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Regelungseinrichtung zum Konstanthalten einer elektrischen Größe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelungseinrichtung zum Konstanthalten einer
elektrischen Größe (Regelgröße) auf einem Sollwert mit vorgegebener Toleranz mittels
eines Reglers, der in AbhAngigkeit von der aus einem Vergleich der Regelgröße mit
dem Sollwert erhaltenen Regelabweichung eine Stellgröße liefert, die die Regelgröße
annähernd auf den Sollwert nachregelt.
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Soll z. B. eine mechanische Größe wie die Drehzahl eines Elektromotors
auf einem Sollwert annähernd konstant gehalten werden, so wird dazu in bekannter
Weise eine der zu regelnden Größe proportionale elektrische Regelgröße gebildet,
die einen Regler steuert. In dem Regler wird jeder Augenblickswert der Regelgröße
mit einem festen Sollwert verglichen.
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Eine aus dem Vergleich erhaltene Stellgröße, deren Wert beispielsweise
um so größer ist, je mehr die Regelgröße vom Sollwert abweicht (Regelabweichung),
wirkt auf eine die Regelgröße abgebende Regelstrecke ein, mit dem Ziel, die Regelgröße
trotz einer die Regelstrecke beeinflussenden Störgroße dem Sollwert anzunähern.
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Soll die Regelung möglichst genau ausgeführt werden, So muß der Regler
eine hohe Regelempfindlichkeit besitzen, voiu eine
eine verhältnismäßig
hohe Verstärkung im Regelkreis nötig ist.
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Dadurch kann es leicht zu einer unerwünschten Schwingneigung kommen,
die sich im allgemeinen nur dadurch herabsetzen oder vermeiden läßt, daß man die
Regelempfindlichkeit nicht zu hoch wählt. Man ist also mit anderen Worten gezwungen,
hinsichtlich der Regelempfindlichkeit einen Kompromiß einzugehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelungseinrichtung
zum Konstanthalten einer elektrischen Größe zu entwickeln, die sowohl eine Grobregelung
als auch eine Feinregelung ohne einen Kompromiß hinsichtlich der Regelempfindlichkeit
zuläßt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer eingangs genannten Regelungseinrichtung
dadurch gelöst, daß außer diesem ersten Regler mindestens ein weiterer Regler mit
einer gegenüber dem ersten Regler höheren Regelempfindlichkeit (Feinreselung) vorgesehen
ist, der mittels einer elektronischen Schalteinrichtung immer dann selbsttätig zur
Wirkung kommt, wenn die Regelgröße oder die von ihr abgeleitete Stellgröße des ersten
Reglers innerhalb eines bestimmten, von der Regelempfindlichkeit des ersten Reglers
abhängigen Toleranzbereichs des Sollwerts der Regelgröße oder der Stellgröße liegt.
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Das Prinzip sowie nähere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand
von in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbildern und Diagrammen erläutert In
der Zeichnung bedeuten: Fig.l
Fig. 1 ein Blocicschaltbild eines
erfindungsgemäßen Regelkreises mit zwei in Reihe schaltbaren Reglern, Fig. 2 ein
Blockschaltbild eines Regelkreises mit zwei getrennt einschaltbaren Reglern, Fig.
3 a ein Diagramm, aus dem der zeitliche Verlauf einer Regelgröße bzw. einer Stellgröße
hervorgeht, Fig. 3 b ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung
eines zum Regelkreis gehörenden digitalen Auswerter zeigt, und Fig. 3 c ein Diagramm,
aus dem der zeitliche Verlauf der Regelspannung des zweiten Reglers ersichtlich
ist.
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Ein Regelkreis gemäß Fig. 1 enthält eine Regelstrecke 1, an deren
Ausgang sich ein erster Regler 2 (Grobregler) anschließt.
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Ein Ausgang des ersten Reglers 2 steht erstens mit dem Eingang 3 einer
eXektronischen Schalteinrichtung 4, die einen digitalen Auswerter 5 und einen, vorzugsweise
elektronischen, Schalter 6 hat, zweitens mit einem ersten Eingang 7 einer Additionsschaltung
8 und drittens mit einem Eingang 9 des Schalters 6 in Verbindung. Ein Ausgang 10
des Auswerters 5 und ein Steuereingang 11 des Schalters 6 sind ebenfalls miteinander
verbunden. An den Ausgang' 12 des Schalters 6 bzw. der elektronischen Schalteinrichtung
4 ist ein zweiter Regler 13 (Feinregler) angeschlossen, dessen Ausgang mit einem
zweiten Eingang 14 der Additionsschaltung 8 verbunden ist. Vom Ausgang 15 der Additionsschaltung
8 führt eine Verbindungsleitung an den Eingang der Regelstrecke 1.
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Die
Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen
Regelungseinrichtung gemäß Fig. 1 wird in Verbindung mit den Diagrammen in Fig.
3 a bis 3 c erläutert. Die am Ausgang der Regelstrecke 1 auftretende Regelgröße,
z. B. eine elektrische Spannung UR (vgl. Regelgröße UR in Diagramm 3 a), ändert
ihren Wert in Abhän««,igkeit von einer auf die Regelstrecke 1 jeweils einwirkenden
Störgröße St. In dem an die Regelstrecke 1 angeschlossenen ersten Regler 2 wird
die beispielsweise starken Schwankungen unterliegende Regelgröße UR mit einem Sollwert
verglichen, der dem gewünschten Wert der konstant zu haltenden Größe entspricht,
Aus dem Unterschied zwischen dem Sollwert und der Regelgröße (- Istwert) wird die
Regelabweichung gebildet. Der nur für eine Crobregelung dienende erste Regler 2
leitet aus der Regelabweichung eine erste Stellgröße UG ab, die am ersten Eingang
7 der Additionsschaltung 8 liegt. Wegen des zunächst geöffneten Schalters 6 ist
der Eingang des zweiten Reglers 13 offen, so daß dieser nur eine zweite Stellgröße
UF mit konstantem Wert (vgl. Fig. 3 c, Zeit vor tl) 1 an den zweiten Eingang 14
der Additionsschaltung abgibt. Durch die am Ausgang 15 auftretende Stellgröße wird
die Regelstrecke 1 derart beeinflußt, daß sich die Regelgröße R einem vorgegebenen
Toleranzbereich 16 des Sollwerts U5011 nähert. Der Toleranzbereich 16 entspricht
einem Feinregelungsbereich, den der erste Regler 2 (Grobregler) nicht erfassen kann,
weil dazu eine verhälnismäßig hohe Verstärkung vorhanden sein. mßte, die zu einer
Schwingneigung im Regelkreis führen könnte. Befinden sich die Augenblickswerte der
Regelgröße UR außerhalb des Toleranzbereichs 16, so übernimmt - wie bereits
bereits
oben beschrieben - nur der erste Regler 2 die Regelung, während die elektronische
Schalteinrichtung 4 und der zweite Regler 13 noch nicht ansprechen; vgl. Diagramme
in Fig. 3 a bis 3 c; Zeit vor tl Erst wenn die mit dem ersten Regler 2 festgestellte
Regelabweichung nur noch sehr gering ist und damit die erste Stellgröße UG einen
Wert unterschreitet, der den in dem Diagramm in Fig. 3 a durch gestrichelte Linien
gekennzeichneten Toleranzgrenzen 17, 18 des Sollwertes U5011 entspricht, wird die
elektronische Schalteinrichtung 4 betätigt, vgl. Diagramm in Fig. 3 b Zeitpunkt
t1. Im einzelnen geschieht dabei folgendes: Unterschreitet die erste Stellgröße
UG eine der Toleranzgrenzen 17, 18, so spricht ein wie ein Schwellwertschalter wirkender
digitaler Auswerter 5 an und gibt eine, z. B. positive, Signalspannung Uein ab (Diagramm
in Fig. 3 b), die den Schalter 6 schließt. Damit gelangt die erste Stellgröße UG
vom Ausgang des ersten Reglers 2 über den geschlossenen Schalter 6 an den Eingang
des zweiten Reglers 13 (Feinregler) mit der höheren Regelempfindlichkeit. In dem
zweiten Regler 13 wird die nunmehr verhältnismtßig kleine Stellgröße UG verstärkt,
die verstärkte Regelgröße mit einem Sollwert U5011 (Diagramm in Fig. 3 a) verglichen
und aus der Regelabweichung die zweite Stellgröße UF gebildet (vgl. Diagramm in
Fig. 3 c). Die zweite Stellgröße UF liegt über den zweiten Eingang 14 der Additionsschaltung
8 am Eingang der Regelstrecke 1 und regelt zusammen mit der am ersten Eingang 7
der Additionsschaltung liegenden ersten
ersten, konstanten Stellgröße
UG die Regelgröße UR auf den bestimmten konstanten Wert (vgl. Diagramm in FIR. 3
c, Zeitpunkt t2).
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Verändert die Regelgröße infolge einer auf die Regelstrecke 1 einwirkenden
Störgröße ihren Wert derart, daß die erste Stellgröße U, G wieder einen vom Sollwert
abweichenden Wert annimmt (vSl Diagramm in Fig. 3 a, Zeit zwischen t2 und t3), so
bleibt zunächst der zweite Regler 13 wirksam. Uberschreitet die erste Stellgröße
UG schließlich infolge des Einflusses einer verhältnismäßi& starken Störgröße
auf die Regelstrecke 1 eine der Toleranzgrenzen 17, 18, z. B. die obere Toleranzgrenze
17 (Zeitpunkt t3 im Diagramm gemäß Fig. 3 a), so liefert der digitale Auswerter
5 an den Steuereingang 11 des Schalters 6 eine den Schalter öffnende, z. B. positive,
Spannung Uau8, die z. B kleiner ist als die Spannung U Uein Damit ist der zweite
Regler 13 wieder abgeschaltet und der erste Regler 2 (Grobregler) wirksam.
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In einer anderen Ausführungsform der Regelungseinrichtung ist der
Regelkreis (Fig. 2) folgendermaßen aufgebaut: An den Ausgang 19 einer die Regelgröße
abgebenden Regelstrecke 20 schließt sich eine elektronische Schalteinrichtung 21
mit einem digitalen Auswerter 22 und einem in Fig. 2 der besseren Übersichtlichkeit
halber als mechanischer Schalter dargestellter Umschalt-er 23 an, und zwar ist der
Ausgang 19 der Regelstrecke 20 einerseits mit dem Eingang 24 des digitalen Auswerters
22 und andererseits mit einem beweglichen Kontakt 25 des Umschalters 23 verbunden.
Der Ausgang des digitalen Auswerter 22 steht mit dem Steu.r-
Steuereingang
26 des Umschalters 23 in Verbindung. An einen ersten fcststehenden Kontakt 27 des
Umschalters 23 schließt sich ein erster Regler 28 <Grobregler) und an den zweiten
feststehenden Kontakt 29 der Eingang eines zweiten Reglers 30 (Feinregler) an.
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Per Umschalter 23 mit seinen Kontakten 25, 27 und 29 wird zweckmäßigerweise
durch eine elektronische Schaltung gebildet. Die Ausginge des ersten und des zweiten
Reglers 28, 30 führen an je einen Eingang einer Verknüpfungsschaltung 31, deren
Ausgang 32 mit einem Eingang 33 der Regelstrecke 20 verbunden ist.
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Ztir Wirkungsweise des Regelkreises gemäß Fig. 2 ist folgendes zu
sagen: Itat die am Ausgang 19 der RegeJstrecke 20 vorhandene Regelgröße UR einen
Werft, der außerhalb des Toleranzbereichs 16 liegt, so spricht der digitale Auswerter
22 nicht an, und der Usclialter 23 nimmt die in Fig. 2 ersichtliche Lage ein, in
welcher der Ausgang 19 der Regelstrecke 20 mit dem Eingang des ersten Reglers 28
verbunden ist. Der erste Regler 28 (Grobregler) wird somit durch die Regelgröße
UR der Regelstrecke 2n beeinflußt, ährend der Eingang des zweiten Reglers 30 tFeinregler)
offen bleibt.
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Der erste Regler 28 hat dieselbe Funktion wie der erste Regler 2 gemäß
dem Blockschaltbild in Fig. 1. Er liefert somit eine von der Regelabweichung abhängige
Stellgröße UG, die zusammen mit einer bei offenem Eingang vom zweiten Regler 30
gelieferten konstanten Stellgröße UF (vgl Diagramm in Fig. 3 c, Zeit vor tl) an
je einem Eingang der Verknüpfungsschaltung 31 liegt. Die am Ausgang 32 der Verknüpfungsschaltung
31 auftretende Stellgröße wird dem Eingang 33 der Regelstrecke 20 zugeführt.
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Bewegt
Bewegt sich die Regelgröße UR infolge der
Regelung in Richtung auf den Sollwert und unterschreitet sie schließlich eine der
Toleranzgrenzen 17, 18 (Fig. 3 a), so spricht der digitale Auswerter 22 an und schaltet
den Umschalter 23 um. Im umgeschalteten Zustand verbindet der bewegliche Kontakt
25 den Ausgang 19 der Regelstrecke 20 über den feststehenden Kontakt 29 mit dem
Eingang des zweiten Reglers 30 (Feinregler). Die in diesem Fall vom zweiten Regler
30 gelieferte Stellgröße UF liegt zusammen mit der bei offenem Eingang des ersten
Reglers 28 gelieferten konstanten ersten Stellgröße UG an je einem Eingang der Verknüpfungsschaltung
31, deren Ausgangsspannung nunmehr die für eine Feinregelung benötigte Stellgröße
für die Regelstrecke 20 bildet.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 enthält der Regelkreis
zwei Regler. Es kann aber auch in bestimmten Fällen zweckmäßig sein, in einem Regelkreis
eine stufenweise ansteigende Regelempfindlichkeit vorzusehen, wofür mehrere digitale
Auswerter (Schwellwertschalter) mit verschieden hoher Ansprechschwelle und mehrere
Regler mit verschieden hoher Regelempfindlichkeit nötig wären.