Schrittregler mit Rückführung Die Erfindung betrifft einen Schrittregler mit einem Schaltglied, das beim Auftreten einer Regelabweichung von dieser abhängige Impulse an ein nachgeschaltetes Stellglied abgiebt sowie einer Rückführung, deren Ein gang mit dem Ausgang des Stellgliedes oder des Schalt gliedes verbunden und deren Ausgangsgrösse der Regel abweichung am Reglereingang entgegengeschaltet ist. Ein derartiger an sich bekannter Regler besitzt also di.- in Fig. 1 wiedergegebene Charakteristik.
Die Regelab weichung X,. wird dem vorzugsweise als Verstärker ausgebildeten Schaltglied 1 zugeführt, das bei einem bestimmten Ansprechwert X"" der Regelabweichung anspricht und dann Impulse an das nachgeschaltete Stellglied 2, das einen Integrator darstellt und meist als Stellmotor ausgeführt ist, abgibt. Dieses Stellglied er zeugt seinerseits die Stellgrösse Y, beispielsweise eine bestimmte Ventilstellung.
Das Schaltglied 1 des Reglers wird ausser Betrieb ge setzt, sobald die Regelabweichung den Wert Xai, er reicht. Der Regler besitzt also eine Schalthysterese Xan Xab# Zur guten Anpassung des Reglerverhaltens an die jeweils vorliegende Regelstrecke ist die Rückführung 3 vorgesehen, deren Eingang die Stellgrösse Y zugeführt werden kann, die aber in Fig.l aus Gründen der einfachen Schaltung mit dem Ausgang des Schaltglie des 1 in Verbindung steht.
Die kennzeichnenden Grössen der Rückführung sind die Rückführamplitude V,. und die Zeitkonstante T,. Tritt eine Regelabweichung X, auf, so arbeitet das Schaltglied 1, und der Einfluss der Rückführung, die an den Eingang des Reglers beispielsweise im Fall einer durch eine Spannung dargestellten Regelabweichung X,v eine dieser entgegengerichtete Spannung abgibt, nimmt mit der Zeitkonstanten T,. zu.
Ist umgekehrt infolge des Regelvorganges und der Rückführung die Regelabweichung X,. am Eingang des Reglers so weit kompensiert, dass der Wert Xab erreicht ist, so schal tet das Schaltglied 1 ab, und der Rückführeinfluss ver- mindert sich mit der Zeitkonstante T,.. Sobald die Regelabweichung, vermindert um den noch verbliebe nen Rückführeinfluss, den Ansprechwert X"" wiederum erreicht hat, beginnt der Vorgang von neuem, so dass eine schrittweise Regelung durch impulsweises Ein- und Ausschalten des Stellgliedes 2 erzielt wird.
Dabei ist der Regler im allgemeinen so aufgebaut, dass zwischen po sitiven und negativen Regelabweichungen insofern unter schieden wird, als bei Anwendung eines Stellmotors dieser je nach dem Vorzeichen der auftretenden Regel abweichung in verschiedenen Drehrichtungen erregt wird.
Der kürzeste Impuls für die Betätigung des Stell gliedes 2 tritt dann auf, wenn die Regelabweichung X,- gerade den Ansprechwert X"" des Schaltgliedes 1 erreicht. Der Rückführeinfluss muss dann mit der Zeit konstante T, bis zum Betrag Xari Xab ansteigen, um das Schaltglied 1 wieder abzuschalten. Daher ist der kürzeste Impuls von den kennzeiqhnenden Grössen T, und V,.
der Rückführung sowie der Schalthyste- rese abhängig; gegebenenfalls gehen noch zusätzliche Verzögerungen des Schaltgliedes verlängernd ein.
Die Rückführung ist im Hinblick auf die günstigste Anpassung ihrer Eigenschaften an diejenigen der Re gelstrecke ausgelegt, und zwar abhängig von dem Zeit verhalten und der Verstärkung der Strecke. Dadurch ist auch der kürzest mögliche Impuls, und damit über das Stellglied der kürzeste Stellschritt, festgelegt. über die Streckenverstärkung ergibt sich daraus. die kleinst mögliche Veränderung der Regelgrösse.
Dies bedeutet aber, dass bei einer bestimmten optimalen Auslegung der Rückführung der Regler zwar Störungen ausregeln kann, aber in dem Falle, in dem die Beeinflussung der Ein gangsgrösse des Schaltgliedes 1 bei dem kürzesten Steh impuls Ymi" gerade so gross wie die tote Zone 2 - X"" des Reglers ist, die Gefahr des Schwingens des Reglers auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittregler des oben beschriebenen Aufbaues anzu- geben, bei dem die Schwingungsneigung beim Auftreten von gerade den Ansprechwert des Reglers erreichenden Regelabweichungen unterbunden ist und der ganz all gemein den Vorteil einer guten Stabilität besitzt. Diese Aufgabe wird beim Schrittregler nach der Erfindung dadurch gelöst, dass eine von der erstgenannten Rück führung unabhängige zusätzliche Rückführung vorge sehen ist, die beim Schalten des Schaltgliedes die An sprechgrenzen des Reglers sowohl für positive als auch für negative Regelabweichungen nach höheren Werten für den Betrag der Regelabweichung verschiebt.
Die Verschiebung erfolgt zweckmässigerweise mit einer derart gewählten Zeitkonstante, dass bei an der Ansprechgrenze des Reglers liegenden Regelabweichun gen der Regler definierte kurze Impulse an das Stell glied abgibt. Diese Impulse können so kurz sein, dass sie von dem vorzugsweise als Stellmotor ausgebildeten Stellglied gerade noch verarbeitet werden können.
Bei unruhigen Messgrössen wird nun die Verschie bung der Ansprechgrenze des Reglers und die Zeitkon stanten vorteilhaft so gross wählen, dass unerwünschtes häufiges Schalten des Reglers infolge der Unruh der Messgrösse vermieden ist. Zweckmässigerweise lässt man die Verschiebung nach Abschalten des Schaltgliedes mit einer Zeitkonstante verschwinden.
An Hand der in Fig. 2 wiedergegebenen Kennlinie eines beispielsweisen erfindungsgemässen Schrittreglers soll dessen prinzipielle Wirkungsweise kurz erläutert werden. Auf der Abszisse des dort dargestellten. Dia grammes ist die Regelgrösse X aufgetragen, während sich der positive Ordinatenbereich auf das eine, mit H bezeichnete Relais, der negative Ordinaten-Bereich auf das andere, mit T bezeichnete Relais des in diesem Ausführungsbeispiel mit zwei Relais ausgerüsteten Reg lers bezieht.
Dabei werden also dem Relais H die po sitiven und dem Relais T die negativen Regelabwei chungen zugeführt, und diese Relais betätigen bei spielsweise einen Stellmotor in der zum Ausregeln der jeweils vorliegenden Regelabweichung geeigneten Dreh richtung.
Die relativ dünn gezeichneten Kurven beziehen sich auf einen bekannten Regler mit einer einzigen Rück führung; sie wurden schon im Zusammenhang mit der Rückführung 3 in Fig. 1 erläutert. Erfindungsgemäss ist nun eine zweite, von der ersten Rückführung und von etwaigen Verzögerungen in den Schaltgliedern oder Verstärkern unabhängige zusätzliche Rückführung vor gesehen, die bewirkt, dass beim Schalten des Schaltglie des die Ansprechgrenze des Reglers vorübergehend auf einen höheren Wert Xa,nl verschoben wird.
Demgemäss ändert sich auch die Lage des Wertes, bei dem das Schaltglied 1 aberregt wird, von dem Wert X"b auf einen höheren Wert X."1. Diese mit einer bestimmten Zeitkonstante erfolgende Verschiebung des Abfallwer tes hat die Abgabe eines Impulses definierter Dauer zur Folge. Ferner bewirkt die erfindungsgemäss vorge sehene zusätzliche Rückführung eine Spreizung der Kennlinie des Reglers (dicke Kurven) in dem Sinne, dass die zusätzliche Rückführung beide Ansprechgrenzen vorübergehend nach höheren Werten für die Regelab weichung verschiebt.
Die bevorzugte Ausführungsform der mit zwei zur Impulserzeugung dienenden Kippstufen, von denen über eine Vorstufe der einen die positiven und der anderen die negativen Regelabweichungen zugeführt werden, ar beitenden Anordnung sieht vor, dass den Kippstufen ein vorzugsweise durch einen Schalttransistor gebildeter Schalter zugeordnet ist, der beim Einschalten einer der beiden Kippstufen von dieser betätigt wird und ihrem Eingang über ein Zeitkonstantenglied vorüber gehend einen der Regelabweichung entgegengesetzten Vorstrom zuführt. Verständlicherweise kann statt eines Vorstromes, falls erforderlich, auch eine entsprechende Vorspannung zugeführt werden.
Im Sinne der in Fig. 2 dargestellten Kennlinien führt der Schalter gleichzeitig auch dem Eingang der jeweils anderen Kippstufe einen deren Ansprechwert vergrössernden Vorstrom bzw. eine Vorspannung zu.
Man wird das Zeitkonstantenglied als RC-Glied mit einem Kondensator ausführen, der sich bei Be tätigung des Schalters auflädt und dessen Ladestrom zur Erzeugung des Vorstromes bzw. der Vorspannung dient. Für die Entladung werden zweckmässigerweise zusätzliche Entladewiderstände vorgesehen, und die Ent- ladezeitkonstante des Kondensators dient zur Bestim mung der Impulsfrequenz des Reglers.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungs gemässen Schrittreglers dargestellt. Die jeweilige Regel abweichung Xw wird über die Vorstufe 10 den beiden Kippstufen 11 und 12 zugeführt, von denen die erste beispielsweise positiven Regelabweichungen zugeordnet ist und bei deren Auftreten das Relais H betätigt, wäh rend die Kippstufe 12 beispielsweise negativen Regel abweichungen zugeordnet ist und dann das Relais T betätigt.
Die Kontakte für den Antrieb des Stellgliedes und die Rückführung sind mit 13 und 14 bezeichnet; die sie enthaltende Schaltung ist hinsichtlich der Erfin dung von untergeordneter Bedeutung, so dass sie aus Gründen der übersichtlichkeit nicht im einzelnen ange geben ist.
Die Kippstufen 11 und 12 sind in an sich bekann ter Weise unter Verwendung von Schalttransistoren 15, 16 bzw. 17, 18 in Verbindung mit zur Einstellung des Arbeitspunktes und zur Erzielung der erforderlichen Rückkopplung dienenden, in der Figur nicht näher be zeichneten Widerständen aufgebaut.
Es ist die zusätzliche Rückführung 19 vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch den Schalttransistor 20 mit dem Zeitkonstantenglied C, R1, R2 gebildet ist.
Sobald beispielsweise eine den Ansprechwert des Reglers übersteigende positive Regel abweichung an die Basis des Vortransistors 15 der Kipp- stufe gelangt, wird dieser Transistor gesperrt und dafür der Transistor 16 durchlässig, der das Relais H ein schaltet. Über den Widerstand R2 wird dann das Kol- lektorpotential des Schalttransistors 20 so beeinflusst, dass dieser Transistor gesperrt wird.
Dann lädt sich der Kondensator C über den Ladewiderstand Rl auf; seine Spannung dient dazu, über den Widerstand R2 das Basispotential des Vortransistors 15 im die Ansprech- grenze des Reglers erhöhenden Sinne zeitweilig zu ver schieben. Gleichzeitig wird über den anderen Wider stand R2 das Basispotential auch der Kippstufe 12 in demselben Sinne verändert.
Für die Länge der Impulse ist, sofern R2 sehr gross gegen R1 ist, die Zeitkonstante Rl - C massgebend. Diese Zeitkonstante wird man so wählen, dass die kürzeste Impulslänge den Eigenschaften des Stellglie des angepasst ist.
Die Entladezeit des Kondensators C .ist proportional dem Produkt 22 . C und so gross, dass sie die grösste Impulsfrequenz des Reglers bestimmt, um Schaltglieder und Antriebe zu schonen.
Mit der Erfindung lässt sich somit ein Schrittregler mit Rückführung schaffen, der keine Schwingungsnei gungen besitzt, eine stabilisierte Regelung durchführt und, sofern die zusätzliche Rückführung gleichzeitig auf beide Kippstufen wirkt, nicht sofort hintereinander Regelimpulse unterschiedlichen Vorzeichens abgibt. Der beschriebene Regler verhält sich vorübergehend wie ein Regler mit einer grösseren Unempfindlichkeitszone; entsprechend der Zeitkonstante der zusätzlichen Rück führung wird er mit der Zeit wieder empfindlicher.
Es ist auch möglich, zusätzliche gleichrichtende Elemente, wie Dioden, einzuschalten, die eine saubere Trennung zwischen Lade- und Entladewiderständen durchführen.
Step controller with feedback The invention relates to a step controller with a switching element which, when a control deviation occurs, emits dependent pulses to a downstream actuator and a feedback whose input is connected to the output of the actuator or the switching element and whose output variable is the control deviation on Controller input is switched opposite. Such a controller known per se therefore has the characteristics shown in FIG. 1.
The control deviation X ,. is fed to the switching element 1, which is preferably designed as an amplifier, which responds to a certain response value X "" of the control deviation and then outputs pulses to the downstream actuator 2, which is an integrator and is usually designed as a servomotor. This actuator, in turn, generates the manipulated variable Y, for example a specific valve position.
The switching element 1 of the controller is put out of operation as soon as the control deviation reaches the value Xai. The controller therefore has a switching hysteresis Xan Xab # For good adaptation of the controller behavior to the respective controlled system, the feedback 3 is provided, the input of which can be supplied with the manipulated variable Y, but which is shown in Fig.l for reasons of simple switching with the output of the switching element des 1 is in connection.
The characteristic quantities of the feedback are the feedback amplitude V i. and the time constant T ,. If a control deviation X, occurs, the switching element 1 works, and the influence of the feedback, which, for example in the case of a control deviation X, v represented by a voltage, outputs a voltage opposite to this at the input of the controller, increases with the time constant T,. to.
If, conversely, the control deviation X, is due to the control process and the feedback. compensated so far at the input of the controller that the value Xab is reached, the switching element 1 switches off and the feedback influence is reduced with the time constant T, .. As soon as the control deviation is reduced by the remaining feedback influence, the Has again reached response value X "", the process begins again, so that a step-by-step regulation is achieved by switching the actuator 2 on and off in pulses.
The controller is generally constructed in such a way that a distinction is made between positive and negative control deviations insofar as when using a servomotor this is excited in different directions of rotation depending on the sign of the control deviation occurring.
The shortest pulse for the actuation of the actuator 2 occurs when the system deviation X, - just reaches the response value X "" of the switching element 1. The feedback influence must then increase constant T over time up to the amount Xari Xab in order to switch off the switching element 1 again. Hence the shortest impulse is of the characteristic quantities T, and V,.
dependent on feedback and switching hysteresis; if necessary, additional delays of the switching element are added to make it longer.
The feedback is designed with a view to the most favorable adaptation of their properties to those of the Re gel line, and that behavior depending on the time and the gain of the line. This also defines the shortest possible pulse, and thus the shortest setting step via the actuator. This results from the route gain. the smallest possible change in the controlled variable.
However, this means that with a certain optimal design of the feedback, the controller can correct disturbances, but in the case in which the influence of the input variable of the switching element 1 with the shortest standing pulse Ymi "is just as large as the dead zone 2 - X "" of the controller, there is a risk of the controller oscillating.
The invention is based on the object of specifying a step controller of the construction described above in which the tendency to oscillate is suppressed when control deviations just reach the response value of the controller and which generally has the advantage of good stability. This object is achieved with the step controller according to the invention in that an additional feedback independent of the first mentioned feedback is provided, which when switching the switching element the response limits of the controller for both positive and negative control deviations according to higher values for the amount of Control deviation shifts.
The shift is expediently carried out with a time constant selected in such a way that if the control deviations are at the response limit of the controller, the controller sends defined short pulses to the actuator. These pulses can be so short that they can just be processed by the actuator, which is preferably designed as a servomotor.
In the case of unsteady measured variables, the shift in the response limit of the controller and the time constants are advantageously chosen so large that undesired frequent switching of the controller due to the unsteady of the measured variable is avoided. The shift is expediently allowed to disappear with a time constant after the switching element has been switched off.
With the aid of the characteristic curve shown in FIG. 2 of an exemplary step controller according to the invention, its basic mode of operation will be briefly explained. On the abscissa of that shown there. In the diagram, the controlled variable X is plotted, while the positive ordinate range relates to the one relay labeled H, the negative ordinate range to the other relay labeled T of the regulator equipped with two relays in this exemplary embodiment.
So the relay H the positive and the relay T the negative Regulatory deviations are fed, and these relays actuate a servomotor in the direction of rotation suitable for regulating the respective deviation present.
The relatively thin curves relate to a known controller with a single feedback; they have already been explained in connection with the return 3 in FIG. According to the invention, a second additional feedback independent of the first feedback and any delays in the switching elements or amplifiers is now provided, which causes the response limit of the controller to be temporarily shifted to a higher value Xa, nl when the switching element is switched.
Accordingly, the position of the value at which the switching element 1 is de-excited also changes from the value X "b to a higher value X." 1. This displacement of the waste value, which takes place with a certain time constant, results in the delivery of a pulse of a defined duration. Furthermore, the additional feedback provided according to the invention spreads the characteristic curve of the controller (thick curves) in the sense that the additional feedback temporarily shifts both response limits to higher values for the control deviation.
The preferred embodiment of the arrangement with two flip-flops serving for pulse generation, of which the positive and the other the negative control deviations are fed via a preliminary stage, provides that the flip-flops are assigned a switch, preferably formed by a switching transistor, which at Switching on one of the two flip-flops is actuated by the latter and temporarily supplies a bias current opposite to the control deviation to its input via a time constant element. Understandably, instead of a bias current, if necessary, a corresponding bias voltage can also be supplied.
In the sense of the characteristic curves shown in FIG. 2, the switch simultaneously also supplies the input of the respective other trigger stage with a bias current or a bias voltage which increases its response value.
The time constant element will be designed as an RC element with a capacitor that charges when the switch is actuated and whose charging current is used to generate the bias current or the bias voltage. For the discharge, additional discharge resistors are expediently provided, and the discharge time constant of the capacitor is used to determine the pulse frequency of the controller.
In Fig. 3 an embodiment of the fiction, according to step controller is shown. The respective control deviation Xw is fed to the two flip-flops 11 and 12 via the preliminary stage 10, of which the first is assigned, for example, positive control deviations and when they occur, the relay H is actuated, while the flip-flop 12 is assigned negative control deviations, for example, and then the Relay T activated.
The contacts for the drive of the actuator and the return are denoted by 13 and 14; the circuit containing it is of minor importance with regard to the invention, so that it is not given in detail for reasons of clarity.
The flip-flops 11 and 12 are built in a well-known manner using switching transistors 15, 16 and 17, 18 in conjunction with the setting of the operating point and to achieve the necessary feedback, not in the figure be recorded resistors.
The additional feedback 19 is provided, which in this embodiment is essentially formed by the switching transistor 20 with the time constant element C, R1, R2.
As soon as, for example, a positive control deviation exceeding the response value of the controller reaches the base of the pre-transistor 15 of the multivibrator, this transistor is blocked and the transistor 16, which switches the relay H on, is turned on. The collector potential of the switching transistor 20 is then influenced via the resistor R2 in such a way that this transistor is blocked.
Then the capacitor C charges through the charging resistor Rl; its voltage is used to temporarily shift the base potential of the pre-transistor 15 via the resistor R2 in the sense that increases the response limit of the regulator. At the same time, the base potential of the flip-flop 12 is changed in the same sense via the other resistance R2.
If R2 is very large compared to R1, the time constant Rl - C is decisive for the length of the pulses. This time constant will be chosen so that the shortest pulse length is adapted to the properties of the actuator.
The discharge time of the capacitor C. is proportional to the product 22. C and so large that it determines the highest pulse frequency of the controller in order to protect switching elements and drives.
With the invention, a step controller with feedback can thus be created which has no tendency to oscillate, performs a stabilized control and, provided the additional feedback acts simultaneously on both flip-flops, does not immediately emit control pulses with different signs one after the other. The controller described temporarily behaves like a controller with a larger insensitivity zone; in accordance with the time constant of the additional feedback, it becomes more sensitive again over time.
It is also possible to switch on additional rectifying elements, such as diodes, which ensure a clean separation between the charging and discharging resistors.