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Elektronischer Regler Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Regler mit einem Gleichspannungsverstärker von hohem Verstärkungsgrad und einer
negativen Rückkopplungsschleife zwischen dem Verstärkerausgang und dem einen Eingangsanschluß
des Verstärkers, wobei in der Rückkopplungsschleife ein kapazitives Element vorgesehen
ist.
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In der modernen Regeltechnik werden zur Kontrolle geregelter Vorgänge
immer häufiger Regler gefordert, die eine Änderung der Betriebsbedingungen, d. h.
eine Einstellung auf den Sollwert, möglichst genau und schnell durchführen. Derartige
Regler sind häufig mit einer Rückführung versehen, die dann notwendig wird, wenn
der Regler einen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor enthält und die übertragungseigenschaften
des Verstärkers kompensiert werden sollen. Ein Regler dieser Art läßt sich als PID-Regler
aufbauen, dessen Verhalten auf die drei Reglergrundformen zurückgeführt werden kann.
Man spricht von einem P-Verhalten, wenn die Ausgangsgröße (Steilgröße) der Eingangsgröße
(Regelgröße oder Fehlersignal) proportional ist, einem D-Verhalten, wenn die Ausgangsgröße
proportional von der Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße abhängt und einem
I-Verhalten, wenn die Ausgangsgröße von dem Zeitintegral der Eingangsgröße proportional
abhängt.
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Aus der Zeitschrift »Reglungstechnik«, Jg. 1954, S. 57, ist bereits
ein elektronischer Regler mit einem elektrischen Verstärker, insbesondere Magnetverstärker,
bekannt, wobei das Verhalten des Reglers mittels einer Rückführschaltung festgelegt
wird, die ein D-Glied in Serie zu einem PI-Glied enthält. Die Rückführschaltung
dieses bekannten Reglers stellt eine automatische Nachführung dar, bei der das rückführende
Signal vom Stellglied, beispielsweise von einem Regelventil, abgeleitet wird. Die
Proportionalwirkung der Rückführschaltung ist dabei nur in einem einzigen Bereich
einstellbar; eine Änderung dieses Bereiches ist nicht vorgesehen. Im übrigen erfordert
der Umstand, daß das Rückführsignal nicht unmittelbar vom Verstärkerausgang abgenommen,
sondern aus der Steilgröße gewonnen wird, einen zusätzlichen schaltungstechnischen
Aufwand.
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Die »AEG-Mitteilungen«, Jg. 1957, H. 5/6, S. 121 bis 123, offenbaren
eine Folgeregelung eines Radioteleskops, bei der in einen Spannungsverstärker für
einen Steilantrieb eine dynamische (frequenzabhängige) Rückführung eingeführt wird.
Diese Rückführung ist von einem Tachometergenerator abgeleitet, der mechanisch mit
dem Stellmotor gekoppelt ist. Eine solche Regelung ist also nicht rein elektronisch.
Außerdem fehlt auch hier eine Möglichkeit zur Änderung des Proportionalitätsbereiches
des Regelkreises.
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Ein rein elektronischer Regler in Form eines sogenannten Zweipunktreglers
ist aus der »Siemens-Zeitschrift«, Jg. 1957, H. 10/11, S. 505 bis 509, insbesondere
Bild 18, bekannt. Bei diesem Zweipunktregler schwankt die Schaltfrequenz in Abhängigkeit
vom Eingangssignal. Es ist deshalb erforderlich, das Stabilisierungsglied des Reglers
für sich ändernde Frequenzen auszulegen, wobei die Kapazität des Stabilisierungsgliedes
veränderlich sein kann. Damit ist aber keine Änderung des Proportionalitätsbereiches
des Reglers verbunden.
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Dem »ATM-Blatt« J 062-1 vom September 1933, erste Seite, ist zu entnehmen,
daß man bei einem Feinregler, z. B. für Meß- und Eichzwecke, eine Mehrzahl von Rückführungen
von der regulierten Größe auf die vor ihr stehenden Größen vorsehen kann. Ein Verstärker
od. dgl. ist dabei nicht offenbart. Weiterhin ist auch das Verhalten des Reglers,
beispielsweise ein PID-Verhalten, nicht angesprochen. Noch weniger enthält das genannte
ATM-Blatt einen Hinweis zur Veränderung des Proportionalitätsbereiches eines Reglers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vielseitig verwendbaren
elektronischen Regler zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Regler
der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung
vorgeschlagen, daß
ein zwischen den Eingangsanschlüssen des Reglers und den Eingangsanschlüssen des
Verstärkers vorgesehenes Impedanznetzwerk zwei kapazitive Elemente enthält, die
derart umschaltbar sind, daß in der einen Schaltstellung das eine Element zwischen
dem einen Eingangsanschluß des Reglers und dem mit der Rückkopplungsschleife verbundenen
Eingangsanschluß des Verstärkers und das andere Element zwischen den beiden Eingangsanschlüssen
des Verstärkers liegt, während in der anderen Schaltstellung die beiden kapazitiven
Elemente gerade umgekehrt eingeschaltet sind.
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Die Erfindung weist den wesentlichen Fortschritt auf, daß ein zuverlässiger
Regler mit PID-Verhalten erzielt ist, der in äußerst einfacher Weise eine Ä.nderung
des Proportionalitätsbereiches ermöglicht, und zwar unabhängig von einer Feineinstellung
der proportionalen Regelbarkeit in jedem Bereich. Der Regler ist dabei frei von
einer bestimmten Frequenzabhängigkeit, wie sie beispielsweise bei Magnetverstärkern
oder über eine mechanische Kupplung stabilisierten Verstärkern vorhanden ist.
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Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt; es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Reglers gemäß
der Erfindung, F i g. 2 den Stromlauf eines zur Verwendung im Regler gemäß F i g.
1 geeigneten Verstärkers.
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Gemäß F i g. 1 liegt parallel zu den Eingangsklemmen 2 des Reglers
die Serienschaltung zweier Dämpfungswiderstände 4, 6, deren Verbindungsstelle 10
über einen variablen Widerstand 12 mit dem Eingang des Verstärkers 14 verbunden
ist. Das obere Ende des Widerstandes 4 ist mit der einen Mittelklemme eines Wendeschalters
8 verbunden, dessen zweite Mittelklemme sowie das untere Ende des Widerstandes 6
und die eine Eingangsklemme an der gemeinsamen Massepotentialleitung liegen. Von
den äußeren vier Klemmen des Wendeschalters 8 sind jeweils zwei kreuzweise miteinander
verbunden und an Kondensatoren 16, 18 derart angeschlossen, daß der eine Kondensator
an Massepotential liegt und der andere mit der Eingangsklemme 2 verbunden ist. Mit
ihrem zweiten Anschluß liegen die Kondensatoren 16,18 ,am Eingang des Verstärkers
14. Dieser Verbindungspunkt ist mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Der Verstärkerausgang
liegt über die Primärwicklung 22 eines Transformators 24 an einem Ausgangsnetzwerk,
das im wesentlichen aus einem 'Tiefpaßfilter in z-Schaltung mit :den Kondensatoren
26, 2;8 und einem Längswiderstand 30 besteht. An den Ausgangsklemmen 32, 34 ist
ein Abschlußwiderstand 36 angeschlossen, der als Ersatzwiderstand für .das anschließende
Netzwerk der Regelstrecke zu be--trachten ist.
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Die :Sekundärwicklung 38 des Transformators 2,4 liegt über eine Gleichrchterdiode
40 am Widerstand ,42. Ein dem Ausgangssignal an den Klemmen 32,34 proportionaler,
in der Sekundärwicklung 38 induzierter Strom wird :über :die Diode 40 gleichgerichtet
und über den Widerstand 42 zur gemeinsamen Massepotentalleitung abgeführt. 'Über
einen Schleifer 44 am Widerstand 42 kann .ein der Schleiferstellung entsprechender
Teilbetrag der Spannung für das nachfolgende -Netzwerk abgegriffen werden. Dieses
stellt t ,ein D=Glied :dar und besteht -aus <den Widerständen :4s8, 50 sowie
:dem variablen Widerstand 52 und einem Kondensator 54. Das D-Glied ist derart aufgebaut,
daß die Widerstände 48 und 52 zusammen mit dem Kondensator 54 im Dreieck geschaltet
sind. Die Verbindungsstelle der Widerstände 48, 52 liegt am Schleifer 44. Die Verbindungsstelle
des variablen i Widerstandes 52 und des Kondensators 54 ist über einen Rückkopplungskondensator
56 mit dem Verbindungspunkt 20 verbunden. Die Verbindung des Widerstandes 48 und
des Kondensators 54 liegt über den Widerstand 50 auf Massepotential.
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Der in F i g. 2 dargestellte, zur Verwendung im Regler geeignete Verstärker
besitzt zwei Eingangsklemmen 58, 60, wobei die Eingangsklemme 58 bei Verwendung
des Verstärkers im Regler nach F i g. 1 mit dem Verbindungspunkt 20 identisch ist
und die Eingangsklemme 60 an der gemeinsamen Massepotentialleitung liegt.
Von der Eingangsklemme 58 führt ein Koppelkondensator .66 zum Eingang des aus den
Transistoren 68, 72, 76 aufgebauten dreistufigen Verstärkers. Im Kollektorkreis
der dritten Stufe liegt die Primärwicklung 88 eines Ausgangsübertragers 90, der
sekundärseitig zwei Wicklungen 92, 108 aufweist. An .die :Sekundärwicklung 92 ist
eine Brückenschaltung angeschlossen, deren einer Brückenzweig aus den Widerständen
98,102, 100 und deren anderer Brückenzweig aus den Dioden 94, 96 besteht. Die Dioden
94, 96 sind in der Impedanzbrücke 64 derart geschaltet, daß sie nur als spannungsabhängig
veränderbare Kapazitäten wirken. Der mittlere Widerstand ,des aus den Widerständen
98, 102, 100 aufgebauten Brückenzweiges ist mit einem Schleifer 104 versehen, .der
auf Massepotential liegt. Zwischen den beiden in Sperriehtung betriebenen und als
Kapazitäten wirkenden Dioden 9.4, 96 ist eine Induktivität 62 angeschlossen, die
mit ihrem anderen Ende am Verstärkereingang :58 liegt.
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Die Energieversorgung des Verstärkers erfolgt von einem Transformator
7ß aus, an dessen Sekundärwicklung 82 eine Zweiwegegleichrichtung mit anschließender
Siebkette .angeschlossen ist. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 82 liegt
auf Massepotential. Die zweite Sekundärwicklung 84 dient der Stromversorgung des
- später zu beschreibenden .-Ausgangsverstärkers mit dem Transistor 106. Es ist
ebenfalls eine Zweiwegegleichrichtung mit ansehfießender Siebung vorgesehen.
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Zur Wirkungsweise des Verstärkers gemäß F i g. 2 ist zu sagen, daß
der dreistufige Verstärker :aus den Transistoren 6.8, 72,76 so stark mitgekoppelt
ist, :daß ;er mit einer Frequenz von z. B. 30 kHz .schwingt. Durch die an
.den Memmen .58, 60 anliegenden Gleichstromsignale werden die Mitkopplungsbedingungen
derart verändert, daß sich die Amplitude der Schwingung entsprechend der anliegenden
:Gleichstromsignale ändert.
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Die in der :Sekundärwicklung 108 :des 1Tbertragers 90 .abgegriffenen
Anteile ,der mit dem Gleiehstxoxnsignal modulierten Schwingung werden gleichgerichtet
und ;über den Endverstärker mit .dem TransistqX 10.6 verstärkt. Die Veränderung
dieses Gleiebstrom Signals wird :an :dem :bereits im Zusammenhang mit F i g.1 `beschriebenen
Transformator 24. wirksam.
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Zu :den Schwinghedingungen des :dreistußgenVerstärkers .aus den Transistoren
j68, 72, 76 ist zu sagen., -daß -die Rückkopplungsschleife, bestehend ans
der Sekundärwicklung-92 des Überiragess 9Q; .der Impe-.danzbriicke 64, der Induktivität
62 und dem: Koppelkondensator:66,.derai.t ausgelegt isst, daß hei Brückengleichgewicht
keine Rückkopplung stattfwdet Je
nach der Verschiebung des Brückengleichgewichtes
wirkt die Rückkopplung als Mitkopplung bzw, als Gegenkopplung. Im vorliegenden Fall
ist die Impedanzbrücke 64 durch die Einstellung des Schleifers 1.04 immer nach :der
Seite der Mitkopplung verstimmt. Ist das Gleichstromfehlersignal Null, dann schwingt
.der Verstärker mit einer der Verstimmung der Brücke entsprechenden Amplitude. Bei
einem von Null aus nach der positiven Seite anwachsenden Fehlersignal nimmt die
Mitkopplung zu, d. h., die Schwingamplitude des Verstärkers wird größer, wogegen
bei einem vom Nullpunkt nach der negativen Seite zunehmenden Gleighstromfehlersignal
die Mitkopplung zurückgeht, d. h. die Schwingamplitude kleiner wird. Ein dieser
Schwingamplitude entsprechendes Signal wird durch die Sekundärwicklung 108 des 'Übertragers
90 abgegriffen und nach einer Halbwellengleichrichtung auf .den Eingang des
Transistors 106 gegeben. Nach der Verstärkung .des Signals wird dieses über
.die Primärwicklung des Transformators 24, das Tiefpaßfilter 26, 2e, :30 an den
Ausgangsklemmen 32, 34 wirksam. Dieses Signal wirkt als Steuersignal für .die angeschlossene,
durch den Ersatzwiderstand 36 dargestellte Regelstrecke. Der beschriebene Verstärker
gemäß F i g. 2 zeichnet sich auch weiterhin dadurch aus, .daß er einen außergewöhnlich
hohen Eingangswiderstand besitzt.
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Nachdem nunmehr .die Funktion des Verstärkers 14 bekannt ist, soll
im folgenden die Wirkungsweise des Reglers beschrieben. werden: Um die durch .die
Erfindung angestrebte Wirkung zu erzielen, ist es vorteilhaft, die im Eingangskreis
des Reglers liegenden Dämpfungsglieder aus den Widerständen 4 und 6 so zu dimensionieren,
daß der Widerstand 4 ungefähr fünfmal so groß ist wie der Widerstand 6. Dies bewirkt
im Beharrungszustand des Reglers eine Dämpfung des Eingangssignals auf ein Sechstel
des an den Klemmen 2 anliegenden Wertes. Zur Dimensionierung der Kapazitäten
116, 18 ist vorgesehen, daß .die Kapazität 16 ungefähr zehnmal größer ist
als die Kapazität des Rückkopplungskondensators 56 und .die Kapazität 18 die gleiche
Größe wieder Rückkopplungskondensator 56 besitzt. Befindet sieh der Wendeschalter
8 in der gemäß F i g. 3, unteren Stellung, so ist der Kondensator 16 mit der oberen
Eingangsklemme 2 und der Kondensator 18 mit der Massepotentialleitung verbunden.
Die sich aus .dieser Anordnung und Dimensionierung ergebende Wirkungsweise wird
nachfolgend näher beschrieben.
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Von den bei dem vorliegenden Regler anzutreffenden Einschwingvorgängen
ist besonders der Einschaltvorgang von Interesse. Unter diesen Bedingungen liegt
an den Eingangsklemmen ein maximales Signal .(Fehlersignal). Das Signal ergibt sich
.als Differenz .aus der Veränderlichen -eines gemessenen Vorganges und einem Sollwert.
Der Sollwert kann unter Einschaltbedingungen als unveränderlich angenommen werden,
wogegen die Veränderliche des genmessenen Vorganges ihren kleinsten Wert besitzt.
Daraus ergibt sieh als Differenz ein maximales Fehlersignal. Dieses maximale Fehlersignal
am Eingang des Reglers verursacht ein maximales Signal am Ausgang des Verstärkers.
Sobald der Enschwingvorgang abgeklungen ist, verringert sich das Signal am Verstärkereingang
20 infolge der Dämpfungsglieder auf ein Sechstel des .an den Eingangsklemmen 2 liegenden
Wertes. Bei Reglern dieser Art ist es sehr erwünscht, wenn nicht gar erforderlich,
daß der Regelvorgang unter Einschaltbedingungen besonders rasch .eingeleitet wird,
um ein überschwingen der zu regelnden Größe über den Sollwert zu vermeiden. Im vorliegenden
Fall steuert ein großes Eingangssignal den mit hohem Verstärkungsgrad ausgelegten
Verstärker in den Sättigungsbereich, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers kleiner
ist als es der Größe des Eingangs-Signals entsprechen müßte. Die Anordnung der Eingangskapazität
16 und der Rückkopplungskapazität ,56 entspricht in der vorliegenden Schaltungsanordnung
einem Regler, wie er bei Rechenverstärkern bereits bekannt ist. Bei dieser Anordnung
der Kapazitäten wirkt das über den Regler zurückgekoppelte Signal dem Eingangssignal
entgegen und versucht, glas Verstärkereingangssignal auf Null zu reduzieren. Dies
trifft jedoch nur für nicht im Sättigungsbereich betriebene Verstärker zu. Ist der
Verstärker bis zur Sättigung ausgesteuert, dann lädt sich der Kondensator 56 auf
das zwischen dem Eingang und Ausgang liegende Potential auf, welches er, da die
Eingangsimpedanz des Verstärkers extrem hoch ist, so lange behält, bis sich die
Polarität des Fehlersignals am Eingang 20 des Verstärkers umkehrt. Dies bedeutet,
daß der Verstärker unter den genannten Bedingungen auf Änderungen des Eingangssignals
so lange nicht reagiert, bis sieh die Polarität des Fehlersignals am Eingang umkehrt.
Diesem Verhalten wirkt unter anderem die Eingangsschaltung entgegen.
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Wie bereits erwähnt, befindet sich im Eingangskreis des Reglers ein
Spannungsteiler, .der ..das Fehlersignal im eingeschwungenen Zustand auf ein Sechstel
des an den Eingangsklemmen 2 liegenden Wertes reduziert. Wird z. B. angenommen,
.daß das Fehlersignal einen Wert von 10 Volt hat, so erscheint am Verstärkereingang
20 ein Signal von .etwa 1,6 Volt. Wenn sich nun der zu regelnde Prozeß seinen Sollbedingungen
nähert, so nimmt das Fehlersignal entsprechend ab. Wird angenommen, daß das Fehlersignal
um 2 auf 8 Volt reduziert wird und die Spannungsänderung sprungförmig verläuft,
so erscheint dieser Spannungssprung über den Kondensator 16 unmittelbar am Verstärkereingang
20. Diese Änderung von 2 Volt genügt, um die Polarität des am Verstärkereingang
liegenden Signals umzukehren, d. h., der Verstärker wird aus dem Sättigungsbereich
gesteuert, und der Regler übernimmt die volle Regelung .des zu steuernden Prozesses.
Auch für den Fall, daß die Veränderung des Fehlersignals nicht sprunghaft verläuft,
wird das sich änderzade Signal sofort über die Kapazität 16 am Verstärkereingang
wirksam, derart, daß sich die Polarität des Fehlersignals am Verstärkereingang umkehrt,
lange bevor der Fehler auf Null reduziert wurde. Es sei darauf hingewiesen, daß
dieser Vorgang in ähnlicher Weise auch :dann abläuft, wenn unter Einschaltbedingungen
.der Wendeschalter 8 in seiner anderen Lage liegt und die Kapazität 18 mit dem,
Eingang des Reglers verbanden ist.
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Im folgenden wird nun die Wirkungsweise des -Gesamtsystems betrachtet:
Wie bereits erwähnt, ist der vorgesehene Regler insbesondere zur Verwendung als
Rechenverstärker geeignet. Ein Merkmal eines solchen Verstärkers ist, daß die -Systemverstärkung
;durch .das Verhältnis .aus der Rückkopplungsimpedanz zur Eingangsimpedanz bestimmt
wird, solange die :offene Schleifenverstärkung
des Verstärkers
groß ist. Die Aufgabe eines solchen Reglers ist, das Ausgangssignal (Stellgröße)
an den Klemmen 32, 34 über den gesamten Bereich zwischen einer maximalen und minimalen
Größe zu variieren. Eine solche über den gesamten Regelbereich steuerbare Stellgröße
kann dann z. B. auch einen Ventilantrieb steuern, der das Ventil von einer völlig
offenen in eine völlig geschlossene Stellung steuert.
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Von dem am Eingang des Reglers anliegenden Fehlersignal sei angenommen,
daß es ebenfalls über einen festgelegten Bereich verläuft, wobei die Mitte des Bereiches
dem Fehlersignal Null entspricht. Dieser Fehlerwert Null stellt sich ein, wenn die
zu messende Veränderliche mit dem Sollwert übereinstimmt.
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Der Proportionalitätsbereich (P-Bereich) kann als derjenige Bereich
des Eingangssignals definiert werden, der durchlaufen werden muß, um das Stellsignal
über den vollen Ausgangsbereich durchzusteuern. Verläuft z. B. das Fehlersignal
über den gesamten Bereich der gemessenen Veränderlichen und entspricht dem eine
volle Aussteuerung des Ausgangsbereiches, so wird das System als 1000/aig proportional
geregelt bezeichnet. Wenn dagegen nur 501/o des Eingangsbereiches vom Fehlersignal
durchlaufen werden und diesem Bereich eine volle Aussteuerung des Reglers entspricht,
so wird das System als 50%ig proportional geregelt bezeichnet. Schließlich wird
von 'einem 200%ig proportional geregelten System gesprochen, wenn das Fehlersignal
den gesamten Eingangsbereich durchläuft und dabei das Ausgangssignal (Stellgröße)
nur 50% des Regelbereiches überstreicht.
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Der Regler gemäß F i g. 1 arbeitet als ein solches zu 50 % proportional
regelndes System, wenn der Wendeschalter 8 in seiner unteren Stellung steht und
damit der Kondensator 16 am Eingang des Reglers liegt und sich außerdem der Schleifer
44 am obersten Ende des Schiebewiderstandes 42 befindet. Wird der Schleifer 44 entlang
dem Widerstand 42 nach unten in Richtung zum Massepotential verschoben, wodurch
ein kleinerer Teil des Ausgangssignals in den Rückkopplungszweig des Reglers abgegeben
wird, so erfolgt die Regelung mit einem Proportionalitätsbetr ag von weniger als
100%. Durch Verstellen des Schleifers 44 kann also der Proportionalitätsanteil der
Regelung kontinuierlich verstellt werden. Der untersten Stellung des Schleifers
44 entspricht ein Proportionalitätsanteil von etwa 1%.
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Es sei nochmals erwähnt, daß der Kondensator 16 mit einer zehnfachen
Kapazität des Kondensators 56 oder des Kondensators 18 angegeben wurde. Mit dieser
größeren Kapazität im Eingang erhöht sich die Systemverstärkung des vorliegenden
Rechen- ; verstärkers um das Zehnfache. In der diesen Bedingungen entsprechenden
unteren Stellung des Wendeschalters 8 besitzt der Regler also einen veränderbaren
P-Bereich von etwa 1 bis 100%. In der oberen Stellung des Wendeschalters 8 wird
die dem Rückkopplungskondensator 56 gleiche Kapazität 18 in den Eingangskreis geschaltet.
Mit dieser der Rückkopplungsimpedanz gleichen Eingangsimpedanz besitzt das System
eine Verstärkung von 1. Dies wiederum verändert den Regelbereich des P-Reglers um
einen Faktor 10, d. h., befindet sich der Schleifer 44 am oberen Ende des Widerstandes
42, dann ist das System um 1000% proportional regelbar; mit anderen Worten ausgedrückt,
durchläuft das Fehlersignal am Eingang des Reglers den vollen Regelbereich, so wird
die Ausgangsgröße nur um 10% variiert. In der untersten Stellung des Schleifers
44 am Widerstand 42 beträgt die proportionale Regelbarkeit des Systems 10%. Aus
diesen Angaben ist zu ersehen, daß der Regler über zwei P-Bereiche verfügt, die
sich überlappen und so breit sind, daß sie jeder auftretenden Forderung genügen.
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Was die Vorhaltwirkung (D-Verhalten) betrifft, so sind die Teile,
die diese Funktionen ausführen, an einer bisher nicht üblichen Stelle angeordnet.
Bei den bekannten Ausführungen befinden sich die Vorhaltglieder vor dem Verstärker,
und zwar- zwischen der Eingangsschaltung und dem Verstärker. Diese Anordnung wurde
im Interesse eines günstigen Einschwingverhaltens des Reglers eingehalten. Außerdem
war man bisher der Meinung, daß bei Reglern mit PID-Verhalten die Vorhaltwirkung
der Nachstellung (I-Verhalten) vorausgehen müsse, damit ein großes Vorhaltsignal
das,gespeicherte Nachstellsignal überwindet und den Regler, bevor der Sollwert erreicht
wird, aus der Sättigung steuert. Auch dies ist bei dem vorliegenden Regler nicht
nötig.
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Da es in vielen Fällen erwünscht ist, ein verhältnismäßig großes Vorhaltsignal
zu haben, wird es notwendig; eine Verstärkung vor der Entstehung des tatsächlichen
Vorhaltsignals vorzusehen. Bei der vorliegenden Erfindung wird. deshalb das Vorhaltglied
hinter dem Verstärker 14 in der Rückkopplungsschleife des Reglers angeordnet. Dadurch
wird eine getrennte Verstärkung des Vorhaltsignals nicht notwendig. Da das Vorhaltglied
in der Rückkopplungsschleife angeordnet ist, können die üblichen Differentiationsglieder
nicht verwendet werden. In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf hingewiesen,
daß in der Rückkopplungsschleife ein großes negatives, die Systemverstärkung begrenzendes
Signal wirksam ist. Wenn nun eine Signaländerung wirksam wird, die das Vorhaltglied
zum Ansprechen bringt, z. B. eine sprunghafte Änderung des Fehlersignals am Eingang,
dann wird durch das Vorhaltglied ein so großes pulsförmiges Signal (Stellgröße)
am Ausgang mit solcher Polarität wirksam, daß die Abweichung der Regelstrecke vom
Sollwert ausgeglichen wird. Wäre kein Vorhaltglied vorhanden, so würde das pulsförmige
Fehlersignal augenblicklich durch die negative Rückkopplung unterdrückt werden,
so daß die gewünschte Stellgröße am Ausgangnicht entstände.
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In dem D-Glied stellt die Kapazität 54 im Hinblick auf die Rückkopplung
einen Nebenschluß dar. Der sich an der Kapazität 54 aufbauende Anteil der Signalgröße
wirkt sich für den Verstärker nicht als Gegenkopplung aus. Zu diesem kapazitiven
Nebenschluß gehört außerdem ein Spannungsteiler aus den Widerständen 48; 50. Diese
begrenzen die Größe des über die Kapazität 54 geleiteten Signals und bewirken damit
eine Amplitudenbegrenzung des Vorhaltsignals; gleichzeitig wird dadurch auch das
D-Verhalten des Reglers bestimmt. Im D-Glied ist außerdem ein veränderbarer Widerstand
52 angeordnet. Mit diesem kann die Wirkung der Kapazität 54 beeinflußt werden. Wird
beispielsweise wieder eine sprunghafte Änderung des Fehlersignals am Eingang angenommen,
so wird beim Anstieg des Ausgangssignals am Verstärker zumindest ein Teil auf die
Kapazität 54 übertragen. Bleibt das Signal weiterhin wirksam, so findet über den
Widerstand 52 ein Ladungsausgleich
beim Kondensator 54 statt. Dies
bedeutet, daß das im Nebenschluß über die Kapazität 54 übertragene Signal seine
Wirkung verliert. Mit diesem Rückgang ist ein Anwachsen der Gegenkopplung verbunden,
wodurch nun das Ausgangssignal am Regler entsprechend reduziert wird. Der Ladungsausgleich
am Kondensator 54 wird durch dessen Kapazität und die Größe des Ableitwiderstandes
52 bestimmt. Da die Kapazität 54 eine konkrete Größe besitzt, kann durch den veränderbaren
Widerstandswert des Widerstandes 52 die Zeitkonstante dieses Nebenschlusses verändert
werden. Auf diese Weise ist auch das D-Verhalten des Reglers veränderbar.
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Zur Betrachtung des Nachstellverhaltens (I-Verhalten) wird der Wendeschalter
8 in der unteren Lage angenommen; so daß die Kapazität 16 den Verstärkereingang
direkt mit dem Reglereingang verbindet. Wie bereits erwähnt, versucht die Rückkopplung
des Reglers den Verstärkereingang 20 im Beharrungszustand im wesentlichen auf Null
zu halten. Wird nun eine Signaländerung am Reglereingang angenommen, so verursacht
diese eine Ladungsänderung des Kondensators 16 und damit eine Änderung des Eingangssignals
am Verstärker 14. Das verstärkte Signal wird über die Rückkopplung des Reglers zum
Verstärkereingang zurückgeführt und wirkt, wie bereits erwähnt, dem Eingangssignal
entgegen. Ohne Nachstellglied hat die Signaländerung, sobald in den beiden Kondensatoren
keine Ladeströme mehr fließen, auch keinen Einfluß mehr auf den Regler. Nimmt man
als Fehlersignal eine Sprungfunktion an, so würde der Regler bei bloßem proportionalem
Verhalten (P-Verhalten) den zu regelnden Vorgang auf ein neues Niveau einregem,
das nicht mehr mit dem Niveau des Sollwertes übereinstimmt. Bei einem bloßen Nachstellverhalten
(I-Verhalten) des Reglers wirkt eine Stehgröße am Ausgang des Reglers so lange auf
die Regelstrecke ein, bis der zu regelnde Prozeß unter Sollbedingungen läuft und
kein Fehlersignal mehr auf den Reglereingang wirkt. Dieses Verhalten wird beim vorliegenden
Regler durch einen großen, veränderbaren Widerstand 12 erzielt, der im Nebenschluß
zur Eingangskapazität liegt. Durch diesen Widerstand kann, solange irgendein Fehlersignal
am Eingang des Reglers anliegt, dieses auf den Verstärker 14 einwirken und eine
Stehgröße am Ausgang hervorrufen, die so lange auf die Regelstrecke einwirkt, bis
das Fehlersignal Null wird. Die Wirkung des 1-Gliedes ist abhängig von der Zeitkonstante
des Netzwerkes aus dem Eingangskondensator, dem Widerstand 12 und dem Spannungsteiler
aus den Widerständen 4 und 6. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Nachstellglied
mit dem Kondensator 16 im Eingangskreis zwischen 10 und 0,1 Wiederholungen pro Minute
veränderbar.
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Wird durch Umlegen des Wendeschalters 8 die Kapazität 18 für das Verhalten
des 1-Gliedes bestimmend, dann unterscheidet sich der Einfluß des I-Gliedes um den
Faktor 10 gegenüber dem Netzwerk mit dem Kondensator 16 im Eingangskreis, d. h.,
das Nachstellglied ist zwischen 100 und einer Wiederholung pro Minute veränderbar.
In beiden Einstellbereichen des Nachstellgliedes wird die Veränderung durch den
Regelwiderstand 12 bewirkt.
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Wie bereits erwähnt, liegt je nach Stellung des Wendeschalters 8 entweder
der Kondensator 16 in Serie und der Kondensator 18 parallel zum Eingang des Verstärkers
oder umgekehrt der Kondensator 18 in Serie und der Kondensator 16 parallel zum Eingang.
Daraus resultiert mit der Kapazität 16 in Serie zum Eingang eine Systemverstärkung
des Reglers von 10 und mit dem kleineren Kondensator 18 in Serie zum Eingang eine
Systemverstärkung von 1. Dies bedeutet aber, daß die hohe Verstärkung des Verstärkers
14 aufgebracht werden muß. Unter normalen Bedingungen würde die große Verstärkung
zu einer unerwünschten Instabilität des Verstärkers führen. Bei dem vorliegenden
Aufbau wird eine solche Instabilität jedoch vermieden, so daß auch mit der großen
Kapazität 16 in Serie zum Eingang und der hohen Systemverstärkung von 10 eine Instabilität
nicht auftritt. Dies ist darin begründet, daß der Verstärker an seinem Eingang einmal
die Impedanz der Kapazität 56 und parallel dazu die Impedanz der Kapazitäten 16,
18 vorfindet, deren Wert sich auch beim Umlegen des Wendeschalters 8 nicht ändert.
Was sich jedoch mit der Umschaltung des Wendeschalters 8 ändert, ist der Dämpfungsverlauf
des Eingangsnetzwerkes, das die hohe Verstärkung absorbiert und dadurch die unerwünschte
Instabilität vermeidet. An Stelle des Wendeschalters 8 kann auch eine andere Anordnung
Verwendung finden, die den gleichen Bedingungen genügt.