DE2148807A1

DE2148807A1 - Prozessregler fuer eine Prozessregelvorrichtung

Info

Publication number: DE2148807A1
Application number: DE19712148807
Authority: DE
Inventors: Riley John Edward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-10-01
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1372070A; US3628129A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, VStA

Prozeßregler für eine Prozeßregelvorrichtung

Die Erfindung befaßt sich mit einem Prozeßregler für eine Prozeßregelvorrichtung, die einen Generator für während eines Prozesses sich ändernde Signale und einen Sollwertgeber aufweist, und sie befaßt sich insbesondere mit einem eine Geschwindigkeitseinstellschaitung aufweisenden Prozeßregler, durch den eine Geschwindigkeitsbeeinflussung oder -einstellung nur bei Änderungen eines während des Prozesses sich ändernden Signals vorgenommen wird.

Mit Hilfe einer Prozeßregelvorrichtung mit geschlossener Äegelschieife lassen sich ein oder mehrere Parameter oder Veränderliche eines Prozesses über Umformer, die elektrische Signale erzeugen, überwachen. Diese Signale, die im Folgenden als während des Prozesses sich ändernde Signale bezeichnet sind, sind proportional zu den vorhandenen Werten der zu überwachenden Veränderlichen. Die sich während des Prozesses ändernden Signale werden zusammen -mit Sollwertsignalen, die entsprechend zu einem gewünschten Wert für eine bestimmte Veränderliche proportional sind, zugeführt.

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Wenn zwischen einem sich während des Prozesses ändernden Signal und dem Sollwertsignal eine Abweichung oder ein Unterschied besteht, dann erzeugt der Prozeßregler ein Signal, welches einem Bauelement, beispielsweise einem Umformer, der elektrische Signale in mechanische Signale umfort, zugeführt wird. Das Bauelement stellt den Betriebswert oder die Betriebsstellung eines ProzeßregeLelements, beispielsweise eines Absperrorgans, ein, und es stellt damit auch den Betriebswert des Prozesses selbst ein, so daß die Veränderliche zu dem Sollwert hin gesteuert wird.

Das Signal, welches durch den Regler gebildet wird, entspricht normalerweise nicht der Abweichung des Sollwertsignals von dem während des Prozesses sich ändernden Signal, sondern es unterscheidet sich entsprechend der Art des Reglers von der Abweichung. Wenn der Regler eine proportionale Wirkung aufweist, dann ist das Ausgangssignal des Reglers gegenüber dem Regelabweichungssignal verstärkt. Wenn der Regler eine Rückstellschaltung aufweist, dann wird das Ausgangssignal des Reglers stetig entsprechend dem Integral der Regelabweichung zwischen dem mit dem Prozess veränderlichen Signal und dem Sollwertsignal eingestellt. Die Rückstellwirkung wird solange fortgesetzt, wie eine Abweichung vorliegt. Wenn der Regler eine Geschwindigkeitseinstellschaltung enthält, dann ist das Ausgangssignal des Reglers normalerweise eine Teilfunktion der Geschwindigkeitsänderung oder eine Ableitung der Abweichung.

Da bei einem üblichen Regler Änderungen des während des Prozesses sich ändernden Signals oder des Sollwerts eine Abweichung zwischen den beiden hervorrufen, tritt eine Geschwindigkeitseinstellung

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auf, und zwar unabhängig davon, welches der beiden Eingangssigiiaie geändert wird. Bei typischen Regelvorrichtungen kann eine kleine Änderung des Sollwertsignals zu einem den Prozeß beeinflussenden Regelsignal werden, dessen Große gleich der Geschwind igKei tsverstarnung mal der Größe der Änderung des Sollwert ignais ist. Bei typischen Regeleinrichtungen ist die Geschwindiglcei tsvers tärkung etwa zehn. Folglich wird sich das Ausgangssignal des Reglers um einen Wert ändern, der etwa zehn mal so groß ist, wie die Änderung des Sol'iwertsignals.

'.Venn die Schaltung3parameter in dem Regelverstärker so gewählt Bind, daii große Zeitkonstanten entstehen, dann kann durch die Geschwindigkeitseinstellung nach Sollwertänderungen zu anfänglich hohen und lang dauernden Reglersignalen führen, die ein Überschwingen in dem Prozeß hervorrufen. Ein Überschwingen unterbricht häufig einen Prozeß und dies führt dann zu einem Verlust an Produktionszeit und Produktionsqualität.

Um die Unterbrechungen auszuschließen, die durch Geschwindigkeitsbeeinflussungen bei Veränderungen des Sollwerts hervorgerufen werden, wurden Schaltungen vorgesehen, bei denen eine Geschwixidigkeitsbeeinflussung oder -einstellung nur auf die während des Prozesses sich ändernden Signale vorgenommen wird. Eine solche Schaltung ist in dem US-Patent 3 441 836 (DAS ) beschrieben.. Bei der in diesem Patent beschriebenen Schaltung wird zwar die Geschwindigkeitseinstellung nur durch das während des Pro-· zesses sich ändernde Signal vorgenommen, jedoch ist es erwünscht, diese Schaltung zu vereinfachen.

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Dies wird durch, einen Prozeßregler der eingangs erwähnten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein erster Verstärker eine Eingangsanschlußklemme, die mit dem Generator für die sich während des Prozesses ändernden Signale verbunden ist, und eine Ausgangsanechlußklemme aufweist, daß sich eine G-eschwindigkeitseinstellschaltung in einer negativen Rückkopplunss·-- schleife für den ersten Verstärker befindet und daß eine Signälkombiniereinrichtung vorgesehen ist, deren erste Eingangsanschiußklemme mit der Ausgangsanschiußklerame des ersten Verstärliai-s verbunden ist und deren zweite Eingangsanschlußklemme mit dem Sollwertgeber verbunden ist, und die eine Ausgangsanschlußklsrase aufweist, über die ein Signal abgegeben wird, welches eine Geschwindigkeitseinstellung "nur bei Änderungen des während des Pi'czesses sich ändernden Signals bewirkt.

Eine Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen;

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Prozeßregelvorrichtung in Form eines Prozeßregelkreises mit einem Prozeßregler gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einiger Einzelheiten des Prozeßreglers gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird eine Prozeßregelvorrichtung in Form eines Regelkreises dazu verwendet, den Auslaßdruck in einer Rohrleitung 10 zu regeln. Der Auslaßdruck wird durch einen Druck- oder Prozeßumformer 12 für die sich während des Prozesses ändernden Signale überwacht, der ein elektrisches Signal proportional /.u

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dem augenblicklichen Wert des Auslaßdrucks erzeugt. Dieses Signal wird zusammen mit einem Sollwertsignal eines Sollwertgebers 16 einem Prdzeßregler 14 zugeführt. Gemäß der Erfindung enthält das Signal, welches von dem Prozeßregler 14 abgegeben wird, eine Komponente, durch die. Ableitung oder die Geschwindigkeit der Änderung des während des Prozesses veränderlichen Signals bestimmt ist. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Prozesses, in dem sich die Rohrleitung 10 befindet, kann das von dem Prozeßregler 14 erzeugte Signal auch proportionale und Hückstellanteile enthalten, die durch die Größe und das Integral der Abweichung zwischen dem sich während des Prozesses sich verändernden Signals und dem Sollwertsignal gegeben sind. Das Signal des Prozeßreglers wird einem Umformer 18 zugeführt, der eine Servovorrichtung aufweist, durch die die Einstellung eines Absperrorgans 20 in der Rohrleitung 10 gesteuert wird. Wenn der Auslaßdruck der Rohrleitung 10 einen bestimmten Wert, der durch das Sollwertsignal gegeben ist, überschreitet oder unterschreitet, dann wird durch den Regelkreis die Einstellung des Absperrorgans 20 verändert, so daß der Strom des Ströraungsmittels durch die Rohrleitung 10 vermin dert oder vergrößert wird, damit der ursprünglichen Druckänderung entgegengewirkt wird.

Es wurde bereits erwähnt, daß das Ausgangssignal des Prozeßreglers 14 eine Signalkomponente enthält, die sich durch die Wirkung der Geschwindigkeitseinstellung des während des Prozesses veränderlichen Signals ergibt. Eine Schaltung, die diese Geschwindigkeitseinstellung in dem Prozeßregler 14 hervorruft, ist in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt. Nach dieser Figur ist der Sollwertgeber 16 eine Spannungsquelle 22 mit positiver Ausgangsspannung, die über ein Potentiometer 26 mit einem Eingang des hochimpedanten

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Folgeverstärker 24 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Umformer 12 für während des Prozesses sich ändernde Signale wird einer Eingangsanschlußklemme 28 eines hochimpedanten Polgeverstäncers 30 zugeführt.

Wenn in dem zu überwachenden Prozeß oder genauer gesagt im Auslaßdruck eine Änderung auftritt, dann wird das sich ändernde Signal am Ausgang des Verstärkers 30 einer ersten Singangsanschlußklerame 32 eines Differentialverstärkers 34 mit großer Eingangsimpedanz, der im folgenden als erster Differentialverstärker bezeichnet ist, zugeführt. Eine G-eschwindigkeitseinstellschaltung 36 gibt eine Übertragungsfunktion ab, die eine Geschwindigkeitskomponente in das Ausgangssignal des Verstärkers 34 einführt. Das Verstärkerausgangssignal, welches die Geschwindigkeitskomponente enthält, wird einem ersten Eingang 36 eines zweiten Differentialverstärkers 38 zugeführt. Ein zweiter Eingang 40 des zweiten Differentialverstärkers 38 wird von dem Sollwertgeber 16 gespeist. Der zweite Differentialverstärker 38 ist ein Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1, der das Sollwertsignal mit dem während des Prozesses sich ändernden Signal, welches die Geschwindigkeitskomponente aufweist, kombiniert, und er gibt ein Ausgangssignal ab, welches weiteren Verstärkern oder direkt dem Umformer 18 zugeführt werden kann. Pur die meisten Anwendungen wird das Signal am Ausgang des zweiten Differentialverstärkers 38 durch Proportionalbereichs- und Rückstellschaltungen weiter abgewandelt» Da die besondere Ausführungsform der Proportionalbereichs- und Rückstellschaltungen und auch ihr Einbau in die Schaltungsanordnung für das Verständnis der erfindungsgernäßen Anordnung nioht wesentlich ist, wird sie nicht näher baeoiirieben,

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Die G-eschwindigkeitseinstellsehaltung 3ö, die often erwähnt wurde» enthält einen ersten Kondensator G_1s der parallel zu einem ersten, vorzugsweise einstellbaren Widerstand H₁ zwischen die Ausgangsarischlußklemine des Verstärkers 34 und eine zweite Eingangsanschlußklemme 42 des Verstärkers geschaltet ist. Die G-eschwindigkeitseinstellschaltung 36 enthält ferner einen zweiten Widerstand Ii₂, der in Reihe mit einem zweiten Kondensator C₂ zwischen die l'ingangsabschlußklemme 42 und Masse 44 geschaltet ist.

Die genauen Werte für die Widerstände und Kondensatoren der Geschwindigkeitseinstellschaltung 36 hängen von der Geschwindigkeitsverstärkung (Signalverstärkung) und der Gesehwindigkeitszeit (Signaldauer) ab, die eingestellt werden sollen, wobei die -Virkung des Widerstandes H₀ auf die Übertragungsfunktion bei der folgenden Analyse vernachlässigt werden soll* Der Widerstand R₂ hat einen niedrigen Widerstandswert verglichen zu dem des 7/iderstands R₁ und er ist nur zur Dämpfung irgendwelcher hochfrequenter Schwingungen vorgesehen, die am Ausgang des Verstärkers 34 auftreten könnten.

T.'enn man gut bekannte Schaltungsanalyseverfahren anwendet, dann läßt sich zeigen, daß die Übertragungsfunktione./e«) des Verstärkers 34 sich etwa ergibt zu:

H₁G₂S

(D

7/obei S das allgemein übliche Symbol für den la Place'sehen Operator ist. Durch übliche algebraische Umformungen kann die

— 8 —

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Gleichung (1) in·folgende Porm umgewandelt werden

, _Λ R₁O₁S + R₁O₉S

(2) ΤτΛ-ö + ~ ^{1 1 2}

Da der Wert des Widerstandes H₁ relativ groß -ist, wird die Grüße H₁O₁S groß verglichen zu der Zahl 1. Deshalb kann bei einer Annäherung die Größe 1+H₁O₁S durch die Größe ^-.C^S ersetzt werden. Polglich nähert sich der erste Ausdruck der Gleichung (2) dem Wert Mull und er kann vernachlässigt werden. Der zweite Ausdruck der Gleichung (2) nimmt folgende Form an

C₉S
(3) 1 + φ

wobei dieser Ausdruck die Geschwindigkeitsverstärkung der Übertragungsfunktion darstellt.

Um dies noch näher zu erläutern, sei angenommen, daß Cp = 10 Mikrofarad ist und O₁ = 1 Mikrofarad ist. Wenn eine Änderung e-g als eine .Stufe in dem während des Prozesses sich ändernden Signal auftritt, welches der Anschlußklemme 32 des Verstärkers zugeführt wird, dann nimmt das Signal e. an der Ausgangsanschiuß~ klemme eine Spitzenamptitu'de des V/ertes (1+(10/1))e_E oder des Wertes 11 e,-, an, bevor es abzunehmen beginnt.

Die Geschwindigkeit der Abnahme des Signals e. ist dadurch eine Punktion der Größe der Schaltungselemente R₁, C₁ und Cr,.

_ Q —

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Die Zeitkonstante der Widerstands-Kondensator-Schaltungen bestimmt die Abnahmegeschwindigkeit der Signale, die "in dieser Schaltung erzeugt werden. Pur die Geschwindigkeitsschaitung 36 ergibt sich eine Zeitkonstante von H₁ (C. +Gp).

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Claims

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Patentansprüche

Prozeßregler für eine Prozeßregelvorrichtung, die einen Generator für während des Prozesses sich ändernde Signale und einen Sollwertgeber aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Verstärker (34) eine Eingangsanschlußklemrae (32), die mit dem Generator für die sich während des Prozesses ändernden Signale verbunden ist, und eine Ausgangsanschlußklemrne aufweist, daß sich eine Geschwindigkeitseinstellschaltung (36) in einer negativen' Rückkopplungsschleife für den ersten Verstärker (34) befindet und daß eine Signalkombiniereinrichtung (38) vorgesehen ist, deren erste Eingangsanschlußklemme (36) mit der Ausgangsanschlußklemme des ersten Verstärkers (34) verbunden ist und deren zweite Eingangsanschlußklemme (40) mit dem Sollwertgeber (16) verbunden ist, und die eine Ausgangsanschlußkleinme, aufweist, über die ein Signal abgegeben wird, welches eine Geschwindigkeitseinstellung nur bei Änderungen des während des Prozesses sich ändernden Signals bewirkt.
2. Prozeßregler nach Anspruch 1, d'adurch gekennzeichnet , daß die Signalkombiniereinrichtung (38X ein Differentialverstärker ist.
3. Prozeßregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitseinstellschältung einen ersten Widerstand (H₁) und einen ersten Kondensator(G..) aufweist, die in der negativen Rückkopplungsschleife parallel zueinander geschaltet sind und ferner einen zweiten Konden-

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sator (C ), der zwischen ein Ende der Parallelschaltung (H₁, C₁) und eine Masseanschlußklemme (4-4) geschaltet ist.
4. Prozeßregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (34) ein Differentialverstärker ist.

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