DE2318696A1 - Regeleinrichtung fuer regelstrecken mit speichergliedern - Google Patents

Description

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K ! ein,Schanzl in & Becker, Aktiengesellschaft

Regeleinrichtung für Regelstrecken mit Speichergliedern

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Regelstrecken mit Speicherg! ledern, bestehend aus einem Regier mit pulsdauermodulierier Stellgröße und zweiwertig verstellbarem Stellglied, deren Verstellung sich direkt auf die Regelstrecke und verzögert auf die Regelgröße auswirkt.

Es ist bekannt, bei Regelstrecken, bei denen sich die Störgrößen insgesamt wertmindernd auf die Regelgröße auswirken, durch das Stellglied nur den werterhchenden Zufluß zu beeinflußen. Dieser wird von der Regelung mit den werfmindernden Störgrössen, also dem Bedarf, im Gleichgewicht gehalten. Eine hohe Regelgüte erfordert die unmittelbare Anpassung des Zuflusses an den Bedarf und daher eine direkte Regeleinrichtung. Die Speicherglieder machen es nötig, bei der Bemessung des Zuflusses zusätzlich den beim Regelvorgang auftretenden dynamischen Bedarf oder Überschuß der Speicher zu berücksichtigen. Dafür ist die Verschiedenheit der Zeitkonstanten der Speicher zwischen dem Ladevorgang (Bedarf) und dem Entladevorgang (Überschuß) von entscheidender Bedeutung. Mit zunehmendem Unterschied erhält nämlich die Regelstreckenkennlinie, wenn die Regelgröße über der pulsdauermodulierten Stellgröße aufgetragen ist, einen degressiven Verlauf.

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Unterschiede zwischen den Lade- und Entladezeitkonstanten ergeben sich insbesondere dann, wenn eine schnelle Ausregeiung der wertmindernden Störgrößen erfolgen soll. Unterschiede treten auch bei solchen Regelstrecken auf, bei denen die Störgrößen die Entladezeit ändern.

Für die Regelung von Regelstrecken mit Speichergliedern bieten sich vorzugsweise Regler mit pulsdauermodulierter Stellgröße an. Sie erlauben den Einsatz einfacher zweiwertiger Stellglieder ohne stetigen Antrieb, besondere Kennlinie und Hysteresefreiheit, wie es bei anderen Reglern erforderlich ist. Die pulsdauermodulierte Stellgröße hat außerdem die Vorteile, daß sie einerseits für eine schnelle Ausregelung die Quelle der Regelgröße direkt an die Regelstrecke anschließt und daß andererseits für die Auswirkung des Stell impulswertes auf die Regelgröße die Zeit der Pulspause zur Verfügung steht. Diese Auswirkung beeinflußt bereits den nächsten Stell impulswert, bevor er auf die Regelstrecke einwirkt. Durch die Speicherglieder und den richtig gewählten Pulsfrej/quenzbereich entsteht trotz pulsender Stellgröße eine praktisch stetige Regelgröße.

Der Stellwert wird bei der Pulsdauer-Modulation durch die Zeitdauer des Stell impulses gebildet. Mit jedem Stellimpuls wird die Quelle der Regelgröße direkt an die Regelstrecke angeschlossen und mit jeder Pulspause wieder von dieser getrennt.

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Weil aber die Quelle auf den größten Bedarf ausgelegt sein muß und eine schnelle Ausregelung erfolgen soll, ist die Ladezeitkonstante entsprechend klein. Die Entladezeitkonstante ist dadurch immer größer als die Ladezeitkonstante, so'daß die Regelstreckenkennlinie den erwähnten degressiven Verlauf bekommt. Wird für die Regelung ein bekannter direkter Regeler mit Proportionwerhalten und pulsdauermodulierter Stellgröße eingesetzt, erfordert die degressive Regelstreckenkennlinie einen großen P-Bereich oder eine starke Einschränkung des Stellbereiches. Das Ergebnis ist unbefriedigend, die bleibende Regelabweichung wird zu.groß. Es ist bekannt, diesem Mangel, dadurch abzuhelfen, daß Regler mit einem zusätzlichen integralen Stellwertverhalten gewählt werden. Die Nachstellzeit des Reglers wird auf die Entladezeitkonstante der Regelstrecke abgestimmt. Weil aber damit der Stellwert stark verzögert wird, ergibt sich eine träge Regelung. Der Stellwert verändert sich langsam, der Ausgleich erfolgt nicht in der schnellstmöglichen Zeit. Die Stellwertumkehr erfolgt um die Verzugszeit der Regelstrecke verspätet und führt zum Überschwingen. Der Regler verursacht eine ständige Veränderung der Phasenverschiebung des Regelsignals und fördert die Schwingneigung im Regelkreis. Die Einstellung der Reglerparameter ist kritisch und aufwendig. Die genannte Lösung erfordert für die richtige Auslegung und Justierung und für die notwendigen Einrichtungen einen hohen Aufwand. Die Fehlermöglichkeiten sind entsprechend groß.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem Gattungsbegriff entsprechende Regeleinrichtung zu schaffen, die die Nachteile der geschilderten Regler beseitigt, die insbesondere schneller reagiert und dabei keine Schwingneigung besitzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Einsatz eines direkten Reglers mit progressiver Kennlinie, dessen Arbeitspunkt innerhalb des Stellbereiches liegt, und eines zweiwertig verstellbaren Stellgliedes mit direkter Beeinflussung der Regelstrecke durch den Stellwerf.

Die Erfindung geht von der Eigenschaft direkter Regler, z.B. der Proportionsreg'er aus, bei denen die Regeldifferenz oder Regelabweichung in einem direkten Verhältnis zum Stellwert der Stellgröße steht. Außerdem wird noch berücksichtigt, daß bei einem geschlossenen Regelkreis in der bleibenden Regeldifferenz die auf die Regelstrecke einwirkenden Störgrößen zum Ausdruck kommen. Die erfindungsgemäße Lösung macht sich diese Verbindung zunutze und ordnet jeden Wert der Regeldifferenz einer bestimmten Steigung der progressiven Kennlinie zu. Der Sfeliwert der Pulsdauer-Modulation steigt progressiv an. Weil aber der Stellwerteinfluß mit wachsendem Bedarf immer degressiver auf die Regelgröße wirkt, ergibt sich eine näherungsweise Linearisierung der Regelkreiskennlinie, die für eine stabile Regelung erforderlich ist.

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Die bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung verwirklichte progressive Regler-Kennlinie bietet die vorteilhaften Eigenschaften eines Adaptiv-Reglers. Während nämlich bei P-Reglern nur eine bestimmte P-Bereich~Einstellung mit bestimmter Kennliniensteigung möglich ist, welche die ungünstigsten Regelstreckenverhältnisse berücksichtigen muß, die sonst zu Regelkreis-Eigenschwingungen führen, findet bei der progressiven Reglerkennlinie des Adaptiv-Reglers die Regeldifferenz selbsttätig den Kennlinienabschnitt mit der noch stabilen Steigung. Beim Überregeln schiebt die dadurch kleiner werdende Regeldifferenz den Reglerarbeitspunkt auf den Abschnitt mit geringerer Steigung und zu große Regeldifferenz auf einen Abschnitt mit größerer Steigung. Die Reglereinstellung wird dadurch unkritisch, sie erlaubt die Wahl wesentlich kleinerer Regeldifferenzbereiche.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß ein Umschaltorgan, das mit dem Stellglied von der Stellgrößenpolung und/ oder einem Wert der Stellgrößenamplitude gesteuert wird, den Leitwert des statischen Teils der verzögerten Rückführung eines RegeIVerstärkers oder den Wert der eingeleiteten Rückführgröße und dessen Wirkungsrichtung gegenüber der Regeldifferenz verändert.

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Bekanntlich wird die Pulsdauer-Modulation der unstetigen Stellgröße eines P-Reglers durch eine verzögerte Rückführung erreicht. Die sich daraus ergebende Regler-Kennlinie ist weitgehend linear. Die Realisierung der progressiven Reglerkennlinie erfolgt durch die erfindungsgemäße Umschaltung der verzögerten Rückführung. Damit wird eine Regelverstärkungsänderung bewirke die Zeitkonstanien der Verzögerungsglieder werden unterschiedlich. Je nach Aplitudenwert der pulsdauermodulierten Stellgröße wird entweder die kurze Zeitkonstante mit geringer Verstärkung oder die lange Zeitkonstante mit großer Verstärkung eingeschaltet. Mit der Umschaltung wird die Wirkungsrichtung auf die Regeldifferenz umgekehrt. Die Rückführungen bilden das unterschiedliche Zeitkonstantenverhältnis der Regelstrecke nach, sodaß sich an Stelle der degressiven Regelstreckenkennlinie eine progressive Reglerkenniinie ergibt. Um das zu erreichen, ist während des Ladevorganpiges der Regelstrecke die Rückführung mit der kurzen Zeitkonstante wirksam und während der Ladepause die Rückführung mit der langen Zeitkonstante.

Die Erfindung nutzt den Umstand, daß der Stellwert direkt die Regelstrecke beeinflußt. Bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung kann daher in vorteilhafter Weise ein zweiwertig verstellbares Stellglied Verwendung finden. Dieses Stellglied kann überdies hysteresebehaftet sein.

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Durch die erfindungsgemäße Umschaltung der Rückführung wird die Eliminierung der Hysterese des zweiwertig verstellbaren Verstellgliedes erreicht.

Eine besonders einfache und sichere Umschaltung der Rückführung wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß für die verzögerte Rückführung mehrere Widerstände vorgesehen sind, von denen ein Teil, der vom Verstärkerausgang her gesehen vor dem Verzögerungskondensator eines als Regelverstärker eingesetzten Operationsverstärkers liegt, mit einer als Umschaltorgan dienenden Diode überbrückt ist, deren Durchlaßrichtung so geschaltet ist, daß sie mit der Stellgliedaktivierung zur Speisung der Regelstrecke leitend wird.

Diese Ausführung erlaubt es_fdie Umschaltung auf .einfache Weise kontaktlos vorzunehmen.

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung besitzt auf Grand der Tatsache, daß ihr Arbeitspunkt innerhalb des Stellbereiches liegt, den Vorteil, daß die bei direkten" Reglern unvermeidliche bleibende Regelabweichung weiter verkleinert wird. Eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß mit der Durchlaßspannung der Diode bzw. der Durchbruchspannung einer Zenerdiode die Lage des Reglerarbeitspunktes im Stellbereich bestimmt wird.

Eine weitere Steigerung der Progressiv ität der Reglerkennlinie ergibt sich dadurch, daß ein weiterer Teil der Rückführwiderstände, vom Verstärkerausgang her gesehen vor dem Verzögerungskondensator, mit einem Koppelkondensator überbrückt ist. Hierdurch wird die kurze Zeitkonstante noch weiter verkürzt. Dies wird vor allem dann notwendig, wenn die Regelstrecke längere Verzugs- oder Totzeiten besitzt.

Anhand eines Ausfuhrungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt die

Fig. 1 das Blockbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Regeleinrichtung, die

Fig. 2 die Prinzipschaltung einer elektrischen Regeleinrichtung nach der Erfindung, die

Fig. 3 ein die Abhängigkeit des Stellsignals von der Regelabweichung darstellendes Diagramm.

Die im Blockbild der Fig. 1 dargestellte Regeleinrichtung besteht aus einem Verstärker 1, einem Umschalter 2, einem Rückführnetzwerk 3 mit einem Kanal 4 zur Verwirklichung einer kurzen Zeitkonstante und einem Kanal 5 zur Verwirklichung einer langen Zeitkonstante, einer Vergleichsstelle 6 und einem zweiwertig verstellbaren Stellglied 7. Außerdem zeigt die Fig. 1 die Regelstrecke mit Speichergliedern 8, mit dem Stelleingang Y, der Regelgröße X, der Störgröße Z und der Energiequelle Q.

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An der Vergleichsstelle 6 wird das Regelsignal aus der Regeldifferenz zwischen dem Sollwert und dem Istv/ert der Regelgröße X sowie der Rückführspannung aus dem Kanal 4 oder dem Kanal 5 gebildet. Der Verstärker 1 verstärkt und invertiert das Regelsignal zum Stellsignal. Dieses wird dem Stellglied 7 und dem wertabhängig schaltenden Umschalter 2 zugeführt. Bei einem positiven Wert am RückfUhrnetzwerk wird der Kanal 4 und gleichzeitig über das Stellglied 7 die Quelle an die Regelstrecke 8 angeschlossen. Bei einem kleineren oder einem negativen Wert dagegen wird das Signal auf den Rückführkanal 5 geschaltet, es wird dadurch abgeschwächt und in umgekehrter Wirkungsrichtung an der Vergleichsstelle 6 wirksam. Gleichzeitig wird die Quelle Q von der Regelstrecke 8 getrennt. Früher oder später überwiegt oder unterschreitet das rückgeführte Signal die Regeldifferenz, sojdaß es über den invertierenden Verstärker 1 zu einem erneuten kippartigen Wechsel des Stellsignals kommt.

Die in einer Prinzipschaltung in der Fig. 2 dargestellte elektrische Regeleinrichtung besteht aus einem Operationsverstärker V, Addierwiderständen Rl für die Sollwert" spannung und R2 für die Istwertspannung der Regel-größe, Rückführwiderstände R3, R4 und R5, einem Verzögerungskondensator CI, einer Schaltdiode D und eventuell einem Rückführkoppelkondensator C2. Als zweiwertig verstellbares Stellglied dient ein Rebis S. Außerdem zeigt die Fig. 2 die Regelstrecke mit Speichergliedern 8, mit dem Stelleingang Y, der Regelgröße X, der Störgröße Z und der Energiequelle Q.

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Ein Schaltpunkt A ist die Vergleichsstelle des Reglers. Bei gleicher Sollwert- und Istwertspannung und gleichen Addierwiderständen Rl und R2 herrscht an dem PunktA gegen einen Stromversorgungsmittelpunkt E nur die RUckführspannung, die über den Rückführwiderstand R3 herangeführt wird. Die Spannung des Punktes A wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V zugeführt.

Wächst die Spannung am PunktA durch einen Sollwert-Istwert-Unterschied positiv an, so steigt die Verstärkerausgangsspannung (Stellsignal B) durch die große Verstärkung entsprechend negativ an, bis fast die Betriebsspannung U- erreicht ist. Das Stellrelais S ist mit der positiven Betriebsspannung U+ verbunden und wird deshalb aktiviert. Gleichzeitig wird das Stellsignal B über die Schaltdiode D in das Rückführnetzwerk geleitet.

Zunächst.wird der statische Teil der Rückführung mit den Rückführwiderständen R3, R4 und R5 betrachtet: Diese Widerstände bilden eine Gegenkopplung und bestimmen damit praktisch die Verstärkung des Operationsverstärkers V. Durch das Einleiten des Stellsignals B über die Diode D wird der Rückführwiderstand R5 überbrückt. Die Verstärkung, und daraus folgend das Stellsignal B, werden dadurch abgeschwächt. Das dabei aktivierte Stellrelais S fällt je nach seiner Schalthysterese bereits nach einem um die Verstärkungsabschwächung reduzierten Spannungsrückgang am Punkt A ab. Dieser Vorgang ist in dem Diagramm der Fig. 3 dargestellt. Mit dieser Maßnahme

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lößt sich die Hysterese des Stellrelais S völlig beseitigen und sogar bis zur Selbsterregung bringen, denn bei abgefallenem Relais ist das Stellsignal B gegen 0 oder weiter auf positives Potential gelaufen, so daß die Diode D sperrt und sich die Verstärkung durch die damit selbsttätig einsetzende Wirkung des Rückführwiderstandes R5 erhöht. Die Wiederaktivierung des Stellrelais S kann prinzipiell allein durch die selbsttätige Verstärkungserhöhung erfolgen. (Bisher konnte man selbst bei unendlich großer Verstärkung nur eine Verringerung der Hysterese erreichen). Mit der Durchlaßspannung der Diode D läßt sich der Reglerarbeitspunkt innerhalb des Stellbereiches verlagern. Das bedeutet, daß sich bei Ausgleich der Regeldifferenz, also ohne Regelabweichung, bereits ein bestimmtes Stellsignal, das durch ein Pulsdauerverhältnis ausgedrückt wird, einstellt.

Durch das· Einfügen des Verzögerungskondensators CI bekommt die Rückführung einen dynamischen Charakter. Die Rückführwirkung auf den Punkt A wird zeitlich verzögert. Die Verzögerung wird durch die Zeitkonstante der Rückführung bestimmt.

Das stellsignalabhängige Umschalten der Zeitkonstante erfolgt ebenfalls mit der Schaltdiode D. Durch die bei negativem Stellsignalwert leitende Diode D, bei der das Stellglied S die Quelle Q an die Regelstrecke 8 anschließt, wird die Zeitkonstante durch R4 und CI bestimmt. Bei einem kleinen oder positiven Stellsignalwert, bei der das Stellglied S die Quelle Q von der Regelstrecke 8 trennt, bestimmen dagegen R4

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plus R5 und Cl die Zeitkonstante. Die Diode D ist nicht mehr leitend. Der Rückfü^hwiderstand R5 wird zugeschaltet und verlängert damit die Zeitkonstante.

Durch die Je nach Stellsignalwert bzw. Stellsignalpolung unterschiedliche RUckfUhr-Zeitkonsrante ist der Einfluß auf die Pulsdauer anders als auf die Pulspause. Er ist nicht linear und wird mit dem RUckführwiderstandsverhältnis R5: R4 progressiv. Mit dem Zuschalten eines Koppelkondensators C2 wird diese Funktion noch progressiver. Damit sind Regelstrecken mit mehreren Speichergliedern und entsprechendem Verzug direkt und ohne große Regeldifferenz zu regein.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   ι 1.) Regeleinrichtung für Regelstrecken mit Speichergliedern, bestehend aus einem Regler mit pulsdauermodulierter Stellgröße und zweiwertig verstellbarem Stellglied, deren Verstellung sich direkt auf die Regelstrecke und verzögert auf die Regelgröße auswirkt, gekennzeichnet durch den Einsatz eines direkten Reglers mit progressiver Kennlinie, dessen Arbeitspunkt innerhalb des Stellbereiches liegt, und eines zweiwertig verstellbaren Stellgliedes mit direkter Beeinflussung der Regelstrecke durch den Stellwert.
2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltorgan, das mit dem Stellglied von der Stellgrößenpolung und/oder einem Wert der Stellgrößenamplitude gesteuert wird, den Leitwert des statischen Teils der verzögerten Rückführung eines Regelverstärkers oder den Wert der e ingeleiteten Rückführgröße und dessen Wirkungsrichtung gegenüber der Regel differenz verändert.
3. 3. Regefeinrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die verzögerte Rückführung mehrere Widerstände (R3 bis R5) vorgesehen sind, von denen ein Teil (R5), der vom Verstärkerausgang her gesehen vor dem Verzögerungskondensator (Cl) eines als Regelverstärker eingesetzten Operationsverstärkers (V) liegt, mit einer als Umschartorgan dienenden Diode (D) überbrückt

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   ist, deren Durchlaßrichtung so geschaltet ist, das sie mit der Stellgliedaktivierung zur Speisung der Regelstrecke leitend wird.
4. 4. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Durchlaßspannung der Diode (D) bzw. der Durchbruchspannung einer Zenerdiode die Lage des Reglerarbeitspunktes im Stellbereich bestimmt wird*
5. 5. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teil der Rückführwiderstände, vom Verstärkerausgang her gesehen vor dem Verzögerungskondensator (Cl), mit einem Koppelkondensator (C2) überbrückt ist.

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