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Optimalwertregler Es sind Regler bekannt, die den Zweck haben, charakteristische
Meßwerte z. B. des Druckes, der elektrischen Spannung, des Wirkungsgrades, der Umdrehungszahl,
des Mischungsverhältnisses mindestens zweier im Fluß befindlicher Chemikalien usw.
der in Frage kommenden Anlagen und Maschinen auf einen Optimalwert zu bringen. Diesen
Meßwerten sind die Stellgrößen des Reglers proportional, welche ihrerseits die Regelgrößen
beeinflussen. In geeigneten Fällen dienen die Meßwerte selbst als Stellgrößen. Der
Optimalwert wird im Verlauf der Regelgröße gefunden und mehr oder minder sicher
aufrechterhalten.
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Diese bekannten Regler arbeiten zwar mit verhältnismäßig einfachen
Steuerungsmitteln, haben aber den Nachteil, daß die Steuerungsvorrichtung beispielsweise
für die Größe B, durch die der Wert einer Größe A bestimmt werden soll, dauernd
hin und her pendeln muß. Dies bedeutet eine Forderung, die bei Regelanordnungen
größerer Leistung nur sehr schwierig erfüllt werden kann.
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Die Lagenänderung der bekannten Regler ist unabhängig von der Größe
der vorhergegangenen Änderung des Meßwertes. Die Regelung erfolgt also schrittweise
mit gleich groß bleibenden Sprüngen; der Aufbau bedingt somit, wenn die Regeleinrichtung
umgekehrt werden muß, zunächst zwei Schaltschritte in der nicht gewünschten Richtung
in Kauf zu nehmen.
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Ein besonderer Nachteil bei den bekannten Reglern ist der, daß bei
kleineren Schritten eine träge Regelung und bei großen Schritten ein überspringen
des Optimalwertes der Stellgröße und ein Pendeln mit großer Amplitude die Folge,
ist. Dieses Pendeln verhindert aber auch ein rasches Erreichen einer ruhigen Betriebslage
der geregelten Einrichtung.
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Bei einer anderen Ausführung von Reglern mit elektronischer Einrichtung
eines. maximalen oder minimalen Meßwertes werden Kondensatoren vorgesehen, die einer
Wechselschaltung unterliegen und durch die festzustellen ist, ob der Meßwert steigt
oder sinkt, d. h., ihre Aufgabe besteht darin, das algebraische Vorzeichen
der Änderungsrichtung der Reglerstellung, nicht aber mangels einer Verbindung mit
den Schaltern auch die Größe der Änderung des Meßwertes und weiter eine der gespeicherten
Meßwertänderung proportionale Regelungsänderung zu bestimmen.
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Die Erfindung betrifft einen Optimalwertregler, bei dem die Stellgröße
Y im Verlauf der Regelgröße X
einen Optimalwert aufweist, wobei zur Auffindung
des Optimalwertes von Y zwei aufeinanderfolgende Werte von Y gemessen werden und
der Sollwert der Regelgröße X in Abhängigkeit von der Richtung der -gemessenen
Änderung von Y schrittweise verstellt wird. Die vorstehend angeführten Nachteile
der bekannten Optimalwertregler werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß die
Sollwertverstellung außerdem von der Größe der vorausgegangenen Änderung von Y abhängig
gemacht wird. Die Schritte der Regelgröße also sind untereinander ungleich;
d. h., sie werden der Eigenart der zu regelnden Einrichtung derart angepaßt,
daß sie möglichst groß gewählt werden und in der Nähe des zu erreichenden Optimal-
oder auch Sollwertes so klein ausfallen, daß ein überspringen des Optimalwertes
der Stellgröße unmöglich wird.
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Als Maßstab sowohl für die Änderungen der Stellgrößen als auch der
Regelgrößen werden im Erfindungsfall Elektrizitätsmengen gespeichert oder Gleichspannungen
mittels Potentiometer festgehalten. Hierbei wird es in der Regel notwendig, der
Differenz zweier aufeinanderfolgender Stellgrößen'einen Faktor ±k beizufügen,
und zwar positiv für den Fall, daß ein Maximalwert der Stellgröße, und negativ für
den Fall, daß ein Minimalwert der Stellgröße erreicht werden soll. Um den Optimalwert
der Stellgröße aufrechtzuhalten, wird es notwendig, dem Regler periodisch kleine
Störimpulse zuzuführen, die ein Pendeln der Stellgröße um ihren Optimalwert mit
kleinster Amplitude bewirken.
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An Hand der Abb. 1 wird der grundlegende Erfindungsgedanke
erläutert. Die Abb. 2 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele desselben.
In
der Abb. 1 bedeutet die Kurve 1 die für den vorliegenden Regelungsfall
gegebene Meßwertcharakteristik bzw. die Stellgröße im Verlauf der Regelgröße. Das
zu erreichende Optimum der Stellgröße liegt bei Punkt 2 der Kurve.
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Sobald der Regler eingeschaltet wird, wird die Regelgröße X von ihrer
Grundstellung x" in die Stellung x" - , verschoben, wobei die
Größe des ersten Schrittes.ic"-,-x" so angepaßt gewählt wird, daß möglichst wenig
Schritte zur Erreichung des Optimalwertes der Stellgröße erforderlich werden, daß
aber andererseits die Schritte in der Nähe des Optimalwertes so klein sind, daß
ein überspringen des Optimalwertes der Stellgröße möglichst vermieden wird. Die
Änderung der Regelgröße von x" in x"" bewirkt eine Änderung der Stellgröße
von y" in y" = 1. Die Differenz der beiden Stellgrößenwerte
ist a. Um diesen Differenzwert multipliziert mit einem Faktor ±k wird die Regelgröße
X beim nächsten Schritt ver-. gebracht. Dadurch ändert und auf die Stellung x"",
steigt die Stellgröße yn um den Wert b auf y" , -
Anschließend
wird die Regelgröße X um ±k - b verändert in die Stellung x"
-,., gebracht. Solche Schritte der Regelgröße wiederholen sich solange, bis
die Differenz der Stellgrößenwerte yna.,c--xuiax-, oder
Ymax - ,
- y".., praktisch gleich -' 0 wird.
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Es gelten also die Bedingungen: Xn-'2-Xn-1 # --'- k (y,#
-, -y.)
für den Fall, daß ein Maximum des Stellwertes und xit -2--,ull
- i # -k (y. , 1 _y11) für den Fall. daß ein Minimum des Stellwertes
erreicht werden soll.
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Abb. 2 stellt das Schema eines Reglers dar, der geeignet ist, die
vorstehenden Bedingungen zu erfüllen und die Regelung des Stellwertes und somit
der zu regelnden Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
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Die Spannung, die dem Wert y, der Stellgröße Y entspricht, wird an
die Klemmen 3 und 4 gelegt. Somit liegen die genannten Spannungen am Gitter
und an der Kathode der Röhre 6 bzw. der Röhre 7. Die besagten Röhren
besitzen je zwei Anoden, die über geeignete Widerstände zu Kreisen geschaltet
sind. Dadurch wird bewirkt, daß die auftretenden Spannungen zwischen den Punkten
8 und 9 einerseits und den Punkten 10 und 11 andererseits
genau gleich groß, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen versehen sind. Sie sind
proportional der Änderung des Meßwertes y, - , - Y" der Stellgröße
Y. -
Die Spannung, die der Lage X,1,2 der RegelgrößeX, welche erreicht
werden soll, entspricht, wird an die Klemmen 12 und 13 gelegt, während diejenige,
die gespeichert wurde und die der vorhergehenden Lage x, - , der Regelgröße
X entspricht, an die Klemmen 14 und 13 geführt wird.
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Diese Spannungen liegen somit an den Gittern und Kahoden der Röhren
15 und 16, welche ebenfalls jede zwei Anoden besitzen. Auch hier werden
durch Einbau geeigneter Widerstände Anodenkreise gebildet, in denen zwischen den
Punkten 17 und 18 einerseits und den Punkten 19 und 20 andererseits
Spannungen mit gleichem Vorzeichen und gleicher Größe auftreten, die der Lagenänderung
x""-x"" der
RegelgröäeX proportional sind und somit der ge-
wünschten
Änderung der Lage der Regelgröße entsprechen. Das Antriebsglied des Reglers wird
über ein aus zwei Röhren 21 und 22, welche je zwei Gitter und je
zwei
Anoden besitzen, bestehendes Relais beeinflußt. über die Klemmen 23, 24 und
25 fließt der Betätigungsstrom des nicht dargestellten Stellgliedes. Durch
Betätigung des vierpoligen Schalters 26 wird die Spannung zwischen den Punkten
8 und 9 gegen die zwischen den Punkten 18 und 17 geschaltet
und ebenso diejenige zwischen den Punkten 10 und 11 gegen die zwischen
den Punkten 19 und 20. Die sich hierdurch an den Enden der Widerstände
27 und 28 ergebenden Spannungen werden den Gittern der Röhren 21 und
22 aufgeprägt, wobei das eine Ende des Widerstandes 27 mit dem einen Gitter,
das andere Ende desselben mit dem anderen Gitter der Röhre 21 verbunden ist. Entsprechend
liegen die Enden des Widerstandes 28 an den Gittern der Röhre 22. Es arbeitet jedoch
immer nur eine Röhre, weil die elektronische Wippe 29 den Anodenstrom der
einen oder der anderen Röhre ausschaltet. Die Wippe 29 selbst wurde durch
das Schließen des zweipoligen Schalters 30 während der Änderung der Stellung
(x",-x,) der Regelgröße X, die der in Gang befindlichen Stellungsänderung (X,'
- 2 - X,' , 1) voranging, betätigt.
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Die beschriebene Anordnung der Röhren und Schalter löst also immer
eine solche Stellungsänderung der Regelgröße aus, die der vorhergehenden Änderung
der Stellgröße Y entspricht. Mit anderen Worten, die als Beispiel dargestellte Regleranordnung,
welche in der Lage ist, die Regelung einer Einrichtung oder Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bewirken, ist geeignet, die obengenannten Bedingungen xii,2--xn,l
= ±k (y""-y.) zu erfüllen.
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Die Schalter 26 und 30 werden in einem bestimmten (unter
Umständen von der Umdrehungszahl einer zu regelnden Maschine abhängigen) Rhythmus
geschlossen, um den Ablauf der Änderungen der Stellung der Regelgröße auszulösen.
Die Schließdauer des Schalters 26 entspricht der Zeit, welche zur Durchführung
der Stellungsänderung der RegelgrößeX erforderlich ist. Der Schalter30 soll hingegen
nur einen Stromstoß auf die Wippe 29 auslösen. Die Schließdauer des letzteren
ist daher nur kurz und erfolgt gegen Ende der Änderung der Stellung der Regelgröße
oder zwischen der beendeten und der anlaufenden Stellungsänderung, da die elektronische
Wippe die Eigenschaft besitzt, den durch den Stromstoß bewirkten elektrischen Stand
aufrechtzuerhalten.
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Die Stellungsänderungen der Regelgröße können in gleichen oder ungleichen
Zeitabständen, je nach den vorliegenden Bedürfnissen, erfolgen.
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Die selbsttätige überwachung des Verharrens der Regelgröße in der
Lage, die den Optimalwert der Stellgröße bedingt, wird dadurch gesichert, daß der
Regelgröße in zeitgleichen oder nicht zeitgleichen Ab-
ständen eine kleine
Störung aufgedrückt wird.
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Abb. 3 zeigt das Schema eines beispielsweisen Speicherelementes,
das geeignet ist, die Spannung aufrechtzuerhalten, welche einem vorangegangenen
Meßwut der Stellgröße Y oder der Regelgröße X entspricht.
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Die an die Klemmen 31 und 32 gelegte Spannung wird einerseits
auf die Klemmen 33 und 34 übertragen und dient ihrerseits als Ladespannung
der Kondensatoren 35 und 36, an die sie mittels Umschalter
37
abwechselnd gelegt wird. Die der Stellgröße oder der Regelgröße entsprechende Spannung
wird durch den einen oder anderen der Kondensatoren 35 und 36 gespeichert
und über die Klemmen 38 und 34 den Röhren zugeführt. Je nachdem das Speicherelement
dazu dienen soll, den Stellgrößen oder den Reglergrößen proportionale Spannungen
zu speichern, werden die Klemmen 33, 34 und 38 mit den Klemmen
3, 4 und 5 bzw. 12, 13 und 14 der Abb. 2 verbunden. Der vorgesehene
Betätigungsrhythmus des Umschalters 37, welcher dem der Schalter
26 und 30 entsprechen muß, bestimmt den Zeitabstand der Abnahme der
der Stellgröße und der Regelgröße proportionalen Spannungen.
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Abb. 4 zeigt die Möglichkeit, den Stellgrößen bzw. den Regelgrößen
proportionale Spannungen festzuhalten. In diesem Falle liegt die Spannung an den
Klemmen 39 und 40, so daß einerseits die Klemmen 41 und 42 an derselben Spannung
liegen, und andererseits wird eine veränderbare Spannung, die einem Potentiometer
entommen wird, mittels eines Relais 43 und eines Umschalters 44 gegen sie geschaltet.
Die Potentiometereinrichtung besteht aus einer Stromquelle 45, einem Widerstand
46 und dem einen oder anderen der auf dem Widerstand 46 gleitenden Kontakte 47 bzw.
48. Sie werden durch ihre zugehörigen, über den dreipoligen Umschalter51 bzw. über
das Relais 43 aus der Stromquelle 52 gespeisten Motore 49 bzw.
50 in die erforderliche Richtung, die durch das Relais 49 eingestellt wird,
verschoben.
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Der dreipolige Umschalter51 ist mit den einpoligen Umschaltern 44
und 53 gekoppelt, so daß die Schaltbewegungen aller drei Schalter gleichzeitig
erfolgen. Die Schalter44 und 53 liegen in der linken Stellung an den Gleitkontakten
47 bzw. 48 und umgekehrt in der rechten Stellung an den Gleitkontakten 48 und 47,
wobei die Klemrn954 immer am Drehpunkt des Schalters 53 liegt. Die Schaltergruppe
44, 51 und 53 wird in einem bestimffiten Rhythmus umgeschaltet, welchem
der Zeitabstand der Abnahme der der Stellgröße bzw. der der Regelgröße proportionalen
Spannungen entspricht.
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Die den aufeinanderfolgenden Stellgrößenwerten bzw. Regelgrößenstellungen
entsprechenden Spannungen lassen sich jederzeit durch die Lage des Gleitkontaktes
47 (oder auch 48) auf dem Widerstand 46 festhalten. Derjenige Gleitkontakt, der
nicht verschoben wird, hält die dem Stellgrößenwert bzw. der Regelgrößeneinstellung
entsprechende Gleichspannung fest, die an den Klemmen 54 und 42 abgenommen werden
kann.
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In bestimmten Fällen ist es zweckmäßig, die Regelgröße von einer Stellgröße
abhängig zu machen, die selbst wieder das Verhältnis zweier Stellgrößen darstellt.
Dies ist besonders der Fall, wenn der günstigste Wirkungsgrad erreicht und aufrechterhalten
werden soll. So wird es z. B. möglich, die Luftzufuhr einer Verbrennungskraftmaschine
so zu regeln, daß dieselbe jederzeit mit dem günstigsten Wirkungsgrad arbeitet.
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Abb. 5 zeigt z. B. eine Potentiometerschaltung, welcher an
den Klemmen 59 und 60 eine Spannung entnommen werden kann, welche
dem Verhältnis zweier Stellwerte proportional ist, die der Stellung der Gleitkontakte
55 und 56 auf, dem aus der Stromquelle 58 gespeisten Widerstand
57 entspricht.
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Im vorliegenden Falle der Regelung einer Brennstoff-Einspritz-Kraftmaschine
wird die Stellung des Gleitkontaktes 55 dem Liefergrad der Einspritzpumpe
und die des Gleitkontaktes 56 dem Drehmoment oder der angegebenen Kraft entsprechen.
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In bestimmten Fällen kann die vorstehend- beschriebene Regelung eine
gewisse Gefahr mit sich bringen, wenn z. B. eine Verbrenntingskraftmaschine auf
einen Minimalverbrauch von Kraftstoff eingeregelt wird. Es kann dann eine unzulässige,
hohe Temperatursteigerung in der Maschine auftreten, die eine Beschädigung dieser
verursachen würde. Es besteht aber die Möglichkeit, die Regelung bei Gefahr aussetzen
zu lassen oder, wenn nötig, umzukehren. Zwecks Erreichung dieses Ziels läßt man
über geeignete übertrager weitere elektrische Spannungen auf die Gitter der Röhren
21 und 22 einwirken. Diese elektrischen Spannungen werden proportional den gefährlichen
Stellwerten (z. B. Temperaturwerten) abgestimmt. Dadurch wird es möglich, den Bereich
der Änderungen der Regelgröße auf einen bestimmten, gewünschten Wert zu begrenzen.
Die diesem Grenzwert entsprechende Spannung' die von den Anodenstrornkreisen der
Röhren 15 und 16 entnommen wird, läßt man auf ein geeignetes Relais
wirken. Eine solche Begrenzung wird auch dann von Bedeutung sein, wenn die Gefahr
einer Pendelung um den gewünschten Maximal- (oder Minimal-) Wert besteht.
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Die im vorstehenden erwähnten elektromechanischen Schalter und Umschalter
werden vorzugsweise durch einen gemeinsamen Motor betätigt. Sie können sowohl als
Kipp-, Hebel-, Dreh- oder Walzenschalter bzw. in einer sonst geeigneten Form ausgebildet
sein. Sie können aber auch durch elektronische Schalter oder Umschalter ersetzt
werden.
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Die obige Beschreibung ist im wesentlichen unter Zugrundelegung der
Fälle erfolgt, in welchen die Änderung der Meßwerte (durch proportionale Gleichspannungen
dargestellt) einer Meßreihe zur Auslösuno, der Reglertätigkeit benutzt wird. Die
Regelung kann aber ebenfalls durch mehrere Gleichspannungen, die entsprechenden
physikalischen Meßwerten verschiedener Meßreihen proportional sind, ausgelöst werden.
Andererseits können aber auch Gleichspannungen, die den Werten einer einzigen Meßreihe
entsprechen, oder die sich aus den Meßwerten verschiedener Meßreihen ergeben, dazu
benutzt werden, die Tätigkeit mehrerer Regler oder Reglergruppen auszulösen.
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Aus dem Dargestellten ergibt sich, daß die beschriebene Regelung gegenüber
den bisher benutzten Regelungsarten zahlreiche Vorteile aufweist, insbesondere wenn
es darauf ankommt, Maschinen schnell auf das Betriebsoptimum zu bringen und sie
auf diesem beharren zu lassen.