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Elektrische Regelanordnung mit Soll-Istwert-Vergleich zweier fortlaufend
anfallender Impulsfolgen Die Erfindung betrifft eine elektrische Regelanordnung
mit Soll-Ist-Wert-Vergleich, bei der für die Regelung einer physikalischen Größe,
wie Drehzahl, Weg, Winkel usw., der tatsächliche Wert mit dem geforderten Weg verglichen
wird.
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Als Beispiel sei die Regelung einer Drehzahl betrachtet, bei der ein
Impulsgeber als Meßwertgeber für den Istwert benutzt wird, der eine der Drehzahl
streng proportionale Ausgangsfrequenz liefert. Zum Beispiel kann mittels eines Frequenzspannungswandlers
eine der Drehzahl proportionale Spannung (Istwert) erzeugt werden, die in bekannter
Weise mit einer festen Spannung (Sollwert) verglichen wird. Hierbei dient die Differenzspannung
zur Beaufschlagung des Regelverstärkers.
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Diesem Verfahren haften jedoch Mängel an, welche die obere Grenze
der zu erreichenden Genauigkeit eines analogen Systems bestimmen, wie Kennlinienkrümmung
des Umformers, Drift der Verstärkerelemente, Temperatur- und Spannungsschwankungen
und Alterungserscheinungen der Bauelemente.
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In der Praxis geht das Bestreben dahin, bei einer zu regelnden Anlage
höchste Forderungen an Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Langzeitkonstanz zu stellen,
weshalb digitale Regelverfahren bevorzugt werden.
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Bekannte Anordnungen bedienen sich der Bildung der Meßwerte durch
Zählung, wobei vorwiegend solche Verfahren Anwendung finden, die diskontinuierlich
arbeiten, d.h., die erst nach Ablauf einer gewissen Meßzeit ein Zählergebnis speichern,
gegebenenfalls mit einem anderen Wert vergleichen und wiederum erst nach Ablauf
einer Rechenoperation in einer Zeitspanne das Ergebnis ausgeben. Weniger gebräuchlich
sind die sogenannten kontinuierlichen Meßverfahren, bei denen fortlaufend das Meßergebnis
herausgegeben wird. Obwohl hierbei ein wesentlich besseres dynamisches Verhalten
des gesamten Regelkreises erreicht werden kann, gestaltet sich doch in solchen Fällen
die Vorgabe des Impuls-Sollwertes schwieriger.
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Die Nachteile des diskontinuierlichen Verfahrens, nämlich das Auftreten
einer Totzeit, die einen Regelprozeß instabil gestalten kann, wird bekanntlich dadurch
umgangen, daß eine digitale Meßeinrichtung mit einer analogen Meßeinrichtung, welche
die erforderlichen dynamischen Eigenschaften aufweist, kombiniert wird.
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Im folgenden soll näher auf die digitalen Rechenoperationen zur Bildung
der Differenz aus dem Soll-Ist-Wert-Vergleich eingegangen werden. Es sind Anordnungen
bekannt, bei denen nur ein Einrichtungszähler erforderlich ist. Speziell für die
Regelung von Drehzahlen ist ein aus vier Dekaden aufgebauter Zähler mittels Ziffernschalter
auf jede Zahl zwischen 0 und 9999 voreinstellbar. Einem vereinbarten Wert, z. IB.
Z = 8000, sei die spezifische Nullage der Soll-Ist-Wert-Vergleichsanordnung zugeordnet.
Sollimpulszahl bzw. Zählervoreinstellung plus Intimpulszahl (z. B. Anzahl der Impulse
während einer fest vorgegebenen Toröffnungszeit) ergeben bei einer Regelabweichung
»Null« den vereinbarten Zählerstand 8000. Wird dieser Zählerstand infolge zu niedriger
Intimpulszahl nicht erreicht, sondern beispielsweise nur ein Stand von
7978, so ergibt sich hieraus eine Regelabweichung Xw von -22.
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Diese Impulszahl wird auf einen Speicher übertragen, der gleichzeitig
Digital-Analog-Wandler ist. In diesem Speicher ist jedem der beispielsweise binärtetradisch
verschlüsselten Flip-Flops ein Bewertungsstrom proportional der darstellenden Ziffer
zugeordnet, d. h. dem Wert Xw = -22 entspricht ein Strom von beispielsweise
-(100-78) = -22 mA. Bei positiven Regelabweichungen: Sollimpulszahl + Intimpulszahl
= 8000, z. B. -}-12, ergäbe sich ein Bewertungsstrom von +12 mA.
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Obwohl diese Methode des Soll-Ist-Wert-Vergleichs geringen Aufwand
erfordert und Einfach in derFunktion ist, ergeben sich doch für die nicht rein proportionale
Darstellung der Regelabweichung relativ aufwendige Schaltungen, wenn beispielsweise
das Integral der Regelabweichung gebildet werden soll.
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In einer anderen bekanntgewordenen Anordnung für den digitalen Soll-Ist-Wert-Vergleich
werden beispielsweise zwei Einrichtungszähler benutzt. Der eine Zähler dient zur
Einzählung der Sollfrequenz, der andere Zähler wird zur Einzählung der Istfrequenz
benutzt.
In einem Zeitpunkt gelangen nun Soll- und Istimpulse gleichzeitig- auf .die vorgesehenen
Zählereingänge. Sobald der vorgegebene Sollstand erreicht ist, werden beide Zähler
gestoppt und der Vergleich der beiden Zählerstände durchgeführt. Die Differenz stellt
dabei die Regelabweichung in . Form einer Impulszahl dar, die mit Hilfe eines proportional
(Vorwärtszähler) mit der Vorzeichenangabe oder ntegral (Vorwärts-Rückwärts-Zähler)
wirkenden Zählers, der als Digitql-Agalog-Wandler ausgebildet ist, in eine entsprechende
analoge Spannung umgesetzt und dem Regler zugeführt werden kann.
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Während die anfangs beschriebene Anordnung eine relativ kurze Auswertungszeit,
die unabhängig vom Momentanwert der Meßgröße ist, zuläßt, weist das zuletzt beschriebene
Prinzip Nachteile auf, die darin bestehen, daß bei einer in weiten Grenzen arbeitenden
Regelung die Meßzeit umgekehrt proportional zur Drehzahl ist. In einem Regelbereich
von 1:20 würde das bedeuten, daß die Meßzeit tm von beispielsweise 1 Sekunde bei
der höchsten Drehzahl auf 20 Sekunden bei der niedrigsten Drehzahl ansteigen würde.
Diese Zeit stellt praktisch eine Totzeit dar, die in einem Regelkreise zur Instabilität
führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelanordnung zu schaffen, die
mit Hilfe von zwei Einrichtungszählern bei digitaler Signalverarbeitung in Form-
von Impulszahlen fester Impulsfrequenz eine Differenzbildung der beiden Zählerstände
vorzeichenrichtig ermöglicht und den Soll-Ist-Wert-Vergleich unter Vermeidung von
variablen Totzeiten durchzuführen gestattet.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Ausgang eines ersten Zählers
über den zweiten Eingang eines letzten von drei Logikgliedern und dessen Ausgang
über ein zweites von drei Odergattern auf einen zweiten Zähler geführt ist, während
der Ausgang des zweiten Zählers auf den zweiten Eingang des zweiten Logikgliedes
und über dessen Ausgang und das erste der Odergatter auf den Eingang des ersten
Zählers geschaltet und dadurch gleichzeitig an einem der Ausgänge der Regelanordnung
der einer Impulsfrequenz entsprechende Differenzbetrag der Zählerstände als vorzeichenrichtige
Impulszahl ansteht, die über eine Teilerstufe wahlweise auf einen Einrichtungszähler
mit Vorzeichenschalter oder einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler mit Speicherverhalten
zur Digital-Analog-Umformung geschaltet ist, und daß ferner der erste oder der zweite
Zähler mittels Ziffernschalter auf einen maximalen Füllstand voreinstellbar sind.
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Nachstehend wird der Erfindungsgedanke in Verbindung mit einer Zeichnung
als Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Danach gelangt die Frequenz einer quarzstabilisierten Schwingstufe
Q auf Teilerstufen TS, die eine Frequenzuntersetzung auf die Toröffnungszeit
tA bewirken. Diese Toröffnungszeit ist so bemessen, daß bei der höchsten vorkommenden
Impulsfrequenz zwei Zähler Z1, Z2 ihren maximalen Füllstand erreicht haben. Wäre
beispielsweise dieToröffnungszeit tA =1 Sekunde, so ergibt sich bei einem vierdekadigen
Zähler eine Impulsfrequenz von. maximal 10 kHz, d. h., die erreichbare Abbildungsgenauigkeit
wäre somit 0,10/0o Die Tore T1 und T2 werden gleichzeitig geöffnet und geschlossen.
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Bei gleicher Impulsfrequenz f1 = f2 würden über die Odergatter
01 und 02 gleich viele Impulse in die Zähler Z1 und Z2 einlaufen. Nach Ablauf
der Toröffnungszeit tA werden Tor T1 und Tor T2 gesperrt, gleichzeitig aber das
Logikglied L1 für Impulse einer Frequenz f3 geöffnet, die nun synchron die beiden
Zähler Z1, Z2 füllen. Mit dem letzten Füllimpuls an den Zählern (Sprung von 9999
auf 0) entsteht an jedem Ausgang A1, A2 derselben gleichzeitig ein Signal,
das über das Odergatter 03 einen Stopp-Impuls an das Logikglied L1 gibt, welches
das Einlaufen weiterer Impulse auf die beiden Zähler Z1, Z2 verhindert.
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Durch gleichzeitige Verriegelung der Logikglieder L2 und L3 können
ebenfalls keine weiteren Impulse auf die Zählereingänge gelangen, so daß an den
Ausgängen A 3_ bzw.. A 4 der Regelanordnung keine Regelabweichung Xyy erscheinen
(Regelabweichung = 0).
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Im Falle, daß die Impulsfrequenz f1 > f2 ist, wird nach Ablauf der
Toröffnungszeit tA im ersten Zähler Z1 ein höherer Zahlenwert gespeichert sein als
im zweiten Zähler Z2. Beim gemeinsamen Füllen der beiden Zähler mit der Frequenz
ß wird nun am Ausgang A 1 früher ein Übertragimpuls erscheinen, der das Logikglied
L1 schließt und somit ein Weiterzahlen im ersten Zähler Z1 verhindert. Gleichzeitig
öffnet aber das Logikglied L3 und gibt somit den Weg frei für Füllimpulse auf den
zweiten Zähler Z2. Während der zweite Zähler Z2 mit der Frequenz f3 gefüllt wird,
erscheinen am Ausgang A3 der Regelanordnung eine bestimmte Zahl von Impulsen mit
der Frequenz f3, die genau der Differenz der Zählerstände und somit der Regelabweichung
Xw entsprechen.
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Im Falle, daß die Impulsfrequenz f2 > f1 ist, wird nach Ablauf der
Toröffnungszeit tA im zweiten Zähler Z2 ein höherer Zahlenwert gespeichert sein
als im ersten Zähler Z1.
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Während des zunächst gemeinsamen Füllvorganges der beiden Zähler über
das Logikglied L1 wird der zweite Zähler Z2 früher gefüllt sein und so gleichfalls
früher einen Übertragimpuls an die Logikglieder L1 und L2 abgeben können.
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Während das Logikglied L1 gesperrt wird, gelangen so lange und so
viele Impulse mit der Frequenz f3 über das geöffnete Logikglied L2 auf den
Ausgang A4
der Regelanordnung und parallel dazu auf den ersten Zähler Z1,
bis dieser ebenfalls gefüllt ist, d.h. den Stand »0000« aufweist. Mit dem Übertragimpuls
vom Ausgang Al des ersten Zählers Z1 wird das Logikglied L2 gesperrt; es können
keine weiteren Impulse mehr an den Ausgang A4 der Regelanordnung und den ersten
Zähler Z1 gelangen, bis wieder die Tore T1 und T2 geöffnet werden. Dann finden die
Eingangsimpulse je einen leeren Zähler Z1 bzw. Z2 vor.
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Die an den Ausgängen A 3 bzw. A 4 der Regelanordnung in Intervallen
anstehenden Impulse stellen nach jedem Meßintervall t. die Differenz der Zählerstände
bzw. die digitale als Impulszahl verschlüsselte Regelabweichung dar, die vorzeichenrichtig
weiterverarbeitet werden kann, und zwar in der Weise, daß an die Ausgänge A 3 und
A 4 der Regelanordnung über ein Odergatter 04 ein als Digital-Analog-Wandler arbeitender
Einrichtungszähler EZ geschaltet wird, der nach jedem Meßintervall die Regelabweichung
als Proportionalwert ausgibt und dessen Polarität sich danach richtet, ob die Impulse
über einen der Ausgänge A3 oder A4 anstehen. Als Indikator dient dabei ein Vorzeichenschalter
V. Es kann auch an die Ausgänge A3, A4 wahlweise ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler
VRZ geschaltet werden, der, als Digital-Analog-Wandler wirkend, das Integral der
Regelabweichung
bilden und somit außerordentlich hohe Forderungen
an die Genauigkeit erfüllen kann. Die Zählerstände des Einrichtungszählers EZ und
des Vorwärts-Rückwärts-Zählers VRZ können nach jedem Meßintervall digital mit einem
weiteren Zähler addiert und somit die Regelabweichung als PJ-Wert erhalten werden.
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Es können somit ausgangsseitig wahlweise folgende Verarbeitungsoperationen
durchgeführt werden: Die Darstellung des Proportional- und des Integralwertes der
Regelabweichung, eine Impulsteilung und deren Weiterverarbeitung, an Stelle von
Impulsfolgen fi, f, eine Eingabe durch Voreinstellung auf einen oder zwei Zähler
und schließlich eine Übertragung der zu vergleichenden Impulszahl durch Paralleleingabe
über Schieberegister od. ä.
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Zwischen Ausgang A3, A4 der Regelanordnung und dem Einrichtungszähler
EZ bzw. dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler VRZ sind Teilerstufen T zu schalten, die es
gestatten, in je einer oder in beiden Zählrichtungen die gleiche oder eine unterschiedliche
Anzahl von Impulsen zu unterdrücken.
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Die Zähler Z1, Z2, EZ, VRZ können Zählwertbegrenzungen aufweisen,
die eine eindeutige Anzeige gewährleisten, d.h. ein Über- oder Unterschreiten verhindern.
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Eingangsseitig bestehen zur Abwandlung für die Eingabe zweier in digitaler
Form darstellbarer Größen für den Soll-Ist-Wert-Vergleich folgende Variationsmöglichkeiten
An Stelle einer Impulsfrequenz f2 (Sollwert) wird der Zähler Z2 so aufgebaut, daß
er zu Beginn jedes Meßintervalls t. über Ziffernschalter S1 bis S4 auf einen beliebigen
Sollwert zwischen 0 und 9999 voreinstellbar ist, welche gleiche Möglichkeit auch
an dem Zähler Z1 durchführbar ist.
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Die Eingabe des Istwertes auf den Zähler Z1 erfolgt nicht über Tor
T1, sondern eine Paralleleingabe wird mit Hilfe von Kodierscheiben auf jede einzelne
Zählstufe vorgesehen.