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Elektrischer Regler für Regelstrecken dritter oder höherer Ordnung
bzw. Strecken mit Totzeit Die Erfindunor bezieht sich auf einen elektrischen Regler
für Regelstreck-en dritter oder höherer Ordnung bzw. Strecken mit Totzeit, der einen
Dreipunktschalter, einen Integrator und eine vom Ausgang des Integrators oder des
Dreipunktschalters auf den Reglereingang wirkende, von zusätzlichen EMußgrößen begrenzte
Rückführung aufweist.
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Es ist bei Regeleinrichtungen bekannt, die Wirkung der Rückführung
in Abhängigkeit von zusätzlichen Einflußgrößen zu begrenzen. Hierzu wird z. B. die
Rückführwirkung von der Regelgröße abhängig gemacht, so daß mit wachsender Regelgröße
die Größe der Rückführung abnimmt. Bei einer anderen, mit einem Magnetverstärker
ausgerüsteten Einrichtung kann die Rückkopplung, abhängig von der Größe des Aus,gangsstromes
verändert werden. Die Rückführung wäre also hier vom Wert der Stellgröße abhängig.
Bei einem bekannten Regler ist weiter eine Begrenzungseinrichtung für die Rückführung
vorgesehen, die Begrenzung wird jedoch erst bei größeren Regelabweichungen wirksam.
Außerdem ist es bekannt, eine Rückführung in Abhängigkeit vom Differentialquotienten
der Regelgröße aufzuschalten, und zwar jeweils dann, wenn der Differentialquotient
einen bestimmten Wert überschreitet. In diesem Fall spricht ein Relais an und schaltet
die Rückführung auf. Sobald der Differentialquotient auf einen kleineren Wert zurückgeht,
fällt das Relais ab. Im normalen Betriebsfall ist diese Rückführung somit unwirksam.
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An Regelstrecken höherer Ordnung werden erfahrungsgemäß die besten
Regelergebnisse mit PID-Reglern (proportional-integral-differenzierendwirkende Regler)
erhalten. Derartige Regler arbeiten noch wirksamer, wenn ihnen mit Hilfe nichtlinearer
Elemente nichtlineare Eigenschaften gegeben werden, z. B. der Proportionalbereich
und die Nachstellzeit nach einer nichtfinearen Beziehung von der Regelabweichung
abhängig sind.
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Bei langsamen Regelstrecken höherer Ordnung kann jedoch, wie die Erfahrung
zeigt, nach einiger Übung mit Hilfe einer von Hand durchgeführten Regelung oft ein
wesentlich besseres Regelergebnis erzielt werden. Der Mensch, der von Hand regelt,
lernt durch Beobachtung das Übergangsverhalten der Regelstrecke kennen, und mit
diesem Wissen kann er nach einer Störuna, im richtigen Ausmaß und mit dem richtigen
Zeitverhalten eingreifen.
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Im folgenden soll nun ein Regler angegeben werden, der sich selbsttätig
dem Verhalten der Regelstrecke anpaßt und mit dem bessere Regelergebnisse erhalten
werden als mit allen bisher bekannten selbsttätigen Reglern. Gemäß der Erfindung
steuert eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Regelabweichung über ein
Zeitglied ein Begrenzungsglied für die Rückführung derart, daß die Begrenzung mit
zunehmender Regelabweichung zeitlich verzögert aufgehoben wird, wenn der Betrag
der Regelabweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und die Begrenzung
wieder wirksam wird, wenn die Regelabweichung -auf einen Wert unterhalb des Schwellwertes
zurückgeht.
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Ein übertragungsglied der Steuereinrichtung, z. B. ein Verstärker,
ist vorzugsweise so ausgebildet, daß seine Kennlinie eine bestimmte Hysterese aufweist.
Das Ausmaß der Hysterese wird so bemessen, daß die Begrenzung der Rückführung wieder
voll wirksam ist, wenn die Regelabweichung einen vorgegebenen unteren Grenzwert
erreicht, der niedriger liegt als der Wert, bei dem die Begrenzung der Rückführung
einsetzt.
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Das Begrenzungsglied läßt sich unter Verwendung von an sich bekannten
gesteuerten Dioden realisieren. Solange der Betrag der Regelabweichung den vorge-P
Cr benen Wert nicht übersteigt, ist die Begrenzung im Rückführpfad voll wirksam
und die Rückführung vollständig ausgeschaltet. Bei einem Ansprechen des Dreipunktschalters
wird der Integrator in die Endlage geführt und das Stellglied so schnell und soweit
wie möglich geöffnet oder geschlossen. Mit zunehmender Regelabweichung wird über
die Steuereinrichtung die Begrenzung im Rückführpfad infolge des eingeschalteten
Zeitgliedes zeitabhängig verzögert aufgehoben, und zwar um so schneller,
je schneller die
Regelabweichung ansteigt. Die Begrenzung
paßt sich somit selbsttätig an den zeitlichen Verlauf der Regelabweichung an.
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In der Zeichnung ist in Fig. 1 das Blockschaltbild eines gemäß
der Erfmdung arbeitenden Reglers dargestellt, während Fig. 2 a eine Störübergangsfunktion
5. Ordnung, Fig. 2b und 3 die bei dieser erzielten hegelergebnisse
zeigen, die mit dem besten bisher bekannten Regler und einem gemäß der Erfindung
aufgebauten Regler ergaben.
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Nach Fig. 1 ist der Regler 1 an eine Regelstrecke 2
von höherer Ordnung angeschlossen. Im Eingang des Reglers wird aus der Regelgröße
x und dem Sollwert w die Regelabweichung x, gebildet. Die Regelabweichung gelangt
in bekannter Weise auf den Dreipunktschalter 3, dem ein Integrator 4 nachgeschaltet
ist. Der Dreipunktschalter spricht an, sobald die Regelabweichung x, den Wert el
überschreitet. Der Integrator 4 spricht sehr schnell an und läuft sofort in die
eine oder andere Endlage, je nachdem, in welcher Richtung der Dreipunktschalter
angesprochen hat. Als Integrator kann unmittelbar das Stellglied verwendet werden,
das in diesem Fall möglichst schnell ansprechen muß. Vom Ausgang des Integrators
wird die Rückführung abgegriffen und in einem Rückführglied 5 der Rückführeinfluß
in bekannter Weise gebildet und auf den Eingang des Reglers zurückgeführt. Die Rückführung
kann auch zwischen dem Dreipunktschalter und dem Integrator 4 abgenommen werden,
in diesem Fall ist lediglich das Rückführglied 5 anders auszubilden.
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In den Rückführpfad zum Eingang des Reglers ist nun gemäß der Erfindung
ein Begrenzungsglied 6
eingeschaltet, dessen Grenzkurven al und a. in
Ab-
hängigkeit von der Regelabweichung verschoben werden können. Zur Verlagerung
dieser Grenzkurven ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die aus einem Zeitglied
9, einem Übertragungsglied. 8 und einem Glied 7 besteht, das
den Betrag der Regelabweichung # x" i bildet. Das Zeitglied 9 kann
beispielsweise ein Verz,bgerungsglied erster oder höherer Ordnung sein. Als übertragungsglied
8 kann ein Verstärker verwendet werden, dein im Eingang mit Hilfe von Dioden
eine Ansprechschwelle gegeben wurde. Die Hysterese der Kennlinie läßt sich z. B.
mit Hilfe von Dioden über ein Relais erhalten, das nach Ansprechen des Verstärkers
eine Gegenspannung aufschaltet und damit die Kennlinie gegen den Nullpunkt verschiebt.
Das Glied 7, das unabhängig vom Vorzeich-en der Regelabweichung den absoluten
Wert der Regelabweichung bildet, kann in bekannterWeise aufgebaut sein. Auch das
übertragungsglied, 8 kann mit Hilfe von Relais realisiert werden, die mit
entsprechender Ansprech- und Abfallverzögerung ausgerüstet sind. Die Kontakte von
solchen Relais liegen_ z. B. im übertragungsweg der Regelabweichung vom Betragsglied
7
zu dem Zeitglied 9. Die Regelabweichung wird durch Einschalten des
Kontaktes erst dann zum Zeitglied übertragen, wenn sie die vorgegebene Grenze überschreitet.
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Durch -entsprechende Wahl der Zeitkonstanten des Zeitgliedes
9 kann der Regler dem Zeitverhalten der Regelstrecke angepaßt werden. Die
übergangsfunktion des neuen Reglers stimmt bei einer sprungweisen Änderung der Regelgröße
mit der übergangsfunktion eines idealen PID-Reglers überein. Der Integrator läuft
plötzlich in die Endlage, verharrt dort entsprechend der durch das Zeitglied gegebenen
Verzögerungszeit und wird dann wie beim PID-Regler zurückgenommen. Er läuft schließlich
entsprechend der eingestellten Nachstellzeit wieder in die Endlage zurück.
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In Fig. 2b ist der zeitliche Verlauf der Stellgröße
y
und der Regelabweichung x" eines bekannten, unter Verwendung von nichtlinearen
Elementen aufgebauten PID-Reglers dargestellt, wenn eine Störung z mit einer Störübergangsfunktion
fünfter Ordnung entsprechend der graphischen Darstellung in Fig. 2a aufgeschaltet
wird. Zum Vergleich ist in Fig. 3 für dieselbe Störung der zeitliche Verlauf
der Stellgröße y und der Regelabweichung x" für einen gemäß der Erfindung
aufgebauten Regler gezeigt. Aus den beiden Figuren ist zu erkennen, daß die Amphtude
der Störung mit dem neuen Regler um den Faktor 4 zurückgeht und die Ausregelzeit
um den Faktor 2,6 verkürzt werden kann. Der neue Regler ist besonders bei
Regelstrekken mit großer Verzugszeit (hoher Ordnung) allen bekannten Reglern weit
überlegen.