DE1124579B

DE1124579B - Electrical controller, preferably for regulating the temperature in heating systems

Info

Publication number: DE1124579B
Application number: DEW21010A
Authority: DE
Inventors: Roswell Ward Gilbert
Original assignee: Daystrom Inc
Current assignee: Daystrom Inc
Priority date: 1956-04-19
Filing date: 1957-04-18
Publication date: 1962-03-01

Description

Elektrischer Regler, vorzugsweise zum Regeln der Temperatur in Heizanlagen Die Erfindung betrifft einen elektrischen Regler, vorzugsweise zum Regeln der Temperatur in Heizanlagen, mit einem zum Messen der Regelgröße dienenden Fühler, beispielsweise einem Thermoelement, der eine in ihrer Größe ein Maß für den Wert der Regelgröße darstellende Meßspannung liefert, mittels der in bekannter Weise durch Vergleich mit einer Sollwertspannung eine der Regelabweichung proportionale Fehlerspannung abgeleitet und diese Fehlerspannung dem Eingang eines Verstärkers zugeführt wird, mit einem diesem Verstärker parallel geschalteten Rückführungskreis, dessen an zwei Eingangsleitungen auftretende Eingangsspannung von dem Verstärkerausgang abgenommen und dessen an zwei Ausgangsleitungen auftretende Ausgangsspannung der Fehlerspannung aufgeschaltet wird, wobei der Rückführungskreis eine verzögerte und eine nachgebende Rückführung aufweist und die verzögerte Rückführung einen im Hauptschluß liegenden Widerstand und eine im Nebenschluß liegende Kapazität und die nachgebende Rückführung einen im Nebenschluß liegenden Widerstand und eine im Hauptschluß liegende Kapazität aufweisen.Electrical controller, preferably for regulating the temperature in heating systems The invention relates to an electrical regulator, preferably for regulating the temperature in heating systems, with a sensor used to measure the controlled variable, for example a thermocouple, the size of which is a measure of the value of the controlled variable provides representative measurement voltage, by means of the in a known manner by comparison with a setpoint voltage, an error voltage proportional to the control deviation derived and this error voltage is fed to the input of an amplifier, with a feedback loop connected in parallel to this amplifier, its to two Input voltage occurring input lines removed from the amplifier output and its output voltage, the error voltage, appearing on two output lines is switched on, with the feedback loop one delayed and one yielding Has return and the delayed return a lying in the main circuit Resistance and a shunted capacitance and the yielding feedback a shunted resistor and a mainline capacitance exhibit.

Durch den dem Verstärker parallel geschalteten Rückführungskreis mit einer verzögerten und einer nachgebenden Rückführung wird in bekannter Weise ein PID-Verhalten des Reglers bewirkt.With the feedback loop connected in parallel with the amplifier a delayed and a yielding return is a known manner Causes PID behavior of the controller.

Die beschriebenen, aus Impedanzen bestehenden Rückführungskreise zeichnen sich durch einfache Herstellung, Wartungsfreiheit und hohe Betriebssicherheit aus, jedoch ist nicht in allen Fällen eine optimale Abgleichung auf das übergangsverhalten der jeweiligen Regelstrecke möglich. Um in bestimmten Sonderfällen die übergangsfunktion der genannten, aus Impedanz bestehenden Rückführungen zu verbessern, wurde schon vorgeschlagen, mindestens eine dieser Impedanzen durch spannungsabhängige Widerstände, beispielsweise Dioden, zu überbrücken. Derartige Schaltungen sind vor allen Dingen dann zweckmäßig, wenn zeitweise sehr große Regelabweichungen auftreten. Das genaue Übergangsverhalten des Reglers wird durch die Anordnung und Größe der Widerstände und Kapazitäten der verzögerten und nachgebenden Rückführungen bestimmt. Je nach den speziellen Eigenschaften der Regelstrecke ist es hierbei zweckmäßig, die verzögerte und nachgebende Rückführung energetisch zu koppeln oder nicht. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Regler, in dessen Rückführungskreis die nachgebende und verzögerte Rückführung energetisch gekoppelt sind. ; Bei bekannten Anordnungen dieser Art sind die verzögerte und nachgebende Rückführung hintereinandergeschaltet. Diese Hintereinanderschaltung hat bei bestimmten Aufgaben der Regelungstechnik zu keinem befriedigenden übergangsverhalten des Reglers geführt.Draw the feedback loops described, consisting of impedances are characterized by simple production, maintenance-free and high operational reliability, however, there is not an optimal match for the transition behavior in all cases of the respective controlled system is possible. In order to use the transition function in certain special cases to improve the aforementioned, existing feedback from impedance, has already been proposed to use at least one of these impedances by voltage-dependent resistors, for example diodes. Such circuits are above all things then useful if very large system deviations occur at times. The exact Transition behavior of the controller is determined by the arrangement and size of the resistors and capacities for delayed and yielding returns. Depending on In view of the special properties of the controlled system, it is advisable to use the delayed and energetically coupling yielding feedback or not. The present invention refers to a controller in whose feedback loop the yielding and delayed Feedback are energetically coupled. ; In known arrangements of this type are the delayed and yielding feedback connected in series. This cascading does not have a satisfactory transition behavior in certain control engineering tasks of the controller.

Die Erfindung bezieht sich auf eine bei bestimmten Aufgaben der Regelungstechnik, vorzugsweise bei der Regelung der Temperatur von Heizöfen, besonders zweckmäßige Ausbildung eines verzögerten und nachgebenden, aus Impedanzen aufgebauten Rückführungskreises. Dieser Rückführungskreis ist dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der verzögerten Rückführung und die Kapazität der nachgebenden Rückführung in unterschiedlichen Leitungszügen der beiden Hauptschlußleitungen des Rückführungskreises angeordnet sind, daß die den Widerstand der nachgebenden Rückführung und die die Kapazität der verzögerten Rückführung aufweisenden Nebenschlußleitungen jeweils einen Eingang bzw. Ausgang des Widerstandes mit einem Ausgang bzw. Eingang der Kapazität verbinden und daß parallel zu dem Widerstand der verzögerten Rückführung und parallel zu der Kapazität der nachgebenden Rückführung je ein Paar von in Serie gegeneinandergeschalteten Dioden in an sich bekannter Weise vorgesehen sind.The invention relates to a given control engineering tasks, preferably when regulating the temperature of heating stoves, particularly useful Formation of a delayed and yielding feedback loop made up of impedances. This feedback loop is characterized in that the resistance of the delayed Feedback and the capacity of the yielding feedback in different Lines of lines of the two main circuit lines of the feedback circuit are arranged are the resistance of the yielding feedback and the capacitance each of the delayed feedback shunts has an input or connect the output of the resistor to an output or input of the capacitance and that in parallel with the resistance of the delayed return and in parallel with the Capacity of the yielding return one pair of each connected in series against one another Diodes are provided in a manner known per se.

Dabei kann die Schaltung so getroffen sein, daß die beiden zusammengeschalteten Enden der Widerstände an den Eingang der einen Hauptschlußleitung und die beiden zusammengeschalteten Enden der Kapazitäten an den Eingang der anderen Hauptschlußleitung angeschlossen sind.The circuit can be made so that the two are interconnected Ends of the resistors to the input of a main line and the two interconnected ends of the capacitance to the input of the other Main line are connected.

Von besonders großer Bedeutung ist das Stabilitätsverhalten des Reglers. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird eine besonders gute Stabilität dadurch erreicht, daß die Zeitkonstante der nachgebenden Rückführung nennenswert größer als die Zeitkonstante der verzögerten Rückführung ist.The stability behavior of the controller is of particular importance. In the circuit according to the invention, this results in particularly good stability achieves that the time constant of the yielding feedback is appreciably greater than is the time constant of the delayed feedback.

Der vorliegende Regler erlaubt eine außerordentlich empfindliche Regelung ohne mittlere Nullabweichung. Diese erwünschte hohe Empfindlichkeit bringt es jedoch mit sich, daß unter Umständen bereits ein Brummen oder Rauschen des Verstärkers sich störend bemerkbar macht. Derartige Störungen lassen sich zweckmäßig dadurch vermeiden, daß die verzögerte Rückführung einen mit der Kapazität in Reihe geschalteten Widerstand aufweist.The present controller allows extremely sensitive regulation without mean zero deviation. However, it brings this desired high sensitivity with it that there may already be a hum or hissing noise from the amplifier is noticeable in a disturbing way. Such disturbances can be expediently thereby avoid the delayed feedback one in series with the capacitance Has resistance.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung an Hand eines Schaltschemas dargestellt.In the drawing is an embodiment of the subject matter of Invention shown on the basis of a circuit diagram.

Bei der Vorrichtung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen elektrischen Regler, der zum Regeln der Temperatur in Heizanlagen dient. Der Erfindungsgegenstand kann jedoch selbstverständlich auch für andere Regelungen verwendet werden. Das Gleichstrombezugspotential VR wird von einem Potentiometer 1 abgegriffen und einer auf Temperaturänderungen ansprechenden Vorrichtung 2 zugeführt, die z: B. als Thermoelement ausgebildet sein kann und als ein zum Messen der Regelgröße dienender Fühler wirkt, der eine in ihrer Große ein Maß für den Wert der Regelgröße darstellende, einer vorzugsweise einstellbaren Vergleichsspannung entgegengeschaltete elektrische Meßspannung liefert. Mit den Klemmen 3 ist eine Wechsel stromquelle verbunden. Sie liefert Energie an ein Heizelement 4, z. B. an das Heizelement eines technischen Schmelzofens, eines Herdes, eines kleinen metallurgischen Ofens usw. Ein Leistungsrelais 5 steuert den Betrieb des Heizelementes. Die Heizenergie kann hierbei entweder in Form einer Stufenfunktion zugeführt werden, oder es kann auch eine in anderer Weise veränderliche Energiemenge ständig an das Heizelement abgegeben werden. Das Gleichstrombezugspotential VR hat einen solchen Wert, daß bei Übereinstimmung mit dem vom Thermoelement 2 erzeugten Potential die Ofentemperatur den gewünschten Wert angenommen hat. Wenn die Ofen- ; temperatur einen bestimmten Betrag übersteigt, wird eine Fehlerspannung als Differenz zwischen der Thermoelementspannung und der Bezugsspannung erzeugt, die dem Eingang eines Gleichstromverstärkers 6 zugeführt wird, an dessen Eingang eine aus Meßspannung, Vergleichsspannung und der an einem Rückführungswiderstand 9 liegenden Spannung bestehende Summerspannung gelegt ist. Zwischen dem Ausgangskreis des Verstärkers und dem Rückführungswiderstand 9 ist ein Rückführungskreis angeordnet, der eine aus dem Widerstand 14 und der Kapazität 13 bestehende verzögerte Rückführung und eine aus dem Widerstand 16 und der Kapazität 15 bestehende nachgebende Rückführung aufweist.The device according to the illustrated embodiment acts it is an electrical controller that regulates the temperature in heating systems serves. The subject matter of the invention can of course also be used for other regulations be used. The direct current reference potential VR is controlled by a potentiometer 1 tapped and fed to a device 2 responsive to temperature changes, which, for example, can be designed as a thermocouple and as one for measuring the controlled variable Serving sensor acts, one in its size a measure of the value of the controlled variable representing, a preferably adjustable comparison voltage counter-connected electrical measurement voltage supplies. With the terminals 3 is an alternating current source tied together. It supplies energy to a heating element 4, e.g. B. to the heating element of a technical melting furnace, a hearth, a small metallurgical furnace, etc. A power relay 5 controls the operation of the heating element. The heating energy can here either be supplied in the form of a step function, or it can also an otherwise variable amount of energy is constantly delivered to the heating element will. The direct current reference potential VR has such a value that if they match with the potential generated by thermocouple 2, the furnace temperature is the desired Has assumed value. When the furnace; temperature exceeds a certain amount, becomes an error voltage as the difference between the thermocouple voltage and the Reference voltage generated, which is fed to the input of a DC amplifier 6 is, at whose input one of the measurement voltage, reference voltage and that at a Feedback resistor 9 lying voltage existing buzzer voltage is applied. Between the output circuit of the amplifier and the feedback resistor 9 is a feedback circuit is arranged, the one of the resistor 14 and the capacitance 13 delayed feedback and one consisting of resistor 16 and capacitance 15 has existing yielding return.

Von der Ausgangsklemme 7 des Gleichstromverstärkers 6 geht die Hauptrückführungsschleife ab, die mit einem gemeinsamenWiderstand9 so inVerbindung steht, daß der Hauptrückführungsstrom durch den gemeinsamen Widerstand 9 zur Rückführungsleitung 10 fließt. Die sekundäre Rückführungsschleife schließt die Arbeitsspule des Leistungsrelais 5 ein und ist mit der Rückführungseingangsleitung10 über ein Anzeigeinstrument 12 verbunden. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Relaiskontakte des Relais 5 mittels des durch die Relaisspule 5 fließenden Ausgangsstroms 1 in Arbeitsstellung gebracht werden, wenn die Temperatur unter der Bezugstemperatur liegt, so daß dem Heizelement 4 dann Energie zufließt. Dagegen wird die Energiezufuhr zum Heizelement abgeschaltet, wenn die Temperatur höher als die Bezugstemperatur ist.The main feedback loop goes from the output terminal 7 of the DC amplifier 6 which is connected to a common resistor 9 in such a way that the main return current flows through the common resistor 9 to the return line 10. The secondary Feedback loop includes the work coil of the power relay 5 and is connected to the return input line 10 via a display instrument 12. the The arrangement is made so that the relay contacts of the relay 5 by means of the Bred through the relay coil 5 flowing output current 1 in the working position when the temperature is below the reference temperature, so that the heating element 4 then energy flows in. In contrast, the energy supply to the heating element is switched off, when the temperature is higher than the reference temperature.

Das den Strom I anzeigende Instrument 12 kann als Anzeigeinstrument für den Regelfehler des Systems betrachtet werden und in Einheiten der Temperaturabweichung kalibriert sein, so daß der Regelfehler unmittelbar in Temperatureinheiten angezeigt wird: Die nachgebende und die verzögerte Rückführung sind in bekannter Weise durch Kapazitäten und Widerstände gebildet: Insgesamt ergibt sich grundsätzlich bei derartigen Anordnungen ein PID-Verhalten des Reglers. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen sind jedoch bei dem erfindungsgemäßen Regler die nachgebende und die verzögerte Rückführung nicht hintereinandergeschaltet, vielmehr findet hier eine Schaltung Anwendung, bei der die im Nebenschluß liegenden Kapazitäten und Widerstände über Kreuz geschaltet sind.The instrument 12 indicating the current I can be used as an indicating instrument for the control error of the system and in units of the temperature deviation be calibrated so that the control error is displayed immediately in temperature units is: The yielding and the delayed return are through in a known manner Capacities and resistances formed: Overall, this basically results in such Arrangements a PID behavior of the controller. In contrast to known arrangements however, in the case of the regulator according to the invention, the yielding and the delayed one Feedback is not connected in series, rather there is a circuit here Application in which the shunted capacitances and resistances over Are crossed.

Die nachgebende Rückführung wird durch die im Hauptschluß der primären Rückführungsschleife angeordnete Kapazität 15 und den im Nebenschluß angeordneten Widerstand 16, die verzögerte Rückführung durch den im Hauptschluß der sekundären Rückführungsschleife angeordneten Widerstand 14 und die im Nebenschluß angeordnete Kapazität 13 gebildet. Damit sind der Widerstand 14 der verzögerten und die Kapazität 15 der nachgebenden Rückführung in unterschiedlichen Hauptschlußleitungen des Rückführungskreises angeordnet, wobei die den Widerstand 16 der nachgebenden Rückführung und die die Kapazität 13 der verzögerten Rückführung aufweisenden Nebenschlußleitungen jeweils einen Eingang bzw. Ausgang des Widerstandes 14 mit einem Ausgang bzw. Eingang der Kapazität 15 verbinden. Hierdurch wird eine für das vorliegende Regelungsproblem besonders günstige energetische Kopplung zwischen der verzögerten und der nachgebenden Rückführung erreicht.The yielding feedback is formed by the capacitance 15 arranged in the main circuit of the primary feedback loop and the resistor 16 arranged in the shunt, the delayed feedback by the resistor 14 arranged in the main circuit of the secondary feedback loop and the capacitance 13 arranged in the shunt. Thus, the resistor 14 of the delayed return and the capacitance 15 of the yielding feedback are arranged in different main lines of the feedback circuit, the resistor 16 of the yielding feedback and the shunt lines having the capacitance 13 of the delayed feedback each having an input or output of the resistor 14 with a Connect the output or input of the capacitance 15. This achieves a particularly favorable energetic coupling between the delayed and the yielding feedback for the present control problem.

Aus Stabilitätsgründen muß die Zeitkonstante der nachgebenden Rückführung größer als die Zeitkonstante der verzögerten Rückführung sein. Es ist zweckmäßig, daß sich diese Zeitkonstanten mindestens um den Faktor 5 unterscheiden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Rückführungskreis eine im Gleichgewicht befindliche Brücke bildet und sich daher keine Rückführungsspannung ergibt, wenn die Impedanzen der nachgebenden und verzögerten Rückführung gleich sind.For reasons of stability, the time constant of the yielding feedback be greater than the time constant of the delayed feedback. It is appropriate that these time constants differ by at least a factor of 5. Be on it pointed out that the feedback loop is a bridge in equilibrium forms and therefore no feedback voltage results if the impedances of the yielding and delayed return are the same.

Die Übergangsempfindlichkeit eines praktischen Systems muß für einen ausreichenden Kaltstart und/ oder hinsichtlich der Reaktion auf thermische Belastungen und den Soliwerteinstellungen entsprechend bemessen sein. Vor allen Dingen verträgt die volle Rückführungsfunktion nicht einmal sehr kleine Eingangsstörungen wie Brummen oder Rauschen. Derartige Störpotentiale haben hohe zeitliche Ableitungen, welche den Steuervorgang überdecken können. In der Praxis ist es deshalb notwendig, zusätzlich einige Rückführungen erster Ordnung vorzusehen. In besonders geeigneter Weise können diese in Form eines kleinen Widerstandes 17, der in Reihe mit der Kapazität 13 angeordnet ist, geschehen. Außerdem kann während der langen Aufwärm- und Abkühlzeiten, die in bezug auf die Rückführzeitkonstante groß sind, die Kapazität 15 aufgeladen und der Verstärker mit einer Spannung belastet werden. Dies erfordert eine zusätzliche Form einer Rückführung erster Ordnung, die parallel zur Kapazität 15 angeordnet ist und die vor der Sättigung des Verstärkers in Wirkung tritt, jedoch im Dauerzustand unwirksam ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Kapazität 15 und dem Widerstand 14 vorgespannte Dioden 18 und 19 parallel geschaltet werden, welche bei einer Spannung leitend werden, die oberhalb der bei den Abweichungen im Dauerzustand auftretenden Spannung, jedoch unterhalb der Sättigungsspannung des Verstärkers liegt.The transition sensitivity of a practical system must be for one sufficient cold start and / or with regard to the reaction to thermal loads and be dimensioned according to the target value settings. Above all else, tolerate the full feedback function doesn't even have very small input interference such as hum or noise. Such interference potentials have high temporal derivatives, Which can cover the control process. In practice it is therefore necessary in addition to provide for some first-order returns. In a particularly suitable manner can this in the form of a small resistor 17, which is arranged in series with the capacitance 13 it happened. In addition, during the long warm-up and cool-down times that with respect to the feedback time constant are large, the capacity 15 is charged and the amplifier can be loaded with a voltage. This requires an additional Form of a first order feedback arranged parallel to the capacitance 15 and which takes effect before the amplifier is saturated, but in the steady state is ineffective. This can be achieved by adding the capacitance 15 and the resistor 14 biased diodes 18 and 19 are connected in parallel, which at a voltage those above that which occur in the permanent state deviations become conductive Voltage, but below the amplifier's saturation voltage.

Die vorgespannten Dioden sind als in Reihe entgegengeschaltete Siliziumdioden ausgebildet, welche Zenerspannungen entsprechend der gewünschten Vorspannung aufweisen. Die Dioden weisen bei einer vorbestimmten Spannung einen ausgeprägten Knick in ihrer Spannungscharakteristik auf, wobei die Impedanz der Dioden oberhalb dieser Spannung klein und im wesentlichen konstant ist. Der wirksame Effekt besteht darin, die Kapazität 15 und den Widerstand 14 nur dann zu überbrücken, wenn die Spannung an diesen Elementen gleich der Zenerspannung der Dioden wird.The biased diodes are silicon diodes connected in series formed, which have Zener stresses corresponding to the desired bias. The diodes have a pronounced kink in their at a predetermined voltage Voltage characteristics, with the impedance of the diodes above this voltage is small and essentially constant. The effective effect is the capacity 15 and the resistor 14 to be bridged only when the voltage is applied to these elements equals the Zener voltage of the diodes.

Die Zenerdioden ergeben auch einen wirksamen Schutz der Kapazitäten gegen Überspannung.The Zener diodes also provide an effective protection of the capacities against overvoltage.

Die Kapazitäten sollen Eigenzeitkonstanten haben, welche wesentlich größer sind als die Stromkreiszeitkonstanten. Andernfalls verursacht der Nebenschlußstrom einen mittleren Fehler. Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren werden hierbei als die praktisch geeignetsten Typen vorgeschlagen.The capacities should have proper time constants, which are essential are greater than the circuit time constants. Otherwise, the shunt current will cause a mean mistake. Tantalum electrolytic capacitors are here considered to be the most practical most suitable types are proposed.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electrical controller, preferably for controlling the Temperature in heating systems, with a sensor used to measure the controlled variable, for example a thermocouple, which is a measure of the value in its size supplies the electrical measurement voltage representing the controlled variable, by means of the known By comparison with a setpoint voltage, one of the system deviations is proportional Error voltage derived and this error voltage to the input of an amplifier is supplied, with a feedback circuit connected in parallel with this amplifier, its input voltage appearing on two input lines from the amplifier output removed and its output voltage occurring on two output lines of the Error voltage is applied, with the feedback circuit having a delayed and has a yielding return and the delayed return one in the main circuit lying resistance and a shunted capacitance and the yielding one Feedback one shunted resistor and one shunted resistor Have capacitance, characterized in that the resistor (14) of the delayed Return and the capacity (15) of the yielding return in different Lines of lines of the two main circuit lines of the feedback circuit are arranged are that the resistance (16) of the yielding feedback and that the capacitance (13) one of each of the delayed return lines Input or output of the resistor (14) with an output or input of the capacitance (15) connect and that in parallel with the resistor (14) of the delayed feedback and a pair of each parallel to the capacitance (15) of the yielding return diodes (18, 19) connected in series against one another are provided in a manner known per se are.

2. Controller according to claim 1, characterized in that the two interconnected ends of the resistors (14, 16) are connected to the input of one main line and the two interconnected ends of the capacitors (13, 15) are connected to the input of the other main line.

3. Regulator with a control means, z. B. a relay coil for operating an actuator according to claim 2, characterized characterized in that the control means is between the junction of the two resistors (14, 16) and the associated amplifier output terminal is arranged.

4. Regulator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the time constant the yielding feedback is significantly greater than the time constant of the delayed Repatriation is.

5. Regulator according to one of claims 1 to 4, characterized in that that an ammeter is connected in series with the two returns.

6. Regulator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the delayed return has a resistor (17) connected in series with the capacitance (13).

7th Regulator according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the diodes at a predetermined voltage a pronounced kink in its voltage characteristic have, the impedance of the diodes above this voltage being small and substantial is constant. Considered publications: German Patent Specifications No. 767 654, 767 636, 966 809; Journal »Electrical Engineering in Mechanical Engineering«, year 1943, P. 446; H&B publication no. 738/4. 52 "The Regulator Regelux" by Hartmann & Braun AG; W. O p p e 1 t, Small Handbook of Technical Control Processes, 1954, publisher Chemie, Weinheim, p. 134.