DE1448796B2

DE1448796B2 -

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Publication number: DE1448796B2
Application number: DE19621448796
Authority: DE
Priority date: 1962-01-25
Filing date: 1962-11-06
Publication date: 1970-10-29
Also published as: GB993914A; NL288142A; US3292852A; DE1448796A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine pneumatische Schal- dungsleitung zwischen dem Regelglied und dem Um-

tungsanordnung mit mehreren Verzögerungsstufen former eingeschaltet ist.

einschließlich mindestens einer Integrierstufe zur Insbesondere die Einhaltung der gewünschten Si-

Nachbildung der zwischen dem Auftreten einer gnalform ohne Überschwingen und Unstetigkeiten

Größenänderung innerhalb einer Regelstrecke und 5 sowie exakte Justierbarkeit wird erfindungsgemäß

dem Erfassen der Auswirkung dieser Änderung auf gewährleistet, wenn der erste Gegenkopplungsumfor-

eine überwachte Regelgröße des Verfahrens be- mer der Integrierstufe durch Druckluft von einem

stehenden Zeitverzögerung (Totzeit). durch das zweite Summationsglied betätigten pneu-

Derartige Schaltungsanordnungen sind allgemein matischen Regelglied beaufschlagt wird, wobei es bekannt und gebräuchlich und verwenden in der io vorteilhaft ist, wenn zur weiteren Signalformung die Regel zur Erzeugung der Zeitverzögerung den bei Druckluft über eine pneumatische Verzögerungsvorkonstanter Druckluftzuführung in einen Hohlraum richtung dem Mitkopplungsumformer und über eine ansteigenden Druck oder das sich vergrößernde Vo- weitere pneumatis^he^-Verzögerungsvorrichtung dem lumen eines Balgens innerhalb vorbestimmter Grenz- verzögert ansprechenden Gegenkopplungsumformer werte. 15 zuführbar ist.

Darüber hinaus ist es auch bekannt, mit elek- Insgesamt gewährleistet die Erfindung, also sowohl

tronischen Schaltungen Verzögerungen beliebiger durch die erfinderischen Einzelmerkmale als auch

Verzögerungszeit zur Darstellung mathematischer durch die Kombination und Unterkombinationen der

Ableitungen beliebiger Ordnung aufzubauen. beanspruchten Merkmale, die Einsparung aufwen-

Dem Bekannten haftet allgemein insbesondere der 20 diger Verzögerungsglieder erster Ordnung in Serien-Nachteil an, daß längere Totzeiten nur durch Hinter- schaltung und schafft eine exakt arbeitende und eineinanderschaltung einer entsprechend großen Anzahl fach justierbare, kompakte und verhältnismäßig billig von einzelnen Verzögerungsgliedern erreichbar sind. herstellbare Schaltungsanordnung.
Der schaltungstechnische und kostenmäßige Auf- Auf eine an den Eingang an der Schaltung angewand dieser Anlagen ist dabei unverhältnismäßig 25 legte Sprungfunktion läßt sich erfindungsgemäß z. B. groß. Darüber hinaus treten bei den bekannten An- ohne weiteres ein Ausgangssignal erreichen, welches Ordnungen häufig Überschwingungen und Unstetig- erst nach einer Verzögerungszeit von 10 Minuten einkeiten im erzeugten Signal auf. setzt und dann langsam auf einen bestimmten Wert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ansteigt, wobei die Zeitverzögerung bis zum Einset-Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere 30 zen des Signals lediglich 40 % der Gesamtzeit daralso eine Schaltungsanordnung zur Nachbildung von stellt, die verstreicht, bis das Ausgangssignal der Totzeiten zu schaffen, die unter Einsparung von Bau- Schaltung den vollen vorbestimmten Wert erreicht, teilen und in Abweichung von bisher bekannten Die Erfindung ist im folgenden in einem Ausfüh-Serienschaltungen die Erzeugung exakt verlaufender rungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erSignale mit längerer Zeitverzögerung ermöglicht. 35 läutert. Es zeigt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Regelkreises mit

löst, daß einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

a) die erste Verzögerungsstufe ein mechanisches F i g. 2 eine schematische Darstellung der Kon-Summationsglied aufweist, welches über einen struktionseinzelheiten der erfindungsgemäßen Schal-Umformer mit einer einem Eingangssignal pro- 40 tungsanordnung und

portionale Kraft, die eine Sprungfunktion einer Fig. 3, 3A, 3B und 3C graphische Darstellungen

pneumatischen Druckänderung darstellt, beauf- des Signalverlaufs an verschiedenen Punkten der

schlagt wird und ein Ausgangssignal mit einer Schaltung.

Phasenverschiebung von 180° im Augenblick Gemäß F i g. 1 ist ein Behälter 10, in welchem ein

des Anstiegs des Eingangssignals erzeugt, und 45 bestimmter Verfahrensablauf stattfindet, mit einer

daß an das Summationsglied ein pneumatisches Einlaßleitung 12 versehen, durch die das zugeführte

Regelglied sowie über eine pneumatische Signal- Medium fließt. An der Oberseite des Behälters 10 ist

verzögerungseinrichtung eine proportionale ein Austrittsrohr 14 für das Kopfprodukt vorgesehen,

Gegenkopplungsschaltung angeschlossen sind, während die Unterseite ein Austrittsrohr 16 für das

b) die Integrierstufe ein zweites Summationsglied 5° Bodenprodukt aufweist.

aufweist, welches durch einen Umformer mit In das Einlaßrohr 12 ist eine Durchfluß-Meßeineiner dem Ausgangssignal der ersten Stufe ent- richtung 18 bekannter Art eingeschaltet, wahrend das sprechenden Kraft beaufschlagbar ist, daß an obere Austrittsrohr 14 ein Durchfluß-Regelventil 20 das zweite Summationsglied ein unmittelbar an- zur Einstellung der Durchsatzgeschwindigkeit des von sprechender Gegenkopplungsumformer, ein ver- 55 der Oberseite des Behälters entnommenen Produkts zögert ansprechender Mitkopplungsumformer aufweist. Bekanntlich muß das Ventil 20 bei einer und ein verzögert ansprechender Gegenkopp- Änderung der Menge des durch das Einlaßrohr 12 lungsumformer angeschlossen sind und daß der fließenden Mediums entsprechend nachgestellt wer-Druck im Mitkopplungsumformer als ge- den, um die einwandfreie Arbeitsweise des Verfahrwünschte Regelgröße für den Verfahrensablauf 60 rens aufrechtzuerhalten. Diese Arbeitsweise wird gedient, wohnlich als »Vorausregelung« bezeichnet.
Ein besonder^ einfacher Aufbau sowie gute Justier- Die Auswirkung einer Mengenänderung des Zueigenschaften lassen sich erzielen, wenn das Regel- fuhrmaterials erreicht jedoch das Austrittsrohr 14 erst glied ein Prallplattensystem und einen mit diesem nach einer beträchtlichen Zeitspanne, da das Erzeugpneumatisch gekoppelten Umformer aufweist. 65 nis im Behälter einen längeren Weg zurücklegen muß. Die Nachahmung extrem langer Verzögerungszei- Daher ist es für den gleichmäßigen Ablauf des Verten wird besonders einfach gestaltet, wenn eine pneu- fahrens notwendig, die Einstellung des Regelventil matische Verzögerungsvorrichtung in die Verbin- um eine Zeitspanne zu verzögern, die der Zeit ent-

spricht, welche das Medium benötigt, um von der Meßeinrichtung 18 zum Regelventil 20 zu gelangen.

Zu diesem Zweck wird das von der Meßvorrichtung 18 abgegebene Signal einem Verzugszeit-Simulator in Form der Schaltungsanordnung 22 zugeführt, die erst nach Ablauf einer der Zeitverzögerung des Behälters 10 entsprechende Zeitspanne nach dem Eintreffen des ihm zugeführten Signals ein eigenes Signal abgibt. Dieses vom Simulator 22 abgegebene Signal wird einem herkömmlichen Durchflußregler 24 eingespeist, der das Regelventil 20 zur entsprechend der durch das Einlaßrohr 12 fließenden Gutmenge verstellt.

"Gemäß F i g. 2 besteht die Schaltungsanordnung 22 aus zwei getrennten Stufen 26 und 28, die jeweils pneumatische Regelbauteile in entsprechender Anordnung aufweisen. Alle dargestellten Balgen weisen daher gleiche Größe auf, so daß sie gleich große Kräfte erzeugen, wenn sie unter gleichem Druck stehen.

Wenn im Betrieb ein plötzlicher Anstieg der Menge des durch das Einlaßrohr 12 fließenden Mediums auftritt, erzeugt die Durchfluß-Meßeinrichtung 18 gemäß Fig. 3 A ein entsprechendes, stufenförmiges Signal in Form einer Erhöhung des an einen Umformer in Form eines Balgens 30 angelegten pneumatischen Drucks. Dieser Druckanstieg trachtet danach, den als Summationsglied ausgelegten Balken 32 einer Kraftwaage an seinem Schwenkpunkt 34 von einer Druckluftdüse 36 weg im Uhrzeigersinn zu drehen. Diese Düse ist über eine gewöhnliche Drossel-Relais-Anordnung 38 mit einer unter einem Druck von beispielsweise 1,4 kg/cm² stehenden Druckluftquelle verbunden.

Wenn sich der Balken 32 von der Mündung der Düse 36 wegbewegt, erhöht sich der Luftdurchsatz durch die Düse und sinkt der Druck an der Düse dementsprechend ab, und zwar auf Grund des erhöhten Druckabfalls über der in der Zufuhrleitung vorgesehenen Drossel. Eine derartige Prallplatten-Anordnung stellt einen pneumatischen Signalverstärker mit sehr hoher Empfindlichkeit dar, wobei die gesamte Amplitude des von der Düse abgegebenen Signals beispielsweise bei einem maximalen Ausschlag des Balkens 32 von weniger als 0,025 mm erreicht werden kann.

Der Druckabfall an der Düse wird durch ein Relais 38 auf einen Rückführbalgen 40 übertragen, wobei das Relais dazu dient, ein dem Druck an der Düse entsprechendes verstärktes Signal zu erzeugen. Die sich higiaus ergebende Verringerung des durch den B algen'ϊό auf den Balken 32 ausgeübten Drehmoments trachtet danach, dem durch den Balgen 30 ausgeübten Drehmoment entgegenzuwirken, was zur Folge hat, daß der Balken 32 praktisch in seiner Lage verbleibt.

Der im Balgen 40 herrschende Druck stellt das von der ersten Stufe 26 abgegebene Signal dar und steht^ unmittelbar mit einer Ausgangsleitung 42 in Verbindung. Im Fall eines plötzlichen Ansteigens des_an die_ erste Stufe angelegten Drucks besteht daher die erste ■'' Auswirkung auf die Ausgangsleitung 42 in einem entsprechenden Druckabfall. Dieser Signalverlauf ist in Fig.3B dargestellt.

Der an den Balgen 30 der ersten Stufe 26 angelegte Eingangsdruck wird ebenfalls über eine aus einem Drosselstück und einem Speicher bestehenden Signalverzögerungseinrichtung 44 mit einer Zeitkonstante von 1 Minute den beiden restlichen Balgen 46 und 48 dieser Stufe zugeführt. Im Augenblick des Druckanstiegs tritt zunächst auf Grund der Verzögerungswirkung der Signalverzögerungseinrichtung 44 keine unmittelbare Druckänderung in den Balgen 46 und 48 auf, doch steigt der Druck allmählich an und übt ein entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment auf den Balken 32 aus, welches danach trachtet, den Balken wieder der Düse 36 zu nähern.

ίο Hierdurch wird die Drosselwirkung für den Luftaustritt aus der Düse 36 erhöht, so daß sich der Djnick an der Düse in entsprechender Weise so weit efliÖht, wie es zur Aufrechterhaltung eines Ausgleichs zwischen dem durch den Balgen 40 auf den Balken 32 ausgeübten Drehmoment und dem durch die anderen drei Balgen hervorgebrachten Gesamt-Drehmoment erforderlich ist. Dieser Druckanstieg im Balgen 40 ist in Fig. 3B dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß der Druck den Nullpunkt nach einer mäßig langen Zeitspanne kreuzt und schließlich einen neuen positiven Wert erreicht, der größer ist als der Druck vor dem Einleiten dieses Vorgangs. Das Endergebnis ergibt sich aus der Tatsache, daß die Balgen 30, 46 und 48 schließlich unter gleichem Druck stehen und zu diesem Zeitpunkt ein entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtetes resultierendes Drehmoment auf den Balken 32 ausüben, welches dem anfänglich durch den Balgen 30 ausgeübten Drehmoment gleich ist.

Obgleich die vorstehende Erläuterung der Arbeitsweise der ersten Stufe 26 an Hand ihres Zeitverhaltens vorgenommen wurde, ist es zweckmäßig, die Arbeitsweise der Stufe 26 ebenfalls hinsichtlich ihres Frequenzverhaltens zu erläutern. Dabei ergibt sich, daß die erste Stufe einen Phasenschieber darstellt, der eine Phasenverschiebung von 180° zu gewährleisten vermag, wobei die Ausgangsamplitude für alle in der Praxis bei industriellen Verfahrens-Steuerungsproblemen in Frage kommenden Frequenzen, d. h. bis zu mindestens 10 Hz, im wesentlichen konstant bleibt. Bei einer auf eine Zeitkonstante von 1 Minute eingestellten Signalverzögerungseinrichtung 44 aus Drossel und Speicher bringt die erste Stufe 26 bei einer Frequenz von etwa 0,16Hz eine Phasenverschiebung von 90° und bei Frequenzen von 1,6 Hz und höher eine Phasenverschiebung von etwa 180° hervor.

Die Ausgangsleitung 42 der ersten Stufe 26 leitet das pneumatische Drucksignal über eine aus einer Drossel und einem Speicher bestehende Verzögerungsvorrichtung 50 mit einer Zeitkonstante von 3 Minuten zu einem Balgen 52 der zweiten Stufe 28. Dieser Balgen übt ein^ehtgegen dem Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment auf ein Summationsglied aus, das als bei 56 schwenkbar gelagerter Balken 54 ausgebildet ist. Der Balken steuert eine über eine gewöhnliche Drossel-Relais-Anordnung 60 mit einem Rückführbalgen 62 verbundene Düse 58. Das vom Relais 60 abgegebene Signal wird über ein aus einer Drossel und einem Speicher bestehendes Verzöge-

J5.P ..ningsglied 64 mit einer Zeitkonstante von 5 Minuten einem als Balgen 66 ausgebildeten Mitkopplungsumformer zugeführt.

Die kombinierte Wirkung des als Gegenkop'plungsumformer wirkenden Balgens 62 und des Balgens 66 mit verzögerter Wirkung bewirkt eine Summierung, wobei der im Balgen 66 herrschende Druck das Zeitintegral des durch den Balgen 52 und einen zweiten als Gegenkopplungsumformer wirkenden Balgen 68

auf den Balken 54 ausgeübten Netto-Drehmoments darstellt. Der Balgen 68 wird über eine aus einer Drossel und einem Speicher bestehende Verzögerungsvorrichtung 70 mit einer Zeitkonstante von 5 Minuten durch eine 1: !.-Trenneinrichtung 72 unter Druck gesetzt, die ihrerseits durch den von der Integriereinrichtung erzeugten Druck, d. h. vom Balgen 66, beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird der von der Integriereinrichtung abgegebene Druck über eine Zeitverzögerungsanordnung an ihren Eingang gegengekoppelt.

Der von der zweiten Stufe 28 erzeugte integrierte ;. Enddruck wird von der Trenneinrichtung 72 über ein aus einer Drossel und einem Speicher bestehendes Verzögerungsglied 74 mit einer Zeitkonstante von 1 Minute an die zum Durchflußregler 24 führende Ausgangsleitung 76 angelegt. Das Verzögerungsglied 74 dient ebenso wie das Glied 50 zur Glättung des Ausgangssignals.

Aus dem Zeitdiagramm gemäß Fig. 3B ist ersiehtlieh, daß, da das Ausgangssignal der ersten Stufe 26 zuerst negativ wird und sich dann langsam auf einen positiven Wert umkehrt, das Integral über das von der ersten Stufe abgegebene Signal nach einer beträchtlichen Verzögerungszeit T₁ Null wird. Infolgedessen bewirkt das von der zweiten Stufe 28 der Integriereinrichtung abgegebene Signal die Nachahmung einer Verzugszeit während dieser Zeitspanne. Jegliche Neigung dieses Signals, während dieser Zeitspanne von seinem anfänglichen Wert abzuweichen, wird durch die Verzögerungsvorrichtungen 50 und 74 sowie. den verzögert arbeitenden Gegenkopplungsumformer 68 verringert, wobei diese letztgenannten Glieder außerdem dazu dienen, die Länge der Verzugszeit auszudehnen. Zwecks Verminderung unerwünschter Schwankungen ist außerdem mit dem Balgen 62 ein Speicher 78 verbunden.

Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend angegebenen Zeitkonstanten für die einzelnen Verzögerungsvorrichtungen die gewünschte lange Verzögerungs- zeit zu gewährleisten vermögen, wobei zu beachten ist, daß wesentliche Veränderungen der Verhältnisse zwischen diesen Zeitkonstanten die erreichte Verzugszeit zunichte machen können. Weiterhin ist zu beachten, daß die Integrierstufe 28 so angepaßt ist, daß sich der Schwenkpunkt 56 bei ²/3 der Länge des Balkens 54 befindet. Es hat sich gezeigt, daß dies eine vorteilhafte Einstellung im Hinblick auf die anderen Parameter der Schaltungsanordnung darstellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Pneumatische Schaltungsanordnung mit mehreren Verzögerungsstufen einschließlich mindestens einer Integrierstufe zur Nachbildung der zwischen dem Auftreten einer Größenänderung innerhalb einer Regelstrecke und dem Erfassen der Auswirkung dieser Änderung auf eine überwachte Regelgröße des Verfahrens bestehenden Zeitverzögerung (Totzeit), dadurchgekennzeichnet, daß

a) die erste Verzögerungsstufe ein mechanisches Summationsglied (32) aufweist, welches über einen Umformer (30) mit einer einem Eingangssignal proportionalen Kraft, die eine Sprungfunktion einer pneumatischen Druckänderung darstellt, beaufschlagt wird und ein Ausgangssignal (B) mit einer Phasenverschiebung von 180° im Augenblick des Anstiegs des Eingangssignals erzeugt, und daß an das Summationsglied ein pneumatisches Regelglied (36, 38, 40) sowie über eine pneumatische Signalverzögerungseinrichtung (44) eine proportionale Gegenkopplungsschaltung (46, 48) angeschlossen sind,

b) die Integrierstufe (28) ein zweites Summationsglied (54) aufweist, welches durch einen Umformer (52) mit einer dem Ausgangssignal (B) der ersten Stufe entsprechenden Kraft beaufschlagbar ist, daß an das zweite Summationsglied ein unmittelbar ansprechender Gegenkopplungsumformer (62), ein verzögert ansprechender Mitkopplungsumformer (66) und ein verzögert ansprechender Gegenkopplungsumformer (68) angeschlossen sind und daß der Druck (CJ im Mitkopplungsumformer (66) als gewünschte Regelgröße für den Verfahrensablauf dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied ein Prallplattensystem (36, 38) und einen mit diesem pneumatisch gekoppelten Umformer (40) aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine pneumatische Verzögerungsvorrichtung (50) in die Verbindungsleitung (42) zwischen dem Regelglied (36, 38, 40) und dem Umformer (52) eingeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gegenkopplungsumformer (62) der Integrierstufe (38) durch Druckluft von einem durch das zweite Summationsglied (54) betätigten pneumatischen Regelglied (58, 60, 62) beaufschlagt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die' Druckluft über eine pneumatische Verzögerungsvorrichtung (64) dem Mitkopplungsumformer (66) und über eine weitere pneumatische Verzögerungsvorrichtung (70) dem verzögert ansprechenden Gegenkopplungsumformer (68) zuführbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen