DE1069751B

DE1069751B - Einrichtung zur elektrischen digitalen Regelung

Info

Publication number: DE1069751B
Application number: DENDAT1069751D
Authority: DE
Inventors: Amherst Buffalo N. Y. Willard M. Brittain (V. St. A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Publication date: 1959-11-26

Description

DEUTSCHES

kl. 21 c 46/50

INTERNATIONALE KL.

PATENTAMT

G05f;g

BIBLIOTHEK

DES DEUTSCHEN

PATENTAMTES W 24629 VIIIb/21 c

ANMEtDETAG: 11. DEZEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG DERANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 26. NOVEMBER 1959

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische digitale Regeleinrichtungen,, insbesondere auf Einrichtungen zur Regelung der Lage eines beweglichen Organs, beispielsweise eines Maschinenteils, wie dies beim Betrieb mancher Maschinen erwünscht ist. Beispielsweise sei hier die Regelung eines ersten beweglichen Organs relativ zu einer vorbestimmten Lage und die automatische Korrektur der Lage dieses Organs relativ zur festen Lage eines zweiten Organs, insbesondere zur Einhaltung eines bestimmten Ab-Standes, erwähnt.

Zur digitalen Regelung wird ein elektrisches Steuersignal in digitaler Form erzeugt, das dem Unterschied zwischen der tatsächlichen Lage des Organs und der gewünschten Lage entspricht.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische digitale Regeleinrichtung zu schaffen, bei der ein erstes Steuersignal entsprechend einer vorbestimmten Differenz zwischen, einem zweiten Steuersignal, das sich auf eine vorbestimmte gewünschte Lage des Organs bezieht (Sollwert), und einem dritten Steuersignal, das der tatsächlichen Lage dieses Organs (Istwert) entspricht, erzeugt wird. Das erste Steuersignal (Regelabweichung) soll hierbei Richtung, Größe und Geschwindigkeit der Verstellbewegung beeinflussen. Dabei kann dieses Signal in Beziehung mit einem weiteren Steuersignal (Trägersignal) gesetzt werden, das die Richtung der Korrekturbewegung bestimmt. Die Erfindung hat das Ziel, eine rasche und genaue Ausregelung der Lagefehler zu erreichen. Hierzu ist vor allem die Ausbildung der Subtrahiereinrichtung zur Gewinnung der Regelabweichung von Bedeutung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktion Stelle für Stelle durch Addition von Grundsignalen und komplementären Signalen mit Hilfe von Gattern erfolgt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, in der Ausführungsbeispiele der _§ Erfindung schematisch dargestellt sind.

Zunächst zeigt Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer digitalen Lageregelung, wie er bereits früher vorgeschlagen wurde. Die Fig. 1 bezieht sich auf die Regelung der Dicke eines Metallstreifens 16 in Walzwerken. Der Metallstreifen läuft zwischen einer oberen Rolle 12 und einer unteren Rolle 14 eines Walzgerüstes 10 hindurch. Die Dicke des Streifens kann dadurch beeinflußt werden, daß ein Anstellmotor 30 über einen Spindeltrieb 32 die Walze 12 mehr oder weniger in Richtung auf die Walze 14 verstellt. Zur Stromversorgung des Motors 30 ist ein Leonardgenerator 58 vorgesehen.

Der Sollwert der Stellung der Walze 12 und damit der Dicke des Streifens 16 wird mittels einer Lochkarte 18 oder eines ähnlichen Informationsträgers Einrichtung zur elektrischen digitalen Regelung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 17. Dezember 1957

Willard M. Brittain, Amherst, Buffalo, N. Y. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

vorgegeben, der in eine Auswerteinrichtung 20 eingesetzt wird. Die Auswerteinrichtung liefert ein binäres Steuersignal (X) mit einer beliebigen Anzahl von Stellen, wobei jede Stelle entweder den WertQ oder 1 hat, entsprechend den in der Lochkarte ausgestanzten oder nichtausgestanzten Feldern. Das digitale Signal wird einer Speichereinrichtung 22 zugeführt, an deren Ausgang das Signal als Sollwert dauernd zur Verfügung steht. Der Sollwert wird einer digitalen Subtrahiereinrichtung 26 zugeführt.

Der zweite Eingang dieser Einrichtung erhält ein aus der Iststellung der Walze 12 abgeleitetes digitales Signal (Y), das die gleiche Stellenzahl wie das Sollwertsignal aufweist. Zu diesem Zweck ist-ein Analog-Digital-Umsetzer 28 vorgesehen, an dessen Eingang das analoge Stellungssignal eingespeist wird und an dessen Ausgang das digitale Signal erscheint. Es ist möglich, in der Verbindung zwischen dem Motor 30 und dem Umsetzer eine Kupplung 34 einzusetzen.

Die Subtrahiereinrichtung bildet die digitale Differenz zwischen dem Sollwertsignal und dem Istwertsignal und liefert am Ausgang ein digitales Regelabweichungssignal (X-Y) an den Digital-Analog-Umsetzer 42-

• 909 650/408

Das am Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 42 erscheinende, stetig veränderbare Regelabweichungssignal dient zur Aussteuerung eines Verstärkers 44, beispielsweise eines aus dem Wechselstromnetz 46 gespeisten Magnetverstärkers, der einen Regler 48 zur Steuerung der Erregerwicklungen 56 und 57 des Generators 58 beeinflußt. Es ist möglich, eine Rückführung über eine Tachometermaschine 50 vorzusehen.

In Fig. 2 ist die Ausbildung der digitalen Subtrahiereinrichtung 26 schematisch angedeutet. Sie besteht aus drei Stufen 91, 93, 95 für drei Stellen des digitalen Soll- und Istwertsignals. Selbstverständlich kann die Stufenzahl beliebig erhöht werden. Sie hängt im wesentlichen von der verlangten Genauigkeit ab.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden die komplementären Stellen X₁, X₂ und Z₃ aus der Speichereinrichtung 22 entnommen und je einem Eingang der Stufen in der entsprechenden Reihenfolge zugeführt. Das gleiche geschieht bei den ^Stellen F₁, F₂, F₃ und: den komplementären Stellen F₁, F₂ und F₃ des Istwertsignals aus dem Analog-Digital-Umsetzer 28. An den Ausgängen D₁, D₂, D_s der Stufen erscheint für jede Stelle ein sogenanntes Differenzsignal, aus dem durch Zusammenfassung aller Stufen das Regelabweichungssignal entsteht. Die Signale werden dem Digital-Analog-Umsetzer 42 zur Verarbeitung zugeführt.

Zusätzlich erhält die erste Stufe 91 ein Trägereingangssignal C₀, das dem negativen Bezugspotential BB- der Speisespannungsquelle entspricht. Die erste Stufe 91 liefert ein Trägerausgangssignal C₁, das seinerseits dem Eingang der zweiten Stufe zugeführt wird. Das Trägerausgangssignal C₂ dieser Stufe wird in die dritte Stufe 95 eingespeist, deren. Trägersignal C₃ dem Digital-Analog-Umsetzer 42 zur Festlegung der Richtung der Korrekturbewegung zugeführt wird.

Fig. 3 zeigt eine binäre Tabelle, in der die möglichen Betriebszustände jeder Stufe in der Subtrahiereinrichtung 26 dargestellt sind, und zwar bezogen auf die verschiedenen Möglichkeiten der Kombination von Eingangssignalen, Die dritte und fünfte Spalte der Tabelle gibt den binären Wert des Trägereingangssignals und des Trägerausgangssignals jeder einzelnen Stufe an, während die vierte Spalte das Ausgangsdifrerenzsignal D zeigt. Die Tabelle gilt für jede beliebige Stufe der Subtrahiereinrichtung.

Fig. 4 zeigt ein Schema einer Einrichtung, die gemäß der Tabelle nach Fig. 3 arbeitet. Man erkennt ein erstes Und-Gatter 110 mit zwei Eingängen und einem Ausgang, wobei der eine Eingang ein Signal über ein Oder-Gatter 114 erhält, dessen Eingänge von dem komplementären Signal X und vom Signal F besetzt werden. Hat entweder das Signal X oder das Signal F den Wert 1, so wird der erste Eingang 112 des Und-Gatters 110 besetzt. Dem zweiten Eingang 118 ist. ein Oder-Gatter 120 zugeordnet, dessen Eingänge die Signale F und X zugeführt werden. Das Ausgangssignal des Und-Gatters 110 wird über ein Oder-Gatter 122 dem ersten Eingang 124 eines weiteren. Und-Gatters 126 zugeführt, das ein Ausgangssignal D liefert, wenn beide Eingänge besetzt, sind, Das Signal D kann durch ein Nicht-Gatter in das Signal D umgewandelt werden. Das Oder-Gatter 122 erhält überdies an seinem zweiten Eingang das Trägersignal C.

Analoge Gatterkombinationen sind dem zweiten Eingang 128 des, Und-Gatters 126 zugeordnet, bestehend aus den beiden Oder-Gattern 140, 142, die die Eingänge 136 und 138 eines Und-Gatters 134 besetzen, und dem Oder-Gatter 132 mit einem zweiten Eingang, das das komplementäre Trägersignal C erhält. Die Oder-Gatter 140 bzw. 142 geben ein Signal ab, wenn die Eingangssignale X oder F bzw. X oder F den Wert 1 haben. Eine nach dem Schema der Fig. 4 aufgebaute Schaltung ist in jeder einzelnen Stufe der Subtrahiereinrichtung enthalten.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schaltung zur Bildung

ίο des Trägersignals, die jeder einzelnen Stufe zugeordnet ist. Sie enthält ein Und-Gatter 150, dessen Eingänge von den Signalen X und F besetzt werden und das an ein Oder-Gatter 152 ein Ausgangssignal liefern kann. Ein zweiter Eingang des Oder-Gatters wird

15· vom Trägereingangssignal C_ein besetzt. Die Signaled und F werden darüber hinaus einem weiteren Oder-Gatter 160 zugeführt. Die beiden Oder-Gatter 152 und 160 sind an Eingänge 154 und 158 eines. Und-Gatters 156 geführt, das an seinem Ausgang das Trägeraus-

ao gangssignal C_aus abgibt und der nächsten Stufe der Subtrahiereinrichtung zuführt. In der letzten Stufe 95 (in Fig. 2) wird das Trägerausgangssignal dem Digital-Analog-Umsetzer 42 zugeführt.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen Schaltungsaufbau zur Verwirklichung der schematischen Schaltung nach Fig. 4 und Fig. 5, mit anderen. Worten die Innenschaltung einer beliebigen Stufe der Subtrahiereinrichtung 26. Dabei sind gleichartige Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 4 und 5 versehen. Es sei angenommen, daß es sich um die zweite Stufe 93 in Fig. 2 handelt.

Jeder Transistor arbeitet als Nicht-Gatter und ist gesperrt, wenn kein Eingangssignal angelegt wird. Um die Sperrung sicherzustellen, ist eine Vorspannung über die Klemme BB+ vorgesehen. Sobald die Basis eines Transistors negatives Signal erhält, wird er durchlässig und hat praktisch den Widerstand 0.

Das komplementäre Signal X₂ ist der Basis eines Transistors 180 zugeführt, dessen Ausgangssignal (Kollektorspannung) das Signal X₂ darstellt. Umgekehrt entspricht das Kollektorpotential des Transistors 182 wieder dem komplementären Signal X₂.

Die zweite Stelle F₂ des Istwertsignals wird dem Transistor 184 und die. komplementäre Stelle F₂ dem Transistor 186 zugeführt. Das Kollektorpotential des Transistors 184 entspricht dem Signal F₂, das Kollektorpotential des Transistors 186 dem Signal F₂. Eine solche Anordnung ist möglich, wenn der Analog-Digital-Umsetzer 28 (in Fig. 1) nach Wunsch sowohl das Stellensignal als auch das komplementäre Stellensignal abgibt. Ist dies nicht der Fall, so kann die Basiselektrode des Transistors 186 auch an die Kollektorelektrode des Transistors 184 angeschlossen werden, ähnlich wie dies bei den Transistoren 180, 182 geschieht.

Das Trägersignal C₁ wird der Basiselektrode des Transistors 188 zugeführt, so daß dessen Kollektorpotential dem komplementären Signal C₁ entspricht. Das Kollektorpotential des Transistors 190 stellt wieder das Signal C₁ dar. In ähnlicher Weise kann je nach den verfügbaren Eingangssignalen durch weitere Transistorstufen nach Belieben eine Signalumkehrung vorgenommen werden.

Das Und-Gatter 110 besteht aus einem Netzwerk aus Widerständen und Dioden, dessen erster Eingang von einem ersten Oder-Gatter 114 mit zwei Dioden besetzt wird. Den beiden_ Eingängen des Oder-Gatters 114 wird das Signal X₂ vom Kollektor des Transistors 182 bzw. das Signal F₂ vom Kollektor des Transistors 186 zugeführt. Der zweite Eingang des

Und-Gatters 110 wird vom Oder-Gatter 120 besetzt, dessen Eingänge an den Kollektor des Transistors 184 (F₂) und an den Kollektor des Transistors 180 (Z₂) angeschlossen sind. Das Ausgangssignal des Und-Gatters 110 wird mit dem Signal C₁ über ein Oder-Gatter in Form eines Ventils 122 zusammengesetzt, dessen Aüsgangssignal dem einen Eingang 135 des Und-Gatters 126 zugeführt wird.

Das zweite Und-Gatter 134 ist mit seinen beiden Eingängen an die Ausgänge zweier Oder-Gatter 140 und 142 angeschlossen, die ihrerseits durch geeignete Verbindung mit den Transistoren 180, 182, 184 und 186 die in Fig. 4 angedeuteten Eingangssignale erhalten. Das Ausgangssignal des Und-Gatters 134 wird mit dem komplementären Trägersignal C₁ über ein Oder-Gatter 132 zusammengesetzt und dem zweiten Eingang 125 des Und-Gatters 126 · zugeführt. Das Ausgangssignal des Und-Gatters 126 steuert, den Transistor 192 aus, der wieder als Nicht-Gatter arbeitet. Die Kollektorspannung des Transistors 192 stellt das Differenzsignal D₂ dar, das an der Klemme 195 abgenommen werden kann.. Ein nachfolgendes Nicht-G_atter 194 liefert das komplementäre Differenzsignal D₂.

Das Trägersignal C₂ für die nächste Stufe wird mit Hilfe eines Und-Gatters 150 erzeugt, dessen, beide Eingänge über Dioden 196, 198 mit den Signalen Z₂ und F₂ besetzt werden. Das Ausgangssignal des Und-Gatters wird in einem Oder-Gatter 152 mit dem Trägereingangssignal C₁ zusammengesetzt und dem einen Eingang 154 des Und-Gatters 156 zugeführt. Der zweite Eingang 157 dieses Und-Gatters wird über ein Oder-Gatter 160 besetzt, an dessen Eingänge ebenfalls die Signale Z₂, F₂ angelegt werden. Am Ausgang des Und-Gatters 156 entsteht das Trägersignal C₂, das an der Klemme 197 abgenommen werden kann.

Fig. 7 zeigt ein Gesamtschema der Schaltung nach Fig. 6,'aus dem die einzelnen. Wirkverbindungen deutlicher hervorgehen. Die Nicht-Gatter sind dabei durch Rechtecke veranschaulicht.

In. Fig. 8 ist die bewegliche obere Walze 12 relativ zur festen unteren Walze 14 angedeutet. Das Ausgangssignal an der Klemme 195 in Fig. 6 bestimmt die digitale Differenz für eine bestimmte Stelle des gesamten Regelabweichungssignals und damit den zum Ausgleich der Regelabweichung erforderlichen Betrag. Das. Trägersignal C₂ an der Klemme 197 in Fig. 6 bestimmt die Richtung der Korrekturbewegung der Walze 12 gegenüber der Walze 14.

Der Erfindungsgegenstand beruht auf der Verwendung von Transistoren in Verbindung mit Ventilen und Widerständen zur Subtraktion zweier binärer Zahlen. Die Differenz wird als Regelabweichungstsignal herangezogen. Die digitale Subtrahiereinrichtung 26 bildet den Unterschied zwischen dem Istwertsignal (F) und dem Sollwertsignal (Z) als Differenzsignal D für die digitale Regelung. Die Subtrahiereinrichtung¹ arbeitet im Grunde als Addiereinrichtung, da die Wirkungsweise der Subtraktion darauf beruht, daß das Komplement der einen binären Zahl zu der anderen binären Zahl addiert wird. Werden zwei identische Zahlen auf diese Weise addiert, so entsteht nicht Null, sondern eine Zahl, die der Regeleinrichtung als Nulläquivalent vorgeschrieben werden kann. Wenn nun die eingegebenen Zahlen Z und F in beliebiger Richtung um einen gewissen Betrag auseinandergehen, entfernt sich die Differenz D um den gleichen Betrag von der Zahl, die als Nulläquivalent angenommen wäre.

Eine binäre Zahl mit einer Stelle kann nur zwei Werte haben, entweder den Wert 0 oder 1. Eine binäre Addition zweier einstelliger Zahlen X und Y liefert daher eine Zahl, die ebenfalls entweder den WertÖ 5 oder 1 haben kann. Darüber hinaus .wird ein weiterer Eingang und Ausgang benötigt, um ein Trägereingangssignal einzuspeisen, das aus einer vorhergehenden Addition bestimmt wird, und um ein Trägerausgangssignal zu liefern, das diö nachfolgende Addition

ίο modifiziert. Die binäre Addition von zwei mehrstelligen Zahlen Z₁, Z₂ ... X_n und F₁, F₂ ... Y_n geht daher so vor sich, daß der Prozeß für jede entsprechende Stelle der gleiche bleibt, solange das Trägereingangssignal aus der vorhergehenden Stelle geliefert wird und an die nachfolgenden Stellen weitergegeben werden kann. In der entsprechenden elektrischen Einrichtung wird für jede Stelle eine Stufe benötigt, so daß die Addition zweier Signale mit η Stellen entsprechend η Stufen erforderlich macht. Die nähere Erläuterung einer Stufe an Hand der Fig. 6 trifft gleichermaßen auch für die übrigen Stufen der gesamten Einrichtung zu.

Im Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß die Spdehereinrichtung 22 die komplementären Signale Z liefert. Statt dessen können aus der Stufe auch die Grundsignale entnommen und mittels NichtGattern in die komplementären Signale umgeformt werden.

Statt der im Ausführungsbeispiel verwendeten Halbleitergatter können auch Gatter beliebigen anderen Aufbaus, beispielsweise auf Transduktorgrundlage, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur elektrischen digitalen Regelung, bei der aus Soll- und Istwertsignalen in Form binärer Zahlen in einer Subtrahiereinrichtung ein Regelabweichungssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktion Stelle für Stelle durch Addition von Grundsignalen und komplementären Signalen mit Hilfe von Gattern erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die möglichen Kombinationen der _Soll- und Istwertsignale jeder Stelle (Z, Z, Y; Y) je einem Oder-Gatter (114, 120, 140, 142) zugeführt werden, deren Ausgänge paarweise je einem von zwei Und-Gattern (110, 134) zugeordnet sind, und daß die Ausgänge dieser Und-Gatter an je einen Eingang eines weiteren Und-Gatters (126) zur Bildung des Differenzsignals (D) angeschlossen sind (Fig. 4);

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem letzten Und-Gatter (126) zwei Oder-Gatter (122, 132) zur Einführung eines Trägersignals (C) und dessen komplementären Signals (C) zugeordnet sind (Fig. 4).

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundsignale ■ "■ (Z, F) einem Und-Gatter (150) und einem Oder-Gatter (160) zugeführt sind, daß das Ausgangssignal des Und-Gatters mit einem Trägereingangssignal (C_ein) in einem Oder-Gatter (152) zusammengesetzt wird und daß die Ausgänge beider Oder-Gatter an ein Und-Gatter (156) zur Bildung eines Trägerausgangssignals (C_aus) angeschlossen sind (Fig. 5).

7 8

■

5. Einrichtung nach den Ansprüchen. 1 bis 4, gekennzeichnet durch Und- und Oder-Gatter auf

dadurch gekennzeichnet; daß zur Bildung der kom- Diodenbasis.

plementären ■ Signale und zur Rückumwandlung 7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6,

Nicht-Gatter dienen. gekennzeichnet durch Nicht-Gatter auf Tran-

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, 5 sistorbasis.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen