DE1963228C - Regeleinrichtung mit einstellbarem P-Bereich - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dl« Regeleinrichtung so auszubilden, daß die Breite des P-Bereiches und die Verstärkung unabhängig voneinander einstellbar sind.

Nach der Erfindung wird diese Auigabe, ausgehend von einer Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Art, dadurch gelöst, daß dem RC-Glied eine Begrenzerschaltung vorgeschaltet ist, die die Spannung am RC-Glied auf einen unterhalb der Ladespannung liegenden einsteilbaren Wert begrenzt.

Durch die Einstellung des Grenzwertes der Spannung am jRC-Glied mit Hilfe der Begrenzerschaltung wird die Größe des P-Bereichs festgelegt. Diese Maßnahme hat, da die Ladespannung für das RC-Glied hierbei unverändert bleiben kann, keinen Einfluß auf die 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 RC-Glied über eine Schaltstrecke der Schaltvorrichtung und eine Diode mit einem Abgriff eines Spannungsteilers und der Verbindungspunkt von Diode und Schaltstrecke 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 Schaltstrecke mit dem RC-Glied verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt der zweiten Schaltstrecke und der zweiten Diode über einen Widerstand mit dem anderen Pol der Ladespannungsquelle verbunden ist und ein mittlerer Punkt der Ladespannungsquelle auf Bezugspotential liegt, und daß die zuerst erwähnte Schalistrecke gleichzeitig mit einer in einem Speisestromkreis für die eine Drehrichtung des Stellmotors liegenden Schaltstrecke durch das eine Schaltglied und die zweite Schaltstrecke gleichzeitig mit einer in einem Speisestromkreis für die andere Drehrichtung liegenden Schaltstrecke durch das andere Schaltglied betätigbar 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 RC-Gliedes einstellbar ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eignet sich nicht nur für bekannte Regeleinrichtungen, bei denen der Regler ein PD- oder PJD-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 Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbcispiels näher erläutert.

Fig. 1 stellt das Schaltbild einer Regeleinrichtung nach der Erfindung dar.

In F i g. 2 sind statische Kennlinien der Abhängigkeit der Stellgeschwindigkeit des Stellgliedes der Regeleinrichtung nach Fig. 1 von der Regelabweichung dargestellt.

Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 1 ist einem P-Regler, der einen über einen Widerstand A₂ von etwa 20 Megaohm rückgekoppelten Verstärker 1 hoher Verstärkung enthält, eine Schaltvorrichtung 2 nachgeschaltet. Die Schaltvorrichtung 2 enthält zwei Schaltglieder K₁ und K„ bei denen es sich um Relais

ίο handeln kann. Das Schältglied K₁ spricht bei positiver und das Schaltglied K_s bei negativer Ausgangsspannung des Verstärkers! an. Jedes Schaltglied öffnet und schließt jeweils zwei Schaltstrecken K\ und K_n bzw. K'» und /C₈₂, bei denen es sich um Relaiskon-

x5 takte handeln kann. Die Schaltvorrichtung mit den Schallgliedern und Schaltstrecken kann jedoch auch rein elektronisch ausgebildet sein. Die Schaltstrecke K\ liegt in einem Speisestromkreis für die eine Drehrichtung eines reversierbaren Stellmotors M, der als

ao Stellglied dient, und die Schaltstrecke K'., liegt in dem

Speisestromkreis für die andere Drehrichtung. Je

nachdem, ob K\ oder K'_s geschlossen ist, dreht sich

der Motor in der einen oder in der anderen Richtung.

Der Stellmotor verstellt beispielsweise ein Ventil, das den Durchfluß eines heißen Strömungsmediums 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 ίο Kile-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",,,), 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 R₇, R_H und R_1n, R_n. Jeder Spannungsteilerabgriff e bzw. /

ist über eine Diode D₁ bzw. D₂ und einen Widerstand R_n bzw. R_n mit einem Pol α bzw. b einer Spannungsqudle verbunden, die eine Gleichspannung von etwa 76VoIt abgibt und deren Mittelpunkt auf Bezugspotential (F.rde oder Masse) liegt. Die Verbindungs-

punkte g und h von Diode D₁ und Widerstand R₆ bzw. Diode D., und Widerstand R₉ sind über die beiden in Reihe geschalteten Schaltstrecken K_n und K.,., miteinander verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Spannungsteiler und der beiden

Schaltstreckcn K_n und K.₂, liegt ein RC-Glied C₁, R₁, das aus einem Kondensator C₁ und einem einstellbaren Widerstand R₄ besteht, die parallel geschaltet sind. Das RC-Glied C₁, R₄ liegt ferner über einen verhältnismäßig hochohmigen Widerstand R₃ von etwa

6u 10 Megaohm am Eingang des Verstärkers 1.

Die Abgriffe e und / der Spannungsteiler sind über einen einstellbaren Widerstand R₁₃ verbunden. Dadurch läßt sich das Potential der Abgriffe e und / und damit der die Breite des P-Bereiches bestimmende Grenzwert der Spannung festlegen, auf die sich der Kondensator C₁ auflädt, wenn der Betrag der die Regelabweichung darstellenden Spannung unler Berücksichtigung des Verhältnisses der Werte der Wi-

derstände R₁ und R₃ größer als der Betrag der Grenzwertspannung 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 K_n betätigt werden. Bei entgegengesetzter Drehrichtung ist die Wirkungsweise die gleiche, nur daß dann das Schaltglied K₂ und die zugehörigen Schaltstrecken K'₂ und K₂₂ 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 Schaltsirecken K\ und K_n 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 K_n geschlossen. Der Motor beginnt zu laufen, und gleichzeitig lädt sich der Kondensator C₁ auf. Die Ladezeitkonstante des /?C-GIiedes wird im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensators C₁ und den Wert des Widerstands R₁ bestimmt, der als klein gegenüber dem Wert von R₃ angenommen ist. Die Spannung am Kondensator C₁ treibt einen Strom über R₃ und die der Regelabweichung X_w 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 K_n geöffnet, so daß der Motor stehenbleibt. Gleichzeitig entlädt sich der Kondensator C₁ über den Widerstand A₄ solange, bis die Summe der Ströme im Punkt F einen Wert überschreitet, bei dem das Schaltglied K₁ wieder einschaltet. Jedesmal, wenn der Motor eingeschaltet ist, verringert er die Regelabweichung X_w. 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 hängt daher innerhalb des P-Bereiches X₁, sowohl von der Größe der Regelabweichung X_w als auch von der 'Ladegeschwindigkeit des Kondensators C₁ ab. Die Abhängigkeit ist in Fig. 2 dargestellt. Je größer A₄, um so kleiner V, und je größer X_n,, um so größer V. Die Grenze des P-Bereiches X_n in Richtung der Abszisse ist bestimmt durch das Potential des Punktes e. Denn wenn die Regelabweichung größer als dieser Grenzwert ist, müßte sich der Kondensator C₁ auf eine Spannung aufladen, die größer als die

ίο Spannung am Widerstand R₈ ist, um die der Regelabweichung entsprechende Spannung zu kompensieren, was dadurch ermöglicht wird, daß das Verhältnis von R₆ zu R_t kleiner gewählt ist als das von A₇ zu R₈. 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 Drehzahl 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 R₁₂ 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 Regelkreises, läßt sich allein durch entsprechende Wahl des Wertes des Widerstands A₄ bestimmen. Der Wert des Widerstandes R_t bei n_min ist bestimmt durch die Stabilitätsgrenze des Regelkreises.

Die Kennlinie mit dem Steigungswinkel α, erhält man dadurch, daß R₁ so eingestellt wird, daß das Spannungsteilerverhältnis R₁: R₈ gleich R₆ : /?₄ ist. Dann sind die Potentiale der Punkte e und g bei geschlossener Schaitstrecke K_n und bei voiigeiadenem

Kondensator C₁ gleich, so daß die Diode D₁ keinen Einfluß auf die Abhängigkeit der Stellgeschwindigkeit V von der Regelabweichung Al_n, hat.

Wenn A₄ so klein gewählt wird, daß R₆ : /?„ größer als /?₇: R₈ ist, dann ergibt sich eine Kennlinie mit

dem Steigungswinkel <x_v

Bei R_t gleich Null ist der Steigungswinkel α gleich 90°. Die Regeleinrichtung arbeitet dann wie eine Dreipunktregeleinrichtung mit einer Neutralzone.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2

Patentansprüche: "«*?> über eine in Abhängigkeit von der Ausgangs- ^r große des Reglers ansprechende und die Leistungs-1. Regeleinrichtung mit einstellbarem P-Be- zufuhr des Stellgliedes ein- und ausschaltende Schaltreich, bei der einem unstetigen Regler ein elek- vorrichtung nachgeschaltet und die durch eine elektrisches Stellglied mit /-Verhalten über eine in 5 irische Spannung dargestellte Regelabweichung im Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Reglers Eingangskreis des Reglers der am Ausgang eines RC-ansprechende und die Leistungszufuhr des Stell- Gliedes auftretenden Rückführspannung entgegengegiiedes ein- und ausschaltende Schaltvorrichtung richtet und die Ladespannung des ÄC-Gliedes synnachgeschaltet und die durch eine elektrische chron mit der Ein- und Ausschaltung des Stellgliedes Spannung dargestellte Regelabweichung im Ein- io ein- und ausschaltbar ist

gangskreis des Reglers der am Ausgang eines RC- Bei einer bekannten Regeleinrichtung dieser Art

Gliedes auftretenden Rückführspannung entgegen- ist die mittlere Stellgeschwindigkeit des Stellgliedes,

gerichtet und die Ladespannung des ÄC-<31iedes das ist die Änderung der Stellgröße pro Zeiteinheit,

synchron mit der Ein- und Ausschaltung des proportional dem Verhältnis von Einschaltdauer zu

Stellgliedes ein- und ausschaltbrx ist, dadurch 15 Ausschaltdauer des Stellgliedes. Die Einschaltdauer

gekennzeichnet, daß dem ÄC-Glied (C₁, wird hierbei durch die Zeit bestimmt, die der Kon-

R_A) eine Begrenzerschaltung vorgeschaltet ist, die densator des ÄC-Gliedes bis zur Aufladung auf einen

die Spannung am /?C-GHed (C₁, R_t) auf einen Wert benötigt, bei dem die Differenz der Spannung

unterhalb der Ladespannung liegenden einstell- am /?C-Glied und der der Regelabweichung X_w (oder

baren Wert begrenzt. 20 der Regeldifferenz X₁₁ = X_u) entsprechenden Span-

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch iiung Null ist oder einen vorbestimmten Wert untergekennzeichnet, daß das ÄC-Glied über eine schreitet, bei dem das Stellglied abgeschaltet wird. Schaltstrccke (K₁₁) der Schaltvorrichtung (2) und Die Ausschaltdauer wird durch die Zeit bestimmt, die eine Diode (D₁) mit einem Abgriff (e) eines Span- der Kondensator des ÄC-Gliedes bis zur Entladung nungsteilers (R₇, R_a) und der Verbindungspunkt 25 auf einen Wert benötigt, bei dem diese Differenz wie-(g) von Diode (D₁) und Schaltstreckc (K₁₁) über der so groß ist, daß die Schaltvorrichtung anspricht einen Widerstand (/?„) mit dem einen Pol (a) der und das Stellglied wieder einschaltet. Das Verhältnis den Spannungsteiler speisenden Ladespannungs- von Ein- zu Ausschaltdauer wird mithin auch von quelle verbunden ist. der Ladespannung, die die Spannung am ftC-Glied

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch 30 bzw. an diesem Kondensator bei der Aufladung als gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines rever- Endwert anstrebt, und von der Zeitkonstanten des sicrbaren Stellmotors als Stellglied zur Regelung /?C-Gliedes bestimmt.

in beiden Drehrichtungen in der Schaltvorrich- Der Betrag der Änderung der Größe dieses Vertung (2) ein auf positive Ausgangssignale des hältnisses in Abhängigkeit von der Größe der Regel-Reglers ansprechendes Schaltglied (K₁) und ein 35 abweichung ist aber auch mitbestimmend für die Verauf negative Reglerausgangssignale ansprechen- Stärkung des Reglers und damit für die Stabilität des des Schaltglied (K₂) enthalten ist, daß zu dem Regelkreises. Um nun zu erreichen, daß die Verstäreinen Spannungstcifer ein zweiter Spannungsteiler kung des Reglers bei übermäßig großen Regelabwei- (R_iV R₁J in Reihe geschaltet ist, dessen Abgriff chungen, wie sie beim Einschalten (Anfahren) oder (/) ebenfalls über eine Diode (D₂) und eine Schalt- 40 bei starken Störgrößen auftreten, nicht zu klein und strecke (K₂₂) mit dem /?C-Glied verbunden ist, damit das Ausregeln der Regelabweichung nicht zu wobei der Verbindungspunkt (/1) der zweiten langsam erfolgt und bei kleinen Regelabweichungen Schaltstreckc (K₂₂) und der zweiten Diode (D₂) nicht so groß ist, daß der Regelkreis instabil wird, über einen Widerstand (R_v) mit dem anderen d. h. sich selbst zu Schwingungen anregt, wird bei der Pol (b) der Ladespannungsquclle verbunden ist 45 bekannten Regeleinrichtung die für beide Faktoren und ein mittlerer Punkt der Ladespannungsqucllc maßgebende Breite des P-Bereichs X₁, in Abhängig-(«, b) auf Bezugspotential liegt, und daß die zu- kcit von der Größe der zu erwartenden Regelabweierst erwähnte Schaltstrecke (K₁₁) gleichzeitig mit chung eingestellt. (Unter P-Bercich soll hier derjenige einer in einem Speisestromkreis für die eine Dreh- Bereich der Regelabweichung oder der Regelgröße, richtung des Stellmotors (M) liegenden Schall- 50 der zu regelnden Größe, verstanden werden, in dem strecke (K',) durch das eine Schaliglicd (K₁) und zwischen diesen und der Stellgeschwindigkeit des die zweite Schaltstrecke (K₂₂) gleichzeitig mit Stellgliedes Proportionalität herrscht.) Diese Einsteleiner in einem Speisestromkreis für die andere lung erfolgt bei der bekannten Regeleinrichtung durch Drehrichtung liegenden Schaltstrecke (K'₂) durch Ändern der Ladespannung des /?C-GIiedes über ein das andere Schaltglied (K₂) betäligbar ist. 55 Potentiometer. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß sich

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gleichzeitig damit die Ladezeitkonstante des RC-dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe (e, /) Gliedes ändert, weil auch der Widerstand des Potcnder beiden Spannungsteiler über einen einstell- tiometers in diese eingeht. Ein weiterer Nachteil bebaren Widerstand (R₁.,) verbunden sind. steht darin, daß sich bei einer Änderung der Ver-

5. Regeleinrichtung nach einem der An- 60 Stärkung des Reglers auch die Breite des P-Bereichs sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ändert, d. h. bei einer Erhöhung der Verstärkung Widerstand (R ₄) des /?C-Gliedes einstellbar ist. wird der P-Bcreich kleiner, und umgekehrt. Wählt

man daher eine kleine Verstärkung, um bei verhält-

nismaßig großen Regelabweichungen eine stabile

65 Regelung, insbesondere kein Überschwingen zu cr-

Die flrfindung bezieht sich auf eine Regelcinrich- zielen, dann erfolgt das Ausregeln der Regelabweitung mit einstellbarem P-Bereich, bei der einem un- chung verhältnismäßig langsam. Dies ist in vielen stetigen Regler ein elektrisches Stellglied mit /-Ver- Fällen untragbar.