DE1963228B2

DE1963228B2 - Regeleinrichtung mit einstellbarem p bereich

Info

Publication number: DE1963228B2
Application number: DE19691963228
Authority: DE
Inventors: Kristian Soenderborg Iversen (Dänemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1969-12-17
Filing date: 1969-12-17
Publication date: 1972-02-24
Also published as: CH518591A; GB1339258A; DE1963228A1; US3704404A; DK128031B; SE392773B

Description

Die r.rfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung mit einstellbarem P-Bcrcich. bei der einem ims'ctigcn Regler ein elektrisches Stellglied mit /-Verhalten über eine in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Reglers ansprechende und die Leistung^ zufuhr des Stellgliedes ein- und ausschaltende Schaltvorrichtung nachgeschaltet und die durch eine elektrische Spannung dargestellte Regelabweichung im Eingangskreis des Reglers der am Ausgang eines RC-Gliedes auftretenden Rückführspannung entgegengerichtet und die Ladespannung des 7?C-Gliedes synchron mit der Ein- und Ausschaltung des Stellgliedes ein- und ausschaltba- ist.

Bei einer bekannten Regeleinrichtung dieser Art ist die mittlere Stellgeschvvindigkeit des Stellgliedes, das ist die Änderung der Stellgröße pro Zeiteinheit, proportional dem Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer des Stellgliedes. Die Einschaltdauer wird hierbei durch die Zeit bestimmt, die der Kondensator des /?C-Gliedes bis zur Aufladung auf einen Wert benötigt, bei dem die Differenz der Spannung am /?C-Glied und der der Regelabweichung X_n. (oder der Regeldifferenz .Y,,= -Y₁₁.) entsprechenden Spannung Null ist oder einen vorbestimmten Wert unterschreitet, bei dem das Stellglied abgeschaltet wird. Die Ausschaltda* er wird durch die Zeit bestimmt, die der Kondensator des /?C-Gliedes bis zur Entladung auf einen Wert benötigt, bei dem diese Differenz wieder so groß ist, daß die Schaltvorrichtung anspricht und das" Stellglied wieder einschaltet. Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltdauer wird mithin auch von der Ladespannung, die die Spannung am RC-GIied bzw. an diesem Kondensator bei der Aufladung als Endwert anstrebt, und von der Zeitkonstanten des /?C-Gliedes bestimmt.

Der Betrag der Änderung der Größe dieses Verhältnisses in Abhängigkeit von der Größe der Regelabweichung ist aber auch mitbestimmend für die Verstärkung des Reglers und damit für die Stabilität des Regelkreises. Um nun zu erreichen, daß die Verstärkung des Reglers be^; übermäßig großen Regelabweichungen, wie sie beim Einschalten (Anfahren) oder bei starken Störgrößen auftreten, nicht zu klein und damit das Ausregeln der Regelabweichung nicht zu langsam erfolgt und bei kleinen Regelabweichungen nicht so groß ist, daß der Regelkreis instabil wird, d. h. sich selbst zu Schwingungen anregt, wird bei der bekannten Regeleinrichtung die für beide Faktoren maßgebende Breite des P-Bereichs X_n in Abhängigkeit von der Größe der zu erwartenden Regelabweichung eingestellt. (Unter P-Bercich soll hier derjenige Bc'cich der Regelabweichung oder der Regelgröße, der zu regelnden Größe, verstanden werden, in dem zwischen diesen und der Stellgeschwindigkeit des Stellgliedes Proportionalität herrscht.) Diese Einstellung erfolgt bei der bekannten Regeleinrichtung durch Ändern der Ladespannung des /?C-Glicdes über ein Potentiometer. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß sich gleichzeitig damit die Ladezeitkonstante des RC-Glicdes ändert, weil auch der Widerstand des Potentiometers in diese eingeht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich bei einer Änderung der Verstärkung des Reglers auch die Breite des P-Bercichs ändert, el. Ii. bei einer Erhöhung der Verstärkung wird der P-Bereich kleiner, und umgekehrt. Wählt man daher eine kleine Verstärkung, um bei verhältnismäßig großen Regelabweichungen eine stabile Regelung, insbesondere kein Überschwingen zu erzielen, dann erfolgt das Ausregcln der Regelabweichung verhältnismäßig langsam. Dies ist in vielen Fällen untragbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ^je Regeleinrichtung so auszubilden, daß die Breite (Jes P-"Bereiches und die Verstärkung unabhängig foneinander einstellbar sind.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend fön einer Regeleinrichtung der eingangs erwähnten /Vrt, dauurch gelöst, daß dem /?C-Glied eine Begrenjerschaliung vorgeschaltet ist, die die Spannung am jiC-Ciüed auf einen unterhalb der Ladespannung liegenden einstellbaren Wert begrenzt.

Durch die Einstellung des Grenzwertes der Spannung am /?C-Glied mit Hilfe der Begrenzerschaltung wird die Größe des P-Bereichs festgelegt. Diese Maßnahme hat, da die Ladespannung für das /?C-Glied Herbei unverändert bleiben kann, keinen Einfluß auf clic Ladezeitkonstante. Diese Zeitkonstante und damit die Verstärkung des Reglers kann vielmehr unabhängig von dem genannten Grenzwert eingestellt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Lösung besteht darin, daß das /?C-Glied über eine Schaltstrecke der Schaltvorrichtung und eine Diode mit einem Abgriff eines Spannungsteilers und der Verbindungspuiikt von Diode und Schaltstr=cke über einen Widerstand mit dem einen Pol der den Spannungsteiler speisenden Ladespannungsquelle verbunden ist.

Bei Verwendung eines reversierbaren Stellmotors als Stellglied ist die Erfindung zur Regelung in beiden Drehrichtungen dadurch weitergebildet, daß in der Schaltvorrichtung ein auf positive Ausgangssignale des Reglers ansprechendes Schaltglied und ein auf negative Reglerausgangssignale ansprechendes Schaltglied enthalten ist, daß zu dem einen Spannungsteiler ein zweiter Spannungsteiler in Reihe geschaltet ist, dessen Abgriff ebenfalls über eine Diode und eine Scha'tstrecke mit dem RC-G\\cd verbunden ist. wobei der Verbindungspunkt der zweiten Schalistreckc und der zweiten Diode über einen Widerstand mit dem anderen Pol der Ladespannungsquelle verbunden ist und ein mittlerer Punkt der Ladcspannungsquelle auf Bezugspotential liegt, und daß die zuerst erwähnte Schaltstreckc: gleichzeitig mit einer in einem Speisestromkreis für die eine Drehrichtung des Stellmotors liegenden Schaltstreckc durch das eine Schaltglied und die zweite Schaltstrecke gleichzeitig mit einer in einem Speisestromkreis für die andere Drehrichtung liegenden Schaltstreckc durch das andere Schaltglied bclätigbar ist.

Zur Einstellung des Grenzwertes können die Abgriffe der beiden Spannungsteiler über einen einstellbaren Widerstand verbunden sein.

Zur Einstellung der Zeitkonstanten ist vorzugsweise der Widerstand des /?C-Glicdcs einstellbar ausgebildet.

Die crfindungsgemüßc Ausgestaltung eignet siel·. nicht nur für bekannte Regeleinrichtungen, bei denen der Regler ein PD- oder P/D-Verhalten hat, sondern mit besonderem Vorteil auch für solche Einrichtungen, die einen P-Regler haben, der z. B. in an sich bekannter Weise einen Verstärker mit starrer Rückführung aufweist.

Die Erfindu.jjt und ihre Weiterbildungen werden im folgenden an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausfülirungsbcispiels näher erläutert.

F i g. I stellt das Schaltbild einer Regeleinrichtung nach der Erfindung dar.

In Fig. 2 sind statische Kennlinien der Abhängigkeit der Stellgeschwi.uligkeit des Stellgliedes der Regeleinrichtung nach F i g. I von der Regelabweichung dargestellt.

Bei der Regeleinrichtung nach Fig. : ist einem P-Regler, der einen über einen Widerstand R., von etwa 20 Megaohm rückgekoppelten Verstärker 1 hoher Verstärkung enthält, eine Schaltvorrichtung 2 nachgeschaltet. Die Schaltvorrichtung 2 enthält zwei Schaltglieder Zv₁ und K.„ bei denen es sich um Relais

ίο handeln kann. Das Schaltglied K_x spricht bei positiver und das Schaltglied K., bei negativer Ausgangsspannung des Verstärkers! an. Jedes Schaltglied öffnet und schließt jeweils zwei Schaltstrecken K'_x und K_xl bzw. K'₂ und Λ'.,.,, bei denen es sich um Relaiskon-

takte handeln kann. Die Schaltvorrichtung mit den Schallgliedern und Schaltstrecken kann jedoch auch rein elektronisch ausgebi'rier sein. Die Sehaltstrecke K'_x liegt in einem Speisesmmkreis für die eine Drehrichtung eines reversierbaren Stellmotors Λ/, der als

so Stellglied dient, und die Schaltstrecke K'., liegt in dem Speisestromkreis für die andere Drehrichtung. Je nachdem, ob K\ oder K'., geschlossen ist, dreht sich

der Motor in der einen oder in der anderen Richtung Der Stellmotor verstellt beispielsweise ein Ventil,

2S das den Durchfluß eines heißen Strömungsmedium* steuert. Das Strömungsmedium kann zum Heizen eines Raumes verwendet werden, dessen Temperatur geregelt werden soll. Der Istwert der Temperatur wird durch einen Temperaturfühler gemessen und mit einem einstellbaren Sollwert verglichen. Der Unterschied, die Regelabweichung X_n., wird dem Eingang des Verstärkers 1 in Form einer Spannung über einen Anschluß E und einen Widerstand R₁ von etwa 10 Kilo-Ohm zugeführt.

Am Eingang des Verstärkers 1 liegt ferner eine Rückführschaltung 3. Diese Rückführschaltung dient zur Einstellung der Breite des P-Bereiches und der Verstärkung der Regeleinrichtung oder, anders ausgedrückt, der Steigung der Kennlinie V (A^₁.), wobei V die Stellgeschwindigkeit des Stellgliedes, in diesem Beispiel also die Drehzahl des Stellmotors M ist.

Die Rückführschaltung 3 enthält zwei in Reihe geschaltete Spannungsteiler aus Widerständen R-, R_s und R_1n, R_u. Jeder Spannungstcilerabgriff c bzw. /

ist über eine Diode D₁ bzw. D., und einen Widerstand R₀ bzw. R,_t mit einem Pol α bzw. b einer Spannungsquellc verbunden, die eine Gleichspannung von etwa 76 Volt abgibt und deren Mittelpunkt auf Bezugspotential (Erde oder Masse) liegt. Die Verbindungs- punkte μ und h von Diode D₁ und Widerstand/?,.

■> , bzw. Diode D., und Widerstand R_n sind über die bei-

' den in Reihe geschalteten Schaltstrecken K_n und K.,., - miteinander verbunden. Zwischen dem Vcrbindungspunkt der beiden Spannungsteiler und der beiden Schaltstrecken K_n und K.,., liegt ein KC-Glied C₁. R_x. das aus einem Kondensator C₁ und einem einstellbaren Widerstand /?₄ besteht, die parallel geschaltet sind. Das RC-G\\cd C₁, R_x liegt feiner über einen verhältnismäßig hochohmigen Widerstand /?., von etwa

10 Mega( hm am Eingang des Verstärkers 1.

Die Abgriffe c und / der Spannungsteiler sind über einen einstellbaren Widerstand R_x., verbunden. Dadurch läßt sich das Potential der Abgriffe c und / und damit der die Breite des P-Bercichcs bestimmende Grenzwert der Spannung festlegen, auf die sich der Kondensator C₁ auflädt, wenn der Betrag der die Regelabweichung darstellenden Spannung unter Berücksichtigung des Verhältnisses der Werte der Wi-

derstände R₁ und R., größer als der Betrag der Grenzwertspannutif; ist.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der Regeleinrichtung im einzelnen und unter Bezugnahme auf Fi g. 2 näher erläutert. Dabei wird nur die eine Drehrichtung des Motors M betrachtet, bei der nur das eine Schaltglied K₁ und die zugehörigen Schaltstrekken K\ und AC₁₁ betätigt werden. Bei entgegengesetzter Drehrichtung ist die Wirkungsweise die gleiche, nur daß dann das Schaltglied K₂ und die zugehörigen Schaltstrecken K'₂ und AC₂₂ betätigt werden

Die Trägheit des Motors sei als so gering angenommen, daß er praktisch sofort mit voller Drehzahl läuft, wenn seine Betriebsspannung eingeschaltet ist.

Wenn keine Regelabweichung vorhanden ist, sind die Schaltsi recken K\ und K₁₁ geöffnet (unterbrochen), so daß der Motor stillsteht. Wenn jedoch eine Regelabweichung auftritt, die so groß ist, daß das Schaltglied K₁ anspricht, werden die Schaltstrecken K\ und AC₁₁ geschlossen. Der Motor beginnt zu laufen, und gleichzeitig lädt sich der Kondensator C₁ auf. Die Ladezeitkonstante des RC-Gliedes wird im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensators C₁ und den Wert des Widerstands R₄ bestimmt, der »5 als klein gegenüber dem Wert von R₃ angenommen ist. Die Spannung am Kondensator C₁ treibt einen Strom über R₃ und die der Regelabweichung X_n, entsprechende Spannung einen Strom über R₁. Beide Ströme überlagern sich im Verbindungspunkt F. und zwar mit entgegengesetztem Vorzeichen. Dies entspricht einer Gegeneinanderschaltung beider Spannungen im Verhältnis der Werte der Widerstände von R₁ und R₃. Wenn die Spannung am Kondensator C₁ so weit angestiegen ist. daß die Summe der Ströme im Punkt F Null ist oder einen Wert unterschreitet, bei dem die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 nicht ausreicht, das Schaltglied K₁ im betätigten Zustand zu halten, werden die Schaltstrecken K', und K₁ j geöffnet, so daß der Motor stehenbleibt. Gleichzeitig entlädt sich der Kondensator C₁ über den Widerstand R₄ solange, bis die Summe der Ströme im Punkt F einen Wert überschreitet, bei dem das Schal'elied K₁ wieder einschaltet. Jedesmal, wenn der Motor eingeschaltet ist, verringert er die Regelabweichung X„.. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die Regelabweichung wieder Null ist oder so weit abgenommen hat. bis die Verstärkerausgangsspannung nicht mehr ausreicht, das Schaltglied K₁ zum Ansprechen zu bringen. Das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer des Motors und mithin seine mittlere Stellgeschwindigkeit V oder Drehzahl hänst daher innerhalb des P-Bereiches X_n sowohl von der firöße der Regelabweichung ,Y₁₁. als auch von der Ladegeschwincligkeit des Kondensators C₁ ab. Die Abhängigkeit ist in F i g. 2 dargestellt. Je größer R₄. um so kleiner V, und je größer X₁,.. um so größer V. Die Grenze des P-Bereiches X_n in Richtung der Abszisse ist bestimmt durch das Potential des Punktes c. Denn wenn die Regelabweichung größer als dieser Grenzwert ist, müßte sich der Kondensator C₁ auf eine Spannung aufladen, die größer als die Spannung am Widerstand R₈ ist, um die der Regelabweichung entsprechende Spannung zu kompensieren, was dadurch ermöglicht wird, daß das Verhältnis von R„ zu R₄ kleiner gewählt ist als das von R₇ zu R_H. Sobald die Spannung an C₁ jedoch die Spannung am Widerstand R₈ überschreitet, wird die Diode D₁ leitend. Da der Spannungsteiler R₇, R₈ verhältnismäßig niederohmig gewählt ist, so daß das Potential des Punktes e unabhängig von der Belastung des Spannungsteilers nahezu konstant ist, lädt sich der Kondensator C₁ nicht weiter auf, so daß auch die Spannung am Kondensator C₁ fest auf diesem Wert gehalten wird. Solange die Regelabweichung über diesem Grenzwert liegt, läuft der Motor mit maximaler Diehzahl oder Stellgeschwindigkeit V. (In F i g. 2 ist die Drehzahl bzw. Stellgeschwindigkeit in Prozenten des Maximalwertes aufgetragen.) Dadurch wird bei Regelabweichungen, die diesen Grenzwert überschreiten, gewährleistet, daß die Regelabweichung mit höchster Geschwindigkeit ausgeregelt wird. Durch entsprechende Wahl des Widerstandes R₁., hat man es in der Hand, allein diesen Grenzwert festzulegen.

Die Steigung Tangens alpha der Kennlinien nach F i g. 2 innerhalb des Proportionalbereiches, und mithin die Kreisverstärkung des geschlossenen Reaelkreises, läßt sich allein durch entsprechende Wahl des Wertes des Widerstands R₄ bestimmen. Der Wert des Widerstandes R₄ bei \_m,„ ist bestimmt durch die Stabilitätsgrenze des Regelkreises.

Die Kennlinie mit dem Steigungswinkel v, erhält man dadurch, daß R₄ so eingestellt wird, daß das Spannungsteilerverhältnis R.: R₈ gleich R₆ : R₄ ist. Dann sind die Potentiale der Punkte e und g bei geschlossener Schaltstrecke K₁₁ und bei vollgeladenem Kondensator C₁ gleich, so daß die Diode D₁ keinen Einfluß auf die Abhängigkeit der Stellgeschwindigkeit V von der Regelabweichung Λ",,, hat.

Wenn R₄ so klein gewählt wird, daß R₆ : R₄ größei als R₇: R^ ist. dann ergibt sich eine Kennlinie mil dem Steigungswinkel \_r

Bei R₄ gleich Null ist der Steigungswinkel λ gleich 90^:. Die Regeleinrichtung arbeitet dann wie eint Dreipunktregeleinrichiung mit einer Neutralzone.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung mit einstellbarem P-Bereich, bei der einem unstetigen Regler ein elektrisches Stellglied mit /-Verhalten über eine in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Reglers »nsprechende und die Leistungszufuhr des Stellgliedes ein- und ausschaltende Schaltvorrichtung nachgeschaltet und die durch eine elektrische Spannung dargestellte Regelabweichung im Eingangskreis des Reglers der am Ausgang eines RC-Cliedes auftretenden Rückführspannung entgegengerichtet und die Ladespannung des WC-Gliedes lynchron mit der Ein- und Ausschaltung des Stellgliedes ein- und ausschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem RC-GWcd (C₁, J?₄) eine Begrenzerschaltung vorgeschaltet ist, die die Spannung am /?C-Glied (C₁, R_t) auf einen unterhalb der Ladespannung liegenden einstellbaren Wert begrenzt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das /?C-GIied über eine Schalistrecke (K_n) der Schaltvorrichtung (2) und eine Diode (D₁) mit einem Abgriff (e) eines Spannungsteilers (R₁, R₆) und der Verbindungspunkt (g) von Diode (D₁) und Schaltstrecke (Zv₁₁) über einen Wide, stand (W₆) mit dem einen Pol (α) der den Spannungsteiler speisenden Ladespannungstjuelle verbunden ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines reverlierbaren Stellmotors als Stellglied zur Regelung in beiden Drehrichtungen in der Schaltvorrichtung (2) ein auf positive Ausgangssignale des Reglers ansprechendes Schaltglied (K₁) und ein tuf negative Reglcrausgangssignale ansprechendes Schaltglied (K.,) enthalten ist, daß zu dem einen Spannungsteiler ein zweiter Spannungsteiler

!R_n, R_]o) in Reihe geschaltet ist. dessen Abgriff /) ebenfalls über eine Diode (D.,) und eine Schalt-Strecke (K.,.,) mit dem RC-GYtcd verbunden ist. ivobei der Verbindungspunkt (/1) der zweiten Schaltstreckc (K.,.,) und der zweiten Diode (D.,) fiber einen Widerstand (R₁₁) mit dem anderen Pol (b) der Ladcspamuingsqucllc verbunden ist lind ein mittlerer Punkt der Ladespannungsquclle («. /') auf Bezugspotential liegt, und daß die zuerst erwähnte Schaltstrccke (K_n) gleichzeitig mit einer in einem Speisestromkreis für die eine Drehtichtung des Stellmotors (Λ/) liegenden Schaltitrecke (A",) durch das eine Schaltglied (/C₁) und die zweite Schaltstrecke (K.,.,) gleichzeitig mit einer in einem Speisestromkreis für die andere t)relirichtiing liegenden Schaltstrccke (K'.,) durch tlas andere Schaltglied (K.,) belätigbar ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe (c. f) der beiden Spannungsteiler über einen einstellbaren Widerstand (R _lä) verbunden sind.

5. Regeleinrichtung nach einem der An-Sprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₁) des /?C-Glicdcs einstellbar ist.