DE2033091A1 - Digitaler Fluidic-Regler - Google Patents

Description

DH. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING, W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PjSlTBNTANWAI/ΓΕ ·· D.8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUAST8ASSE 4 · TELEFON (OiIT) »HOW fc U O α U vJ J

Applied Fluidics, Inc., Stamford, Connecticut/USA Digitaler Fluidic-Regler

Die Erfindung betrifft einen Fluidie-Regler, welcher auf Istwertsignale PV und Sollwertsignale SP anspricht, die in einem Froze^regelsystem mit einem Steuerelement am Ende zur Beeinflussung des Prozesses gebildet werden, insbesondere einen Fluidic-Prozeß-Regler, welcher mit dem Endsteuerelement in einem Prozeßregelkreis zusammenarbeitet, um eine Prozeßvariable, also einen Istwert, auf einer gewünschten Höhe zu halten.

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BAD ORIGINAL

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und billigen Fluidic-Regler zu schaffen, welcher für den Vergleich eines Sollwertsignals SP und eines Istwertsignals PV entsprechend der Prozeßvariablen geeignet ist, um durch digitale Mittel ein Fluidlc-Steuersignal zu erzeugen, welches ein Endsteuerelement zur Berichtigung des Fehlers zwischen Sollwert und Istwert und so zum Halten des Istwerts auf einer gewünschten Höhe betreibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäö durch einen Fluidic-Regler der eingangs genannten Art gelöst* welcher gekennzeichnet ist durch einen Komparator mit einer !Eriggerstufe, welche auf die relativen Höhen des Sollwerts SP und des Istwerts PV anspricht und an einem ersten Ausgang ein Signal konstanter Höhe für SP>PV und an einem zweiten Ausgang ein Signal konstanter Höhe für FV>SP erzeugt, wobei an jedem Ausgang eine Rechteckwelle auftritt, wenn der Istwert PV in bezug auf den Sollwert SP schwingt, eine Einrichtung zur Integration des Signals an wenigstem einen der Ausgänge zur Erzeugung eines Steuersignals und zur Zufuhr des integrierten Signals zu dem Endsteuerelement eine ihm eigene Trägheit aufweist, wodurch der Istwert FV in Bezug auf den Sollwert SP innerhalb eines relativ schmalen Bandes schwingfähig 1st.

Unter den wichtigen Merkmalen des eri^indungegemäßen digitalen Fluidio-Reglers sind ein Ausmaß; an Zuverläßigkeit und Lebenserwartung, welches sowohl elektronisch« als auch pneumatische Vorrichtungen übertrifft, und die Tatsache, daß der Fluidic-Regler, welcher von ümweltfaktoren unbeeinflußt bleibt, tatsächlich wartungsfrei und völlig sicher ist. Ein wichtiger Fluidic "»Elementen eigener Vorteil tat das

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Ausschalten von Ausfallzeiten infolge von Fehlern. PUr industrielle und chemische Prozesse sind die Kosten für solche Ausfallsseiten weit größer als die Kosten der Komponenten in dem Prozeßregelsystem.

Ein Fluidic-Regler wird nicht beeinflußt durch harte industrielle Bedingungen, wie hohe Temperatur, Korrosion, Schlag, Vibration, Strahlung und Staub. Er 1st einfach einzubauen, abzustimmen und anzustellen und kann von ungeschultem technischen Personal gewartet und erhalten werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sowie weiterer Vorteile und Merkmale sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Es zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild eines Prozeßregelkreises mit einem erfindungsgemäßen digitalen Fluidic-Regler,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Reglers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Komparatorkreises in dem Regler,

Fig. 4 ein Kurvenbild zur Erklärung der Wirkung des Reglers auf die Druckvariable,

Flg. 5 ein Kurvenbild, welches den Rechteckwellenausgang des im Regler enthaltenen Triggerkreises zeigt,

Fig. 6 die Ansprechkurve des Reglers,

Flg. 7 die Regieranordnung mit einem Differentialsteller am Endsteuerelement, und

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Fig. 8 ein Blockschaltbild des Reglers, wenn die Versorgungssignale einem zugehörigen Rechner zugeführt werden.

In Fig. 1 ist ein grundsätzlicher Prozeßregelkreis entsprechend der Erfindung zur Strömungsregelung eines Fluidums (Flüssigkeit oder Gas) oder fließfähiger Festkörper in Teilchenform gezeigt. Als Beispiel soll angenommen werden, daß durch eine Leitung 10 ein Gas strömt, welches einem Prozeß über ein Endsteuerelement 11 zugeführt wird, das zum Beginnen und Anhalten der Strömung geöffnet oder geschlossen wer- W den kann. Zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand ist das Endsteuerelement auf Zwischenwerte einstellbar, um die Strömung verändern zu können. Zu diesem Zweck kann das Endsteuerelement 11 die Form eines luftbetätigten Steuerventils für proportionale Strömungssteuerung haben, welches durch einen Steller 12 mit einer Membran oder einem Stellzylinder betrieben wird. Bei einem typischen Ventilsteller ist das Eingangsluftdrucksignal gewöhnlich im Bereich von

0,21 bis 1,05 kg/cm , wobei die Strömung durch das Ventil proportional dem Drucksignal gehalten wird» Wenn daher

ein Druck von 0,21 kg/cm dem geschlossenen Zustand des

Ventils und ein Druck von 1,05 kg/cm dem voll geöffneten

»Zustand des Ventils entspricht, bedeutet ein Druck von 0,63 kg/cm eine öffnung von 50$, usw. Durch Änderung der Intensität des Drucksignals am Steller 12 kann daher die Strömung durch das Ventil oder Endsteuerelement 11 entsprechend geändert werden.

Ein Regler 15 als Prozeßregler, welcher ein@a erflndungsgeraäßec Fluidic-Regler ist, dient dazu* die Strömung durch die Leitung 10 auf der gewünschten Höhe zu halten. Um diesen Zweck zu erreichen, vergleicht der Regler 13 den gewünschten Wert, d.h. ein Sollwertsignal und ein ■ der Prozeßvariablen entsprechendes Signal, das Istwertsignal, um ein Steuersignal zur Betätigung des Endsteuer-

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elements 11 zu erzeugen. Das Sollwertsignal (0,21 - 1,05 kg/cm J kann durch eine handbetätigte entfernte Sollwertquelle 14 oder einen Digitalrechner 15 eingestellt werden, welcher zur Verbindung mit dem Regler sowohl einen Elektrisch-Fluidie-Umsetzer 16 als auch einen Pluidic-Elektrisch-Umsetzer 17 aufweist. Die Art der Rechnersteuerung wird später im einzelnen beschrieben werden.

Das Prozeßführungssignal (0,21 - 1,05 kg/cm²), welches der tatsächlichen Strömung durch die Leitung 10 ent spricht, wird von einem Differenzdruckmesser 18 oder einer gleichwertigen Einrichtung erhalten, welche mit einer Lochplatte 19 in der Leitung verbunden sind. Der Regler 13, welcher einen Komparator zum Vergleich des Sollwerts mit dem Istwert enthält, erzeugt ein Steuersignal, welches proportional der Differenz oder dem Fehler zwischen diesen beiden ist.

Wenn das Sollwertsignal größer als das RUckfUhrungsslgnal ist, schickt der Regler 13 ein Steuersignal zum Endsteuerelement 11, wodurch dieses in einem Ausmaß geöffnet wird, daß die Durchflußleistung wieder auf die gewünschte Höhe gebracht wird. Wenn umgekehrt das Sollwertsignal kleiner als das RUckfUhrungsslgnal ist, wird der Regler das Steuerelement am Ende so steuern, daß die Durchflußleistung in einem solchen Ausmaß verringert wird, daß sich der gewünschte Wert der Durchflußleistung wieder ergibt.

Der oben beschriebene Regelkreis ist im wesentlichen der gleiche wie in einem pneumatischen Regelsystem, mit der Ausnahme, daß nach der Erfindung der Regler ein digitaler Pluidlc-Regler und nicht ein analoger pneumatischer Regler ist. Die Theorie digitaler Regelungen ist be-

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kannt und voll .auf Fluidic-Kreise anwendbar. Die drei grundsätzlichen Fluidic-Vorrichtungen sind der StrahlwechselwirkungsVerstärker, der Strömungsturbulenzverstärker und der fokussierte Strahlverstärker.

Wie in dem Artikel "Digital Fluids Works Now" von Henke in "Control Engineering", Januar I967 und der in diesem Artikel genannten Literatur gezeigt, können Fluidic-Vorrichtungen logische Funktionen wie "oder","und" und "nor" ausführen. Logische Fluidic-Gatter können in bekannte normalerweise mit elektronischen Mitteln verwendete Kreise wie Schmitt-Triggerkreise binäre Zähler und Schieberegister eingebaut werden.

Wo z.B. das vom Regler geregelte Fluidum von der gleichen Art wie das im Regler verwendbare Fluidum ist, ist es nicht nötig, hierfür eine getrennte Fluidumversorgung zu haben. Wenn so Erdgas durch die Leitung 10 strömt, erübrigt sich eine unabhängige Fluidumversorgung für den Regler. In diesem Falle kann man auch auf einen Fühler oder Übertrager zur Ableitung des Istwerts aus der Leitung 10 verzichten und den Istwert« wie es durch den variablen Fluidlc-Widerstand 20 gezeigt ist, direkt von der Leitung für das Erdgas ableiten.

Wenn der Wert des durch den Fluidic-Widerstand 20 eingeführten Widerstands derart ist, daß sich ein Verhältnis von Eingang zu Ausgang der Fluidumgeschwindigkeit ergibt, bei welchem der Ausgang im Schallbereich liegt, wird die Strömung im Ausgang des Widerstands, welcher im wesentlichen als Fluidumverengung wirkt, proportional dem Eingangsdruck sein und daher ein Istwertsignal ohne die Notwendigkeit eines Übertragers oder Fühlers ergeben.

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Ähnlich kann der Sollwertdruck statt der Verwendung eines getrennte Sollwerteinsteller mittels eines konventionellen Druckreglers 21 abgeleitet werden, der direkt mit der Leitung 10 verbunden und so einstellbar ist, daß er einen Ausgangs-

druck konstanter Höhe im Bereich von 0,21 bis 1,05 kg/cm abgibt. Das Versorgungsfluidura für den Regler läßt sich ebenfalls mittels eines nicht gezeigten mit der Leitung 10 verbundenen Reglers erhalten, desjsen Ausgang so gefiltert ist, daß eine Versorgung mit sauberem, trockenem Gas mit 2,46 kg/cm oder einem anderen Druck, der sich durch die Erfordernisse des Systems ergibt, erfolgt.

Es versteht sieh, daß bei der Beschreibung des Fluidlc-Systems äquivalente elektrische Ausdrücke für die Elemente des Fluidic-Kreises verwendet werden. In der Praxis sind Fluidic-Widerstände Vorrichtungen wie Ventile oder variable Öffnungen, welche die Fluidic-Eingangss%iale auf Höhen reduzieren, in velchen sie mit den Komparatorkomponenten verträglich sind« Andererseits sind die gleichen Grundsätze, welche hier im Zusammenhang mit einem Fluidic-System beschrieben sind* voll auf elektronische Regler anwendbar, und es läßt sich ein elektronischer Regler mit einem Komparator mit einem Triggerkreis wie hier beschrieben vorselien, um einen Regelvorgang zu bewirken, der ausgeprägte Vorteile gegenüber einem solchen mit vorhandenen elektronischen Reglern aufweist.

In Fig. 2 sind die wesentlichen Komponenten des Fluidic-. Reglers 15 in Blockform dargestellt. Der Regler 13 wird von einem Komparator 22 gebildet, dessen Ausgänge einem zweikanaligen Digitalverstärker 23 zugeführt werden. Den zwei Eingängen des Komparators 22 werden das Istwertsignal PV und das Sollwertsignal SP zugeführt. Das Istwertsignal ist von dem veränderlichen Fluidic-Widerstand 20 abgeleitet, welcher mit der Leitung 10 verbunden ist, deren Fluidum geregelt wird.

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Wie oben dargelegt, kann der Istwert wahlweise durch einen mit der Leitung verbundenen Fühler oder andere bekannte Einrichtungen abgenommen werden. Das Sollwertsignal wird vom mit der Leitung 10 verbundenen Druckregler 21 genommen, oder es wird von einem Fluidic-Sollwerteinsteller bekannten Aufbaus abgeleitet. In der Praxis ist der Druckbereich für Istwert und Sollwert 0,21 bis 1,05 kg/cm².

Wie in Fig. 3 getrennt gezeigt, ist der Komparator 22 ein Fluidic-Kreis, der so auf die relativen Höhen des, Sollwerts SP und des Istwerts PV so anspricht, daß er^seinen ersten Fluidic-Ausgang konstanter Druckhöhe erzeugt, wenn SP > PV, und einen zweiten Fluidic-Ausgang ebenfalls mit konstantem Druck erzeugt, wenn PV^ SP. Dies wird erreicht durch drei proportionale Fluidic-Verstärkerstufen A., Ag und A^ in Kaskadenschaltung, wobei der Ausgang der Endstufe einer Triggerstufe T, wie einem Flip-Flop oder einem Oder-Gatter oder beiden zugeführt wird. Alle Stufen weisen zwei EingangsanschlUsse i. und ig und zwei AusgangsanschlUsse O₁ und O₂ auf. Die Erfindung ist in keiner Weis· auf drei Verstärkerstufen beschränkt und es können in der Praxis eine kleinere oder größere Anzahl von Stufen verwendet werden. Die Istwert- und Sollwertsignale werden den Eingangsanschlüssen I₁ bzw. ig der ersten Fluidic-V«ratärkeritufe A₁ zugeführt. Als Beispiel soll angenommen werden, daß der Sollwert um ein bestimmtes Maß größer ist als der Istwert. Folglich wird ein Fluidum relativ hohen Drucks von einer Fluidumdruckquelle P_ in der ersten Fluidic-Verstärkerstufe A₁ zu einem größeren Ausmaß zu deren Ausgangsanschluß O₁ abgelenkt und der Fluidumdruck an diesem Ausgangsanschluß ist relativ zu dem am Ausgangsanschluß Og proportional der Differenz zwischen Soll- und Istwert.

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Auf diese Weise ist der Fluidum-eingangsdruck an dem Eingangsanschluß I₁ dr zweiten Fluidic-Verstärkerstufe A₂, welche mit dem Ausgangsanschluß O₁ der Pluidic-Verstärkerstufe A₁ verbunden ist, größer als derjenige am Eingangsanschluß ig* welcher mit dem Ausgangsanschluß O_{2 der Pluidic}. verstärkerstufe

A₁ verbunden ist. Als Ergebnis ist die Ausgangsgröße am AusgangsanschlußOgder Fluidic -Verstärkerstufe A₂ proportional größer als bei O₁. In der Fluidic-Verstärkerstufe A, ist die Eingangsgröße bei ig daher größer als bei I₁, und die Ausgangsgröße bei O₁ ist proportional größer als bei Og. Die an den

Ausgangsanschlüssen o. und o₀ der Fluidic-Verstärkerstufβ Αι d j

erscheinenden Fluidic-Ausgangsgrößen werden den Eingangsanschlüssen I₁ und ig der Triggerstufe T zugeführt.

Die Triggeretufe T, welche ein Fluidie-Flip-Flop, ein Fluidic-Oder-öatter oder beides oder eine beliebige Fluidic-Vorrichtung sein, kann, welche auf ähnliche Weise arbeitet, kann an Jedem der Ausgangsanschlüese O₁ oder Og eine Fluidic-Ausgangsgröße konstanter Druckhöhe erzeugen. Der im Betrieb befindliche Ausganganschluß wird durch die relativen pruckhöhen an den Eingangsanschltiseen I₁ und ig bestimmt. Wenn der Druck am Eingangsanechluß I₁ der Triggerstufβ T größerist als bei ig, _Wie es in dem beschriebenen'Beispiel wegen der Tatsache SPλ FV der Fall ist, wird die Triggerstufe lediglich bei O₁ eine Ausgangsgröße aufweisen. Die umgekehrte Wirkung tritt auf, wenn FV > SPist, in welchem Fall ein konstanter Ausgangsdruck nur am Ausgangsanechluß Og auftritt.

Wenn daher der Wert des Istwerts relativ zum Sollwert, welcher sich auf einer festen Bezugshöhe befindet, periodisch ansteigt und fällt, wird am Ausgangsanschluß Og der Triggeretufe eine Rechteokwelle auftreten, bei vÄcher die ansteigende Flunk· Jede» Impul··· mit dem Augenblick des Istwertanstieges

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über den Sollwert und die abfallende Flanke mit dem hierauf folgenden Istwertabfall unter den Sollwert zusammenfällt. Die Breite der Rechteckimpulse wird durch das Zeitintervall zwischen ansteigender und abfallender Kante bestimmt. Am Aua-. gangsansohluß O₁ wird ebenfalls eine Rechteckwelle auftreten, welche jedoch um l80° in der Phase gegenüber der Welle bei Og verschoben ist. ■

In anderen Worten kippt die Triggerstufe T, wenn der Istwert größer als der Sollwert wird, und kippt zurück, wenn dieser unter den Sollwert fällt, wobei sich der Ausgang der Triggerstufe auf einer konstanten Druckhöhe unabhängig von der Größe der Differenz zwischen Sollwert und Istwert befindet.

Unter nochmaliger Bezugsnahme auf Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Rechteckwellen am Ausgang des !Comparators 22 dem Digitalverstärker 23 zugeführt werden, dessen eine Ausgangsgröße bei OUT₁ proportional der Ausgangsgröße bei O₁ des Komparators ist und nur auftritt, wenn SP^PV, während der andere Ausgang bei OUT₂ proportional der Ausgangsgröße bei Og des !Comparators ist und nur auftritt,, wenn PV > SP .

Ein Teil des Ausgangs vom Ausgangsanschluß OUT₁ wird über einen veränderlichen Rückkopplungswiderstand 24 zum Istwerteingang des Komparators 22 zurückgeführt. Der von der Leitung 10 abgeleitete Istwert wird in den gleichen Eingang über eine Diode 25 eingeführt, welche eine EinwegströmungsVorrichtung ist, die bewirkt, daß das Rttckführungsfluidum nur in den Komparator strömt.

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Die Eingangsgröße des !Comparators ist somit die algebraische Summe FV+K·¹Sg, wobei K eine Konstante und .f« die Druckhöhe der Rückführungsgrößfe 1st* Diese Rückführung wirkt zur Stabilisierung des Systems infolge ihrer dämpfenden Wirkung« wobei die Oröße der Rückführung den Dämpfungsfaktor bestimmt.

Die Ausgangsgröße bei OUT₁ des Digitalverstärkers 23 wird über ein Diodenwiderstandsnetzwerk, welches aus Dioden 26 und 27 und Widerständen 28 und 29 gebildet ist« dem Steller 12 des Endsteuerelements 11 zugeführt, welches in Praxis ein fluidumbetr!ebenes Steuerventil für proportionale Strömung sein kann, das durch einen Membransteller betätigt wird. In dem Netzwerk läßt die Diode 26 eine einseitig gerichtete Strömung vom Ausgangeanschluß OUT₁ über den Widerstand 28 zum Steller 12 zu, während die Diode 27 nur einen Rückfluß vom Steller 12 über den Widerstand 29 zum Ausgangsanschluß OUT₁ erlaubt. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der AusgangsanschlußOUT₂ entlüftet und es wird daher kein Gebrauch von ihm gemacht.

Bei der Analyse des Verhaltens des Reglers wird erst angenommen, wie te In Flg. 4 graphisch dargestellt let, daß der Sollwert SF des Systems auf 0,63 kg/cm eingeetellt ist, während sich der Istwert PV zunächst bei 0,21 kg/cm², der niedrigsten Höhe des Druckbereichs, welcher sich bis 1,05 kg/cm² erstreckt, befindet. Die Aufgabe des Keglers 1st es daher, das Endeteuerelement bo zu betreiben, daß der Istwert auf 0,63 kg/cm steigt und hierauf auf dieserHöhe bleibt.

Wenn der Sollwert größer als der Istwert 1st, tritt ein konstanter Fluidumdruck am Ausgangsanschluß OUT₁ des Digitalverstärkers 23 auf und wird über die Diode 26 und den Widerstand· 28 zum Steller 12 mit Membrane des Endsteuerelements 11 zugeführt. Dieser Ausgang wird in dem Steller oder durch die zu diesem führende Leitung integriert, um ein Steuersignal zu er-

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zeugen, welches eine vergrößerte Öffnung des Ventils als Endsteuerelement 11 bewirkt und ein Ansteigen des Istwerts zur Folge hat. Dieser Anstieg des Istwerts über der Zeit ist in Fig. 4 gezeigt, in welcher der Istwert im Intervall A t von 0,21 kg/cm² auf die Sollwerthöhe von 0,6? kg/cm² steigt.

Die dem Prozeßregelsystem eigene mechanische Trägheit ist jedoch derart, daß nach dem Abschalten des Betätigungsdrucks, welches auftritt, wenn der Istwert die Höhe des Sollwerts kreuzt und hierbei bewirkt, daß der Komparator vom Ausgangsanschluß OUT₁ auf den entlüfteten Ausgangsanschluß OUTg schaltet, der Istwert weiter während einer end- ' liehen Zeitdauer ansteigt. In der praktischen Ausführungsform des Systems eneicht der Istwert eine Höhe von 0,0007 kg/cm über dem Sollwert, ehe eine Umkehr auftritt.

Wenn der Komparator 22 einen Zustand erfaßt, in welchem der Istwert den Sollwert übersteigt, schaltet sein Triggerkreis den Ausgang auf OUT₂, und der über den Ausgangsanschluß OUT·, dem Steiler mit Membran zugeführte Druck fällt ab. Folglich wird, wenn sich die nicht mehr unter Druck stehende Membran in umgekehrter Richtung bewegt, der hierdurch erzeugte Gegendruck durch die Diode 27 und den Widerstand 29 strömen, bis ein Punkt erreicht ist, an welchem der durch diesen Vorgang hervorgerufene Istwert die Sollwerthöhe (Fig. 4) kreuzt und die Triggerstufe T wieder zur Erzeugung von Fluidumdruck bei OUT₁ schaltet, wodurch der Istwert erneut steigt und der Zyklus wiederholt wird.

Die hieraus sich ergebende Hin- und Herbeweguiig des Istwerts um die Sollwerthöhe erzeugt den in Fig. 4 gezeigten Sägezahnwellenzug SW₁. Infolge der dämpfenden Wirkung durch die Rückführschleife wird der Verlauf der Sägezahlwelle jedoch

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stabilisiert und es entsteht ein stetiger Wellenzug SW₂ verringerter Amplitude. So bleibt die Schwingung des Istwert in bezug auf den Sollwert innerhalb eines relativ schmalen Bandes, dessen Grenzen durch den Dämpfungsfaktor bestimmt sind.

In der Kurvendarstellung in Pig. 5, welche die Ausgangsgröße an dem Ausgangsanschluß OUT₁ des Digitalverstärkers während der Änderung des Istwerts nach Pig. 4 zeigt, ist zu erkennen, daß die Druckhöhe an dem Ausgangsanschluß OUT₁ des Digitalverstärkers während des Intervalls 4 t> wenn der Istwert auf die Sollwerhöhe ansteigt, konstant ist. Wenn hierauf jedoch der Istwert innerhalb eines relativ schmalen Bandes in bezug auf den Sollwert hin- und her zu schwingen beginnt, werden in entsprechenden Zeitlagen ReeHBckimpulse erzeugt· So tritt jedesmal wenn der Sollwert SP auf einen neuen Wert ge-'ändert wird, ein kurzes Intervall auf, währenddessen die Ausgangsgröße des Digitalverstärkers konstant ist, und währenddessen sich der Istwert PV" ändert, um die Sollwerthöhe zu erreichen. Diesem Vorgang folgt eine sehr kleine Schwingung des Istwerts, wenn die Sollwerthöhe erreicht 1st.

Diese Modulationskomponente, welche einen Zittervorgang darstellt, tritt mit relativ hoher Geschwindigkeit auf und hat keine wahrnehmbare Wirkung auf das gesteuerte Fluidum, denn die Rechteckwellenimpulse vom Digitalverstärker werden wirksam durch den Steller mit Membran oder in der zu diesem führenden Leitung integriert. Der Zittervorgang hat jedoch eine wichtige Wirkung, da er dazu führt, daß ein Hängenbleiben des Ventilstößels verhindert und die Reibung der Ventildichtung verringert wird, wodurch das Ventil frei bleibt.

Im Gegensatz zu dm üblichen Reglern vermag der erfindungsgemäße Regler unsymmetrische Prozeßanregungen zu korn-' pensieren. Wie bekannt,let bei manchen Prozessen ein schnelleres

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Absprechen für positive und ein langsameres Auspochen für negative Korrekturen erforderlich. Die Ansprechzeit für positive Korrekturen wird bestimmt durch den Wert des Widerstandes 28, und für negative Korrekturen durch den Wert des Widerstands 29, dessen Wert getrennt eingestellt werden kann, 'um verschiedene Ansprechzeiten zu ergeben. D@r Dämpfungsfaktor ist durch Verändern des RUckkopplungswiderstandes 24 einstellbar.

In Fig. 6 ist eine typische Änsprechkurve für einen Fluidic-Regler der oben beschriebenen Art gezeigt. In diesem Kurvenbild ist die Kurve CO die berechnete Steuerausgangsgröße, wenn dem Prozeßsteller @ln analoger Druck im Bereich von 0,21 bis 0,35 kg/cm zugeführt wird.

Es 1st zu erkennen, daß wenn der Sollwert SP plötzlich auf einen höheren Wert gestellt wird, d©r Wert längs der Kurve CO entlang einer ansteigenden Linie zunimmt und der Wert des Istwertes PV entlang einer parallelen ansteigenden Linie zunimmt, bis er einen Wert in der Nöh© des Sollwerts erreicht. Der Qrad des Zittern in der Kurve CO hingt von der Dämpfung des Systems ab. Eine ähnliche Wirkung wird erreicht^ wenn der Sollwert SP plötzlich verringert wird.

Wenn, wie in Fig. 7 gezeigte der Steller 12⁸ das Endsteuerelement 11 doppelt wirkend statt einfach wirkend ist, wird von beiden Ausgängen dte Digitalverstärkers 23 Gebrauch gemacht. In diesem Fall wird der AusgangsansohluS OUT ^ mit d©r oberen Kammer des Stellers 12* über den Widerstand 28 verbunden* während der Auagangsansohluß OUT₂ mit dossen unterer Kamm©;? den Widerstand 29 verbunden wird, so d&S die Wirkung in beiden Bewegungariohtungen positiv ist«

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Ein Diodennetzwerk wird auf diese Weise vermieden* Ansonsten ist die Betriebsweise die gleiche wie oben beschrieben.

Um eine direkte digitale Regelung (DDG) mit einem elektronischen Digitalrechner 15 wie in Fig. 1 gezeigt» zu erreichen» wird der Ausgang des Rechners direkt einem Fluidic-Regler ohne teuere Signalumsetzung und -Verarbeitung zugeführt. Dies kann durch vorhandene elektriseh-Fluidio-Umsetzer 16 (Fig. 1) wie durch von der Firma Pitney-Bowes hergestellte Elektro-Fluidic-Übertrager Modell 6O4O erfolgen. Diese Umsetzer können im Grenzbereich der Anlage angeordnet sein» so daß in der Anlage selbst nur Fluidic-Komponenten und keine elektrischen Komponenten auftreten.

Fluidic-Signale können ebenfalls mit vorhandenen Fluidic-Elektrlsch-Umsetzera 17 (Fig. 1) wie etwa einem von Fairchils Controls, einer Abteilung der Fairchild Camera * Instruments Corporation, hergestellten Druck-Elektrο-Schalter Modell PSF-IOOa in verträgliche elektrische Signale umgesetzt werden.

Wie In Fig. 8 gezeigt, ist in dem dualen Ausgang des Digitalverstärkers ein Ausgangsanschluß OUT₁ vorhanden, dessen Modulationskomponente einen Zustand "Brozeßzustand hoch FSH¹¹ anzeigt, bei welchem der Istwert über dem Sollwert liegt (0,07 kg/cm entspricht einer logischen Eins und weniger als 0,0055 kg/cm entspricht einer logischen Null)V Am Ausgangsanschlufl OUT₂ tritt eine Modulationskomponente auf, welche einen "Prozeßzustand niedrig PSLⁿ anzeigt, bei welchem der Istwert unter dem Sollwert liegt (0,07 kg/cm² entspricht einer logischen Eins und weniger als 0,0035 kg/cm² entspricht einer logischen Null). Diese Anzeigen können dem Rechner zugeführt werden, um Daten über den herrschenden Zustand im Prozeß vorzusehen, wodurch der Rechner Korrekturfunktionen ausführen kann.

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Während bevorzugte AusfUhrungsformen der Erfindung gezeigt worden sind, versteht es sich, daß viele Änderungen und Modifikationen hierzu durchgeführt werden können, ohne von dem wesentlichen Gedanken der Erfindung abzuweichen. Der Komparator kann z-B. einen von dem Fluidic Product Department der Corning Glass Works hergestellten Schmitt-Trigger 190462 enthalten. Dieser Trigger ist ein pneumatischer Schalter mit einem einstellbaren Triggerpunkt und ist daher ein Analog-Digital-Umsetzer, Er verwendet drei Proportionalverstärker, ein Flip-Flop und ein Nor-Gatter in einem monolithischen Block bestehend aus fünf Platten'. Die anderen Elemente des Systems einschließlich des Digitalverstärkers können ebenfalls die Form von Gliedern einer integrierten Schaltung haben, wodurch die Notwendigkeit von Verbindungs#leitungen zwischen den einzelnen Fluidic-Komponenten vermieden wird, so daß der gesamte Regler in der Form einer sehr kompakten Anordnung mit integriertem Aufbau hergestellt werden kann.

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Claims (1)

1. - 17 -Patent ans ρ r ü c h e

   Fluidic-Regler, welcher auf Istwertsignale PV und Sollwertsignale SP ansprioht, die in einem Prozeßregelsystem mit einem Steuerelement am Ende zur Beeinflussung des Prozesses gebildet werden, g e k β η η ζ e i c h η e t durch einen Komparator (22) mit einer Triggerstufe (T), welche auf die relativen Höhen des Sollwerts SP und des Istwerts PV anspricht und an einem ersten Ausgang (οχ) ein Signal konstanter Höhe für SP P" PV und an einem zweiten Ausgang (o«) ein Signal konstanter Höhe für PV >SP erzeugt, wobei an Jedem Ausgang eine Reohteckwelle auftritt« wenn der Istwert PV in bezug auf den Sollwert SP schwingt, eine Einrichtung (12) zur Integration des Signals an wenigstem einen der Ausgänge (oj, O₂) zur Erzeugung eines Steuersignals und zur Zufuhr des integrierten Signals zu dem Endsteuerelement (11), so daß durch dieses Endsteuerelement der Istwert PV in Richtung auf den Sollwert SP hin änderbar ist, wobei das steuerelement (11) eine ihm eigene Trägheit aufweist, wodurch der Istwert PV in bezug auf den Sollwert SP innerhalb eines relativ schmalen Bandes schwingfähig ist*

   2« Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführung zwischen den einenAusgfing (O₁) und den Eingang (I₁) des Komparators (22), welchem der Istwert PV zugeführt wird, zur Erzeugung einer Rückkopplung zur Stabilisierung des Reglers (13) geschaltet ist.

   3* Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g β k e η η ζ e i c hn e t, daß die Signale elektronischer Natur und der Komparator (22) ein elektronischer Schmitt-Trigger ist.

   4. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e i c hn e t, daß die Signale Fluidic-Signalβ und der Komparator (22) ein Fluidic-Schmitt-Trigger ist.

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   5. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeieh net,: dafi der Komparator (22) aus einer Mhm von proportionalen Fluidic-Verstärker-stufen (A₁, A₂, A,) besteht, deren erste Pluidic-Verstärkerstufe (A₁) auf die Pluidic-SoUwertisignale SP und Pluidic-

   . Istwertsignale FV anspricht, und die letzte Fluidic-Verstärker-, stufe (A^) mit dem lihgang des Fluidio-Triggers (T) verbunden ist,

   6. Regler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge k en ns eic hn e t, dafi ein Rückkopplungswiderstand (24) zwischen dem einen Ausgang des Triggers (T) und den Istwerteingang (I₁) dea Kompa-

   ™ rators (22) geschaltet ist, wodurch das Eingangssignal am Komparator (22) die Sum» des Istwertsignals FV und des Rückführsignals ist.

   7* Regler nach Anspruch 6, dadurch gekennze 1 ohne %» daS der Rüokkopplungswiderstand (24) zur Veränderung der Dämpfung; des Reglers (13) einstellbar ist.

   8. Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e kennzeichnet, dai das Endeteuerelement (11) in einer Leitung (10) angeordnet ist, welche ein Fluidum zu einer Last führt,

   und daß der Istwert FV von einem mit dieser Leitung (10) verbun- |l denen Widerstand (20) und der Sollwert SP von einem mit dieser Leitung (10) verbundenen Druckregler (21) abgeleitet ist.

   9. Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das das Endeteuerelement (11) mit einem einfach wirkenden pneumatischen Steller (12) verbunden ist, ein Ausgang (OUT₁) des Reglers (13) mit dem Steller (12) Über eine erste Diode (26) in Reihe mit einem Widerstand (23) in einer Richtung wirkend verbunden und der Steller (12) mit dem einen Ausgang (OUT₁) über eine zweite Diode (27) in Reihe mit einem Widerstand (29) in einer Riohtung wirkend verbunden ist und daß der zweit® Ausgang (OUT₂) des Reglars (13) entlüftet ist.

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   ■-■ 19 -

   10. Regler nach einender Ansprüche 4 bis 8, dadurch g ek β η η -zeichnet» daß das Endeteuerelement (11) mit einen doppelt wirkenden pneumatischen Steller (12*) verbunden ist, dessen eines Ende mit dem einen Ausgang (OUT₁) und dessen anderes Ende mit dem anderen Ausgang(OUTg) des Reglers (13) verbunden ist.

   11. Kegler nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch g e- ke η hz e i ch η et, daß der Regler (13) einen mit dem Ausgang des Triggers (T) verbundenen Digitalverstärker (23) aufweist.

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