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Regler mit Rückführung und einer Umschalteinrichtung von handgesteuertem
auf automatisch geregelten Betrieb Bei der Regelung von Prozessen oder Anlagen mit
Hilfe automatischer Regler ergibt sich zuweilen die Notwendigkeit, die Stellgröße
von Hand zu steuern. Regeleinrichtungen sind deshalb häufig mit einer Umschalteinrichtung
ausgerüstet, welche es gestattet, das Stellglied wahlweise mit dem vom Regler herrührenden
Stellsignal oder mit einem von Hand eingestellten Signal zu beschicken. Dabei kann
in der Zeit, in welcher die Regeleinrichtung nicht mit dem Stellglied verbunden
ist, ihre Ausgangsgröße einen beliebigen Wert annehmen. Dieser hängt von dem Verlauf
der Regelabweichung ab. Wenn bei der Umschaltung von handgesteuertem Betrieb auf
automatisch geregelten Betrieb das Stellglied mit dem Reglerausgang verbunden wird,
so ergibt sich in vielen Fällen eine plötzliche Veränderung der Stellgröße, welche
der Regelstrecke einen unerwünschten Stoß 'versetzt.
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Es sind bereits Regeleinrichtungen bekannt, bei welchen der Schalter
zur Umschaltung auf handgesteuerten Betrieb eine Zwischenstellung aufweist, in welcher
von Hand eine Übereinstimmung des Reglerausganges mit der vor der Umschaltung vom
Stellglied eingenommenen Stellung hergestellt werden kann. Weiterhin sind Schaltungen
für Regeleinrichtungen bekannt, bei welchen während des von Hand gesteuerten Betriebes
das von Hand eingestellte Stellsignal oder die Differenz zwischen dem Istwert der
Regelgröße und dem von Hand eingestellten Signal auf den Regler aufgeschaltet wird.
Dadurch folgt das Ausgangssignal dem von Hand vorgegebenen Stellwert, so daß bei
der Umschaltung von handgesteuertem Betrieb auf automatisch geregelten Betrieb das
Stellglied in Ruhe bleibt, wenn die Regelabweichung am Eingang im Augenblick des
Umschaltens gleich Null ist.
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In der deutschen Patentschrift 964 997 ist eine Regeleinrichtung beschrieben,
bei der im Handbetrieb das Ausgangssignal des Reglerverstärkers dem von Hand eingestellten
Signal für das Stellglied nachgeführt wird. Die Differenzbildung zwischen beiden
Signalen erfolgt durch eine Vergleichseinrichtung, deren Ausgangssignal auf das
integral wirkende Glied des Reglers - eines pneumatischen Verstärkers mit PID-Rückführung,
bestehend aus der Hintereinanderschaltung eines verzögernden und eines nachgebenden
Anteils - geschaltet ist. Gleichzeitig ist auf den Eingang des Reglerverstärkers
auch die Regelabweichung nach Art einer Störgröße wirksam. Eine etwa anstehende
Regelabweichung ist aber trotzdem im Augenblick des Umschaltens im allgemeinen wirksam,
weil das integral wirkende Glied gleichzeitig innerhalb der Rückführung des Reglerverstärkers
tätig ist und einen vollen Ausgleich der Regelabweichung verhindert. Besteht jedoch
beim Umschalten noch eine Regelabweichung, so erfolgt eine stoßartige Verstellung
des Stellgliedes, welche für viele Regelstrecken unerwünscht ist oder sogar schädlich,
weil ein zu scharfer Eingriff des Reglers in die Regelstrecke häufig zu Störungen
Anlaß gibt.
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Um diese stoßartige Verstellung zu vermeiden, ist es bereits bekannt,
einen Regler mit Rückführung mit einer Umschaltvorrichtung für Handsteuerung und
mit einem Zeitglied zu versehen, welchem bei Einstellung des Umschalters auf Handsteuerung
ein der Regelabweichung proportionaler Wert anliegt, der beim Umschalten auf selbsttätige
Regelung der Regelabweichung zunächst entgegenwirkt und diese entsprechend seinem
Abklingen wieder wirksam werden läßt.
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Von einem solchen Regler geht die Erfindung aus. Sie besteht darin,
daß bei Verwendung eines gegengekoppelten Verstärkers zum Bilden der Rückführgröße
diese nach Umschaltung auf Handsteuerung unwirksam gemacht ist und am Ausgang des
Verstärkers eine Ersatzlast und eine die Differenz zwischen der Reglerausgangsgröße
und der handgesteuerten Stellgröße bildende Vergleichseinrichtung liegt, welche
auf den Verstärkereingang wirkt, und daß ein die Regelabweichung speicherndes Hilfszeitglied
mit dem Verstärkereingang verbunden ist.
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Demgegenüber weist der bekannte Regler, von dem die Erfindung ausgeht,
keinen gegengekoppelten Verstärker zur Bildung der Rückführgröße auf, sondern die
Rückführgröße wird aus der Stellung des Stellgliedes gebildet, das von einem Stellmotor
bewegt wird. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
besteht
darin, daß eine einwandfreie Nachführung der Reglerausgangsgröße zu der handeingestellten
Stellgröße bei Verwendung eines gegengekoppelten Verstärkers erreicht ist bei gleichzeitiger
Ausschaltung des Einflusses der Regelabweichung. Ein besonderer Vorteil liegt in
der Möglichkeit, die Zeitkonstante des Hilfszeitgliedes den jeweiligen Verhältnissen
anpassen zu können.
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Die Erfindung soll im folgenden am Beispiel eines elektronischen PID-Reglers
näher erläutert werden. A b b. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Reglers nach
der Erfindung. Die Regelabweichung Xw wird über einen Widerstand R2 auf den Eingang
des Gleichspannungsverstärkers 1 gegeben, dessen Ausgangsspannung mit YR bezeichnet
ist. Dem Widerstand R2 ist zur Vorhaltbildung ein Kondensator C2 parallel geschaltet.
Die Ausgangsspannung YR wird über einen Rückführverstärker 2 mit dem Verstärkungsfaktor
V,. sowie über den Kondensator Cl und den Widerstand Rl auf den Eingang zurückgeführt.
Durch Verstellung des Verstärkungsfaktors V,. läßt sich der Proportionalbereich
des Reglers verändern. Die Werte von Cl und R1 bestimmen die Nachstellzeit und die
Werte von C2 und R2 die Vorhaltzeit des Reglers. Es ist ein Umschalter 6 vorgesehen,
welcher in der mit »Regler« bezeichneten Einstellung auf automatisch geregelten
Betrieb die Verstärkerausgangsspannung YR auf den Stellantrieb 5, beispielsweise
ein elektrisch gesteuertes, pneumatisch betätigtes Ventil, aufgeschaltet, welches
eine der Reglerausgangsspannung proportionale Stellung einnimmt.
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In der mit »Hand« bezeichneten Einstellung des Umschalters auf handgesteuerten
Betrieb wird der Stellantrieb 5 mit einer von Hand einstellbaren Spannungsquelle
4 verbunden, welche eine einstellbare Stellspannung Y3 abgibt. Gleichzeitig wird
der Verstärkerausgang mit dem Ersatzwiderstand R5 abgeschlossen. Weiterhin wird
Cl rasch auf die Spannung YRVr aufgeladen. Dies geschieht vermittels eines Schaltkontaktes
am Umschalter, welcher in der Stellung des Umschalters auf handgesteuerten Betrieb
den Verbindungspunkt zwischen dem Rückführwiderstand R1 und dem Rückführkondensator
Cl mit Masse verbindet. In einer Differenzschaltung 3 wird die Differenz zwischen
der am Handsteuergeber 4 eingestellten Spannung und der Ausgangsspannung des Reglers
gebildet und diese Differenzspannung Y8-YR über das aus dem Kondensator C3 und dem
Widerstand R4 bestehende Hilfszeitglied auf den Eingang zurückgeschaltet, wobei
sich der Kondensator C3 rasch auf eine Spannung auflädt, die der am Eingang liegenden
Regelabweichung das Gleichgewicht hält, und zwar so, daß die Spannung YR nur wenig
von Y$ verschieden ist. C2 lädt sich in der Schalterstellung auf Handbetrieb ebenfalls
auf die Spannung Xw auf. Wird nun der Schalter in die Stellung »Regler« umgeschaltet,
so verändert sich die Reglerausgangsspannung YR zu-
nächst nicht. In dem Maß,
wie sich der Kondensator C3 über den Widerstand R4 und den veränderbaren Widerstand
R3 entlädt, beginnt die Regelabweichung Xw zu -
wirken. Regelabweichungsänderungen,
die nach dem Umschalten von der Regelstrecke her auftreten, werden davon nicht betroffen.
Für sie ist der Regler mit seinem PID-Verfahren wirksam. Es ist vorteilhaft, beim
Ändern der Nachstellzeit mit R1 gleichzeitig R2 mitzuverstellen, damit das Verhältnis
zwischen R1 und R3 und damit der Proportionalbereich konstant bleibt. Verändert
man nach einer Ausgestaltung der Erfindung auch noch den Widerstand R4 mit, so kann
der von Y$-YR am Verstärkereingang wirkende Spannungsanteil konstant gehalten werden.
Zu diesem Zweck sind die Verstellorgane der Widerstände R1, R2 und R4 in der durch
die Zeichnung angedeuteten Art miteinander gekuppelt. Dadurch wird die Entladezeitkonstante
von C3 und R4 der Nachstellzeit automatisch angepaßt. Bei trägen Regelstrecken wird
der Einlauf des Reglers dadurch stärker verzögert als bei schnellen Regelstrecken.
An dem Widerstand R3 kann die Ent-Ladezeit noch herabgesetzt und die Verzögerung
mehr oder weniger aufgehoben werden. Um zu verhindern, daß sich Eigenspannungen
des Kondensators C3, wie z. B. Kontaktpotentiale, auf den Verstärkereingang auswirken,
ist noch eine nichtlineare Widerstandskombination vorgesehen, welche aus zwei gegenparallelgeschalteten
Dioden bestehen kann.
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A b b. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reglers nach
der Erfindung. Die Schaltung entspricht im wesentlichen der Schaltung nach A b b.
1, sie unterscheidet sich von dieser jedoch dadurch, daß das Hilfszeitglied C3,
R4 hier in der Einstellung auf handgesteuerten Betrieb mit der negativen Regelabweichung
aufgeladen wird. Die Differenzspannung Y8-YR wird über einen weiteren Widerstand
RB auf den Eingang des Verstärkers geschaltet. Werden jetzt R3 und R4 gleich groß
gemacht, so heben sich, sobald das Hilfszeitglied auf eine Spannung -Xw aufgeladen
ist, die Wirkungen von Xw und X_w am Eingang des Verstärkers auf und die Spannung
Y$-Yx wird praktisch gleich Null. Der Verstärkerausgang YR nimmt selbsttätig den
von Hand eingegebenen Wert Y$ an. Gleichzeitig wird der Kondensator Cl über den
Kurzschluß an Masse rasch auf den YR entsprechenden Wert aufgeladen. Nach dem Umschalten
auf die Stellung »Regler« sind die Vorgänge die gleichen wie bei der Anordnung nach
A b b. 1. Die im Hilfszeitglied gespeicherte Spannung hebt zunächst die Wirkung
der Regelabweichung auf, und das Stellglied bleibt in Ruhe. In dem Maß, in dem sich
der Kondensator C3 über die Widerstände R4 und R3 entlädt, beginnt X"
zu wirken.