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Dreipunktregler Die Erfindung betrifft einen Dreipunktregler mit einem
von der Regelabweichung beaufschlagten Integrator, der Schaltmittel zur Erzeugung
eines Stellsignals fur ein Stellglied ansteuert.
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Dreipunktregler werden insbesondere bei der Regelung langsam verlaufender
Vorgänge eingesetzt. Dabei gibt es Anwendungsfälle, bei denen die Regelgröße vorübergehende
statistische Schwankungen zeigt, die nach kurzer Zeit von selbst wieder verschwinden.
Ein Ausregeln dieser Schwankungen wäre nicht sinnvoll, weil das Betätigen des Stellgliedes
nur Unruhe in den Vorgang bringen und zusätzlich Verschleiß seiner mechanischen
Teile verursachen würde. Der Dreipunktregler soll daher bei kleinen Regelabweichungen
erst dann eingreifen, wenn die Fehlerzeit-Fläche einen bestimmten Betrag übersteigt.
Bei großen Regelabweichungen dagegen soll der Regler das Stellglied möglichst unverzüglich
betätigen.
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Hierzu ist bereits ein Dreipunktregler zur Erfassung und Ausregelung
des Mittelwertes der Regelabweichung einer mit Oberwellen oder statistischen Schwankungen
behafteten Regelgröße bekannt, der einen das Zeitintegral der Regelabweichung bildenden
Integrator aufweist. Das Zeitintegral der Regelabweichung wird in bistabilen Kippstufen
zur Erzeugung von Stellsignalen für das Stellglied und zur Erzeugung einer auf den
Eingang des Integrators gegengekoppelten Größe ausgewertet. Obwohl dieser bekannte
Dreipunktregler so beschaltet werden kann, daß die Fehlerzeit-Fläche, die er vor
seinem
Eingreifen abwartet, bei wachsender Regelabweichung abnimmt,
werden große Regelabweichungen noch immer in mehreren Schritten ausgeregelt. Dies
ist bei Anwendungsällen storens, bei denen eine möglichst rasche Ausregelung großer
Regelabweichungen bei minimaler Schalthäufigkeit des Stellgliedes erfolgen soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde5 einen hierfür geeigneten
Dreipunktregler zu schaffen. Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, daß dem
Integrator eine Freigabestufe mit einem bei einem Schwellwert der Regelabweichung
ansprechenden Grenzwertmelderi; vorgeschaltet la& daß der Ausgang eines weiteren,
das Stellsignal auswertenden und ebenfalls mit der Freigabestufe verbundenen Integrators,
sowie die Regelabweichung an einen Vergleicher angeschlossen sind, der die Freigabestufe
sperrt und beide lntegr:atoren rücksetzt.
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Die Freigabestufe des erfindungsgemäßen Dreipunktreglers sperrt die
beiden Integratoren, solange die Regelabweichung einen vorgegebenen Schwellwert
nicht überschreitet. Dieser Schwellwert wird zweckmäßigerweise so eingestellt, daß
er dem kleinsten vom Stellglied ausführbaren Schritt entspricht. Gegebenenfalls
kann auch noch das in den mechanischen Teilen des Stellgliedes auftretende Spiel
berücksichtigt werden. Sobald die Regelabweichung den schnell wert übersteigt, werden
beide Integratoren freigegeben.
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Die gesamte Regelabweichung beaufschlagt den ersten Integrator, dessen
Ausgangsspannung die Schaltmittel zur Erzeugung eines Stellsignals für ein Stellglied
beeinflußt.
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Solange die Fehlerzeit-Fläche der Regelabweichung und damit auch die
Ausgangs spannung des ersten Integrators unterhalb eines vorgegebenen Wertes bleiben,
sprechen die Schaltmittel nicht an. Überschreitet dagegen die Fehlerzeit-Fläche
der
Regelatweichung diesen Wert, so geben die Schaltmittel ein Stellsigal
an d&s Stellglied. Zusätzlich wird das-Stells-,tnaL von einem zweiten Integrator
ausgewertet, dessen AusgangsspæEnang mit der Regelabweichung verglichen wird. Sobald
die Ausgangsspannung des zweiten Integrators die Größe der Regelabweichung überschreitet,
sperrt der Vergleicher die Freigabe stufe und setzt beide Integratoren zurück.
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Der erfindungsgemäße Dreipunktregler kann vorteilhaft so ausgestaltet
werden, daß bei großen Regelabweichungen, die einen vorgegebenen Meldewert überschreiten,
die Schaltmittel möglichst unverzögert ein Stellsignal für das Stellglied erzeugen.
Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der von der Regelabweichung beaufschlagte
Integrator zwei unterschiedlich große Integrierzeiten aufweist, die von einem bei
einem Meldewert der Regelabweichung ansprechenden Schaltglied umschaltbar sind.
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Solange die Regelabweichung den Meldewert nicht überschreitet, hat
der Integrator eine auf die abzuwartende Fehlerzeit-Fläche abgestimmte Integrierzeit.
Ist dagegen die Regelabweichung größer als der Meldewert, so wird der Integrator
auf eine sehr kleine Integrierzeit umgeschaltet. Seine Ausgangsspannung steigt sehr
schnell über die Ansprechschwelle der Schaltmittel zur Erzeugung eines Stellsignals
an.
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Eine derartige Umschaltbarkeit der Integrierzeiten bei demmit der
Regelabweichung beaufschlagten Integrator läßt sich dadurch realisieren, daß der
Integrator einen hochohmigen Eingangswiderstand und einen dazu parallelgeschalteten
niederohmigen Eingangswiderstand mit vorgeschalteter Zenerdiode aufweist, deren
Zenerspannung dem Meldwert entspricht.
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Solange die die Regelabweichung abbildende Spannung unterhalb der
Zenerspannung bleibt, ist der niederohmige Zweig
gesperrt und der
hochohmig Eingangswiderstand bestimmt zusammen mit dem Rückkopplungskondensator
des Integrators dessen Integrierzeit Als Integrierzeit ist diejenige Zeit definiert,
die vergeht, bis die Ausgangsspannung eines Integrators die Eingangsspaenung erreicht
hat. Übersteigt die Regelabweichung die Zenerspannungs so wird die Zenerdiode geflutet
und es bestimmt praktisch der niederohmige Eingangswiderstand eine wesentlich kleinere
Integrierzeit.
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Die Unterschiede zwischen den beiden Integrierzeiten können dabei
entsprechend dem Verhältnis der beiden Eingangswiderstände mehrere Größenordnungen
betragen Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser AusfUhrungsSorm der Erfindung sieht
vor, daß der Ausgang des das Stellsignal auswertenden Integrators auf den Meldewert
der Regelabweichung begrenzt ist. Dem Vergleicher wird dann einerseits die tatsächliche
Regelabweichung und andererseits die auf den Meldewert der Regelabweichung begrenzte
Ausgangsspannung des zweiten Integrators zugeführt. Der Vergleicher kann daher die
Freigabestufe solange nicht sperren bzw. beide Integratoren rücksetzen, solange
die tatsächliche Regelabweichung größer ist als der Meldewert. damit ist sichergestellt,
daß auch bei sehr großen Regelabweichungen eine minimale Schalthäufigkeit des Stellgliedes
erzielt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
bei den jeweils aus einem Regelverstärker mit Rückkopplungskondensator aufgebauten
Integratoren die Rückkopplungskondensatoren jeweils mit von der Freigabestufe betäfigbaren
Schaltern überbrückt sind. Beim Schließen dieser Schalter werden die Rückkopplungskondensatoren
kurzgeschlossen und damit die Integratoren sehr schnell zurückgesetzt. Die Integratoren
sind wieder startbereit, wenn die Freigabe stufe die Schalter öffnet. Die Freigabestufe
schließt
die Schalter bei einem vom Vergleicher abgegebenen Signal und öffnet sie auf ein
Signal, das der ihr vorgeschaltete Grenzwertmelder abgibt, wenn die Regelabweichung
den Schwellwert überschreitet. Die Schalter können als Kontakte oder auch kontaktlos
ausgeführt sein.
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Es gibt Stellglieder, bei denen die Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße
nicht über den gesamten Stellbereich konstant ist. Bei Stellgliedern mit mechanischen
Teilen kann dies beispielsweise durch erhöhte Reibung in einem Teilbereich bedingt
sein. Der Einfluß dieser Erscheinung auf die Regelung läßt sich gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung dadurch kompensieren, daß im Eingang des das Stellsignal
auswertenden Integrators ein Multiplizierer angeordnet ist, der das Produkt aus
dem Stellsignal und einem aus der Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße 1eiten
bn Faktor bildet. Dadurch ist wiederum eine schnelle Ausregelung bei minimaler Schalthäufigkeit
des Stellgliedes gewährleistet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den beigefügten Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreipunktreglers,
Fig. 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen Dreipunktreglers, Fig.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreipunktreglers mit einem Multiplizierer
im Eingang des das Stellsignal auswertenden Integrators.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Dreipunktregler weist einen
von einer die Regelabweichung abbildenden Spannung beaufschlagten Integrator t auf,
der Schaltmittel 2 zur Erzeugung eines Stellsignals für ein Stellglied 3 ansteuert.
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Die Schaltmittel 2 können in bekannter Weise so(ausgebildet sein,
daß sie oberhalb bzw. unterhalb von jp-ositlven bzw.
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negativen Ansprechwerten Stellsignale unterschie-dlicher Pelarität
an den beiden Ausgängen abgeben, die das Stellglied jeweils in einer Richtung steuern.
Dem Integrator 1 ist eine Freigabestufe 4 mit einem Grenzwertmelder 5 vorgeschaltet.
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Erst wenn die Regelabweichung den Schwert a des Grenzwertmelders 5
überschreitet, gibt die Fregabestuf--e 4 den Integrator 1 frei.
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Der Integrator 1 weist swei unterschiedlich große Integrierzeiten
t1 und t2 auf, die von einem Schaltglied 6 umschalt bar sind, das beim Uberschreiten
eines Meldewertes A der Regelabweichung anspricht.
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Das Stellsignal wird am mittleren Ausgang 7 der Schaltmittel 2 ausgekoppelt
und auf einen weiteren Integrator 8 gegeben, der ebenfalls mit der Freigabestufe
4 verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Integrators 8 ist über den auf den Meldewert
A eingestellten Begrenzer 9 an den Vergleicher 10 gelegt, dem auch die Regelabweichung
zugefüh1rt wird. Sobald die Ausgangsspannung des Integrators 8-die Regelabweichung
erreicht hat, gibt der Vergleicher 10 ein Signal an die Freigabe stufe 4, die daraufhin
sperrt und die beiden Integratoren 1 und 8 zurücksetzt.
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Die möglichen Arbeitsweisen des dargestellten Dreipunktreglers ergeben
sich aus der Größe der auftretenden Regelabweichung: Solange die Regelabweichung
unterhalb des Schwellwertes a des Grenzwertmelders 5 bleibt, hält die Freigabe stufe
4 die beiden Integratoren 1 und 8 gesperrt. Es wird kein Stellsignal an das Stellglied
3 abgegeben.
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Wenn die Regelabweichung den Schwellwert a überschreitet, gibt die
Freigabestufe 4 beide Integratoren frei. Der Integrator 1 bildet die Fehlerzeit-Fläche
der Regelabweichung mit der Integrierzeit t1. Solange nur statistische Schwankungen
der Regelgröße auftreten, die sich im Zeitverlauf wieder ausgleichen, erreicht die
Ausgangsspannung des Integrators 1 nicht die Ansprechschwelle der Schaltmittel 2.
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Diese geben daher ebenfalls kein Stellsignal an das Stellglied 3 ab.
Erst wenn eine eindeutige Abweichung der Regelgröße in einer Richtung auftritt und
die Fehlerzeitfläche einen bestimmten Wert überschreitet, erreicht die Ausgangsspannung
des Integrators 1 die Ansprechschwelle der Schaltmittel 2, die daraufhin ein Stellsignal
an das Stellglied 3 abgeben. Das Stellsignal wird im Integrator 8 aufintegriert
und im Vergleicher 10 mit der Regelabweichung verglichen.
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Sobald es die Regelabweichung überschreitet, sperrt der Vergleicher
10 die Freigabestufe 4, die ihrerseits die beiden Integratoren 1 und 8 rücksetzt.
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Bei einer sehr großen und den Meldewert A des Schaltgliedes 6 übersteigenden
Regelabweichung, schaltet dieses den Integrator 1 auf die sehr kleine Integrierzeit
t2 um. Dieser erreicht sehr schnell seine maximale Ausgangs spannung und veranlaßt
damit ein Stellsignal, das dem Integrator 8 zugeführt wird. Der Vergleicher 10 erhält
nun einerseits die Regelabweichung, die größer ist als der Meldewert A, und andererseits
die auf A begrenzte Ausgangsspannung des Integrators 8. Er kann daher die Freigabe
stufe 4 solange nicht sperren, wie die Regelabweichung den Meldewert A übersteigt.
Erst wenn die Regelabweichung bereits auf den Meldewert A abgeklungen ist, sperrt
der Vergleicher 10 die Freigabestufe 4 und setzt die beiden Integratoren 1 und 8
zurück.
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Im Schaltplan der Fig. 2 ist der Grenzwertmelder für positive und
negative Werte des Schwellwertes a der Regelabweichung aus den beiden Verstärkern
12 und 13 aufgebaut.
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Dem invertierenden Eingang des Verstärkers 12 wird der mit dem Potentiometer
14 einstellbare positive Schwellwert +a zugeführt. Am Ausgang des Verstärkers 12
erscheint daher seine maximale negative Ausgangsspannung, wodurch die Diode 15 sperrt.
Dem nichtinvertierenden Verstärkereingang wird eine die Regelabweichung abbildende
Spannung zugeführt. Solange diese negativ-ist, ändert sich der Ausgang des Verstärkers
12 nicht, da er bereits am negativen Anschlag liegt. Nur wenn die Regelabweichung
positiv und größer als der Schwellwert +a wird, kippt der Verstärker 12 zu seinem
positiven Anschlag und die Diode 15 wird geflutet.
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Beim Verstärker 13 wird der negative Schwellwert -a vom Potentiometer
16 abgegriffen und dem nichtinvertierenden Verstärkereingang zugeführt, wahrend
am invertierenden Eingang die Regelabweichung ansteht. Sobald diese negativer wird
als der Schwellwert -a, kippt der Verstärker 13 um und die Diode 17 wird geflutet.
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Die Freigabestufe besteht aus dem PNP-Schalttransistor 18, dessen
Basis über den Widerstand 19 negativ vorgespannt ist.
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Der Transistor 18 beeinflußt das Relais 20, das die beiden Kontakte
21 und 22 betätigt. Solange die Regelabweichung den positiven oder negativen Schwellwert
+ a nicht übersteigt und die beiden Dioden 15 und 17 gesperrt sind, ist der Transistor
18 aufgrund des negativen Potentials an seiner Basis durchlässig, das Relais 20
erregt und die Kontakte 21 und 22 geschlossen. Sobald einer der Verstärker 12 oder
13 kippt und eine der Diode 15 oder 17 geflutet wird, gelangt positives Potential
an die Basis des Transistors 18. Dieser sperrt, das Relais 20 wird entregt und die
beiden Kontakte 21 und 22 geöffnet.
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Anstelle des Relais 20 und der beiden Kontakte 21 und 22 lassen' sich
auch kontaktlose Schalter einsetzen, beispielsweise Peldeffekttransistoren.
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Der mit der Regelabweichung beaufschlagte Integrator ist aus dem Verstärker
23 mit dem Rückkopplungskondensator 24 aufr:ebaut, der vom Schalter 21 und einem
niederohmigen Entladewiderstand 25 kurzgeschlossen werden kann. Der Verstärker 23
weist einen hochohmigen Eingangswiderstand 26 und einen parallelgeschalteten niederohmigen
Eingangswiderstand 27 mit gegeneinander geschalteten Zenerdioden 28 und 29 auf.
Die Zenerspannung beider Zenerdioden entsprechen dem Meldewert A der Regelabweichung.
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Solange die Regelabweichung den Meldewert A nicht übersteigt, gelangt
die gesamte Regelabweichung über den hochohmigen Eingangswiderstand 26 an den Verstärker
23, dessen Integrierzeit t1 durch das Produkt aus dem hochohmigen Eingangswiderstand
26 und dem Rückkopplungskondensator 24 gegeben ist.
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Ubersteigt die Regelabweichung die Zenerspannung einer der beiden
Zenerdioden, so ist praktisch nur noch der niederohmige Eingangswiderstand 27 wirksam.
Die sehr kurze Integrierzeit t2 ergibt sich in erster Näherung aus dem Produkt dieses
niederohmigen Widerstandes 27 mit dem Rückkopplungskondensator 24. Obwohl dem Verstärkereingang
nur die Differenz zwischen der Regelabweichung und der Zenerspannung zugeführt wird,
erreicht seine Ausgangs spannung sehr schnell den Ansprechwert der nachgeschalteten
Schaltmittel.
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Die Schaltmittel zur Erzeugung von Stellsignalen für das Stellglied
sind aus den Verstärkern 30 und 31 aufgebaut.
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Ihre invertierenden Eingänge sind mit den positiven bzw.
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negativen Ansprechwerten belegt, die von den Potentiometern 32 und
33 abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung des Integrators 23, 24 wird auf die
nichtinvertierenden Eingänge der beiden Verstärker 30 und 31 gegeben. Solange diese
Spannung nicht die Ansprechwerte erreicht, liegt der Verstärker 30 am negativen
Anschlag und die Diode 34 it gesperrt, während der Verstärker-31 am positiven Anschlag
liegt
und die Diode 35 ebenfalls gesperrt ist bald die Ausgangsspannung des Integrators
23, 24 dem am Potentiometer 32 abgegriffenen positiven Ansprechwert des Verstärkers
30 überschreitet, kippt dessen Ausgangsspannung an dem positiven Anschlag und die
Dioden 34 und 36 werden geflutet. Entsprechend kippt die Ausgangsspannung des erstärkers
31 bei Unterschreitung des negativen Ansprechwertes an den positiven Anschlag und
flutet die Dioden 35 und 3. Über die Dioden 34 bzw. 35 gelangen Stellsignale unterschiedlicher
Polarität an das Stellglied.
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Zwischen den Dioden 36 und 37 wird das Stellsignal ausgekoppelt und
auf einen weiteren Integrator gegeben, der aus dem Verstärker 38 und dem Rückkopplungskondensator
39 aufgebaut ist. Der Rückkopplungskondensator 39 ist von dem Schalter 22 und dem
niederohmigen Entladewiderstand 40 überbrückt. Die Ausgangsspannung des Integrators
38, 39 wird durch die beiden Zenerdioden 41, 42 auf den Meldewert A begrenzt.
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Die Ausgangsspannung des Integrators 38, 39 wird über den Umkehrverstärker
43 auf den Vergleicher gegeben. Der Umkehrverstärker 43 ist lediglich durch die
für dieses Ausgang beispiel gewählten Schaltmittel bedingt. Er kann bei anderer
Ausgestaltung der Schaltmittel entfallen.
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Der Vergleicher enthält die beiden Verstärker 44 und 45.
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Positive Regelabweichungen gelangen über die Diode 46 auf den nichtinvertierenden
Eingang des Verstärkers 44, während negative Regelabweichungen über die Diode 47
auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 45 gelangen. Solange die Ausgangs
spannung des Umkehrverstärkers 43 kleiner ist als die Regelabweichung, liegen die
Ausgangsspannungen der beiden Verstärker 44 und 45 am positiven Anschlag und die
Dioden 48 und 49 sind gesperrt. Sobald die Ausgangsspannung des
Umkehrverstärkers'
43 jedoch die Regelabweichung auch nur geringfügig übersteigt, wird auch die Ausgangsspannung
eines der beiden Verstärker negativ und die ihm zugeordnete Diode wird geflutet.
An dem Potentiometern 50 bzw. 51 kann durch Vorgabe einet entsprechenden positiven
oder negativen Wertes die Zeit bis zum Erreichen des Kippunktes eingestellt werden.
Außerdem kann damit die Symmetrie des Schaltverhaltens fur positive und negative
Werte der Regelabweichung eingestellt werden.
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Ist eine der Dioden 48 oder 49 infolge einer negativen Ausgangsspannung
ihres zugehörigen Verstärkers 44 oder 45 geflutet worden, so gelangt über den Widerstand
52 negatives Potential an die Basis des Schalttransistors 18. Da aber ebenfalls
noch liner eine gleich große positive Spannung aus einem der Verstärker 12 oder
13 ansteht} heben sich beide Spannungen auf. Aufgrund des mit dem Widerstand 19
eingestellten Arbeitspunktes wird die Basis negativ und der Transistor 18 schaltet
durch. Das Relais 20 wird dadurch erregt und schließt die Kontakte 21 und 22, die
die Rückkopplungskondensatoren 24 und 39 über die niederohmigen Entladewiderstände
25 und 40 praktisch kurzschließen. Dadurch werden beide Integratoren zurückgestellt.
Das Stellsignal für das Stellzed ist beendet.
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Das zuletzt beschriebene Sperren der Freigabestufe ist nur dann möglich,
wenn die Ausgangsspannung des-Umkehrverstärkers 43 bzw. des Integrators 38, 39 die
die Regelabweichung abbildende Spannung erreichen kann. Sobald die Regelabweichung
den Meldwert i überschreitet, kann aber die auf A begrenzte Ausgangsspannung des
Integrators 38, 39 die Regelabweichung nicht sehr erreichen. Das Rücksetzen der
beiden Integratoren wird dadurch solange verhindert, bis die Regelabweichung auf
den Meldewert A abgesunken ist.
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im Ausführungsbeispiel der Fig 3 besteht das Stellglied aus dem in
beiden Richtungen betreibbaren Elektromotor 53, der über ein mechanisches Getriebe
54 den Abgriff 55 des Potentiometers 56 verstellt. Bei einem derartigen Stellglied
kann es vorkommen, daß eines der mechanisch bewegten Teile' in einem Teil des Stellbereichs
schwergangiger ist als in einem anderen Teil Um diesen Einfluß auszugleichen, wird
vom Schleifer 55 eine Spannung ausgekoppelt, deren Änderung der tatsächlichen änderung
der Stellgröße entspricht. Im Identifizierglied 57 wird die ausgekoppelte Spannung
differenziert und einem Multiplikator 58 als Faktor zugeführt, der durch Multiplikation
des Stellsignals mit diesem Faktor die Singangsspannung für den Integrator 8 bildet.
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6 Patentansprüche 3 Figuren