-
Die Erfindung bezieht sich auf einen unstetigen Zwei- oder Mehrpunktregler,
bei dem ein Speicherorgan vorgesehen ist, das, zur Kompensation eines oder mehrerer
Stellschritte, die wesentlich größer sind, als zur Ausregelung de` Regelabweichung
notwendig ist, einen oder mehrere Stellschritte in Gegenrichtung so lange aufspeichert,
bis die Regelgröße in die Nähe des Sollwertes gelangt ist und bei Erreichen des
Sollwertes den oder die gegengerichteten Stellschritte auslöst, wobei der Rückwärtsschritt
um den zur Fehlerbeseitigung ausreichenden Stellschritt kleiner gehalten ist als
der Vorwärtsschritt.
-
Das Arbeitsprinzip 'solcher Regler ist bekannt. Wenn die Regelgröße
vom vorgegebenen Sollwert abweicht, stellt ein Fühler die Abweichung fest und schickt
eine Information auf einen Regler, der die Aufgabe hat, die Regelgröße auf den vorgegebenen
Wert zurückzuführen, indem nicht stetige Signale auf ein Stellglied gegeben werden.
Der Fühler spricht auf »ja« oder »nein« an, d. h., daß er nicht den Wert der Regelabweichung
registriert, sondern lediglich die Tatsache, daß eine Regelabweichung vorhanden
ist; daher gibt er weiterhin dem Regler die Information so lange, bis die Regelgröße
auf den Sollwert zurückgeführt ist. Hat der Regelkreis eine gewisse Trägheit, so
folgt die Rückführung auf den vorgegebenen Wert dem ersten Signal nicht unmittelbar,
und der Regler schickt eine Reihe von Signalen, deren Wirkung anwächst und einen
immer schnelleren Regelvorgang hervorruft. Im Augenblick, da der Sollwert erreicht
ist, hört der Regler auf zu arbeiten; aber auf Grund seiner Trägheit schwenkt das
geregelte System mit der erreichten Geschwindigkeit weiter aus, und die Regelgröße
weicht von neuem vom Sollwert ab, diesmal in entgegengesetzter Richtung. Ein entgegengesetztes
Wirken des Reglers wird daher notwendig, um wieder auf den Sollwert zu kommen. Das
Arbeiten des Reglers wird also in Schwingungen übersetzt, deren Amplitude, die von
der Trägheit des Regelsystems abhängt, erheblich sein kann und sich manchmal sogar
bei jeder Schwingung vergrößert.
-
Diese Vorgänge sind graphisch in F i g. 1 dargestellt.
-
Auf den Ordinaten sind die Werte der Regelgröße X aufgetragen und
auf den Abszissen die Zeit; zwei Bereiche (0) und (1) sind durch die Gerade
AL
getrennt, die dem Wert des Sollwertes Xo entspricht, der dem Regler eingegeben
wurde. Ein Fühler wird so eingestellt, daß er schon reagiert, wenn der Wert Xo nicht
eingehalten wird. Wenn z. B. zum Zeitpunkt, der auf der Abszisse durch A dargestellt
ist, die Regelgröße beginnt, vom Wert X, abzuweichen, indem sie vom Bereich 0 in
den Bereich 1 übergeht, reagiert der Fühler sofort und übermittelt dem Regler eine
Information, der auf beliebige Weise ein Signal auf ein Stellglied zur Berichtigung
und Rückführung der verstellten Regelgröße auf den Sollwert gibt. Wegen der Trägheit
des Regelsystems ist zur Zeit, die dem Punkt B entspricht, die Regelgröße noch nicht
auf den Sollwert zurückgegangen. Es wird also ein zweites Signal durch den Regler
geschickt, das so die berichtigende Wirkung verstärkt. Zur Zeit entsprechend Punkt
C weicht die Regelgröße weiterhin vom Sollwert ab, aber mit geringerer Geschwindigkeit.
Zur Zeit entsprechend Punkt D erreicht diese Abweichung ihr Maximum, dann fängt
sie an kleiner zu werden, aber da der Fühler lediglich auf »Ja« oder »Nein« anspricht,
sendet der Regler weiterhin auf das Stellglied Signale zu den Zeiten, die den Punkten
E und F entsprechen, und das Zurückgehen auf den Sollwert wird immer mehr beschleunigt.
Erst wenn der Zustand G erreicht ist, hört der Fühler auf, Signale abzugeben. Aber
zu diesem Augenblick wird durch die Geschwindigkeit, die auf Grund von überschüssigen
Impulsen erreicht wurde, der Sollwert überschritten, diesmal in der anderen Richtung.
Die Regelgröße verläßt den Bereich 1 und tritt um so tiefer in den Bereich 0 ein,
je zahlreicher die überschüssigen Impulse waren und je länger jeder dieser Impulse
gedauert hat.
-
Die Abweichung in den Bereich 0 kann durch den gleichen Fühler oder
durch einen anderen nachgewiesen werden, der genau wie vorher auf den Regler wirkt,
aber diesmal in umgekehrter Richtung, um die Regelabweichung auf Null zu bringen.
-
Könnte man die Impulse stoppen, wenn die Regelgröße sich im Gebiet
zwischen D und E befindet, könnte der Regelvorgang mit einer geringeren Geschwindigkeit
vor sich gehen, und es würde sich eine geringere Abweichung im Bereich 0 ergeben.
Aber da der Fühler auf »Ja« oder »Nein« reagiert und nicht in Funktion des Wertes
der Abweichung, ist es unmöglich, dieses Stoppen der Impulse im genannten Bereich
zu erreichen.
-
Der Fehler der bekannten Regelsysteme besteht also darin, daß bei
geregelten Systemen mit großer Trägheit Schwingungen mit großer Amplitude um den
Sollwert aufrechterhalten werden.
-
Es ist bereits eine Reihe von Verfahren und Einrichtungen bekannt,
mittels derer die Amplitude der Änderungen der Regelgröße verringert und deren Schwingungen
gedämpft werden.
-
Beispielsweise sind Verfahren bekannt, die auf einem Verschieben des
vorgegebenen Punktes in Abhängigkeit von der Wirkzeit auf das Stellglied beruhen.
Diese bergen jedoch den Nachteil, daß wegen der Verschiebung des Punktes eine gewisse
Unsicherheit in Kauf genommen werden muß.
-
Bekannt sind weiterhin Vorrichtungen, die auf die Regelgröße Wirkungen
ausüben, die proportional zu der zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Regelgröße
bestehenden Abweichung sind. Bei einer solchen Einrichtung ist also die Verwendung
einer Meßeinrichtung für den Wert der Abweichung erforderlich. Demgegenüber ist
der Erfindungsgegenstand wesentlich einfacher, da lediglich eine Abtastung auf »Ja«
oder »Nein« erforderlich ist. Die Abtasteinrichtung braucht nur zwei Zustände des
Abweichens zu unterscheiden, und zwar je nachdem, ob die Regelgröße sich oberhalb
oder unterhalb eines gewissen Schwellenwertes befindet. Weiterhin ist hervorzuheben,
daß diese bekannten Vorrichtungen kein Speicherorgan besitzen, das fähig ist, die
auf das Regelorgan im Verlauf einer Berichtigung eingegebene Wirkung zu speichern
und folglich eine abgestimmte Gegenwirkung hervorzurufen, dazu bestimmt, den Verlauf
der Regelgröße zu stabilisieren.
-
Schließlich ist ein unstetiger Regler bekannt, wie er eingangs vorausgesetzt
wurde, bei dem, wie bei der vorliegenden Erfindung, nach Erreichen einer gewissen
Regelgröße ein Rückwärtsschritt ausgelöst wird. Diese Einrichtung verwendet jedoch
zur Bemessung des Stellschrittes und des Rückwärtsschrittes der Fehlergröße proportionale
Spannungen und benötigt zur Bildung dieser Spannungen einen Digital-Analog-Umsetzer
sowie, zur Speicherung dieser Spannungen,
Kondensatoren. Daraus
ergeben sich gewisse Nachteile. Der bekannte Regler ist aufwendiger und zudem nur
für relativ kurze Regelvorgänge verwendbar.
-
Demgegenüber besteht bei der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, das
bekannte Regelprinzip mit wesentlich einfacheren Mitteln zu lösen und dessen Anwendbarkeit
auf extrem lange Regelvorgänge auszudehnen.
-
Bei einem unstetigen Regler der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei einstellbare Impulserzeugungseinrichtungen vorgesehen
sind, eine Impulserzeugungseinrichtung WG mit langsamer Impulsfolge zur Steuerung
eines Stellgliedes SG, das so lange arbeitet, wie eine durch digitale Fühler F gemessene
Regelabweichung vorhanden ist, und eine Impulserzeugungseinrichtung RG mit schneller
Impulsfolge zur Erzeugung des oder der Stellschritte in Gegenrichtung, die in Tätigkeit
tritt, wenn die vom Sollwert abgewichene Regelgröße durch die Wirkung der Stellschritte
in Vorwärtsrichtung auf den Sollwert zurückgeführt ist, und daß die beiden Impulserzeugungseinrichtungen
und das mit einem Digitalzähler versehene Speicherorgan RS derart zusammengeschaltet
sind, daß das Speicherorgan zur gleichen Zeit wie die Impulserzeugungseinrichtung
mit langsamer Impulsfolge in Tätigkeit gesetzt wird, die Wirkung des oder der Stellschritte
auf das Stellglied und damit gleichzeitig ein Programm für den oder die gegengerichteten
Stellschritte aufspeichert und auf Null zurückgestellt wird, wenn auf das Stellglied
die Regelwirkung entsprechend dem Programm in entgegengesetzter Richtung ausgeübt
worden ist.
-
Die Erfindung wird nun an Hand in den Zeichnungen (F i g. 2 und 3)
gezeigter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Der unstetige Regler nach den Ausführungsbeispielen besteht im wesentlichen
aus folgenden Teilen a) einem Regelkreis mit Relais R und einer Impulserzeugungseinrichtung
WG mit langsamer Impulsfolge, und zwar mit einstellbarer Dauer und Folge;
b) einem Kompensationskreis, bestehend aus einem Speicherorgan RS mit Speicher
und Schaltgliedern und einer Impulserzeugungseinrichtung RG mit schneller Impulsfolge,
und zwar ebenfalls mit einstellbarer Dauer und Folge, sowie einem Umschalter c,
der, gesteuert von dem Speicherorgan RS, wahlweise die Impulserzeugungseinrichtungen
WG bzw. RG anschaltet; c) Fühler F (F i g. 2) oder F+ und F- (F i g. 3) und
einem Stellglied SG.
Die verschiedenen Elemente dieser Kreise können jedem
bekannten Typ angehören, jeweils dem entsprechenden Gebrauch angepaßt; sie können
mechanisch, elektrisch, elektronisch oder pneumatisch ausgebildet sein.
-
Die Impulserzeugungseinrichtungen WG und RG sind vorzugsweise
Geber mit einem eigenen Wirkungszeitenbereich, z. B. von 0,5 bis 5 Sekunden, aber
mit Bereichen verschiedener Totzeiten. Diese Totzeiten müssen tatsächlich bei der
Impulserzeugungseinrichtung RG kürzer sein als bei WG. Zum Beispiel kann
man eine Impulserzeugungseinrichtung RG mit Totzeiten, die innerhalb der Extremwerte
liegen, verwenden, wobei ein jeder einen festgesetzten Bruchteil, z. B. ein Zehntel
bis ein Hundertstel der Extremwerte der Totzeiten der Impulserzeugungseinrichtung
WG
darstellt.
-
Das Speicherorgan RS dient im wesentlichen dazu, die von
WG ausgesendeten Impulse zu zählen und, nach Erreichen einer bestimmten,
vom Fühler F ausgesendeten Signalgröße, den Zähler mit Hilfe der von RG ausgesendeten
Impulse wieder schrittweise zu löschen. Die Wahl der Einzelteile, die das Speicherorgan
RS bilden, hängt von der Art der Mittel ab, die im Regler verwandt werden, und davon,
welche physikalischen Erscheinungen verwandt werden, durch die die aufzunehmende
Gesamtwirkung ausgedrückt werden kann. Letztere kann entweder durch die Impulszahl,
die während der Zeit des Wirkungsablaufes durch WG geliefert wird, oder durch
die Zeitdauer, während der der Regler arbeitet, oder durch die Verschiebungsamplitude
des Stellgliedes ausgedrückt werden. Welches auch immer die konkrete Ausführungsart
des Speicherorgans RS ist, sie muß die Folge der logischen Vorgänge, wie
oben definiert, durchführen.
-
In dem Fall, da der Regler durch elektrische Impulse auf das Stellglied
wirkt, kann das Registerorgan, das diese Wirkung aufzeichnet, z. B. ein schrittweise
arbeitender Kommutator sein (ein beim Telefon verwandter Kommutator oder irgendein
anderes System), der bei jedem Impuls, der vom Regler abgegeben wird, weiterschreitet.
Ausgehend von der Schaltstufe Null zum Zeitpunkt des Auslösens der Reglerwirkung,
erreicht ein solcher Kommutator die Schaltstufe N, wenn die Regelgröße nach
N Impulsen, die durch den Regler dem Stellglied geliefert wurden, wieder
den Sollwert durchläuft. Das Programmgeberorgan, das in einem solchen Fall verwandt
wird, kann aus dem gleichen Schritt für Schritt arbeitenden Kommutator bestehen,
der mit einem Relaissystem verbunden ist. In dem Augenblick, wo die Regelgröße den
vorgegebenen Sollwert wieder eingenommen hat, gibt ein Relaissystem eine Spannung
auf die Schaltstufe P entsprechend
des Kommutators (wobei P gleich der Anzahl der Schaltstufen oder der Schritte des
Kommutators ist und K' gleich einer ganzen Zahl, die weiter unten definiert wird),
dadurch wird der Kommutator von der Schaltstufe N auf die Schaltstufe P entsprechend
ohne auf das Stellglied zu wirken, verstellt, dann wird die Impulserzeugungseinrichtung
mit schneller Impulsfolge RG ausgelöst, die dem Stellglied den Befehl zur Gegenwirkung
gibt. Sodann wird der Kommutator um einen Schaltschritt bei jedem Impuls von RG
verstellt, und nach
, Impulsen kommt er wieder in seine Nullstellung zurück und unterbricht so den Gegenwirkungskreis
und bringt die Ausgleichseinrichtung in die Registrier- bzw. Aufzeichnungsstellung
zurück.
-
Der Wert K' wird so gewählt, daß die
Impulse des RG unter Berücksichtigung ihrer Dauer eine Gegenwirkung hervorrufen,
die einem Bruchteil
der Gesamtwirkung des Reglers entsprechen, so daß die Gegenwirkung (Rückwärtsschritt)
um den zur Fehlerbeseitigung ausreichenden Stehschritt kleiner gehalten ist als
der Vorwärtsschritt. Praktisch wählt
man die gleiche oder nahezu
die gleiche Impulsdauer im Reglerkreis und Ausgleichskreis, so daß man in diesem
Fall K' gleich K setzen kann.
-
Diese Beziehung zwischen der durch den Regler hervorgerufenen Wirkungsgröße
und dem zu schaffenden Gegenwirkungsverhältnis, d. h. den Faktor
wird in Abhängigkeit der Eigenschaften des geregelten Systems festgelegt. Für den
Fall, daß der Regelverlauf dieses Systems unter der Reglerwirkung durch eine symmetrische
Kurve dargestellt werden kann, wie es der Kurventeil A, D, G in der F i g.
1 ist, erscheint es vorteilhaft, den Wert -
zu setzen.
-
Das erfindungsgemäße Regelsystem kann vorteilhafterweise mit allen
Integrationssystemen oder Trägheitssystemen verwandt werden, die sich nicht nach
jeder Änderung des Regelorgans schnell zu einem neuen Gleichgewichtszustand hin
bewegen. Ein Beispiel für den Typ dieses Systems wird durch die Maschinen mit endlosem
metallischem Band geliefert, die zur Herstellung von Folien bzw. Filmen durch Gießen
einer Polymerenlösung dienen. Man weiß, daß die Bänder dieser Maschinen, die erhebliche
Abmessungen erreichen können (z. B. ein Vielfaches von 10 m abgewickelter Länge
und einer Breite, die 1 m übersteigt) und die auf die Führungswalzen und den Motor
erhebliche Kräfte ausüben (in der Größenordnung von mehreren Tonnen), eine sehr
große Trägheit verursachen. Andererseits zwingen die Forderungen in bezug auf Regelmäßigkeit,
die für die Folie bzw. den Film aufgestellt sind, dazu, die seitlichen Verschiebungen,
die das Band unvermeidlich unter dem Einfluß von verschiedenen Ursachen ausführt,
aufs engste zu begrenzen. Läßt man eine solche Maschine ohne Regler arbeiten, wie
auch immer die Parallelität der Antriebs- und Führungswalzen ist, so wird das Band
erhebliche seitliche Verschiebungen ausführen. Hier kann man Abhilfe schaffen, indem
man die Ausrichtung der Führungsrollenachse durch , ein Stellorgan bewirkt, das
aus einem elektrischen Hilfsmotor mit Schnecke und Ritzel besteht und das kleine
Verschiebungen eines Achsenendes der Führungsrolle hervorruft. Der Mann an der Maschine
setzt das Stellorgan in Gang, wenn er Abweichungen des Bandes in bezug auf Markierungen
feststellt, oder besser, dieses Regelgerät kann automatisch durch ein Fühlgerät
in Gang gesetzt werden.
-
So hat man eine Maschine zur Herstellung von Folien bzw. Filme durch
Gießen (F i g. 4) mit einem automatischen Regler ausgestattet, die folgende Besonderheiten
aufweist: abgewickelte Länge des Bandes: 28 m; Breite: 1,40 m; Druck auf die Lager:
8 bis 10 t; regelbare Lineargeschwindigkeit: 200 bis 1200 m/Std. Zunächst war die
Maschine mit einer Regelung mit einem einfachen Regler ausgestattet, der folgendes
umfaßte: als Fühler zwei Widerstandsphotozellen A und B, die durch zwei Lichtbündel,
die auf je einer Seite des Bandes und senkrecht dazu angebracht waren, betätigt
wurden und die durch optische Systeme mit Brennpunkten in einer der Bandebenen,
2,5 mm vom Rand, ausgestrahlt wurden; ein Relais; eine Impulserzeugungseinrichtung
mit einstellbarer Impulsdauer zwischen 0,5 und 10 Sekunden und einstellbarer Totzeit
zwischen 0,5 und 10 Minuten; einem Stellglied mit elektrischem Hilfsmotor; Schnekken
und Ritzel, so wie oben beschrieben, die eine Verschiebung des Lagers, an dem geregelt
werden soll, mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 0,4 mm/Min. erlaubt.
-
Später hat man versucht, die Regelung der Maschine zu verbessern,
indem man in den ursprünglichen Kreis entsprechend dem Schema der F i g. 3 einen
Gegenwirkungskreis einbaute, umfassend: ein Speicherorgan RS, bestehend aus
einem Telefonkommutator vom vorbeschriebenen Typ und der für einen Wert
ausgelegt wurde, und eine Impulserzeugungseinrichtung mit rascher Impulsfolge mit
einer Impulsdauer zwischen 0,5 und 10 Sekunden mit einstellbarer Zwischenzeit zwischen
0,5 und 5 Sekunden.
-
Beim Arbeiten mit dem einfachen Regler und bei besseren Betriebsbedingungen
desselben, d. h. für Impulse mit einer Dauer von 10 Sekunden, unterbrochen von Totzeiten
von 6 Minuten, erhielt man noch bemerkenswerte Verschiebungen, die sich bei jeder
Hin- und Herbewegung des Bandes von der einen Seite auf die andere durch die Brennpunkte
der Strahlenbündel des Fühlersystems festgelegten Begrenzungen vergrößerten. Mit
dem Reglerkompensator und unter Verwendung von Impulsen mit einer Dauer von 10 Sekunden
alle 3 Sekunden im Gegenwirkungskreis ist es gelungen, die Schwingungen erheblich
zu dämpfen, die durch das einfache Regelsystem aufrechterhalten würden.
-
Das Regelsystem erlaubt es nun, große Lineargeschwindigkeiten auszunutzen,
für die die Stabilisation des Bandes von Hand praktisch ohne Beschädigung des Bandes
unmöglich wäre.