DE1223030B

DE1223030B - Electric step controller with a resistor-capacitor combination

Info

Publication number: DE1223030B
Application number: DEL42989A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Ulrich Langweg
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-09-18
Filing date: 1962-09-18
Publication date: 1966-08-18

Description

Elektrischer Schrittregler mit einer Widerstand-Kondensator-Kombination Bei PI-Reglern zur elektrischen Ansteuerung von Stellantrieben ergeben sich oft Schwierigkeiten bei der Festlegung des kleinsten Schrittes, den der Stellantrieb machen soll. Um das vorliegende Problem zu veranschaulichen, werden zunächst in F i g. 1 bis 4 bekannte Schaltungen und die dazugehörigen Diagramme dargestellt.Electrical step controller with a resistor-capacitor combination In PI controllers for the electrical control of actuators, difficulties often arise when determining the smallest step that the actuator should take. In order to illustrate the problem at hand, FIG. 1 to 4 known circuits and the associated diagrams are shown.

F i g. 1 zeigt das Schema eines PI-Reglers zur elektrischen Ansteuerung von Stellantrieben, der im wesentlichen aus einem Dreipunktschaltglied D, dem Motor M und der Rückführung R besteht. Die Wirkungsweise ist folgende: Sobald eine Regelabweichung u. auftritt, die größer als der Ansprechwert uan des'Dreipunktschaltgliedes ist, so zieht die entsprechende Kippstufe, z. B. ein Schmitt-Trigger oder ein Relais, an und legt gleichzeitig die Betriebsspannung an den Stellmotor M und eine Gleichspannung an den Eingang der Rückführung R. Die Polarität der an die Rückführung angelegten Spannung hängt vom Vorzeichen der Regelabweichung ab.F i g. 1 shows the diagram of a PI controller for the electrical control of actuators, which essentially consists of a three-point switching element D, the motor M and the feedback R. The mode of operation is as follows: As soon as a control deviation occurs that is greater than the response value uan des'Dreipunktschaltelements, the corresponding flip-flop, z. B. a Schmitt trigger or a relay, and at the same time applies the operating voltage to the servomotor M and a DC voltage to the input of the feedback R. The polarity of the voltage applied to the feedback depends on the sign of the system deviation.

In F i g. 2 ist die eigentliche Rückführschaltung dargestellt, die aus einem Kondensator C, dem einstellbaren Widerstand RN zur Veränderung der Nachstellzeiten, einem zur Proportionalbereicheinstellung dienenden Widerstand Rp und zwei paraffeHiegenden Kontakten K,und K, besteht, von denen der eine die Verbindung zu einem gegenüber dem Nullpotential positiven und der andere die Verbindung zu einem gegenüber dem Nullpotential negativen Potential herstellt.In Fig. 2 the actual feedback circuit is shown, which consists of a capacitor C, the adjustable resistor RN for changing the reset times, a resistor Rp used to set the proportional range and two paraffine contacts K and K, one of which is the connection to one opposite the zero potential positive and the other makes the connection to a negative potential compared to the zero potential.

In F i g. 3 ist der zeitliche Verlauf der Eingangsspannung des Schaltgliedes und der Ausgangsspannung der Rückführung dargestellt. Nach dem plötzlichen Auftreten einer Regelabweichung u. fällt die Differenz zwischen Regelabweichung und Rückführspannung (u.-u,) stetig ab. Der untere Teil der Figur zeigt dabei, wie die Rückführspannung u, in Abhängigkeit von der Zeit stetig ansteigt. Der Anstieg der Rückführspannung wird unterbrochen, sobald das beim Eintreffen der Regelabweichung betätigte Schaltglied wieder abfällt.In Fig. 3 shows the time course of the input voltage of the switching element and the output voltage of the feedback. After the sudden occurrence of a control deviation u. The difference between control deviation and feedback voltage (u.-u,) steadily decreases. The lower part of the figure shows how the feedback voltage u increases steadily as a function of time. The rise in the feedback voltage is interrupted as soon as the switching element, which was actuated when the control deviation occurs, drops out again.

Die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung ur ist dem eingestellten Proportionalbereich des Reglers proportional.The rate of change of voltage ur is the one set Proportional range of the controller proportional.

In F i g. 4 ist dargestellt, wie sich bei Verwendung einer solchen bekannten Rückführschaltung die Rückführspannung bei großem Proportionalbereich und bei einem sehr kleinen Proportionalbereich verhält. Man erkennt aus den beiden Extremfällen, daß der Anstieg der Rückführspannung um so steiler ist, je größer der Proportionalbereich gewählt wurde. Wichtig ist jedoch bei beiden Kurven, daß sie noch stetig verlaufen.In Fig. 4 shows how, when using such a known feedback circuit, the feedback voltage behaves with a large proportional range and with a very small proportional range. It can be seen from the two extreme cases that the increase in the feedback voltage is the steeper the larger the proportional range selected. However, it is important for both curves that they are still continuous.

Je kleiner die Regelabweichung ist, desto kürzer wird der zugehörige Schaltschritt. Ist u, = u"" d. h. die Regelabweichung gleich dem Ansprechwert, so ist der hierzu gehörende Schritt der kleinstmögliche Schritt. Wenn der Regler auf ± 0,5 0/, genau arbeiten soll, darf der kleinste Schaltschritt höchstens 10/, der Stellzeit Ty betragen. Die Zeitdauer des kleinsten Schrittes muß andererseits genügend groß sein, damit der Stellantrieb sicher und einigermaßen genau angesteuert werden kann. Wenn man als Mindestzeit hierfür etwa 0,1 Sekunden ansetzt und eine Stellzeit Ty = 60 Sekunden wählt, so muß demnach die kleinste Schrittzeit zwischen 0, 1 und 60 Sekunden mal 10/, = 0,6 Sekunden liegen. Wenn die weitere Forderung gestellt wird, daß der Proportionalbereich des Reglers und damit die Anstiegsgeschwindigkeit der Rückführspannung u, z. B. im Verhältnis 1: 30 einstellbar sein soll, so erkennt man, daß sich die kleinste Schrittzeit nicht ohne weiteres ausschließlich von der Rückführung her festlegen läßt.The smaller the control deviation, the shorter the associated switching step. Is u, = u "" d. H. If the control deviation is equal to the response value, the corresponding step is the smallest possible step. If the controller is to work with an accuracy of ± 0.5 0 /, the smallest switching step must not exceed 10 /, of the actuating time Ty. On the other hand, the duration of the smallest step must be sufficiently long so that the actuator can be controlled safely and reasonably precisely. If one attaches this minimum time as about 0.1 seconds and a setting time Ty = 60 selects seconds, therefore, the smallest step between time 0, 1 and 60 seconds times must be 10 /, = 0.6 seconds. If the further requirement is that the proportional band of the controller and thus the rate of rise of the feedback voltage u, z. Example in the ratio 1: 30 to be adjustable, it can be seen that the smallest step time can not be readily determined exclusively by the return ago.

Eine wichtige Aufgabe besteht also darin, die kleinste mögliche Schrittzeit vom eingestellten Proportionalbereich unabhängig zu machen.So an important task is to find the smallest possible step time to make it independent of the set proportional range.

Es ist zur Lösung dieser Aufgabe bereits eine Rückführschaltung für Schrittregler bekanntgeworden, die einen zu einem Widerstand der Widerstand-Kondensator-Kombination parallelgeschalteten Kondensator und einen zu dem Kondensator der Kombination in Reihe liegenden Widerstand aufweist. Die Reihenschaltung des Kondensators der Kombination und des Widerstandes ist an eine Rückführwicklung des Reglers angeschlossen. Durch die Stromstöße über den zusätzEchen Kondensator, die bei Einschalten der Rückführung an dem zusätzlichen Widerstand Spannung abfallen lassen, werden die Impulse des Reglers bei der kleinsten Regelabweichung für alle Einstellungen der Rückführung gleich lang. Es ist jedoch störend, daß über den Kondensator der Kombination ein zusätzlicher Ladestrom fließt, der auf Grund des eingestellten Proportionalbereichs nicht auftreten dürfte. Dadurch wird der Proportionalbereich insbesonderebeikleinenRegelabweichungenundgroßen Nachstellzeiten verfälscht.There is already a feedback circuit for solving this problem Step controller has become known that one to a resistor of the resistor-capacitor combination parallel capacitor and one to the capacitor of the combination in Has series lying resistance. The series connection of the capacitor of the combination and the resistor is connected to a feedback winding of the regulator. By the current surges through the additional capacitor that occur when the feedback is switched on let the voltage drop across the additional resistor, the pulses of the Controller at the smallest control deviation for all settings the same length of return. However, it is troublesome that through the capacitor Combination, an additional charging current flows due to the set proportional range should not occur. As a result, the proportional band becomes especially small and large Reset times falsified.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die kleinsten Schrittzeiten von dem eingestellten Proportionalbereich weitgehend unabhängig zu machen und dabei eine Beeinflussung des Proportionalbereiches in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu vermeiden.The invention is now based on the object of the smallest step times to make largely independent of the set proportional range and thereby influencing the proportional range depending on the control deviation to avoid.

Die Erfindung betrifft -einen elektrischen Schrittregler mit einer eine Widerstand-Kondensator-Kombination aufweisenden Rückführung, die zusätzliche Mittel zur Unterdrückung der Abhängigkeit des kleinsten Stellschrittes vom Proportionalbereich aufweist.The invention relates to an electrical step controller with a a resistor-capacitor combination having feedback, the additional Means for suppressing the dependence of the smallest setting step on the proportional range having.

Im Rahmen der Erfindung ist ein Lösungsweg damit gegeben, daß in Reihe zu dem Kondensator der Kombination ein nichtlinearer passiver Zweipol geschaltet ist, dessen Spannung über einen Schwellwert weitgehend unabhängig von dem durchfließenden Strom ist, und daß die Spannungen an dem Kondensator und dem nichtlinearen Zweipol über einen Tiefpaß auf die Schaltstufe des Reglers rückgeführt sind.In the context of the invention, a solution is given that in series a non-linear passive two-terminal network is connected to the capacitor of the combination is, whose voltage over a threshold value is largely independent of the flowing through Is current, and that the voltages across the capacitor and the non-linear two-terminal network are fed back to the controller's switching stage via a low-pass filter.

Ein anderer Lösungsweg besteht darin, daß parallel zu der Widerstand-Kondensator-Kombination ein zusätzlicher Stromzweig mit einem Widerstand vorgesehen ist,. -daß in Reihe zu der Kombination in an sich bekannter Weise ein weiterer Widerstand liegt und daß die Spannungen an diesem Widerstand und dem Kondensator über einen Tiefpaß auf die Schaltstufe des Reglers rückgeführt sind.Another approach is that in parallel with the resistor-capacitor combination an additional branch with a resistor is provided. -that in series there is a further resistance to the combination in a manner known per se and that the voltages across this resistor and the capacitor have a low-pass filter the switching stage of the controller are fed back.

Zur Veranschaulichung der Erfindung dienen die Diagramme und Schaltungsbeispiele gemäß F i g. 5 und 6 sowie das Beispiel einer Gesamtschaltung des Reglers gemäß F i g. 7. The diagrams and circuit examples according to FIG. 1 serve to illustrate the invention. 5 and 6 and the example of an overall circuit of the controller according to FIG. 7th

Das Schaltbild in F i g. 5 unterscheidet sich von dem in F i g. 4 durch eine zusätzliche Zenerdiode Z, die mit dem Kondensator C der Rückführschaltung in Reihe liegt. Durch diese Zenerdiode wird erreicht, daß die Rückführspannung zunächst einen Sprung nach oben macht, bevor sie mit einer vom eingestellten Proportionalbereich abhängigen Steilheit weiter ansteigt. Die aus demDiagramm ersichtliche Überlagerung von Spannungsimpuls und kontinuierlich ansteigender Rückführspannung findet in dem Augenblick statt, in dem mit dem Einschaltvorgang die Speisung der Rückführung beginnt. Die Höhe des Spannungsimpulses kann entsprechend den Erfordernissen gewählt werden. Sie liegt zwischen dem 0,1- und 10fachen Ansprechwert u".. Würde man die gemäß F i g. 5 überlagerte Rückführspannung direkt auf das Schaltglied des Reglers geben, so bliebe damit weiterhin die starke Abhängigkeit der Dauer des kleinsten Schaltschrittes vom eingestellten Proportionalbereich erhalten. Die gemäß der Erfindung angestrebte Unabhängigkeit erzielt man erst dann, wenn man die überlagerte Spannung gemäß F i g. 6 zunächst einem Tiefpaß und dann erst dem Schaltglied des Reglers zuführt.The circuit diagram in FIG. 5 differs from that in FIG. 4 by an additional Zener diode Z, which is in series with the capacitor C of the feedback circuit. This Zener diode ensures that the feedback voltage first makes a jump upwards before it continues to rise with a steepness that depends on the set proportional range. The superimposition of the voltage pulse and the continuously increasing feedback voltage, which can be seen in the diagram, takes place at the moment when the feedback begins to be fed with the switch-on process. The height of the voltage pulse can be selected according to the requirements. It is between 0.1 and 10 times the pickup value u ".. If one were in accordance with F i g. 5 superimposed feedback voltage directly on the switching member of the regulator, so in order would remain the strong dependence of the duration of the smallest switching step of the set proportional band obtained The independence sought according to the invention can only be achieved if the superimposed voltage according to FIG. 6 is first fed to a low-pass filter and only then to the switching element of the regulator.

Dieser Tiefpaß besteht gemäß F i g. 6 aus dem ohmschen Widerstand R2 und dem Kondensator C2. Die Zeitkonstante. des Tiefpasses ist minimal 0,2mal und maximal 20mal so groß wie die Dauer des kleinsten Schaltschrittes. Die am Ausgang des Tiefpasses abgegriffene Spannung u,- zeigt einen in den Übergängen stetigen Verlauf. Die Kurven für den größten Proportionalbereich und den kleinsten Proportionalbereich gehen im Einschaltzeitpunkt ineinander über. Die Steilheit der Kurve ist daher beim kleinsten Schaltschritt praktisch nur von der Höhe des Impulses und der Zeitkonstante des Tiefpasses bestimmt. Erst nach einiger Zeit ändert sich die Steilheit der Spannungskurve nach oben oder unten, um sich der zu dem eingestellten Proportionalbereich gehörigen Kurve anzupassen. Da die Steilheit der Spannungskurve in dem für den kleinsten Stellschritt wichtigen Anfangsbereich präktisch -v6rä ei'n,-estellteii--Piop--or-tionalbereich unabhängig ist, erzielt man eine weitgehende Unabhängigkeit der Dauer des kleinsten Schrittes vom Proportionalbereich. Diese Zeitdauer kann kürzer oder länger sein, als sie sich ohne Impuls oder Tiefpaß ergeben würde. Je größer der Impuls oder die Zeitkonstante des Tiefpasses sind, um so kleiner wird die noch vorhandene geringe Abhängigkeit des Schaltschrittes vom Proportionalbereich.This low-pass filter exists according to FIG . 6 from the ohmic resistor R2 and the capacitor C2. The time constant. of the low pass is a minimum of 0.2 times and a maximum of 20 times as large as the duration of the smallest switching step. The voltage u, - tapped at the output of the low-pass filter shows a continuous curve in the transitions. The curves for the largest proportional range and the smallest proportional range merge into one another at the switch-on time. The steepness of the curve for the smallest switching step is therefore practically only determined by the height of the pulse and the time constant of the low-pass filter. Only after some time does the slope of the voltage curve change upwards or downwards in order to adapt to the curve belonging to the set proportional range. Since the steepness of the voltage curve in the initial range, which is important for the smallest setting step, is practically -v6rä ei'n, -estellungii - Piop - or-tional range, the duration of the smallest step is largely independent of the proportional range. This period of time can be shorter or longer than it would result without a pulse or low-pass filter. The larger the pulse or the time constant of the low-pass filter, the smaller the still existing low dependency of the switching step on the proportional range.

Es ist nun keineswegs erforderlich, den Spannungsimpuls mit Hilfe einer Zenerdiode zu erzeugen. Für diesen Zweck kann man auch Varistoren, normale Dioden oder andere Schaltmittel einsetzen. Ein Beispiel hierfür wird an Hand von F i g. 7 gegeben. Das Schaltbild zeigt einen Reglerverstärker, der im Ausgang zwei Relais I und II aufweist. Die Rückführschaltung weist außer dem Tiefpaß C, R, einen einstellbaren Widerstand RN, einen Kondensator C, einen niederohmigen Widerstand R, einen hochohmigen Widerstand R, und den zur Verstellung- des Proportionalbereiches dienenden Widerstand Rp auf. Die Rückführspeisespannung von +20 oder -20 V wird über die Relaiskontakte 1" oder II" zugeschaltet. Ein weiteres Kontaktpaar Ib und IIb schließt den Widerstand R, an Spannung an. Über den Widerstand R, und den Widerstand R, fließt beim Ansprechen eines der beiden Ausgangsrelais ein Strom, der mindestens um eine Größenordnung höher ist ais der Ladestrom des Kondensators C. Infolgedessen ist der vom Ladestrom in dem Widerstand R, erzeugte Spannungsabfall wesentlich kleiner, als der von dem Strom über den Widerstand Ra verursachte Abfall. Im Augenblick der Betätigung des Relais 1 oder 11 wird daher mit Hilfe des Kontaktes lb oder lIb eine Rückführspannung erzeugt, die in ihrer Wirkung genau der Spannung entspricht, die gemäß F i g. 6 durch eine Zenerdiode hervorgerufen ist.It is by no means necessary to generate the voltage pulse with the aid of a Zener diode. Varistors, normal diodes or other switching means can also be used for this purpose. An example of this is given with reference to FIG. 7 given. The circuit diagram shows a controller amplifier which has two relays I and II in the output. In addition to the low-pass filter C, R, the feedback circuit has an adjustable resistor RN, a capacitor C, a low-resistance resistor R, a high-resistance resistor R, and the resistor Rp which is used to adjust the proportional range. The feedback supply voltage of +20 or -20 V is switched on via relay contacts 1 "or II". Another pair of contacts Ib and IIb connects the resistor R, to voltage. When one of the two output relays responds, a current flows through the resistor R, and the resistor R, which is at least one order of magnitude higher than the charging current of the capacitor C. As a result, the voltage drop generated by the charging current in the resistor R is much smaller than the drop caused by the current through resistor Ra. At the moment the relay 1 or 11 is actuated, a feedback voltage is generated with the aid of the contact lb or lIb, the effect of which corresponds exactly to the voltage that is determined according to FIG . 6 is caused by a zener diode.

Es hat sich gezeigt, daß das Arbeitsverhalten des Reglers am günstigsten ist, wenn eine recht geringe restliche Abhängigkeit des kleinsten Stellschrittes vom Proportionalbereich erhalten bleibt. Diese Restabhängigkeit kann man durch geeignete Dimensionierung des ein- oder mehrgliedrigen Tiefpasses oder durch entsprechende Wahl der Impulshöhe einstellen. Auch sind Schaltmaßnahmen möglich, durch welche die Impulshöhe selbst in eine gewisse Abhängigkeit vom Proportionalbereich gebracht wird.It has been shown that the working behavior of the controller is most favorable is when there is a very small residual dependency on the smallest setting step from the proportional band is retained. This residual dependency can be remedied by suitable Dimensioning of the single or multi-part low pass or by appropriate Set the choice of the pulse height. Switching measures are also possible through which brought the pulse height itself into a certain dependence on the proportional range will.

Claims

Claims: 1. Electrical step controller with a feedback having a resistor-capacitor combination, which has additional means for suppressing the dependence of the smallest setting step on the proportional range, characterized in that in series with the capacitor (C) of the combination a non-close passive two-pole (Z) is switched, the voltage of which is largely independent of the current flowing through a threshold value, and that the voltages on the capacitor (C) and the non-linear two-terminal network (Z) are fed back to the switching stage of the controller via a low pass. ( Fig. 6). 2.

Electrical step controller with a feedback having a resistor-capacitor combination, which has additional means for suppressing the dependence of the smallest setting step on the proportional range, characterized in that an additional current branch with a resistor parallel to the resistor-capacitor combination (C, Rp) (R3) it is provided that a further resistor (R3) is connected in series with the combination in a manner known per se and that the voltages at this resistor and the capacitor are fed back to the switching stage of the controller via a low-pass filter. ( Fig. 7). 3. Arrangement according to claim 2, characterized by the resistors being dimensioned such that the resistor (Rp) in the resistor-capacitor combination is significantly larger than the parallel-connected resistor (R,).

Documents considered: German Patent No. 767 636; German Auslegeschriften Nos. 1 084 818, 1129 596; "Siemens-Zeitschrift", year 1957, pp. 482 to 485.