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Übertragungsglied zur nichtlinearen Übertragung von Signalen eines
Regelkreises Die Erfindung betrifft ein Übertragungsglied für selbsttätige Regler
zur nichtlinearen Übertragung von Signalen eines Regelkreises.
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Bei den üblichen proportional wirkenden Reglern ist die Stehgröße
der Abweichung der Regelgröße vom Sollwert proportional. Solche Regler haben den
Nachteil, daß sie den Einfluß einer bleibenden Störung nicht vollständig beseitigen
können, so daß eine sogenannte P-Abweichung, deren Größe vom Übertragungsfaktor
des Reglers und der Größe der Störung abhängig ist, in Kauf genommen werden muß.
Will man diese bei Verwendung eines P-Reglers auftretende P-Abweichung wieder beseitigen,
so ist es bisher üblich, zu dem proportional wirkenden Glied des Reglers ein integral
wirkendes Glied hinzuzunehmen. Dann wird der Regler zum PI-Regler. Der 1-Anteil
eines PI-Reglers kann. die Regelabweichungen, die durch die Einwirkung des proportional
wirkenden Gliedes entstehen, jedoch nur sehr langsam beseitigen. Besonders nachteilig
ist außerdem, daß der PI-Regler zwei Einstellgrößen besitzt, wobei die falsche Einstellung
schon einer der Einstellgrößen zur Instabilität der Regelung führen kann.
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Oft wird versucht, die Wirkung des P- oder des PI-Reglers durch die
Hinzunahme eines Vorhalt= gliedes zu verbessern. Man erhält dann einen PD-oder einen
PID-Regler. Die Hinzunahme eines Vorhaltgliedes hat neben dem erhöhten gerätetechnischen
Aufwand den Nachteil, daß zu den ohnehin vorhandenen Einstellgrößen eine weitere
hinzukommt. Da alle Einstellgrößen das Stabilitätsverhalten eines Regelkreises beeinflussen,
wird die günstigste Einstellung eines Reglers um so schwieriger, je mehr Einstellgrößen
vorhanden sind. Die einfachsten, betriebssichersten und am leichtesten zu bedienenden
Regler sind daher Regler mit nur einer Einstellgröße, und es hat auch nicht an Versuchen
gefehlt, Regler zu entwickeln, bei denen mehrere Einstellgrößen mit Hilfe eines
einzigen Einstellknopfes geändert werden können.
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Solche Regler konnten jedoch nur bei der Regelung ganz spezieller
Regelstrecken mit Erfolg eingesetzt werden, eine Allgemeinbedeutung kommt Reglern
mit zusammengekoppelten Einstellvorrichtungen nicht zu.
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Es besteht aber ein großes Interesse an einem Regler mit nur einer
Einstellgröße, der den bisher üblichen PI- oder PID-Reglern regelungstechnisch mindestens
gleichwertig, in besonderen Fällen sogar überlegen, gerätetechnisch einfach ist
und der jeweiligen Anlage leicht angepaßt werden kann.
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Dies wird durch die nichtlineare Übertragung der Signale des Regelkreises
mittels eines Übertragungsgliedes erreicht, welches erfindungsgemäß die Änderungen
des Ausgangssignals nur dann proportional den Änderungen des Eingangssignals folgen
läßt, wenn die zu regelnde- Größe sich vom Sollwert entfernt, während bei dem Sollwert
sich nähernder Regelgröße das Ausgangssignal konstant bleibt.
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Es sind zwar PI-Regler bekannt, die in Ausnahmefällen ein derartiges
Verhalten aufweisen können, nämlich nur dann, wenn die Geschwindigkeit der Regelgrößenänderung
und damit die Geschwindigkeit des P-Anteils mit der Geschwindigkeit des ihnen noch
entgegengerichteten Verlaufs des I-Anteils übereinstimmt. Der bereits erwähnte Nachteil
zweier Einstellgrößen bleibt bestehen.
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Auch durch zusätzliche Maßnahmen in der Rückführung kann ein ähnliches
Verhalten des Reglers erreicht werden, eine allgemeine und grundsätzliche Anwendung
des hier vorgeschlagenen Regelungsprinzips ist mit den bekannten Einrichtungen nicht
möglich und auch nicht beabsichtigt.
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Die gerätetechnische Verwirklichung des erfindungsgemäßen Übertragungsgliedes
ist sowohl mit pneumatischen wie auch mit hydraulischen, elektrischen, mechanischen
Mitteln, deren Kombination eingeschlossen, möglich.
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Dieses Übertragungsglied, das als teilweise proportional wirkendes
Glied bezeichnet werden kann, verbessert die Eigenschaften eines proportional wirkenden
Reglers, dem es zweckmäßigerweise nachzuschalten ist.
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Da dieses Glied selbst keine Einstellgröße besitzt, obwohl dies an
sich möglich-wäre, ist es geeignet,
aus mehreren Gliedern bestehende
Regler zu Vereinfachen, wobei die Regelfähigkeit erhalten wird bzw. sogar verbessert
werden kann. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die, bei Anfahrvorgängen auftretenden
überschwingungen verringert werden sollen.
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Wird beispielsweise das teilproportionale Glied mit einem P-Glied
zusammengeschaltet, dann hat dieser Regler bei einer dem PI-Regler entsprechenden
,Regelfähigkeit nur eine Einstellgröße .statt der sonst notwendigerweise vorhandenen
zwei Einstellgrößen. Die Vereinfachung besteht demnach vor allem darin, daß das
teilproportionale Glied wegen der bei ihm entbehrlichen eigenen Einstellgröße Regelgeräte
mit verminderter Anzahl von Einstelleinrichtungen bei gleichwertiger Regelfähigkeit
zu bilden gestattet.
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An Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines pneumatisch mechanischen
übertragungsgliedes wird die Erfindung näher erläutert. Von den Abbildungen zeigt
Abb. 1 den schematischen Aufbau eines pneumatisch-mechanischen teilproportionalen
übertragungsgliedes in der Ausgangsstellung, Abb. 2 das übertragungsglied in ausgelenkter
Stellung mit dem Stellmotor, Abb. 3 das Diagramm einer beispielsweise sinusförmig
verlaufenden Eingangsgröße und der zugehörigen Ausgangsgröße des teilproportionalen
Übertragungsgliedes, Abb. 4 ein Vergleichsdiagramm über das Einschwingverhalten
eines P-Reglers, eines PI-Reglers und eines P-Reglers mit dem erfindungsgemäßen
Übertragungsglied.
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Die in. die Leitung 1 eintretende Eingangsgröße Xe, hier eine Druckgröße,
bewegt über eine federbelastete Balgmembran 2 dem Druck entsprechend eine Stange
3 und einen mit ihr verbundenen Mitnehmer 4. Je nach der Bewegungsrichtung des Mitnehmers
4 wird eine der beiden Klinken 5 und 6 mitgenommen und durch Eingriff der betreffenden
Klinke 5 oder 6 in ein feinverzahntes Rad 7 dieses in der einen oder anderen Richtung
gedreht. In der in der Abb. 1 gezeichneten Stellung befindet sich der Mitnehmer
4 in der dem Sollwert entsprechenden Mittelstellung, und die Klinken 5 und 6 sind
außer Eingriff. Steigt der Druck über den Sollwert oder sinkt er unter diesen, dann
wird über die Bewegung der Stange 3 mittels einer der beiden Klinken 5 und 6 das
Rad 7 rechts oder links herumgedreht. Ändert die Regelgröße X und damit die Eingangsgröße
Xe ihre Bewegungsrichtung, dann geht auch der Mitnehmer 4 zurück, die im Eingriff
gewesene Klinke rastet unter der Wirkung ihres Gewichts 24 bzw. 28 .aus und der
sie tragende Hebel 29 bzw. 30 geht unter der Wirkung der Feder 15 in seine
Ausgangsstellung zurück, ohne das Rad 7 zurückzuführen, welches von der Bremse 8
in seiner augenblicklichen Lage festgehalten wird. Das Rad 7 wird also nur dann
in Bewegung gesetzt, wenn die Eingangsgröße X, sich vom Sollwert entfernt und bleibt
in Ruhe, wenn sie sich dem Sollwert nähert. Die Bewegung des Rades 7 wird über einen
zweiten Mitnehmer 9 einem Hebel 10 mitgeteilt, der eine Drossel 11 mittels einer
weiteren federbelasteten Balgmembran 12 und einer Zuluftdrossel 16 so steuert, daß
der in der Balgmembran 12 sich einstellende Druck der durch die Leitung 17 eintretenden
Zuluft nur den Änderungen der Eingangsgröße X, vom Sollwert weg folgt. Die in der
Leitung 18 auftretende Ausgangsgröße X" kann nun als Stellgröße Y für einen üblichen
pneumatischen Stellmotor (Membranmotor) verwendet werden. Die Stellung der verstellbaren
Anschläge 13,14 bestimmt diejenige Stellung des nachgeordneten Stellgliedes, von
der aus einer etwaigen Änderung der Regelgröße nach der einen oder anderen Richtung
entgegengewirkt werden soll.
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Die in der Abb. 2 gezeichnete Stellung des Systems ist die Folge des
Sinkens der Eingangsgröße Xe unter einen dem Sollwert entsprechenden Wert. Die Feder
23 hat die Balgmembran 2 infolge des in dieser niedriger gewordenen Druckes bis
zum Erreichen eines neuen Gleichgewichtszustandes zusammengedrückt. Dadurch ist
die Stange 3 mit dem Mitnehmer 4 angehoben worden, wobei letzterer die Klinke 5
zum Einrasten in das Rad 7 brachte, so daß dieses in Pfeilrichtung gedreht wurde.
über den Mitnehmer 9 und den Hebel 10 ist durch das weitere Öffnen der Drossel
11 der Druck in der Leitung 18 und der Balgmembxan 12 bis zu einem neuen Gleichgewichtszustand
zwischen ihm und der Kraft der Feder 31 ebenfalls gesunken. Die zur Eingangsgröße
X, verhältnisgleich gesunkene, die Membran 27 beaufschlagende Ausgangsgröße X" ermöglicht
der Feder 25 ein Anheben der Membran des Stellmotors 26 und damit ein Verstellen
des mit ihr verbundenen Ventils 32.
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Die Abb. 3 zeigt das Verhalten des Teilproportionalen Gliedes bei
Bewegung der Eingangsgröße Xe vom Sollwert XK mit einem Übertragungsfaktor V,=1
und bei Bewegung zum Sollwert mit einem übertragungsfaktor V,=0, wenn, als Regelgröße
X eine um den Sollwert XK verlaufende Sinusschwingung auftritt. Das Glied
gibt die Werte der darunter gezeichneten Kurve als Stehgrößen Y ab.
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Die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich
aus dem in der Abb. 4 dargestellten Diagramm erkennen. Hierin stellt die Kurve I
den zeitlichen Verlauf der Regelgröße X bei sprunghafter Änderung der Störgröße
dar. Bei ungeregelter Strecke bleibt eine Abweichung x" I des Istwertes von dem
Sollwert bestehen. Bei Verwendung des bekannten P-Reglers (proportionaler Regler)
ergibt sich die Kurve II, welche eine bleibende Regelabweichung x", I, erkennen
läßt. Die Kurve III zeigt das Verhalten der Regelstrecke mit einem PI-Regler (proportional-integral
wirkender Regler) und die Kurve IV das Verhalten der gleichen Regelstrecke mit einem
P-Regler, dem das erfindungsgemäße Übertragungsglied nachgeschaltet ist.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragungsgliedes besteht
somit darin, daß es zusammen mit einem P-Regler diesem die Qualität eines PI-Reglers
verleiht, dem dieser teilweise proportionale Regler in einzelnen Fällen sogar überlegen
ist, obwohl der Regler nur einen einzigen Einstellknopf aufweist.