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Regler mit einer veränderbaren Widerstandsanordnung zur Wahl des Proportionalbereiches
In Regelkreisen sind zumeist Mittel vorgesehen, die bei der Erprobung und im Betrieb
einer Anlage eine Veränderung der Reglereinstellung erlauben. Da die Projektierung
solcher Anlagen entweder auf mathematischen Näherungsverfahren oder auf der Anwendung
von Erfahrungswerten und überschlägigen Formeln basiert, kann das Reglerverhalten
nicht zuverlässig vorausbestimmt werden. Eingriffe in den Regler können beispielsweise
an der Einstellung der Rückführung, durch Verändern der Meßgliedempfindlichkeit
oder durch Variierung des Proportionalbereiches u. a. vorgenommen werden.
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Bei einem bekannten Kompensationsregler ist beispielsweise der Sollwert
dadurch einstellbar, daß der Abgriff des die eine Seite einer Brückenschaltung bildenden
Potentiometers veränderbar ist. Dadurch ergibt sich in der Brückendiagonale, die
einerseits an diesem Abgriff' und andererseits zwischen Widerständen der anderen
Seite der Brücke endet, eine Sollspannung, welcher die Istspannung entgegengeschaltet
ist. Ein Nullinstrument betätigt bei bestimmten Werten der resultierenden Spannung
in Abhängigkeit von deren Richtung einen von zwei Kontakten, die das Stellglied
steuern. Nach Art der Zweipunktregelung pendelt die Regelgröße hierbei um den eingestellten
Sollwert von einem unteren Grenzwert zu einem oberen Grenzwert und zurück in ständiger
Folge. Anordnungen mit dieser Wirkungsweise eignen sich insbesondere für Temperaturregelungen,
also für Regelkreise mit großer Zeitkonstante.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung einen Regler mit einer veränderbaren
Widerstandsanordnung zur Wahl des Proportionalbereiches, welche einen Vergleich
der Regelabweichung mit der Stellgröße durchführt und eine mögliche Abweichung von
einem durch die Wahl des Proportionalbereiches vorgegebenen Verhältnis durch Nachstellung
des Reglers rückgängig zu machen sucht. Grundsätzlich bietet sich zur Wahl des Proportionalbereiches
die Möglichkeit, den Verstärkungsfaktor des eingesetzten Regelverstärkers beispielsweise
durch Einfügung verschieden großer Vorwiderstände und/oder verschieden großer Widerstände
in einem gegebenenfalls vorgesehenen Gegenkopplungszweig zu verändern. Die Veränderung
des Verstärkungsfaktors erfolgt in der Regel mittels Stufenschalterkombinationen.
Bei einem an sich bekannten Kompensationsverstärker durchfließt der Eingangsstrom
und in- Gegenrichtung ein aus dem Anodenkreis eines rückkopplungsgesteuerten Röhrenoszillators
abgezweigter Strom die Meßwerkspule eines Galvanometers, dessen Auslenkorgan ein
Abschirmfähnchen trägt und damit die induktive Kopplung zweier Rückkopplungsspulen
verändert. Das richtkraftlose Galvanometer wird jeweils so lange verstellt, bis
sich der Eingangsstrom und der Kompensationsstrom ausgleichen. Bei diesem bekannten
Kompensationsverstärker läßt sich der Verstärkungsfaktor durch Veränderung von im
Abzweig vorgesehenen Widerständen oder anderen Widerständen einstellen.
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Bei Reglern zur Überwachung von Durchflüssen oder ähnlichen physikalischen
Vorgängen, deren Sollwert elektrisch eingestellt wird und deren Stellgröße ein Strom
ist, wird aber neuerdings vielfach verlangt, nicht nur den Proportionalbereich einstellbar
zu machen, sondern außerdem eine Rückführung vom Stellglied zum Reglereingang vorzusehen.
Die Erfindung betrifft einen Regler dieser Art.
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Bei einer bekannten Anordnung zur Temperaturregelung stellen die Regelgröße
und die Stellgröße den Abgriff je eines Potentiometers ein. Das durch die Regelgröße
abgriflveränderliche Potentiometer liegt in seiner Gesamtlänge an einer Speisespannung,
und es besitzt zwei weitere Abgriffe, die den Verstellbereich des ersten Abgriffs
begrenzen. Die durch die letzteren Abgriffe abgenommene Spannung beaufschlagt das
durch die Stellgröße abgriffveränderliche Potentiometer, so daß eine Brückenschaltung
gebildet wird, deren Diagonale an den durch die Regel- und die Stehgröße veränderbaren
Abgriffen endet. Bei Verstimmung der Brücke wird ein von der Diagonale aus
gesteuertes
Stellglied bis zum Abgleich der Brücke an positive oder negative Spannung gelegt.
Der Abstand der beiden äußeren Abgriffe des an der Speisespannung liegenden Potentiometers,
die verstellbar sind, bestimmt hierbei die Breite _ des Proportionalbereiches bzw.
die Größe des Verstärkungsfaktors, und beide müssen in umständlicher Weise relativ
zueinander verstellt werden, wenn, der.. proportionalbereich geändert werden soll.
Es kommt hinzu, daß sich ein Regler dieser Bauart nur für spezielle Aufgaben, beispielsweise
für die Temperaturregelung, eignet, weil sich ein fester Sollwert,nicht wählen läßt,
sondern nur ein oberer und unterer@Grenzwert', zwischen denen die Regelgröße pendeln
kann.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und führt außerdem zu einer
Vereinfachung des Regleraufbaues dadurch, daß als Widerstandsanordnung ein Potentiometer
mit einem einstellbaren Abgriff vorgesehen ist, dessen - Gesamtwiderstand von einem
- der Regelabweichung verhältnisgleichen Differenzstrom und dessen einer Teilwiderstand
von einem der Stehgröße verhälteisgleichen Strom derart durchflossen wird, daß die
Spannungsabfälle an den beiden Teilwiderständen einander entgegenwirken und die
resultierende Spannung bei Regelabgleich verschwindet.
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In den vier Figuren der Zeichnung werden vier Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Einander entsprechende Teile in den verschiedenen
Figuren tragen die gleichen Bezugszeichen.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Potentiometer bezeichnet, das einen Widerstand
R hat und an dessen Abgriff 2 der Proportionalbereich des Reglers eingestellt wird.
Dieser Abgriff steht in Fig. 1 in der Stellung xp. Ein Strom iw stellt den Istwert
der Regelung dar. Ein parallel zum Potentiometer 1 liegender Sollwertgeber besteht
aus einem anderen Potentiometer 5 mit einem Abgriff 4. An diesem Abgriff wird der
Sollwert eingestellt, der durch den eingeprägten Strom is dargestellt wird. Ein
hochohmiges Nullgalvanometer 3 ist dem Potentiometer 1 ebenfalls parallel geschaltet.
Der Ausschlag dieses Galvanometers 3 steuert über einen geeigneten Drehmomentverstärker,
der in an sich bekannter Weise nach dem fotoelektrischen Prinzip oder durch Verändern
von Induktivitäten arbeiten kann, den Abgriff 6 einer Brückeneinheit 7. Ein Stellstrom
ist, der dieser Brückeneinheit entnommen wird, fließt durch ein Stellglied 8 und
wird außerdem über den Abgriff 2 auf den Teilwiderstand (xp - R) des Potentiometers
rückgeführt. Das Nullgalvanometer 3 erfüllt zusammen mit der Brückeneinheit 7 die
Funktion eines Verstärkers. Die am Potentiometer 1 herrschende Spannung liegt demnach
am Verstärkereingang, während der Stellstrom ist
dessen Ausgangsgröße darstellt.
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Das Nullgalvanometer 3 ist als hochempfindlicher praktisch verlustloser
Spannungsmesser ausgeführt. Da außerdem der Sollwertgeber einen hohen Innenwiderstand
besitzt, fließt mit guter Annäherung der gesamte Strom iw durch das Potentiometer
1, in welchem er dem entgegengerichteten Strom is überlagert wird. Die Regelabweichung,
die durch die Differenz der Ströme (i"-iw) dargestellt ist, bewirkt am Gesamtwiderstand
des Potentiometers 1 einen ihr proportionalen Spannungsabfall: Ui = (i"-lw)
- R.
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Über den in der Stellung xp stehenden Abgriff 2 des Potentiometers
1 fließt außerdem der Stellstrom ist,
welcher am Teilwiderstand (xp - R) des
Potentiometers einen Spannungsabfall UZ erzeugt: ,. ._. . . UZ=xpR-ist.
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.Das Galvanometer 3 ist ohne Rückstellfeder ausgeführt. Der Brückenabgriff
6 wird demnach so lange verstellt, bis die am Galvanometer anliegende Spannung Null
wird.
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Diese Spannung verschwindet aber dann, wenn die beiden am Potentiometer
1 ansetzenden Spannungskomponenten U1 und U2 ausgeglichen sind. Der Regler hat dann
den Beharrungszustand erreicht. Es gilt unter dieser Voraussetzung: Ui
- U2, (is-iw) ' R = ist - xp ' R,
Durch die Stellung xp des Abgriffes 2 ist der Proportionalitätsfaktor zwischen Stellstrom
ist und Regelabweichung (is-iw)
wählbar. Am Abgriff 2 läßt sich also der Proportionalbereich des Reglers einstellen.
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Tritt auf Grund einer beliebigen Störgröße eine Änderung des Istwertes
i" auf, so ändert sich auch die Regelabweichung is-iw. Die Spannungskomponenten
sind nicht mehr im Gleichgewicht, d. h., am Galvanometer 3 wird eine Spannung wirksam.
Der Brückenabgriff 6 und damit der Stellstrom ist werden so lange verstellt,
bis sich die beiden Spannungskomponenten wieder zu Null ergänzen.
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Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Schaltung
sowohl für den dem Istwert proportionalen Strom 1w als auch für den dem Sollwert
proportionalen Strom 1s praktisch widerstandslos ist, so daß die hierdurch hervorgerufenen
Leistungsverluste vernachlässigbar sind. Außerdem sind die verschiedenen Stromkreise
praktisch rückwirkungslrei.
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Fig.2 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel, bei welchem
der Istwert der Regelung durch Verändern eines Widerstandes 9 erzeugt wird. Die
Brücke 7 ist in dieser Figur nicht eingezeichnet. Der Sollwert-Istwert-Vergleich
erfolgt hier in der Meßdiagonale einer Brückenschaltung. Der eine Anschlußpunkt
dieser Meßdiagonale liegt zwischen dem veränderlichen Widerstand 9 und einem konstanten
Widerstand 10, während der andere durch den Abgriff 4 eines Potentiometers 5 dargestellt
wird. Die in der Meßdiagonale entstehende Regelabweichung wird über ein der Fig.
1 analoges Potentiometer 1 geführt, zu welchem das Nullgalvanometer 3 in Parallelschaltung
liegt. Der Istwert - wird hierbei mittels des veränderlichen Widerstandes 9 eingebracht,
während der Sollwert am Potentiometerabgriff 4 eingestellt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird ein Magnetverstärker
MV verwendet. Dieser besteht aus zwei Arbeitswicklungen 12 und 13, vier Gleichrichtern
14 und einer Steuerwicklung 11. Diese Steuerwicklung bildet den Eingang des
Verstärkers wie das Nullgalvanometer in den obigen Beispielen und ist an einer entsprechenden
Stelle angeordnet. Am Gleichstromausgang des Magnetverstärkers liegt das Stellglied
8, welches vom Laststrom ist durchflossen ist. Der Strom ist wird außerdem
über den Abgriff 2
des Vergleichspotentiometers geführt. Die beiden
Spannungskomponenten sind im Beharrungszustand nicht genau gleich groß, da zur Aussteuerung
des Magnetverstärkers eine kleine Restspannung bestehenbleiben muß. Es ergibt sich
hier:
k ist hierbei eine Konstante, die unter anderem vom Verstärkungsfaktor des Magnetverstärkers
abhängt.
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In Fig. 4 ist eine Ausführung dargestellt, bei welcher durch den Einbau
einer Serienschaltung aus einem Widerstand 15 und einer Kapazität 16 ein zusätzlicher
Rückführeinfiuß erreicht wird. Der Regler zeigt PI-Verhalten.
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In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann an Stelle des Brückenverstärkers
oder des Magnetverstärkers auch ein Zerhackerverstärker verwendet werden. Die Meßspannung
wird hierbei zerhackt und anschließend über einen Wechselspannungsverstärker geführt.
Die gleichgerichtete Ausgangsgröße des Verstärkers stellt dann den Stellstrom ist
dar.