gelieferten Frequenz f geöffnet, die nun synchron die beiden Zähler Zl und Z2 füllen. Mit dem letzten Füllimpuls an den Zählern (Sprung von 9999 auf 0) entsteht an jedem Ausgang Al und A2 derselben gleichzeitig ein Signal, das über das Odergatter 03 einen Stoppimpuls an das Logikglied Ll
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sein als im zweiten Zähler Z2.
Beim gemeinsamen Füllen der beiden Zähler mit der Frequenz f wird nun am Ausgang Al früher ein Übertragimpuls erscheinen, der das Logikglied LI schliesst und somit ein Weiterzählen im ersten Zähler Zl verhindert. Gleichzeitig öffnet aber das Logikglied L3 und gibt somit den Weg frei für Füllimpulse auf den zweiten Zähler Z2. Während der zweite Zähler Z2 mit der Frequenz fs gefüllt wird, erscheint am Ausgang A3 der Regelanordnung eine be-
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Während des zunächst gemeinsamen Füllvorganges der beiden Zähler über das Logikglied Ll wird der zweite Zähler Z2 früher gefüllt sein und so gleichfalls früher einen Übertragimpuls an die Logikglieder Ll und L2 abgeben können.
Während das Logikglied Ll gesperrt wird, gelangen so lange und so viele Impulse mit der Frequenz f über das geöffnete Logikglied L2 auf den Ausgang A4 der Regelanordnung und parallel dazu auf den ersten Zähler ZI, bis dieser ebenfalls gefüllt ist, d. h. den Stand"0000"aufweist. Mit dem Übertragimpuls vom Ausgang Al des ersten Zählers ZI wird das Logikglied L2 gesperrt ; es können keine weiteren Impulse mehr an den Ausgang A4 der Regelanordnung und den ersten Zähler ZI gelangen, bis wieder die Tore Tl und T2 geöffnet werden. Dann finden die Eingangsimpulse je einen leeren Zähler ZI bzw. Z2 vor. Die an den Ausgängen A3 bzw.
A4 der Regelanordnung in Intervallen anstehenden Impulse stellen nach jedem Messintervall tm die Differenz der Zählerstände bzw. die digitale als Impulszahl verschlüsselte Regelabweichung dar, die vorzeichenrichtig weiterverarbeitet werden kann, u. zw. in der Weise, dass an die Ausgänge A3 und A4 der Regelanordnung über ein weiteres Odergatter 04 ein als Digital-Analog-Wandler arbeitender Zähler EZ geschaltet wird, der nach jedem Messintervall die Regelabweichung als Proportionalwert ausgibt und deren Polarität sich danach richtet, ob die Impulse über einen der Ausgänge A3 oder A4 anstehen. Als Indikator dient dabei ein Vorzeichenschalter V.
Es kann auch an die Ausgänge A3, A4 wahlweise ein Zähler VRZ geschaltet werden, der als Digital-Analog-Wandler wirkend das Integral der Regelabweichung bilden und somit ausserordentlich hohe Forderungen an die Genauigkeit erfüllen kann. Die Zählerstände des Zählers EZ und des Zählers VRZ können nach jedem Messintervall digital mit einem weiteren nicht dargestellten Zähler addiert und somit die Regelabweichung als PI-Wert erhalten werden.
Es können somit ausgangsseitig wahlweise folgende Verarbeitungsoperationen durchgeführt werden :
Die Darstellung des Proportional- und des Integralwertes der Regelabweichung, eine Impulsteilung und deren Weiterverarbeitung, an Stelle von Impulsfolgen f, f eine Eingabe durch Voreinstellung auf einen oder zwei Zähler, und schliesslich eine Übertragung der zu vergleichenden Impulszahl durch Par- alleleingabe über Schieberegister od. ähnl.
Zwischen Ausgang A3, A4 der Regelanordnung und dem Zähler EZ bzw. dem Zähler VRZ sind Teilerstufen T zu schalten, die es gestatten, in je einer oder in beiden Zählrichtungen die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Impulsen zu unterdrücken,
Die Zähler ZI, Z2, EZ und VRZ können Zählwertbegrenzungen aufweisen, die eine eindeutige Anzeige gewährleisten, d. h. ein Über- oder Unterschreiten verhindern.
Eingangsseitig bestehen zur Abwandlung für die Eingabe zweier in digitaler Form darstellbarer Grö-
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ginn jedes Messintervalls tm über Ziffernschalter Sl-S4 auf einen beliebigen Sollwert zwischen 0 und 9 999 voreinstellbar ist, welche gleiche Möglichkeit auch an dem Zähler ZI durchführbar ist.
Die Eingabe des Istwertes auf den Zähler Zl erfolgt nicht über Tor Tl, sondern eine Paralleleingabe wird mit Hilfe von Kodierscheiben auf jede einzelne Zählstufe vorgesehen.