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Rückführung mit verzögernd und nachgebend wirkenden Zeitgliedern Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rückführung mit verzögernd und nachgebend wirkenden
Zeitgliedern, bei der parallel zu dem Kondensator des nachgebend wirkenden Zeitgliedes
ein Schaltungszweig mit nichtlinearen oder unstetigen Schaltelementen liegt. Sie
hat die Aufgabe, das Übergangsverhalten von zeitabhängigen Rückführungen in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Betriebszustand des Regelkreises zu verändern. Im einzelnen soll
das Übergangsverhalten von verzögernden, nachgebenden Rückführungen an Größe und
Dauer der auftretenden Störungen so angepaßt werden, daß die Rückführwirkung in
allen Phasen des Regelvorganges in günstiger Weise zur Geltung kommt.
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Zur Erzielung eines bestimmten Regelverhaltens, z. B. einer minimalen
mittleren Regelabweichung, werden die Zeitkonstante und die Stärke der Rückführung
unter Berücksichtigung der Charakteristik der Regelstrecke und der im normalen Betrieb
anfallenden Störungen bemessen. Weder die so gewählte Reglereinstellung noch überhaupt
ein bestimmtes Übergangsverhalten ist jedoch im allgemeinen für alle Regelphasen
auch bei nach Größe und Dauer außergewöhnlichen Störungen, wie sie z. B. beim Anfahren
von Regelkreisen auftreten, die optimale.
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Die grundsätzlichen Verhältnisse zeigt Abb. 1 am Beispiel eines stetigen,
proportional wirkenden Regelverstärkers 1 mit verzögernder, nachgebender Rückführung
2, wobei x" die Regelabweichung, x,. die Rückführgröße und y die Stellgröße ist.
Die zugehörigen Übergangsfunktionen über der Zeit t sind in Abb. ? und 3 für den
Fall dargestellt, daß sich die Regelgröße nach Kurve 3 sprunghaft ändert.
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Die Übergangsfunktion eines idealen PID-Reglers gemäß Kurve 4 ergibt
sich z. B. durch Zusammenschalten eines Proportionalverstärkers mit unendlich hoher
Verstärkung _ und einer verzögernden, nachgebenden Rückführung. Tatsächlich ist
der Aussteuerbereich des Verstärkers immer begrenzt - in Abb. 2 durch die Aussteuergrenze
5 angedeutet -, und es hängt nur von Größe und Dauer der auszuregelnden Störung
ab, ob die Aussteuergrenze erreicht wird. Im übrigen tritt eine Begrenzung auch
bei beliebig großem Aussteuerbereich auf, wenn an Stelle des idealen ein realer
PID-Regler mit endlicher Verstärkung betrachtet wird. Die zugehörige übergangsfunktion
mit sogenannter proportional wirkender Verzögerung zeigt Abb. 2, Kurve 6.
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Führt nun eine extreme Störung zur überschreitung der Aussteuergrenze,
so geht der PID-Charakter des Reglers verloren, und der normale Regelablauf wird
gestört oder sogar die Stabilität des Regelkreises gefährdet.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind bereits Schaltungen vorgeschlagen
worden, bei denen die Spannung am Kondensator des nachstehend wirkenden Zeitgliedes
mit Hilfe nichtlinearer Schaltelemente auf einen festen Endwert begrenzt wird. Derartige
Lösungen haben sich jedoch in der Praxis nicht voll bewährt. Vor allem ist die Kennlinienkrümmung
der spannungsbegrenzten Mittel, z. B. Zenerdioden, Glimmröhren od. dgl., im Bereich
der Begrenzungsspannung im allgemeinen so gering, daß bereits vor Erreichen der
vorgesehenen Maximalspannung am Kondensator ein merklicher Strom fließt.
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Wenn jedoch in den bekannten Schaltungen Kontakte zur Überbrückung
des Kondensators verwendet werden, so tritt zwar kein störender Reststrom auf, es.
bedarf dazu dann aber eines zusätzlichen Verstärkers, um den Kontakt ohne Leistungsentnahme
aus dem Kondensator zu steuern. Außerdem muß meist auch in diesem Fall durch schwellw.ertbehaftete
Schaltmittel für die Festlegung der Ansprechspannung gesorgt werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung vermeidet die erwähnten Nachteile dadurch,
daß der von dem Kondensator des nachgebend wirkenden Zeitgliedes aus meßbare Gleichstrom-Eingangswiderstand
des Schaltungszweiges beim Unterschreiten eines Minimalwertes der Spannung an einem
Speicherkondensator mit Hilfe der nichtlinearen oder unstetigen Schaltelemente erniedrigt
wird. Da die nichtlinearen Schaltelemente nicht als Vergleichsspannungsquellen,
sondern nur als Schalter zwischen den zu vergleichenden Spannungen benutzt werden,
können in allgemeinen einfache Dioden, deren Kenniinienknick von den zu vergleichenden
Spannungen genügend schnell durchsteuert wird, an Stelle von Zenerdioden u. dgl.
treten.
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Im übrigen erfüllen Schaltungen gemäß vorliegender Erfindung gegenüber
den bekannten Anordnungen wesentlich weiter gehende Aufgaben. Letztere ermöglichen
nämlich nur eine Begrenzung
der Kondensatorspannung. Dies gilt auch
für die '; Überbrückung des Kondensators mit einem von der Kondensatorspannung gesteuerten
Relaiskontakt, da die Kondensatorspannung hier um den vorgesehenen Maximalwert pendelt.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen führen demgegenüber bei entsprechend langandauernden
Störungen zur Entladung des Kondensators auf einen geringen, wählbaren Endwert,
so daß in der Endphase des Regelvorganges der volle Integralbereich des Reglers
zur Verfügung steht. Weiter ist es bei der Anwendung der Erfindung auf unstetige
Regler von Wichtigkeit, daß mit Hilfe besonderer Speicherglieder eine maximale Zeitdauer
der periodisch aufeinanderfolgenden Schaltzustände festgelegt werden kann, nach
deren Überschreitung die Entladung des Kondensators einsetzt.
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Endlich ist es von Bedeutung, daß die Entladung des Kondensators des
nachgebend wirkenden Zeitrelais erfindungsgemäß mit einer vorgegebenen Zeitkonstante
erfolgt. Dadurch gelingt es, in Abhängigkeit von Größe und/oder Dauer der auszuregelnden
Störung das PID-Verhalten des Reglers, z. B. während der Anfangsphase des Regelvorganges,
in ein PD-Verhalten abzuwandeln. Dies entspricht in Abb. 2 einem Übergang von den
Kurven 4 bzw. 6 für den idealen bzw. realen PID-Regler zu einem Verlauf gemäß den
Kurven 7 bzw. 8 für den idealen bzw. realen PD-Regler.
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Im Rückführzweig muß dementsprechend ein -\?Vechsel zwischen verzögerndem,
nachgebendem Verhalten und nur verzögerndem Verhalten verwirklicht Werden. Abb.
3 zeigt die zugehörigen Übergangsfunktionen der Rückführung bei sprunghafter Änderung
der Eingangsgröße, nämlich Kurve 9 für die verzögernde, nachgebende Rückführung,
Kurve 10 für die nur verzögernde Rückführung sowie Kurve 11 für .eine erfindungsgemäße
Rückführung, bei der zur Zeit ti mittels besonderer Schaltungsanordnungen der Übergang
zum nur verzögernden Verhalten ausgelöst wird. Weiter ist hier ersichtlich, daß
der Zeitverlauf .der Übergangsfunktion- nach dem Umschaltvorgang zur Zeit t. der
Hintereinanderschaltung zweier Verzögerungsglieder entspricht (doppelt verzögerndes
Verhalten).
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Im Verlauf des gesamten Regelvorganges erfolgt mit genügender Annäherung
des Istwertes an den Sollwert bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung selbsttätig
die Rückkehr zum PID-Verhalten. Hierbei steht nun jedoch im Gegensatz zum bekannten
PID-Regler ein wesentlich größerer Integralbereich und daher ein ungestörtes PID-Verhalten
zur Einregelung des Beharrungszustandes und zur Ausregelung anschließend einfallender
normaler Störungen zur Verfügung.
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Die vorstehenden Überlegungen gelten nicht nur für stetige, sondern
auch für unstetige Regler, z. B. für Zweipunktregler mit entsprechender Rückführung,
und sind hier sogar von besonderer Bedeutung.
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Das erfindungsgemäße Schaltungsprinzip soll nun an dem in Abb.4 dargestellten
Schaltungsbeispiel näher erläutert werden. Hier liegt die Stehgröße y als Ausgangsgröße
eines stetigen Reglers am Eingang einer Rückführung mit RC-Verzögerungsglied (Widerstand
12 mit Kondensator 13) und nachgebendem RC-Glied (Widerstand 14, Kondensator 15)
sowie einem Potentiometer 16. zur Einstellung des Proportionalbereiches. Die Ausgangsgröße
x,. der Rückführung wird über einen Trennverstärker 17 abgenommen.
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Paralllel zum Kondensator 15 des nachgebenden rC-Gliedes liegt erfindungsgemäß
ein besonderer Schaltungszweig mit einer Diode 18, Widerstand 19, Speicherkondensator
20 und einem in Abhängigkeit von der Stehgröße y über die Relaiswicklung 21 gesteuerten
Ruhekontakt 22. Der Ansprechwert der Stehgröße y für die Relaiswicklung 21 kann
mit einem veränderlichen Widerstand 23 eingestellt werden. Der erfindungsgemäße
Schaltungszweig wird mit einer eigenen Steuerspannung U gespeist, die fest eingestellt
oder bei Bedarf auch durch geeignete Schaltmittel verändert werden kann.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Solange im normalen
Betrieb die Stellgröße y eine bestimmte, z. B. mit Widerstand 23 einstellbare Grenze
nicht überschreitet, bleibt der Kontakt 22 geschlossen. Die Steuerspannung U, auf
welche der Speicherkondensator 20 praktisch sofort aufgeladen wird, ist nun größer
als der gewählte Grenzwert der Stellgröße y bemessen, so daß die Diode 18 bei geschlossenem
Kontakt 22 in jedem Fall gesperrt ist. Der erfindungsgemäße Parallelzweig zum Kondensator
15 bleibt daher ohne Einfluß auf das Übergangsverhalten der Rückführung und damit
des gesamten Reglers. Mit Überschreiten des Grenzwertes, z. B. im Anfahrbetrieb
oder bei Einfall extremer Störungen, zieht Relais 21 an, und Kondensator 20 entlädt
sich über Widerstand 19. Sobald die Spannung am Kondensator 20 diejenige am Kondensator
15 unterschreitet,'öffnet die Diode18, und es beginnt auch die Entladung des Kondensators
15. Damit entfernt sich die Rückführung vom verzögernden, nachgebenden Verhalten
und nähert sich einem nur verzögernden; und zwar entspricht das Übergangsverhalten
nun demjenigen einer doppelt verzögernden Rückführung. Dies ist von besonderer Bedeutung,
da hierdurch im Gegensatz zu einer unmittelbaren Überbrückung des Kondensators 15
durch Schalter od. dgl. die Rückführgröße wesentlich langsamer zunimmt, so daß auch
während des Anfahrvorganges eine ausreichende Wirksamkeit des Reglers gewährleistet
ist.
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Durch geeignete Bemessung der Entladezeit des Speicherkondensators
20 wird die Ausschaltung des nachgebenden RC-Gliedes in Abhängigkeit von der Störungsdauer
gebracht, so daß die Umschaltung des Übergangsverhaltens neben Störungen extremer
Stärke auch noch auf solche bestimmter Mindestdauer beschränkt bleibt.
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Wie bereits erwähnt, gewinnt die Erfindung besondere Bedeutung für
unstetige Regler, insbesondere Zweipunktregler. Als einziges Merkmal für die Stärke
der auszuregelnden Störung steht hier die Einschaltdauer des Reglers bzw. das Verhältnis
von Einschaltzu Ausschaltzeit zur Verfügung. Demgegenüber besteht kein Zusammeryhang
zwischen dem Augenblickswert der Stellgröße y und der im Verlauf der Ausregelung
einer Strömung erreichten Aufladung des Kondensators des nachgebenden RC-Gliedes.
Die Ausschaltung des nachgebenden Zeitgliedes kann daher nicht ohne weiteres von
der Stellgröße ausgelöst werden. Ein weiterer wesentlicher Teil der Erfindung besteht
daher in der Anwendung des soeben am Beispiel eines stetigen Reglers erläuterten
Schaltungsprinzips auf Zweipunktregler.
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Abb. 5 zeigt eine verzögernde, nachgebende Rückführung, entsprechend
Abb.4, jedoch mit unstetig veränderlicher, durch einen Reglerkontakt 24 gesteuerter
Eingangsspannung Ue.
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Die erfindungsgemäße Schaltung wirkt hier in folgender Weise: In wesentlichem
Gegensatz zur stetigen Regelung erfolgt hier die Abschaltung der Steuerspannung
U,
die sodann zum Beginn der Entladung des Kondensators des nachgebenden
RC-Gliedes führt, periodisch und synchron mit den Schaltvorgängen des Reglers, was
in Abb. 5 durch Kopplung des Arbeitskontaktes 24 und des Ruhekontaktes 25 angedeutet
ist. Der Speicherkondensator 26 wird über den Ruhekontakt 25 während der Ausschaltperiode
des Reglers praktisch unverzögert auf die Steuerspannung U (Spannungsquelle mit
geringem Innenwiderstand) aufgeladen, so daß unmittelbar nach Beginn jeder Einschaltperiode
immer der gleiche Ladezustand des Speicherkondensators 26 vorliegt. Durch geeignete
Bemessung des Speicherkondensators 26 und des Widerstandes 27 läßt sich nun eine
Einschaltdauer bestimmen, nach deren Überschreiten spätestens die Diode 28 in den
Durchlaßbereich gesteuert wird, womit auch die Entladung des Kondensators 29 beginnt.
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Die Spannung am Kondensator des nachgebenden RC-Gliedes wird so nicht
etwa auf einen bestimmten Wert begrenzt, sondern nach Erreichen desselben wieder
abgesenkt. Damit nähert sich das nachgebende RC-Glied wieder dem Ausgangszustand,
und zu Beginn der nächstfolgenden Einschaltperiode steht ein vergrößerter nachgebender
Bereich der Rückführung (Integralbereich des Reglers) zur Verfügung.
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Abschließend ist zu bemerken, daß prinzipiell an die Stelle der durch
die Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren 15 bzw. 29 einerseits und 20 bzw.
26 andererseits gesteuerten Diode 18 bzw. 28 auch andere geeignete nichtlineare
Schaltelemente oder Relaisschaltungen treten können, die von der Spannung am Speicherkondensator
20, 26 betätigt werden.