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Anordnung zur Pilotregelung Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Pilotregelung bei NaehrichtelsübertrabungssJstemen mit einem Stellglied im Ubertragungsweg
und einem das Stellglied steuernden Pilotempfänger, in dem die auf der Ubertragungsleitung
mit übertragenen und von diesem abgezweigten und den Dämpfungsschwankungen der Übertragungsleitungen
unterworfene Pilotfrequenz gleicirgerichtet und in einem Differenzverstärker mit
einer Sollgleichspannung verglichen und die so erhaltene, als Regelkriterium dienende
Differenzspannung über eine aus einem sehr hochohmigen obmschen Widerstand im Längszweig
und einem Kondensator im Querzweig bestehenden Verzögerungsglied in L-Schaltung
der Torelektrodc eines Feldeffekttransistors über dessen Senken-Quellenelektrodenstrecke
das Stellglied im Übertragungsweg gesteu.ert ist, zugeSvhtt ist.
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In der deutschen Patentschrift 1 297 684 ist bereits eine Anordnung
zur Pilotregelung von Trägerfrequenznachrichtenübertragungssystemen beschrieben,
bei der als Speicher eine Kondensator-Feldeffekttransistor-Kombination verwendet
wird.
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Zur Verzögerung des Regelvorgangs liegt in der Zuleitung zwischen
einem, das Regelkriterium bildenden Differenzverstärker und dem Speicher ein hochot-iger
ohmscher Widerstand. Dieser Widerstand hat einerseits den Zweck, die Regelschaltung
zu stabilisieren und zum andern durch eine hohe Zeitkonstante daftir zu sorgen,
daß bei Ausfall der Pilotregelung die Speicherung des zuletzt vorhandenen Regelkriteriums
über längere Zeit gewährleistet ist.
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Durch dieses dynamische Verhalten des Reglers ist jedoch die Zahl
der hintereinander schaltbaren Regler begrenzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das dynamische Verhalten
des Reglers, insbesondere im Hinblick auf die Verkürzung der Regelzeit zu verbessern,
ohne daß dabei die stabilisierende Wirkung dieser Regelschaltung verloren geht.
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Gemäß der Erfindung wird die Anordnung zur Pilotregelung dabei derart
ausgebildet, daß im Querzweig des L-Gliedes in Reihe zum Kondensator ein weiterer
ohmscher Widerstand angeordnet ist, der im Verhältnis zum Widerstand im Längszweig
und zum Kondensator im Querzweig mit seinem größten Wert so dimensioniert ist, daß
der Spannungsabfall am weiteren ohmschen Widerstand durch den Umladestrom des Kondensators
genügend unterhalb der Grenze bleibt, bei der die Regelverzögerung null wird und
mit seinem kleinsten Wert so dimensioniert ist, daß eine merkliche Verkürzung der
Regelzeit gewahrleistet ist.
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Durch diese Maßnahmen erhält man einen Regler mit PD-Verhalten. Durch
den am zusätzlichen Widerstand auftretenden Spannungsabfall, verursacht durch den
Umladestrom am Kondensator, wird die Regelgeschwindigkeit des Reglers verbessert
und zugleich die Regelstabilität beibehalten.
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Dadurch ist es möglich; die Modulationsverstärkung abhängig von der
Frequenz kleiner dem Wert null dB zu machen, so daß derartige Regler in sehr großer
Zahl in Kette geschaltet werden können.
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An Hand des Ausfuhrungsbeispiels nach Figur 1 und der Diagramme nach
den Figuren 2 bis 4 wird die Erfindung näher erläutert.
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Figur 1 zeigt das Blockschaltbild eines Pilotregelsystems, bei dem
die Erfindung angewendet wird. In der Übertragungsstrecke 1 liegen mehrere Beitungsverstärker
2. Während ein
Teil dieser leitungsverstärker lediglich temperaturgesteuert
ist, wird jeweils nach einer bestimmten Anzahl temperaturgesteuerter ein pilotgeregelter
Verstärker eingesetzt. Jeder dieser pilotgeregelten Verstärker enthält als Stellglied
einen Heißleiter. Über die Leistung wird ein Pilotsignal übertragen, das den gleichen
Dämpfungsschwankungen unterworfen ist wie die Fernsprechsignale selbst. Am Ausgang
eines jeden derartigen pilotgeregelten Versbärkers wird der Pilot über einen Pilotempfänger
3 ausgesiebt, gleichgerichtet und mit einem Sollwert 5 in einem Operationsverstärker
6 verglichen. Das so erhaltene Regelkriterium wird über ein Verzögerungsglied 7
einem Feldeffekttransistor 8, der zusammen mit einem Kondensator C des Verzögerungsgliedes
einen Speicher bildet, zugeführt, im nachfolgenden Verstärker 9 verstärkt und als
Stellgröße zum Regeln des Heißleiters verwendet.
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Während bei bekannten Anordnungen dieses Verzögerungsglied lediglich
aus dem Widerstand Ri und dem Kondensator C besteht, wird für die erfindungsgemäße
Anordnung zusätzlich zum Kondensator C ein weiterer ohmscher Widerstand R2 eingeschaltet.
Der Schalter r im Verzögerungsglied dient lediglich zur An- und Abschaltung der
Regelung, inBbesondere bei Pilotausfall. Überschreitet der Pilot einen unteren oder
oberen Grenzwert, so wird mit Hilfe der Überwachung 4 ein Signal ausgelöst, das
sowohl den Schalter r betätigt als auch ein Alarmierungszeichen für das Bedienungspersonal
liefert.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Reglers soll nunmehr erläutert
werden.
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Der Regler ist ohne Rückführung aufgebaut. Der Operationsverstärker
wirkt in einem großen Bereich als Proportionalregler. Seine Verstärkung kann durch
äußere Beschaltung
auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
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Am invertierenden Eingang liegt als Führungsgröße eine konstante,
temperaturkompensierte Gleichspannung, am nicht invertierenden Eingang die Regelgröße.
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Das Verzögerungsglied 7 mit Vorhalt besteht aus dem Widerstand Ri
mit z.B. 1,5 Gn und dem Kondensator C mit z.B.
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0,4 µF im Kondensator-Mosfet-Speicher und dem Widerstand R2 z.B. 10
Mn. Der Kondensator C ist gleichzeitig der Speicher.
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Die Hauptzeitkonstante ist T1 = R1 + R2 . C # 1,5 . 109 0,4 10-6 #
600 s.
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Diese hohe Zeitkonstante wird allerdings durch die Kreisverstärkung
VK des geschlossenen Regelkreises vermindert.
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So ist die Gesamzeitkonstante
d.h. die Gesamtzeitkonstante, die im Arbeitsbereich des Reglers wirksam ist, wird
durch den Faktor 1 + VK vermindert. Um den Charakter eines langsamen Reglers zu
erhalten, ist es zweckmäßig, die Zeitkonstante T1 möglichst groß zu wählen und die
Kreisverstärkung konstant zu lassen, weil diese auch den Proportionalfehler des
Reglers bestimmt. Durch die zweite Zeitkonstante T2 = R2 C = 10 106 . 0,4 10 6 =
4s im Verzögerungsglied bekommt der Regler den Charakter eines PD-Reglers. Der D-Anteil
hängt vom Verhältnis R2 R2 R1 ab.
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Wahrend der P-Regler mit Verzögerungsglied die Stellgröße bei Anderung
der Regelgröße nur entsprechend der Zeitkonstanten Tg verstellt, tritt beim PD-Regler
ein Vorhalt auf. Dieser Vorhalt wird durch den Umladestrom am EKondensator C hervorgerufen,
der sofort am Widerstand R2 eine Spannung erzeugt - was eine plötzliche Änderung
der Stellgröße (Vorhalt) bewirkt - die dann langsam wieder abgebaut wird. Im ausgeregelten
Zustand und als Gedächtnis ist n-~-der Kondensator C wirksam. Die Wirkung des Vorhalts
für'£t zu einer Verkürzung des Regelvorganges. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses
R2 ist darauf zu achten, daß die Regelgeschwindigkeit bei einer Kettenschaltung
vieler Regler nicht zu groß wird. Es ist daher folgende Dimensionierung erforderlich:
R1 50 < R2 < 300 2 Das Verzögerungsglied mit erfindungsgemäßem Vorhalt besitzt
phasenrückdrehende Wirkung und verbessert das dynamische Verhalten des Reglers wesentlich.
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Fig. 4 zeigt einmal den 2 dB-Sprung einer Kette von elf Reglern mit
einem Verzögerungsglied T1 = 0,5 Go 0,4 µF = 200 s, darunter elf Regler in Reihe
mit dem gleichen Glied, jedoch mit 5,6 14n Vorhaltewiderstand. Während die elf Regler
des oberen Bildes ein sehr schlechtes dynamisches Verhalten zeigen, erkennt man
deutlich die Verbesserung im unteren Bild.
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Ist durch bestimmte Einflüsse der Regler in seinen oberen oder unteren
Sättigungsbereich gelant, so geht die treisverstärkung YK ~ O. In diesem Fall ist
die volle Zeitkonstante T1 = 1,5 10 9 0,4 10 -6 = 600 s wirksam. Es dauert also
eine gewisse Zeit, bis der Regler aus den Endstellungen herausgelaufen ist. Dieser
Zustand tritt jedoch nur bei der Einschaltung eines Systemes auf, wenn der Kondensatorspeicher
völlig entladen ist. Die im eingeregelten Zustand an C liegende Gleichspannung liegt
direkt am Gate des Mosfet. Bei Pilotausfall wird zwischen R und Gate aufgetrennt.
Die Gatespannung steuert den Kanalwiderstand des Mosfet, von dem über einen Widerstand
die Basis-Spannung des nachfolgenden Transistors entnommen wird. Die Kollektor-Emitterstrecke
dieses Transistors liegt als Shunt parallel zum Heizer des HeiP.leiters. Das hat
den Vorteil, daß der Stromverbrauch des Reglers im ganzen Bereich fast konstant
ist.
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Wie bereits vorstehend aufgezeigt, führt das Einsetzen der Vorhaltewiderstände
zu. einer Verbesserung der Stabilität des Einzelreglers. Das wirkt sich auch auf
die dynamischen Eigenschaften vieler hintereinander geschalteter Regler aus. Das
soll an Hand der Fig. 2 gezeigt werden.
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In der Figur 2 sind drei Oszillogramme a, b, c von elf hintereinander
geschalteten Regeleinrichtungen dargestellt, wobei neben jedem Diagramm das dazugehörige
Verzögerungsglied und die entsprechende Bemessung gezeigt ist.
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Am Eingang der ersten Regeleinrichtung wird dabei eine Sprungspannang
von 2 dB angelegt. Die Oszillogrgnme sind am Ausgang jeweils der elften Regeleinrichtung
gemessen.
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Das Oszillogramm a zeigt dabei den Regelvorgang bei einem
Verzögerungsglied
der herkömmlichen Art, bei dem der Widerstand R1 gleich 1,5 Gn und die Kapazitat
G gleich 0,4/au beträgt. Das Oszillogramm b zeigt die gleiche Funktion unter Einschaltung
des Widerstandes R2 in Reihe zum Kondensator C, wobei die Werte für R1 und C gleich
geblieben sind und R2 gleich 5,6 filn beträgt. Aus diesem Oszillograzm erkennt man
bereits deutlich das günstigere dynamische Verhalten eines solchen Reglers. Das
Oszillogramm c entspricht einem Regler, bei dem R2 gleich 10 Itn groß ist. Die Regelzeit
hat sich dabei noch weiter verkürzt. Die Oszillogramme zeigen zugleich auch, daß
die vom CCITT empfohlenen Werte, nämlich, daß der auf den 2 dS-Sprung folgende entgegengesetzte
Überschwinger kleiner 2 dB sein muß, mit großer Sicherheit erreicht werden.
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In Figur 3 ist für die drei vorgenannten Verzögerungsschaltungen die
flodulationsverstärkung von elf in Reihe geschalteten Reglern über der Prequenz
aufgetragen. Die Messung der Modulationsverstärkung erfolgt an den gleichen Meßpunkten
wie die Ausnahme der Oszillogramme nach Figur 1. Während für den Fall a eine maximale
Modulationsverstärkung von 5 dE am Ausgang des elften Reglers bei einer bestimmen
Frequenz gemessen wird, reduziert sich die Modulationsverstärkung im Fall b bereits
auf 1 dB und im Fall c ist überhaupt keine Modulationsverstärkung mehr vorhanden.
Das bedeutet, daß bei einer vorgegebenen maximalen Modulationsverstärkung am Ausgang
des n-ten Reglers von 10 dB im Pall a 23, im Fall b 110 und im Fall c theoretisch
sogar unendlich viele Regler hintereinander geschaltet werden könnten.
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Daß eine Verkleinerung beispielsweise des Widerstandes R1 im Verzögerungsglied
den erwünschten Erfolg einer Verkürzung der Regelzeit bei gleichbleibender Stabilität
des Regelvorgangs nicht aufweist, zeigen die Diagramme nach Figur 4.
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In Fig. 4a ist wiederum ein Oszillogramin gezeigt, bei dem ein Verzögerungsglied
herkömmlicher Art verwendet wird, bei dem anstelle von 1,5 G# lediglich 0,5 G# für
den Widerstand R1 bei gleichbleibender Kapazität von 0,4 µF für den Kondensator
C gewählt ist. Das Oszillograirim in Figur 4a zeigt, daß der Regelvorgang erheblich
unstabil ist urd eine effektive Verkürzung des Regelvorgangs nicht erzielt werden
kann. Darüber hinaus könrien auch diO Empfehlungen des CCITT bezüglich eines 2 dE
Sprunges am Eingang nicht erfüllt werden.
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Bei Anwendung der Maßnahmen nach der Erfindung erhält man auch bei
verkleinertem Widerstand R1 ein stabiles und rasches Einschwingverhalten des Reglers.
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1 Patentanspruch 4 Figuren