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Elektrische Regeleinrichtung mit integralem Verhalten und Glättung
des Istwertsignals Bei den gebräuchlichen Reglern ist es erforderlich, zur Anpassung
an die Regelstrecke Einstellmittel, beispielsweise für die Proportionalverstärkung,
für die Rückführzeit, für die Integrierzeit usw., vorzusehen. Hierzu dienen in der
Regel Potentiomreter, unter Umständen auch einstellbare Kondensatoren. Dies ist
einerseits mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden und erfordert andererseits
eine zeitraubende Abgleicharbeit bei der Inbetriebnahme des Regelkreises.
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Es ist bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden, einen Regelkreis
auf Grund einer besonderen Optimierungsvorschrift derart aufzubauen, daß auch Regler
höherer Ordnung mit einem einzigen Einstellknopf versehen werden können. Dadurch
wird die Optimierung einer Anlage wesentlich erleichtert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bemessungsvorschrift
für Regelkreise anzugeben, die es gestattet, die einzelnen Teilglieder des Reglers
aus Reglerbausteinen aufzubauen, die überhaupt keine eigenen Einstellmittel mehr
enthalten. Führt man die Regelverstärker in Transistorbauweise aus, so können sie
mit Isoliermasse hermetisch vergossen werden. Die Anpassung an die Regelstrecke
geschieht durch äußere Beschaltung der Reglerbausteine.
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Die Erfindung geht von einer elektrischen Regeleinrichtung mit integralem
Verhalten und Glättung des Istwertsignals aus. Eine solche Glättun g ist insbesondere
dann erforderlich, wenn die Regelgröße über Stromrichter und ähnliche Einrichtungen
gesteuert wird, die ein Gleichstromsignal mit erheblicher Welligkeit abgeben.
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Die Regeleinrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet dadurch,
daß der Istwert auf den Eingang des Reglers über ein passives Glied geführt ist,
dessen Übergangsfunktion etwa nach einer Exponentialfunktion mit der Glättungszeitkonstanten
auf ungefähr ein Viertel des Anfangswertes abfällt. Enthält der Regelkreis neben
der Glättungszeitkonstante tG noch weitere kleine Zeitkonstanten mit der Summe
so wird dieses passive Glied so bemessen, daß die Übergangsfunktion auf etwa
abfällt. Zur näheren Erläuterung sei zunächst das Blockschaltbild nach Fig. 1 betrachtet.
Der Regelkreis nach Fig. 1 enthält einen PI-Regler 1, dessen Übergangsfunktion in
Operatorenschreibweise eingetragen ist. Die Stellgröße y wird der Regelstrecke S
zugeführt und der Istwert x über ein Glättungsglied 2 mit der Glättungszeitkonstante
tc an den Eingang des Reglers gegeben. Nach einem an anderer Stelle gemachten Vorschlag
kann man zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit bei der Ausregelung von Laststößen
die Rückführzeit r des PI-Reglers etwa gleich dem Vierfachen der Summe der kleinen
Zeitkonstanten bemessen. Die Summe der kleinen Zeitkonstanten sei im vorliegenden
Fall gleich der Glättungszeitkonstanten tG. Ein derart bemessener Regelkreis zeigt
bei Sollwertstößen ein beträchtliches Überschwingen, das jedoch für sich durch ein
Glättungsglied 3 vor dem Reglereingang unterdrückt werden kann. Dieses Glättungsglied
hat eine Zeitkonstante, die zweckmäßig gleich der Rückführzeit z des PI-Reglers
bemessen wird. Das Glättungsglied 3 beeinflußt die rasche Ausregelung von Laststößen
nicht, wie man auch aus dem Blockschaltbild unmittelbar erkennen kann.
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Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, daß der Regelkreis nach
Fig. 1 in einen Regelkreis nach Fig.2 übergeführt werden kann, der dynamisch und
statisch exakt gleiches Verhalten aufweist. Der Regler 4 ist nunmehr ein reiner
Integralregler mit der Integrierzeit Ti. Das Glättungsglied 3 im Sollwertkreis entfällt,
während im Istwertkreis an die Stelle des Glättungsgliedes 2 ein passives Glied
5 tritt, dessen Übergangsfunktion eingetragen ist. Der Faktor 4 im Zähler rührt
von der obengenannten Vorschrift her, die Rückführzeit z des PI-Reglers gleich dem
Vierfachen der Summe der kleinen Zeitkonstanten zu machen. Diese Bemessung ist jedoch
nicht kritisch, und der Faktor kann in relativ beträchtlichen Bereichen
schwanken,
ohne daß die Regelgüte wesentlich herabgesetzt wird.
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Das Glied 5 gemäß Fig. 2 stellt ein Vorhaltglied erster Ordnung mit
Verzögerung dar und läßt sich als Hintereinanderschaltung eines Glättungsgliedes
2 und eines PD-Gliedes mit der Übergangsfunktion 1 -i- p - i auffassen. Während
ein solches PD-Glied nur mit aktiven Elementen, d. h. mit einem Verstärker realisierbar
ist, kann das Glied 5, im folgenden kurz Vorhaltglied genannt, aus passiven Bauelementen
bestehen. Im Gegensatz zu dem bei PD- oder PID-Reglern bekannten Vorhaltgliedern
hat das erfindungsgemäße Vorhaltglied nicht die Aufgabe, in irgendeiner Weise eine
Vorhaltwirkung auf das Stellglied auszuüben. Vielmehr dient es dazu, durch Korrektur
der Übergangsfunktion einen Regler höherer Ordnung, der keinen D-Anteil besitzt,
durch einen Regler niederer Ordnung bei gleichem statischem und dynamischem Verhalten
zu ersetzen.
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Fig. 3 zeigt die Übergangsfunktion dieses Vorhaltgliedes. Man erkennt,
daß die Ausgangsgröße von ihrem vollen Wert, der gleich 1 gesetzt ist, mit der Glättungszeitkonstante
tc, auf ein Viertel abfällt. Fig. 4 veranschaulicht -eine Möglichkeit zur praktischen
Realisierung eines solchen Vorhaltgliedes. Es besteht aus einem Spannungsteiler
mit den Widerständen R1 und R2, die im Verhältnis 3:1 stehen, während der Längwiderstand
R1 durch einen Kondensator C überbrückt ist. Der Kondensator ist so bemessen, daß
der gewünschte Abfall mit der Glättungszeitkonstante tc, eintritt.
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Es sei hier ein Beispiel für zusätzliche kleine Zeitkonstanten im
Regelkreis gegeben. Wenn als Stellglied ein Stromrichter verwendet wird, so tritt
zu der Glättungszeitkonstante noch die statistische Laufzeit t, des Stromrichters,
die von der Phasenzahl und von der Netzfrequenz abhängig ist. Bei einem Dreiphasenstromrichter
am technischen Drehstromnetz liegt die statistische Laufzeit in der Größenordnung
von etwa 1,6 msec. Das Vorhaltglied kann in diesem Fall mit der Übergangsfunktion
ausgeführt sein, so daß die Ausgangsgröße vom Wert 1 auf den Wert
abfällt. Dies ist durch entsprechende Bemessung des Spannungsteilers ohne weiteres
zu erreichen.
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Wie aus obigem hervorgeht, ist es möglich, einen PI-Regler (1 in Fig.
1) durch einen I-Regler (4 in Fig. 2) vollwertig zu ersetzen. Wenn die Regelstrecke
Integralverhalten aufweist (beispielsweise einen Stellmotor enthält), so genügt
bereits ein P-Regler.
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Beide Reglertypen sind mit Hilfe von gegengekoppelten Verstärkern
so realisierbar, daß zur Anpassung an die Regelstrecke (z. B. über die Integrierzeit
TI) kein Eingriff in den inneren Aufbau des Verstärkers erforderlich ist. Dies ist
insbesondere bei Transistorregelverstärkern vorteilhaft, da man dann die gesamte
Verstärkerschaltung als einheitlichen Baustein ausführen und gegen atmosphärische
und mechanische Einflüsse leicht schützen kann.
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Ein gegengekoppelter Verstärker kann so ausgebildet werden, daß der
Eingangsstrom immer gleich dem Gegenkopplungsstrom ist. Das Verhältnis von Eingangsgröße
zur Ausgangsgröße, also die Verstärkung, ist dann dynamisch bzw. statisch vom Verhältnis
des Eingangswiderstandes zur Gegenkopplungsimpedanz abhängig.
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Fig. 5 zeigt einen auf dieser Grundlage aufgebauten 1-Regler. Er besteht
aus dem Verstärker 6 mit einem Satz mehrerer Eingangswiderstände 7, 8, 9, 10 mit
abgestuften Werten sowie einem Gegenkopplungskondensator 11. Die gesamte Schaltung
ist, wie durch die gestrichelte Umrahmung 12 angedeutet, zu einem Baustein zusammengefaßt
und kann zweckmäßig vergossen werden. Die Integrierzeit ist vom Verhältnis des jeweils
beschalteten Eingangswiderstandes zur Gegenkopplungskapazität abhängig, kann also
stufenweise gewählt werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, gemäß Fig. 6 den Verstärker
6 mit einem festen Eingangswiderstand 13 zu einem Reglerbaustein zusammenzufassen
und für die Gegenkopplung Klemmen 14,15 vorzusehen, an die entweder ein Gegenkopplungskondensator
11 oder ein Gegenkopplungswiderstand 16 angeschlossen werden kann. Bei Einschaltung
eines Gegenkopplungswiderstandes entsteht ein P-Regler, dessen Verstärkung vom Verhältnis
der Widerstände 13 und 16 abhängig ist. Bei einer Bauform nach Fig. 6 können P-und
I-Regler aus den gleichen Bausteinen aufgebaut sein.
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Das gemäß der Erfindung im Istwertkreis vorgesehene passive Vorhaltglied
kann unter Umständen bereits im Meßumformer selbst enthalten sein. Ist dies nicht
möglich oder zweckmäßig, so wird man auch das Vorhaltglied in Form eines Spannungsteilers
als eigenen Rtglerbaustein ausbilden, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Die
beiden Widerstände 17 und 18 können m einem festen Verhältnis zueinander bemessen
sein, beispielsweise 3:1. Die beiden Anschlüsse des Widerstandes 17 sind an Klemmen
19, 20 geführt, an die ein Kondensator 21 geschaltet werden kann. Auf diese Weise
ist die Einstellung der jeweils gewünschten Glättungszeitkonstante möglich. Falls
ein abweichendes Widerstandsverhältnis infolge zusätzlicher kleiner Zeitkonstanten
im Regelkreis erforderlich ist,, kann man dem Widerstand 18 einen weiteren Widerstand
22 parallel schalten, der in Fig. 7 gestrichelt angedeutet ist.
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In vielen Fällen hat die Glättungszeitkonstante für Kategorien von
Regelstrecken den gleichen Wert. Beispielsweise ist eine Glättungszeitkonstante
von 10 msec entsprechend einer Halbperiodendauer der Netzfrequenz gebräuchlich.
In diesem Fall kann man den Kondensator 21 mit den Widerständen 17 und 18 unmittelbar
zu einem Reglerbaustein gemäß Fig. 8 zusammenfasse-n. Auch bei dieser Bauform ist
es möglich, dem Widerstand 18 einen weiteren Widerstand parallelzuschalten.
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Die Reglerbausteine können in Gehäusen mit Steck-oder Lötösenanschlüssen
eingebaut oder als vergossene Blöcke ausgebildet sein. Unter Umständen kann es vorteilhaft
sein, das Vorhaltglied mit einem Verstärkerbaustein zu kombinieren, so daß dann
der gesamte Regelkreis bis auf die eigentliche Regelstrecke in einer Einheit zusammengefaßt
ist. Diese Einheit kann durch ausschließlich äußere Beschaltung jeder vorliegenden
Regelstrecke angepaßt werden, ohne daß eine Einstellung der Kenndaten in der bisher
üblichen Weise erforderlich ist.