DE1295896B - Regeleinrichtung fuer die Regelung von stroemenden Medien - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für die Regelung von strömenden Medien, bestehend aus einem Magnetventil als elektrisch angetriebenem Stellglied und einem auf das Magnetventil arbeitenden elektrischen Regler, wobei die Stellgröße in Form von Impulsen mit Hilfe eines Impulsformers in Abhängigkeit von der Regelabweichung gebildet wird. Bei einer bekannten Regeleinrichtung der beschriebenen Art (vgl. die Zeitschrift »Automatisierung«, Jg.1959, Heft 11, S.12 bis 14) wird in Abhängigkeit von der Regelabweichung eine Impulsbreiten-Modulation durchgeführt mit dem Ergebnis, daß durch Änderung der Öffnungszeiten, genauer durch Änderung des Verhältnisses Öffnungszeit zu Schließzeit geeigneter Magnetventile das strömende Medium geregelt wird. Man erreicht somit eine quasistetige Regelung, die in ihrer ältesten Ausführung als Tirrill-Regler für die Spannungsregelung von Stromerzeugern bekannt ist. Voraussetzung für die Anwendbarkeit einer solchen Regeleinrichtung, bei der das Magnetventil nur die beiden dualen Zustände »geschlossen« und »geöffnet« kennt, ist eine Regelstrecke, die eine genügende Speicherwirkung besitzt. Die bekannte Regeleinrichtung läßt sich z. B. ohne weiteres zur Niveau-Regelung in einem Flüssigkeitsbehälter einsetzen.
• In verschiedenen Anwendungsfällen ist eine Regelung von strömenden Medien, die durch die Änderung des Verhältnisses Öffnungszeit zu Schließzeit geeigneter Magnetventile erfolgt, nicht geeignet. Das gilt insbesondere dann, wenn mehrere zu regelnde strömende Medien zusammengeführt werden und bei der Zusammenführung miteinander chemisch reagieren. In solchen Anwendungsfällen ist eine stetige Regelung unerläßlich.
• Man hat bereits Regeleinrichtungen für die Regelung von strömenden Medien verwirklicht, bei denen ein pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Ventil als Stellglied Verwendung findet. Eine solche Ausführungsform ist nicht frei von Nachteilen. Einerseits wird neben der elektrischen Hilfsenergie, die für die Erfassung des Ist-Wertes, den Vergleich des Ist-Wertes mit dem Soll-Wert und zum Betrieb des Reglers erforderlich ist, eine weitere Hilfsenergie benötigt, andererseits ergeben sich bei pneumatisch oder hydraulisch betätigten Ventilen als Stellglieder Stellzeiten, die nicht befriedigen.
• Es ist auch bereits bekannt, Regeleinrichtungen für die Regelung von strömenden Medien mit Ventilen als Stellglieder auszurüsten, die elektromotorisch angetrieben werden. Dabei ist es auch bekannt (vgl. die Zeitschrift »Archiv für Elektrotechnik«, Jg. 1960, S. 581 und deutsche Patentschrift 948 262), die verwendeten elektromotorischen Antriebe durch impulsbreitenmodulierte Impulse zu betreiben. Die Verwendung von elektromotorisch angetriebenen Ventilen als Stellglieder führt jedoch zu Stellzeiten, die insbesondere in der chemischen Industrie nicht in Kauf genommen werden können.
• Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Regeleinrichtung für die Regelung von strömenden Medien zu schaffen, die eine stetige Regelung zuläßt, außer der elektrischen Hilfsenergie keine weiteren Hilfsenergien benötigt und sich durch extrem geringe Stellzeiten und hohe Regelgenauigkeit auszeichnet.
• Diese Aufgabe wird bei einer Regeleinrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Impulsformer als Hilfsregelkreis ausgeführt ist, in dem eine der Stellung des Ventilkörpers des Magnetventils proportionale Größe dessen Regelgröße, eine der Regelabweichung im Regelkreis proportionale Größe dessen Führungsgröße und die Impulse dessen Stellaröße sind, und daß einer positiven Regelabweichung im Hilfsregelkreis der Nullwert und einer negativen Regelabweichung der Stromwert der Impulsfolge zugeordnet ist.
• Es ist zwar bekannt (vgl. das Buch von Sehäfer, »Grundlagen der selbsttätigen Regelung«, 1953, Franzis-Verlag, München, S. 138 bis 140), bei einer Regeleinrichtung für die Regelung strömender Medien, bei der ein elektromotorisch angetriebenes Ventil als Stellglied verwendet wird, dessen Stellgröße in Form von Impulsen mit Hilfe eines Impulsformers in Abhängigkeit von der Regelabweichung gebildet wird, eine der Stellung des Ventilkörpers des elektromotorisch angetriebenen Ventils proportionale Größe starr zurückzuführen und dadurch eine stetige Regelung zu verwirklichen. Diese bekannte Regeleinrichtung hat jedoch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe einer Lösung nicht nähergebracht, da durch die Verwendung eines elektromotorisch angetriebenen Ventils als Stellglied eine stetige Regelung ohne weiteres bereits möglich war, während bei der Verwendung eines Magnetventils eine solche stetige Regelung bisher nicht möglich war.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß unter Verwendung eines Magnetventils als elektrisch angetriebenem Stellglied eine Regeleinrichtung für die Regelung von strömenden Medien geschaffen worden ist, die eine stetige Regelung des strömenden Mediums mit extrem geringen Stellzeiten und hoher Regelgenauigkeit ermöglicht, ohne daß außer der elektrischen Hilfsenergie eine weitere Hilfsenergie erforderlich wäre. Gegenüber einer Regeleinrichtung mit elektromotorisch, pneumatisch oder hydraulisch angetriebenem Ventil als Stellglied ist ein weiterer Vorteil darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Regeleinrichtung auch praktisch hysteresefrei arbeitet. Vorteilhaft ist gegenüber der Verwendung von elektromotorisch angetriebenen Ventilen auch die Tatsache zu werten, daß das Magnetventil bei Ausfall der Stromversorgung auf einfache Weise in eine definierte Endlage gebracht werden kann.
• Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Regeleinrichtung für die Regelung von strömenden Medien weiter auszugestalten, wobei Maßnahmen verwirklicht werden, die an sich im Stand der Technik bekannt sind. So besteht eine bevorzugte Ausführungsform nach weiterer Lehre der Erfindung darin, daß der Impulsformer als Eingangsschaltung eine Brückenschaltung aufweist, die aus einer in Abhängigkeit von der Regelabweichung des Regelkreises einstellbaren ersten Brückenhälfte mit Abgriff und einer in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers des Magnetventils einstellbaren zweiten Brückenhälfte mit Abgriff besteht. Zur Beeinflussung des Regelverhaltens kann vorteilhaft ein Netzwerk mit Proportionalglied bzw. Differentialglied der Brückenschaltung nachgeschaltet sein. Um auch das Magnetventil selbst in seinem Zeitverhalten beeinflussen zu können, schlägt die Erfindung weiter vor, das Magnetventil mit einer Dämpfungseinrichtung auszurüsten. Eine konstruktiv einfache Ausführungsform der Erfindung ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer an das Magnetventil angebaut ist.
• Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigt F i g. 1 einen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung aufgebauten Regelkreis in schematischer Darstellung, F i g. 2 eine graphische Darstellung möglicher Impulse, die mit Hilfe eines Impulsformers in Abhängigkeit von der Regelabweichung gebildet werden, F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Regelverhaltens bei Verwendung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, F i g. 4 eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, F i g. 5 schaltungsmäßige Einzelheiten eines in der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung verwendeten Impulsformers und F i g. 6 einen Schnitt durch ein Magnetventil, daß für die erfindungsgemäße Regeleinrichtung verwendet werden kann.
• Die in der F i g. 1 dargestellte Regeleinrichtung besteht aus einem Magnetventil 1 als elektrisch angetriebenem Stellglied einer Regelstrecke und einem auf das Magnetventil 1 arbeitenden elektrischen Regler 6, wobei die Stellgröße in Form von Impulsen 9 mit Hilfe eines Impulsformers 8 in Abhängigkeit von der Regelabweichung 7 gebildet wird. Das im Rahmen der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung verwendete Magnetventil l weist im Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 einen druckentlasteten Ventilkörper 2, einen Kernzugmagneten 3, eine Rückstellfeder 4 und eine Dämpfungseinrichtung 5 auf. Der Ventilkörper 2 ist mit der Ventilspindel 28 verbunden, auf die der Kernzugmagnet 3 und die Rückstellfeder 4 arbeitet. Die Dämpfungseinrichtung 5 besteht aus dem mit der Ventilspindel 28 verbundenen Kolben 29, der den Raum 30 in zwei Raumteile a, b trennt, die durch eine Umgehungsleitung 31 mit eingebauter Drossel 32 verbunden sind. Es erübrigt sich, die Wirkungsweise dieser an sich bekannten Dämpfungseinrichtung 5 zu beschreiben.
• Erfindungsgemäß ist der Impulsformer 8 als Hilfsregelkreis ausgeführt, in dem eine der Stellung des Ventilkörpers 2 des Magnetventils 1 proportionale Größe dessen Regelgröße, eine der Regelabweichung 7 im Regelkreis proportionale Größe dessen Führungsgröße und die Impulse 9 dessen Stellgröße sind. Dabei ist einer positiven Regelabweichung im Hilfsregelkreis der Nullwert der Impulsfolge und einer negativen Regelabweichung der Stromwert der Impulsfolge zugeordnet. Die F i g. 2 erläutert, daß eine Regelabweichung 7 in Abhängigkeit von dem verwendeten Magnetventil 1 in unterschiedliche Impulse 9 umgeformt werden kann. F i g. 3 dient der Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung. Die Kurve 10 beschreibt eine angenommene, durch die Verhältnisse des Regelkreises vorgeschriebene über der Zeit veränderliche Stellung des Ventilkörpers 2 des Magnetventils 1. Die Kurve 11 gibt im Gegensatz dazu schematisch die jeweils wirkliche Stellung des Ventilkörpers 2 des Magnetventils 1 an. Eine der Regelabweichung 7 im Regelkreis proportionale Größe, die in der F i g. 3 durch die Kurve 10 dargestellt ist, ist die Führungsgröße des Hilfsregelkreises. Bei einer positiven Regelabweichung im Hilfsregelkreis, d. h., wenn die Kurve 11 die Kurve 10 überschreitet, gibt der Impulsformer 8 den Nullwert der Impulsfolge, d. h., der Stromfluß durch das Magnetventil 1 wird unterbrochen und die Rückstellfeder 4 versucht, das Magnetventil 1 zu schließen. Unmittelbar, nach dem die Stellung des Ventilkörpers 2 des Magnetventils 1 unter der durch die Kurve 10 in F i g. 3 wiedergegebenen Führungsgröße liegt, also eine negative Regelabweichung im Hilfsregelkreis gegeben ist, gibt der Impulsformer 8 einen Stromimpuls ab, der dazu führt, daß durch die Kraft des Kernzugmagneten 3 der Ventilkörper 2 des Magnetventils 1 sich wieder in Öffnungsrichtung bewegt. Im Ergebnis wird also ein Schwingen des Ventilkörpers 2 des Magnetventils 1 um die durch die Führungsgröße vorgegebene Stellung um differentiell kleine Abweichungen stattfinden, so daß letztlich der Ventilkörper 2 im Magnetventil 1 zwischen der Schließstellung und der Offenstellung jede beliebige Zwischenlage einnehmen kann.
• Die F ig . 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung. Der Impulsformer 8 weist als Eingangsschaltung eine Brükkenschaltung 15 auf, die aus einer in Abhängigkeit von der Regelabweichung 7 des Regelkreises durch den Regler 6 einstellbaren ersten Brückenhälfte 16, 17 mit Abgriff 20 und einer in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers 2 des Magnetventils 1 einstellbaren zweiten Brückenhälfte 18 mit Abgriff 19 besteht. Die Verstellung der Brückenhälfte 18 kann z. B. durch ein mechanisches Verbindungselement 14 erfolgen. An die durch die Abgriffe 19 und 20 gebildete Brückendiagonale der Brückenschaltung 15 ist ein Kippverstärker 12 angeschlossen, dem ein Leistungsverstärker 13 nachgeschaltet ist. In dem in der F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brückenschaltung 15 noch ein Netzwerk 21 mit einem Kondensator und verstellbaren Widerständen 22 und 23 nachgeschaltet, womit das Zeitverhalten beeinflußt werden kann. Die Brückenschaltung 15, der Kippverstärker 12 und der Leistungsverstärker 13 werden über einen Transformator 25 und nachgeschaltete Brückengleichrichter vom Netz gespeist.
• F i g. 5 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform des Kippverstärkers 12, die mit Transistoren 24 aufgebaut .ist und im einzelnen nicht der Beschreibung bedarf.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Regeleinrichtung für die Regelung von strömenden Medien, bestehend aus einem Magnetventil als elektrisch angetriebenem Stellglied und einem auf das Magnetventil arbeitenden elektrischen Regler, wobei die Stellgröße in Form von Impulsen mit Hilfe eines Impulsformers in Abhängigkeit von der Regelabweichung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (8) als Hilfsregelkreis ausgeführt ist, in dem eine der Stellung des Ventilkörpers (2) des Magnetventils (1) proportionale Größe dessen Regelgröße, eine der Regelabweichung (7) im Regelkreis proportionale Größe dessen Führungsgröße und die Impulse (9) dessen Stehgröße sind, und daß einer positiven Regelabweichung im Hilfsregelkreis der Nullwert und einer negativen Regelabweichung der Stromwert der Impulsfolge zugeordnet ist.
2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (8) als Eingangsschaltung eine Brückenschaltung (15) aufweist, die aus einer in Abhängigkeit von der Regelabweichung (7) des Regelkreises einstellbaren ersten Brückenhälfte (16,17) mit Abgriff (20) und einer in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers (2) des Magnetventils (1) einstellbaren zweiten Brückenhälfte (18) mit Abgriff (19) besteht.
3. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk (21) mit Proportionalglied bzw. Differentialglied der Brückenschaltung (15) nachgeschaltet ist.
4. 4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (1) mit einer Dämpfungseinrichtung (5) ausgerüstet ist.
5. 5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (8) an das Magnetventil (1) angebaut ist.