DE1248144B - Kontinuierlicher Regler, in den der Istwert als elektrische Frequenz und der Sollwert als Winkel eingegeben wird - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G05b

G05f
Deutsche KL: 21 c - 46/51

Nummer: 1 248 144

Aktenzeichen: L 49135 VIII b/21 c

Anmeldetag: 28. Oktober 1964

Auslegetag: 24. August 1967

Insbesondere für die Verfahrensindustrie soll ein kontinuierlich arbeitender Regler geschaffen werden, der leicht an Rechner anzuschließen und wenig störanfällig vor allem im Hinblick auf Verbindungsleitungen und Umschalter ist. Die Anforderungen an die Störunempfindlichkeit sind dadurch zu erfüllen, daß die Signale als elektrische Frequenzen bzw. Pulsfrequenzen übertragen werden. Der Sollwert wird demgegenüber bei manueller Eingabe am einfachsten durch Drehung eines Einstellelementes vorgegeben. Ferner ist es meist günstig, wenn der Stellantrieb bei Ausfall der Stellgröße seine Stellung nicht verändert, das Stellglied also integrales Verhalten besitzt. Es liegt nun die Aufgabe vor, einen Regler mit den genannten Eigenschaften zu finden, der außerdem betriebssicher und wenig aufwendig ist. Für einfachere Regelungen soll der Regler /-Verhalten, für schwierigere PI-Verhalten aufweisen.

Zum Stand der Technik gehört eine elektrische Regeleinrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß als Sollwert für die Regelgröße die feste Frequenz einer Impulsreihe und als Istwert die der Regelgröße proportionale Frequenz einer weiteren Impulsreihe dient und daß ein Zählwerk vorgesehen ist, das die Differenz beider Impulsreihen bestimmt und in Abhängigkeit vom Integral der Differenz den Antrieb beeinflußt. Dabei wird die Drehbewegung des Antriebes durch einen Impulsgeber in die dem Istwert proportionale Frequenz umgeformt.

Diese Einrichtung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig, da das Zählwerk den Antrieb über einen Digital-Analog-Umsetzer und einen Verstärker für die analoge Größe beaufschlagt. Außerdem ist ein Frequenzdifferenzkreis vorgesehen, der ein der Frequenzdifferenz des Soll- und Istwertes in analoger Form entsprechendes Signal, in der Regel eine Spannung, bildet, die den Antrieb beeinflußt. Die Geräte zum Erzeugen der analogen Ausgangsgrößen erhöhen den Aufwand und setzen die Zuverlässigkeit sowie die mit digitalen Einrichtungen besonders angestrebte Genauigkeit herab. Schließlich läßt sich mit dieser Einrichtung ein proportional-integrales Zeitverhalten nur schwer realisieren.

Zum Erzielen eines gewünschten Zeitverhaltens bzw. Frequenzganges von Reglern ist es bekannt, den Regler mit einer Rückführung auszustatten. Näherungsweise entspricht nämlich unter bestimmten Voraussetzungen der Frequenzgang des Reglers dem inversen Frequenzgang seiner Rückführung.

Die Erfindung betrifft einen kontinuierlichen Regler, in den der Istwert als elektrische Frequenz und der Sollwert als Winkel eingegeben wird, mit einem Kontinuierlicher Regler, in den der Istwert als elektrische Frequenz und der Sollwert als Winkel eingegeben wird

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H., Frankfurt/M., Theodor-Stem-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hermann Ragnar Eggers, Heiligenhaus

Winkel-Frequenz-Umformer für den Sollwert, einem Subtraktionsglied zur Bildung der Regelabweichung als Differenzfrequenz und einem integral wirkenden Stellantrieb.

Die Erfindung besteht darin, daß als Stellantrieb ein direkt mit der Differenzfrequenz beaufschlagter Schrittmotor vorgesehen ist.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung erhält der Regler dadurch P/-Verhalten, daß zur Erzeugung des P-Anteiles ein Nachlaufsystem mit einem weiteren Subtraktionsglied für Frequenzen, einem weiteren Schrittmotor, einem mechanischen Additionsglied und einem weiteren Weg-Frequenz-Umformer derart aufgebaut ist, daß der Ausgang des Subtraktionsgliedes einerseits zusätzlich auf den Schrittmotor des Stellantriebes und andererseits auf den Schrittmotor des Nachlaufsystems einwirkt, daß die Eingänge des Additionsgliedes an den Ausgang dieses Schrittmotors sowie an den Sollwerteingang angeschlossen sind und daß die addierten Wege mit dem Umformer in eine Frequenz umgewandelt werden, von der in dem Subtraktionsglied die Istwertfrequenz abgezogen wird.

Der Gegenstand der Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung erläutert, in der in schematischer Darstellung ein P/-Regler gezeigt ist.

Der Regler weist einen elektrischen Eingang 1 für den Istwert χ als Frequenz und ein Einstellorgan 2 für den Sollwert x_R als Winkel auf. Von dem SoIlwerteinsteller führt eine mechanische Verbindung zu einem Winkel-Frequenz-Umformer 3. Der Istwerteingang 1 und der Ausgang des Umformers 3 sind an ein Subtraktionsglied 4 angeschlossen. Der Sollwerteinsteller 2 ist ferner mit einem Eingang des Additionsgliedes 5 verbunden, das über einen weiteren Winkel-Frequenz-Umformer 6 ausgangsseitig den Eingang eines weiteren Subtraktionsgliedes 7 beauf-

709 638/411

i 248 144

schlagt. Von dem Istwerteingang zweigt sich eine Verbindung zu dem zweiten Eingang des ■Subtraktionsgliedes 7 ab. Dieses Subtraktionsglied speist einen Schrittmotor 8, der über ein Getriebe 9 zu dem zweiten Eingang des Additionsgliedes S zurückführt. Die Ausgänge der Subtraktionsglieder 4, 7 sind mit den Eingängen eines dritten Subtraktionsgliedes 10 verbunden, wobei zwischen den Gliedern 4 und 10 noch ein Frequenzuntersetzer 11 eingeschaltet ist. Ein Schrittmotor 12 am Ausgang des Subtraktionsgliedes 10 stellt mit einem Getriebe 13 einen Teil eines Stellantriebes dar.

Der Regler hat folgende Wirkungsweise: Für den P/-Regler mit einem integral wirkenden Stellglied gehorcht die Stellgröße y folgender Gleichung:

Az

dt

Xp

dt

Βλ ₊

(χ —

wobei X₁, der Proportionalbereich und T_n die Nachstellzeit ist.

Zur Bildung der Regelabweichung χ-x_k wird der als Winkel in den Regler eingegebene Sollwert mit dem Winkel-Frequenz-Umformer zunächst in eine elektrische Frequenz übergeführt, so daß sie in dem Subtraktionsglied 4 von dem Istwertsignal, das als elektrische Frequenz in den Regler einläuft, abgezogen werden kann. Die Differenzfrequenz beaufschlagt über den Frequenzuntersetzer, der die Nachstellzeit T_n bestimmt, den Schrittmotor des Stellantriebes. Damit ist der integrierende Regelanteil gebildet.

Zur Erzeugung des Proportionalanteiles dient das Nachlauf sy stern 5 bis 9. In dem mechanischen Additionsglied 5 wird der Sollwert x_k mit einer Rückführgröße x_T summiert. Diese Summe beaufschlagt nach Umwandlung in eine entsprechende Frequenz das Subtraktionsglied 1, in dem von der Summenfrequenz die Frequenz des Istwertsignals abgezogen wird. Die Differenzfrequenz bestimmt die Stellgeschwindigkeit des Schrittmotors 8, der mit einem Getriebe 9 die Rückführgröße x_r abgibt. Der Schrittmotor wird so lange verstellt, bis die Ausgangsgröße des Subtraktionsgliedes 7 verschwindet. Dazu muß in dem Nachlaufsystem eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorzeichenumkehr vorhanden sein, da sonst das System monoton instabil wäre. Die Ausgangsgröße des Sübtraktionsgliedes 7 entspricht dem negativen Differentialquotienten der Regelabweichung. Sie beaufschlagt den Schrittmotor 12 zusätzlich über das Subtraktionsglied 10.

Während die Nachstellzeit T_n, die — wie bereits erwähnt — mit einem Frequenzuntersetzer bestimmt wird, kann mit der Übersetzung des Getriebes 13 der Proportionalbereich X₁, vorgegeben werden.

Ein noch einfacherer Regler wird ermöglicht, wenn man mit der Übersetzung des Getriebes 13 das Produkt Xp ■ T_n einstellt. In diesem Fall ist nämlich der Frequenzuntersetzer 11 entbehrlich, da das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 9 zur Vorgabe der Nachstellzeit T_n herangezogen werden kann. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß die Übersetzung des Getriebes 13 nur in einem kleinen Bereich variierbar zu sein braucht, da Durchflußregelungen mit großen Werten T_n und kleinen Werten x_n ähnliche Produkte x_p ■ T_n bedingen wie Temperaturregelungen mit kleinen Werten x_v und großen Werten T_n.

Der erfindungsgemäße Regler läßt sich mit herkömmlichen Bauelementen verwirklichen. Als Winkel-Frequenz-Ümformer kann beispielsweise ein Oszillator mit einem Schwingkreis vorgesehen werden, wobei ein die Oszillatorfrequenz beeinflussender Kern in der Schwingspule verstellbar ist. Die Subtraktionsglieder für Frequenzen können mit Antikoinzidenz- und Verzögerungsgliedern arbeiten. Als Additionsglied für Winkel eignet sich beispielsweise ein Differentialgetriebe. Das Additionsglied kann aber mit dem Winkel-Frequenz-Umformer zusammengefaßt sein, indem nämlich der Umformer so ausgebildet wird, daß die Lage der Schwingspule durch eine Größe und die Lage des Spulenkernes durch eine zweite Größe einstellbar ist.

-- Der erfindungsgemäße Regler kann an Regel-

strecken vielfältig angeschlossen werden. Wenn die Regelgröße von dem Meßgeber nicht als elektrische Frequenz abgegeben wird, kann zwischen Meßglied und Regler ein Umformer mit Frequenzausgang eingeschaltet werden. Ferner können in dem Regler Umformer vorhanden sein, die eine für die Signalverarbeitung günstige Kurvenform des elektrischen Signals herstellen, zum Beispiel als Impulse. Der Schrittmotor im Ausgang des Reglers kann mit dem Getriebe selbst einen Stellantrieb darstellen, er kann aber auch einen Stellungsmacher beispielsweise mit hydraulischer oder pneumatischer Hilfsenergie antreiben. Es ist ferner leicht möglich, mehrere Stellglieder mit einem Regler zu betreiben.

Ein Regler mit reinem /-Verhalten entsteht aus dem P/-Regler entsprechend dem Ausführungsbeispiel durch Weglassen des Nachlaufsystems 5 bis 9 und des Subtraktionsgliedes 10.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Reglers wird in der Kombination elektronischer, elektromechanischer und mechanischer Bauelemente gesehen. Im besonderen wird die Bildung des Differentialquotienten der Regelabweichung mit dem Regler, der im wesentlichen mit elektrischen Frequenzen als Signalen arbeitet, dadurch ganz erheblich erleichtert, daß in einem Nachlaufsystem ein Schrittmotor als mechanisch integrierendes Glied vorgesehen wird. Die mechanischen Bauelemente ergeben ferner wenig aufwendige Einstellmöglichkeiten für die Reglerparameter.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kontinuierlicher Regler, in den der Istwert als elektrische Frequenz und der Sollwert als Winkel eingegeben wird, mit einem Winkel-Frequenz-Umformer für den Sollwert, einem Subtraktionsglied zur Bildung der Regelabweichung als Differenzfrequenz und einem integral wirkenden Stellantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellantrieb ein direkt mit der Differenzfrequenz beaufschlagter Schrittmotor (12) vorgesehen ist.

2. Regler nach Anspruch 1 mit P/-Verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des P-Anteils ein Nachlaufsystem mit einem weiteren Subtraktionsglied (7) für Frequenzen, einem weiteren Schrittmotor (8), einem mechanischen Additionsglied (5) und einem weiteren Weg-Frequenz-Umformer (6) derart aufgebaut ist, daß der Ausgang des Subtraktionsgliedes (7) einerseits zusätzlich auf den Schrittmotor (12) des Stellenantriebes und andererseits auf den Schritt-

motor (8) des Nachlaufsystems einwirkt, daß die Eingänge des Additionsgliedes (5) an den Ausgang dieses Schrittmotors (8) sowie an den Sollwerteingang angeschlossen sind und daß die addierten Wege mit dem Umformer (6) in eine Frequenz umgewandelt werden, von der in dem Subtraktionsglied (7) die Istwertfrequenz abgezogen wird.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Nachstellzeit ein Frequenzuntersetzer (11) am Ausgang des Subtraktionsgliedes (4) für die Regelabweichung angeschlossen ist.

4. Regler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalbereich nach

Maßgabe der Übersetzung eines Getriebes (13) im Stellantrieb einstellbar ist.

5. Regler nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Nachlaufregler ein Getriebe (9) zur Einstellung der Nachstellzeit vorgesehen ist und daß mit der Übersetzung des Getriebes (13) im Stellantrieb das Produkt aus Proportionalbereich und Nachstellzeit bestimmt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 371172;
Buch von W. Oppelt, »Kleines Handbuch technischer Regellehrgänge«, erschienen 1960 im Verlag Chemie, Weinheim/Bergstraße, S. 198.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 638/411 8.67

Bundesdruckerei Berlin