DE1293497B

DE1293497B - Elektrischer Zweipunktregler

Info

Publication number: DE1293497B
Application number: DER36421A
Authority: DE
Inventors: Johnston James Stewart
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1962-10-29
Filing date: 1963-10-25
Publication date: 1969-04-24
Also published as: GB981787A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Zweipunktregler zur Regelung der mittleren Energie, die einer Last zugeführt wird, bei dem die Regelabweichung über einen Verstärker und einen Modulator einem das Stellglied impulsweise steuernden Kippglied zugeführt ist, an dessen Ausgang ein RC-Rückführnetzwerk angeschlossen ist, das eine Rückführgröße liefert, die der Regelabweichung überlagert wird.
Bei einem nach dem gleichen Prinzip arbeitenden bekannten Dreipunktregler bestehen Schwierigkeiten, eine gleichmäßige Regelung von Null bis zu einem bestimmten Höchstwert sicherzustellen. Insbesondere die maximalen Energiewerte lassen sich vor allem dann nicht zufriedenstellend regeln, wenn Regelstrecken mit verhältnismäßig langen Zeitkonstanten, wie z. B. Heizungsanlagen, vorliegen.
Diese Unsicherheitsfäktoren sollen bei einem Zweipunktregier der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch ausgeschaltet werden, daß die Modulationsschaltung ein UND-Glied enthält, dessen erstem Eingang die in einem Vergleicher gebildete Differenz zwischen Regelabweichung und Rückführgröße zugeführt ist, an dessen zweitem Eingang ein Impulsgenerator angeschlossen ist und dessen Ausgang mit dem Eingang eines monostabilen Multivibrators verbunden ist, der die Steuerimpulse für das Stellglied liefert.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die an eine Wechselstromquelle angeschlossene Last mit einem das Stellglied aufweisenden Steuerkreis in Reihe geschaltet, der bei Auslösung durch einen Steuerimpuls am Anfang einer halben Wechselstromperiode einen niedrigen resultierenden Widerstand für die Dauer dieser halben Periode und bei Nichtauslösung einen hohen resultierenden Widerstand darstellt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der Steuerkreis als Stellglied einen oder mehrere Siliziumgleichrichter aufweist, deren Steuerelektroden die Auslöseimptilse zugeführt «erden.
Zur Ermittlung der Regelabweichung ist in bekannter Weise eine Brückenschaltung vorgesehen, die ein veränderliches, durch einen Kennwert (Istwert) bestimmtes Glied und ein zweites auf einen vorbestirnmnten Wert (Sollwert) einstellbares Glied aufweist.
Durch die Erfindung wird ermöglicht, daß die Energiezufuhr von Null bis zu einem bestimmten Maximalwert regelbar ist. Die Anzahl der erzeugten Impulse ist direkt proportional der veränderlichen Bildung des Regeleingangs. Diese Beziehung kann linear oder nichtlinear sein, um mehrere integrierende bzw. differenzierende Komponenten zu erhalten. Gerade die Regelung des maximalen Wertes ist durch die Anzahl der Steuersignale sichergestellt, die urmittelbar dem veränderlichen Eingang entspricht. Diese Impulse haben eine vorbestimmte Länge. Vorzugsweise sind die der Last zugeführten Energieimpulse ganzzahlige Halbperioden oder volle Perioden der Wechselleistung. Auf diese Weise werden Einschaltstöße vermieden. Das UND-Glied läßt nur ausgewählte Impulse durch, die den Hauptsteuerkreis in enger Anpassung an die Anzahl der durch das UND-Glied durchgelassenen Impulse steuern.
Dadurch, daß das UND-Glied durch einen Vergleicher gesteuert wird, der die Differenz zwischen Regelabweichung und Rückführgröße b.-stimmt, können trotz der Verwendung eines Zweipunktreglers die Starkstromimpulse auf die Länge einer Halbperiode verkürzt werden, wodurch praktisch annähernd eine kontinuierliche Proportionalregelung sichergestellt ist. Im Verhältnis zu den natürlichen Zeitkonstanten des zu regelnden Ablaufs ist die Schaltgeschwindigkeit sehr hoch. Außerdem kann der Vergleicher neben dem Proportionaleingang weitere Eingänge enthalten, wie beispielsweise integrierende oder differenzierende Komponenten.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel die Anwendung der Erfindung zur Regelung einer Heizungsanlage wiedergegeben, die an Hand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Es zeigt F i g. 1 einen Schaltplan des Steuerkreises, F i g. 2 einen Schaltplan des Stromkreises, mit dem Steuerimpulse für den Steuerkreis nach F i g. 1 erzeugt werden, F i g. 3 einen Schaltplan eines Ausschnittes nach F i g. 2 in geänderter Anordnung und F i g. 4 eine Abwandlung des Schaltplanausschnittes nach F i g. 3.
F i g. 1 zeigt zwei Klemmen 11 und 12 einer Wechselstromquelle von 240 Volt und 50 Hz. Eine Last 13, die eine Anzahl Heizelemente umfaßt, ist in Reihe mit einem Steuerkreis 14 an die Stromquelle angeschlossen. Der Steuerkreis 14 umfaßt vier Gleichrichter 15, 16, 17 und 18, die in einer geschlossenen Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind. Ein Siliziumgleichrichter 19 liegt zwischen den Ausgangseckklemmen des Brückengleichrichterkreises, so daß der Siliziumgleichrichter ein vollkommen gleichgerichtetes Wechselpotential erhält. Ein Auslöseimpuls, der über eine Leitung 21 dem Gleichrichter 19 zugeführt wird, macht diesen leitend, wenn die Brückenspannung genügend groß ist, und der Gleichrichter 19 sperrt, wenn die Brückenspannung bis zu einem charakteristischen Wert gefallen ist, der durch die Kenngrößen des Gleichrichters bestimmt ist.
Wenn der Gleichrichter 19 durchläßt, hat die Gleichrichterbrücke 14 einen kleinen resultierenden Widerstand, und annähernd die gesamte Speisespannung wird der Last 13 zugeführt. Sperrt jedoch der Gleichrichter 19, so ist die Stromzufuht zu der Last 13 fast vollkommen unterbrochen, und es wird keine Heizwirkung erzielt. Werden am Anfang einer jeden Halbperiode der Speisespannung, die den Gleichrichterkreis 14 durchläuft, über die Leitung 21 Steuerimpulse zugeführt, so läßt der Gleichrichterkreis dauernd Strom durch, und der Last 13 wird der Maximalwert des elektrischen Stroms zugeführt. Wird der Gleichrichter 19 nur am Anfang einiger Halbperioden des Speisestroms ausgelöst, so erhält die Last 13 nur einen entsprechend geringeren Strombetrag. Auf diese Weise kann durch die Stcuerung der Anzahl der Auslöseimpulse, die in einer bestimmten Zeiteinheit über die Leitung 21 zugef ührt werden, der mittlere Betrag des der Last 13 zugeführten Stromes geregelt werden.
Der Gleichrichterkreis 14 schaltet die Stromzufuhr für die Last 13 am Anfang und Ende einer jeden Halbperiode der Wechselstromzufuhr ein oder aus. Im Augenblick des Schaltens ist die Speisespannung verhältnismäßig gering, so daß das Problem einer plötzlichen hohen Stromabgabe an die induktiven Heizungsspiralen vermieden wird.

F i g. 2 zeigt den Stromkreis, durch den die Anzahl der Steuerimpulse, die dem Gleichrichter 19 über die Leitung 21 zugeführt werden, gesteuert wird. Ein Impulsgenerator 22 ist an dieselbe Stromquelle an-

geschlossen wie die Klemmen 11 und 12 gemäß

F i g. 1 und ist so ausgelegt, dai> er bei jedem Null-

durchgang der Wechselspannung über eine Leitung 23

einen Ausgangsimpuls abgibt. Wenn die Frequenz der

Stroniqtielle 50 Hz beträgt, werden 100 Impulse pro

Sekunde über die Leitung 23 einem UND-Glied 24

zugeführt, das in der Öffnungsstellung die empfangenen

Impulse über eine Leitung 25 durch einen monostabilen

Nltiltivibrator 30 einem Leistungsverstärker 26 und

von dieseln über eine Leitung 27 der Leitung 21 gemäß

F i #, . 1 zuführt. Öffnen und Schließen des UND-

Gliedes 24 werden durch ein Signal überwacht, das

über eine Leitung 28 von einem Vergleicher 29

ge,',`tben wiral.

Der V erghicliPr 29 ist mit zwei Eingling°n versehen,

von denen einer Tiber eine Leitung 31 das Regel-

abweichungssignal empfängt, das den Unterschied

zwischen der Temperatur in dein Rauren, der durch

dic Heizelemente der Last 13 gti1iäß F ä g. 1 beheizt

wll'tl, Lind einem Zorlierbestimmten Temperaturwert

ailgibt. Das Regelabi;,eicli.ungasignal wird einem

Regler 32 entnommen, der eine Schwingspule 33

(Oszillator) finit -1.00 Perioden in der Sekunde aufweist,

die eine Primärwicklung 34 eines Transformators

speist, der eine in der Mitte angezapfte Sekundär-

wickIung 35 trägt. Über die Sekundärwickltiiig 35 sind

zwei Widerstände verbunden, und zwar ein tempei'atur-

einpfindlicher Widerstand 36 und ein Abstimm`,vider-

stand 37. Die Sekundärwicklung 35 und die Wider-

stünde 35, 37 sind in einer Brücke zusammengeschaltet.

Dcr Verbindungspunkt der Widerstände 3 5 und 37

ist über ein Potentioineter 33 an die mittlere An-

zapliing der @eh_uindrwicl>lung 35 angeschlossen. Der

Sr",l11c11iiriii des PLltei2@ionl.tei's 3s"3 erhalt ein Potentivl,

das von clei' :,liaeianzapfung der 'v'a'iclcIulig35 abhängt.

Dieses Potential wird in einem verstärkenden und

Iahaseinesilpfindlichen Geriet 39 verstärkt, dessen Aus-

lan@ssignra entsprechend :fier Phasenlage: des Eingangs-

signals deinoduliert ist. Die so erzeugte Gleich-

spannung eiitsprICiit cieni Unterst'ilitd zwischen den

`riderstandsbeti'äa`eil der beiden Widerstände und

wird übet' die Leittuig 31 dem Vryrgleicher zugeführt.

Die die Phasenlage ailz:igeiide BezI.igsspannung wild

delii'cr'Stari:;edldeli lind phasenempfindlichen Gerät 39

von einer weiteren Sekundäres -icklting 40 des Trans- .

forrnalors zugeHihrt.

Der telnpelaturempfindiiche Widerstand 36 ist in

dei;i Raum untergebracht, der durch die Last 13

erwärmt wird, so dar sich bei eitlem Anstieg der

"Teinperzttir in dein Raum der Widerstandsbetrag des ;

Widerstandes 36 erhöht, und das Potential ain Ver-

bindtingspunkt der Widerstände 36 und 37 steigt,

wobei der Widerstand 37 als Abstimmwiderstand

ausgebildet ist, der nicht in dem beheizten Rauen

eillgesclilossen ist. Das über das Potentiometer 38 ;

zi.igefü lirt#" Potential entspricht daher der Temperatur

in dein Raum, und ein einstellbarer Anteil dieses

Potentials wird dem Eingang des Verstärkers 39 zu-

geführt. Das Regelabweiehungssignal über die Leitung

31 entspricht deshalb der Abweichung der Raum-

tenlperatui- von einer vorbestimmten Temperatur. Der

Betrag der vorbestimmten Temperatur kann beispiels-

w=eise durch die Veränderung des Widerstandes 37

eingestellt werden.

In deal Vergleicher 29 wird das Regelabweichungs- c

signal von Leitung 31 mit einem Signal verglichen,

das über Leitung 41 von einem den Mittelwert über

die Ausgangsimpulse bildenden RC-Rückführnetz-

werk 42 abgegeben wird. Das Rückführnetzwerk 42

weist in Parallelschaltung einen Kondensator 43 und

einen Widerstand 44 auf. Der Eingang des Rück-

führnetzwerks ist über Leitung 45 in Parallelschaltung

an die Ausgangsleitung 25 des Multivibrators 30

angeschlossen. Das Rückführnetzwerk :i2 mittelt in

Abhängigkeit von der RC-Zeitkonstanten des Kreises

über einen Zeitabschnitt die Anzahl der Ausgangs-

impulse, die zur Steuerring des Siliziurngleichrichters 19

gemäß F i g. 1 abgegeben werden. Wenn das Rück-

führsignal über Leitung 41 einen geringeren Wett als

das Regelabweicirimgssignal über Leitung 31 hat, gibt

der Vergleicher 29 ein Signal über Leitung 28 zur

Öffnung des UND-Gliedes 24 und gibt weitere

Steuerimpulse über Leitung 25 für den Gleichrichter 19

frei. Sobald jedoch das Rückführsignal über Leitung 41

den Wert der Regelabweichung über Leitung 31

erreicht, wird das Signal über Leitung 28 anterbroehen,

und das UND-Glied schließt. Das UND-Glied bleibt

so langt geschlossen, bis das Potential über Leitung 41

so weit abgesunken ist, daß der Vergleither anspricht

und ein Schaltsignal zur Öffnung des UND-Glieds 24

erzeugt.

Die mittlere Anzahl der Ati.löseimptilse, die in

einer vorgegebenen Zeit zur Steuerung des Silizitini-

gleichrichters 19 abgegeben wird, wird in Abhängigkeit

von denn Regelabweiehungssignal über Leitung 3ä

überwacht. Die Rückführung über das Rückführ-

netzwerk stellt sicher, daß die mittlere Anzahl der

Steuerimpulse für den Silizitunghcichrichter und so der

iriittlere Stromdurchfluß durch die Last 13 genau dein

geforderten Wert entsprechen, der durch das Regel-

ab\weicllutigssigilal über Leitung 31 angezeigt wird.

Eine schnelle und genaue Überwachung ist möglich,

da durch die Erzeugung den" geforderten Alizalil von

Steuerimpulsen pro Zeiteinheit relativ lauge Zeit-

verloste, die die fleizeleniente der Last 13 und der

Temperaturfühlniechanismus des Reglers 32 mit sich

bringen, vermieden werden. Es- ist nicht notwendig,

Zeit für den Temperaturanstieg oder -abfall in dem

Rauire um einen erforderlichen Bctrag verstreichen zu

lassen, bevor die Korrektur auf den Mittelwert der

Triggerinipulse wirksam wird.

Der monostabile Multivi'bratoi' 30 arbeitet als

Irnpulsfornier, der Iil@ptilse von genau definierter

Amplitude und Dauer, unabhängig von der Form des

durchgelassenen Ausloseinipulses, gibt. Der MLiltivi-

brator bringt außerdem eine kurze Verzogertillg in

das Rückführnetzwerk, so daß der Vergleicher 29

den Schalter 24 so lange offenhält, bis den' Auslöse-

inipuls durchgegangen ist.

Die Verstärkung des Zweipunktreglers wird durch

das Potentiometer 38 überwacht. Durch die verschie-

denen unvermeidlichen thermischen Verzögerungen

innerhalb des Regelorgans bestellt die Gefahr, daß

der Regelkreis instabil wird. Die Verstärkung des

Reglers wird durch die Rückführung auf einen Wert

reduziert, der unterhalb des Wertes liege, bei dem die

Instabilität einsetzt, und somit der Regelkreis stabili-

siert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Stabilisierung des Regelkreises durch ein abgeändertes Rückführnetzwerk 42 nach F i g. 3 vorgesehen. Die Leitung 41 eines Eingangs des Vergleichers 29 ist an einen Anzapfschleifkontakt eines Potentiometers 44' angeschlossen, das mit einem Kondensator 43 in Parallelschaltung angeordnet ist. Die Leitung 45 stellt einen Eingang für das Rückführnetzwerk mit der Parallelschaltung 43, 44' dar. Ein zweiter Eingang, der mittels Leitung 46 über die Parallelschaltung zugeführt ist, umfaßt ein Gleichstromsignal, das von Änderungen der Hauptspannung abgeleitet ist. Durch diese Anordnung kann der Einfluß der durch eine Änderung der Hauptstromzufuhr entstandenen Störgröße schnell kompensiert werden. Das Gleichstromsignal ist von Wechseln der Speisespannung so beeinflußt, daß eine Verminderung der Hauptspannung die Spannung über das Rückführnetzwerk 42 herabsetzt; eine höhere Impulsfrequenz über Leitung 45 ist dann erforderlich, um den ursprünglichen Wert wieder zu erreichen. Bei der Verwendung der Anordnung gemäß F i g. 3 kann der Schleifkontakt des Potenciometers 38 festgehalten werden.

Die Spannung V am Ausgang des Rückführnetzwerks 42 verhält sich zu dem mittleren Impulsstrom i nach der Gleichung C, ist die Kapazität 43, und R, ist der Widerstand 44. Die konstante Proportionalität zwischen V und i kann durch die Verstellung von R, geändert werden, wobei R, ein Potentiometer nach F i g. 3 sein kann. Wenn beispielsweise i auf 1 Mikroampere begrenzt ist, so muß R, für eine Spannungsdifferenz V von 1 Volt 1 Megaohm betragen, und für eine Spannungsänderung von 1 Volt in 5 Minuten muß Cl gleich 300 Mikrofarad sein. Die Gleichung (1) zeigt, daß i von V und dessen Ableitung nach der Zeit abhängig ist; durch eine Änderung des Rückführnetzwerkes gemäß F i g. 4 kann i von dem Zeitintegral von V abhängig gemacht werden. Ein einen weiteren Kondensator 51 (C2) und einen Widerstand 52 (R2) umfassender Nebenschluß ist mit dem Widerstand 44 verbunden. Die Ausgangsspannung des Rückführnetzwerkes 42 wird dann über den Widerstand 52 abgenommen.
Angenommen, C,. ist klein genug, um vernachlässigt zu werden, und der Strom, der durch C2 fließt, ist klein im Verhältnis zu dem in R,, dann verhält sich i zu V nach der Gleichung Die Gleichung (2) zeigt, daß unter bestimmten Bedingungen i von V und dessen Zeitintegral abhängt.
Ist C, nicht vernachlässigbar klein, so hängt der mittlere Impulsstrom auch von der Ableitung von V nach der Zeit ab. Der durch C,. fließende Strom ist 2g wobei V, die Spannung an Cl ist und Der Strom bei R1 ist durch die Gleichung (2) gegeben, so daß der Gesamtstrom beträgt: Wenn CAR, wesentlich kleiner als C2R2 ist, kann die Größe des proportionalen Ausdrucks der Gleichung (4) durch die Verstellung von R1 geändert werden. Die Beziehung des Integrals und der Ableitung zu dem proproportionalen Teil kann durch die Verstellung von jeweils R2 (oder C2) und Cl ohne Wechselwirkung geändert werden.
Wenn die Zeitkonstante R2C2 50 Minuten beträgt, kann R2 10 Megaohm und C2 300 Mikrofarad betragen. Beträgt R2C2 50 Minuten, so wechselt die Impulsfrequenz bei ihrem höchsten Betrag 50 Minuten, nachdem der Maximalwert von V dem Vergleicher 29 zugeführt worden ist.
Die Gleichungen (2) und (4) sind nur erfüllt, wenn der Strom in C2 klein ist im Verhältnis zu dem in R1. Diese Bedingung kann durch die Einschaltung einer Kopplungsstufe, wie z. B. eines Emitterschiebers, erfüllt werden, um die Spannung über den Widerstand 44 dem Kondensator 51 zuzuführen.
Die Erfindung kann selbstverständlich auch zur Regelung anderer Regelgrößen als der Temperatur Anwendung finden. Das dem Vergleicher zugeführte Signal kann irgendeine beliebige andere Funktion einer Fehlspannung sein. Insbesondere kann es Signale umfassen, die dem Integral der Fehlanzeige bezüglich der Zeit und/oder Signalen eines ersten oder höheren Differenzialquotienten eines Fehlanzeigesignals in bezug auf die Zeit entsprechen. Diese Bedingungen können dadurch erreicht werden, daß man geeignete Stromkreise in die Leitung 31 gemäß F i g. 2 einfügt. Sie sind zur Erzielung eines stabilen Systems unter schwierigen Bedingungen erforderlich.
Soll der Gleichrichter 19 nach ganzzahligen Vielfachen einer vollen Periode der Speisespannung geschaltet werden, so ist ein durch 2 zu teilender Kreis in Leitung 45 vorgesehen, so daß von je zwei der Leitung 25 zugeführten Impulsen je einer das Rückführnetzwerk erreicht.

Claims

Patentansprüche: 1. Elektrischer Zweipunktregler zur Regelung der mittleren Energie, die einer Last zugeführt wird, bei dem die Regelabweichung über einen Verstärker und einen Modulator einem das Stellglied impulsweise steuernden Kippglied zugeführt ist, an dessen Ausgang ein RC-Rückführnetzwerk angeschlossen ist, das eine Rückführgröße liefert, die der Regelabweichung überlagert wird, d adurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltung ein UND-Glied (24) enthält, dessen erstem Eingang die in einem Vergleicher (29) gebildete Differenz zwischen Regelabweichung und Rückführgröße zugeführt ist, an dessen zweitem Eingang ein Impulsgenerator (22) angeschlossen ist und dessen Ausgang mit dem Eingang eines monostabilen Multivibrators (30) verbunden ist, der die Steuerimpulse für das Stellglied (19) liefert.
2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an eine Wechselstromquelle (11,12) angeschlossene Last (13) mit einem das Stellglied (19) aufweisenden Steuerkreis (14) in Reihe geschaltet ist, der bei Auslösung durch einen Steuerimpuls am Anfang einer halben Wechselstromperiode einen niedrigen resultierenden Widerstand für die Dauer dieser halben Periode und bei Nichtauslösung einen hohen resultierenden Widerstand darstellt.
3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daB der Steuerkreis (14) als Stellglied einen oder mehrere Siliziumgleichrichter (19) aufweist, deren Steuerelektroden die Auslöseimpulse zugef ührt werden.
4. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daB eine Brückenschaltung (35, 36, 37) zur Ermittlung der Regelabweichung vorgesehen ist, die ein veränderliches, durch einen Kennwert (Istwert) bestimmtes Glied (36) und ein zweites, auf einen vorbestimmten Wert (Sollwert) einstellbares Glied (37) aufweist.