DE2355756A1

DE2355756A1 - Elektrische regeleinrichtung mit analogem p-kanal und digitalem i-kanal in parallelschaltung

Info

Publication number: DE2355756A1
Application number: DE19732355756
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Balling; Reinhard John
Original assignee: Schoppe and Faeser GmbH
Current assignee: Schoppe and Faeser GmbH
Priority date: 1973-11-08
Filing date: 1973-11-08
Publication date: 1975-05-15

Description

SCHOPPE & FAESER ^-95 Minden/Uastf. 5. November 1973 G.m.b.H. Schillerstraße 72

Elektrische Regeleinrichtung mit analogem P-Kanal und digitalem I-Kanal in Parallelschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Regeleinrichtung mit analogem P-Kanal und digitalem I-Kanal in Parallelschaltung, mit einem Analog/Digital-Umsetzer im Eingang des digitalen I-Kanals, einem digitalen Integrator, einem Digital/ Analog-Umsetzer im Ausgang des digitalen I-Kanals sowie einer analogen Summationssteile zur Verknüpfung der Ausgangsgröße des P-Kanals mit derjenigen des Ί-Kanals zu einer analogen Stellgröße.

Das Signalflußbild einer derartigen Regeleinrichtung zeigt das Buch Oppelt "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge", Verlag Chemie, Weinheim/Bergstraße, 1964, Bild 61.1, Seite 697 in allgemeiner Form. Diese Veröffentlichung behandelt jedoch weder die Probleme, die sich bei der Verwirklichung einer derartigen Regeleinrichtung ergeben noch gibt sie Hinweise zu ihrer Lösung. Insbesondere sind keine Maßnahmen erkennbar, die es gestatten, die Nachstellzeit/konstante der Regeleinrichtung mit PI-Verhalten an die Erfordernisse der jeweils vorliegenden Regelstrecke anzupassen.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf einfache Art und Weise die Einstellung verschiedener Werte der Nachstellzeitkonstanten ermöglicht und deren Struktur es erlaubt, zusätzliche

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Einrichtungen für eine scoßi'reie Hanä/Automatik-Umschaltung in beiden Richtungen scxxie eine sättigungsfreie Begrenzung der Ausgangsgröße vorzusehen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Analog/Digital-Umsetzer ein Spannungs/Frequenz-Wandler ist, dessen Impulsausgang über einen Frequenzteiler mit einstellbarem Teilungsverhältnis dem Impulseingang eines als digitaler Integrator dienenden Vor-Rückwärts-Zählers zugeführt ist, und der Vorzeichenausgang des Spannungs/Fr equenz-Wandlers mit dem Vorzeicheneingang des Vor-Rückwärts-Zählers verbunden ist.

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Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist.

Die Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Regeleinrichtung als Blockschaltbild.

Während des Automatikbetriebes ist die als analoges Eingangssignal der Regeleinrichtung dienende Spannung U_e über einen Schalter 1 dem einen Eingang einer Summationsstelle 2 für in analoger Form vorliegende Signale zugeführt. Die Spannung U_e ist außerdem einem als Analog/Digital-Umsetzer dienenden Spannungs/Fr equenz-Wandler j5 als Eingangssignal zugeführt. Der Spannungs/Frequenz-Wandler 3 setzt die Spannung U_e in Zählimpulse um, deren Frequenz f_e ein Maß für den Betrag der Spannung U_e ist, und in ein Zählrichtungssignal, das von der Polarität abhängig ist. Die Zählimpulse mit der Frequenz f_e sind einem Frequenzteiler 4 zugeführt. Ein Schalter 5 ermöglicht es, einen der Ausgänge des Frequenzteilers 4 mit dem Impulseingang eines Vor-Rückwärts-Zählers 6 zu verbinden. In der Zeichnung ist der Fall dargestellt, daß die Frequenz der dem Vor-RUckwärts-Zähler 6 zugeführten Zählimpulse gleich einem Viertel der Frequenz f_e ist. Das dem Vorzeichen der Spannung U_e entsprechende Zählrichtungssignal ist dem Vorzeicheneingang des Vor-Rückwärts-Zählers 6 über eine Leitung 7, einen Schalter 8 und eine weitere Leitung zugeführt und bestimmt, in welcher Richtung der Vor-Rückwärts-Zähler 6 zählt. Ein Digital/Analog-Umsetzer Io formt den Inhalt des Vor-Rückwärts-Zählers 6 in eine Spannung U_Dy_A um. Die

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SummationSstelle 2 aädierr während des Automatikbetriebes die Ausgangsspannung U^a des Digital /Analog-Umsetzers Io und die Spannung U_e. Die Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 ist das in analoger Form vorliegende Ausgangssignal der Regeleinrichtung mit PI-Verhalten und wird zur Stellgröße, z.B. durch Anheben des Leistungsniveaus., weiterverarbeitet.

Durch die Verwendung des Frequenzteilers mit einstellbarem Teilungsverhältnis im Zusammenhang mit der Aufspaltung des digitalisierten Eingangssignals in Zählimpulse und Zählrichtungssignal ist es auf einfache Weise, aber trotzdem mit großer Genauigkeit, möglich, die Nachstellzeitkonstante des I-Anteils an das Zeitverhalten einer vorgegebenen Regelstrecke anzupassen.

Bei der Verwendung von PI-Reglern in ausgedehnten Regeleinrichtungen wird immer häufiger gefordert, daß der Regler von seinem Aufbau her eine stoßfreie Umschaltung von Automatik- auf Handbetrieb, eine stoßfreie Umschaltung von Hand- auf Automatikbetrieb und/oder eine sättigungsfreie Begrenzung seiner Ausgangsgröße durch Zusatzeinrichtungen gestattet. Diesen Forderungen trägt die obenbeschriebene Regeleinrichtung Rechnung.

Sowohl für die stoßfreie Umschaltung von Automatik- auf Handbetrieb als auch von Hand- auf Automatikbetrieb ist der Ausgang der Summationssteile 2 über einen Schalter 11 einem Analogspeicher zugeführt. Bei geschlossenem Schalter 11 ist die Ausgangsspannung Uy des Analogspeichers 12 gleich derjenigen der Summationssteile 2. Wie sich insbesondere aus der folgenden Erläuterung der Zusatzeinrichtung für die stoßfreie Umschaltung von Automatikauf Handbetrieb ergibt, braucht es sich bei dem Analogspeicher 12 nicht um einen sog. Langzeitspeicher zu handeln, dessen Verwirklichung einen sehr großen Aufwand erfordern würde.

Durch entsprechende Betätigung des in einem Leitgerät 13 enthaltenen Händ/Automatik-Umschalters wird die stoßfreie Umschaltung von Automatik- auf Handbetrieb eingeleitet und an eine Verknüpfungsschaltung Ik für die Umschaltvorgänge (erste Verknüpfungsschaltung) ein Umschaltsignal gegeben. Der Umschalt-

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Vorgang spielt sich dann im einzelnen wie folgt ab: Die erste Steuerschaltung 14 öffnet die Schalter 11 und 1. Damit ist einerseits die Verbindung zwischen der Summationssteile 2 und dem Analogspeicher 12 aufgetrennt und andererseits die Verbindung zwischen dem analogen P-Kanal und der Summationssteile 2. Außerdem werden die Schalter 8 und 15 aus der gezeichneten Stellung in die untere bzw. linke Stellung umgeschaltet. Der Vor-Rückwärts-Zähler 6 wird nicht mehr von den von der Spannung U₆ abgeleiteten Impulsen beaufschlagt, sondern erhält von einem Impulsgenerator 17 Zählimpulse einer konstanten Frequenz f]_ über die Schalter 16 und 15. Ein Grenzwertmelder 18 in Form eines Zweipunktschalters bestimmt das Vorzeichen der Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 und derjenigen des Analogspeichers 12. Das Ausgangssignal des Grenzwertmelders l8 ist einer Verknüpfungsschaltung 19 für die Zählrichtungssteuerung (zweite Verknüpfungsschaltung) zugeführt und gibt Über eine Leitung 2o, den Schalter 8 und die Leitung 9 ein Zählrichtungssignal an den Vor-Rückwärts-Zähler 6. Die erste und die zweite Verknüpfungsschaltung bilden gemeinsam die Steuerschaltung. Das Zählrichtungssignal ist so gerichtet, daß ein Angleichen der Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 an diejenige des Analogspeichers 12 erfolgt. Nach Ablauf einer Zeitspanne, die sich aus der Anzahl der loo % der Stellgröße entsprechenden Zählschritte und der Frequenz f^ des Impulsgenerators 17 ergibt, schließt die erste Verknüpfungsschaltung 14 den Schalter 11 wieder und schaltet gleichzeitig den Schalter 16 in die obere Stellung um. Die Zählrichtungssteuerung erfolgt jetzt nicht mehr in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Grenzwertmelders 18, sondern durch Betätigung der im Leitgerät 13 enthaltenen Drucktasten, die durch die Symbole "+" und "-" dargestellt sind.

Je größer die Frequenz f^ der Zählimpulse des Impulsgenerators 17 ist, desto kürzer kann die Speicherzeit des Analogspeichers 12 gewählt werden* Bei einer ausgeführten Regeleinrichtung ist für den Angleichvorgang eine maximale Zeitdauer von ca. 3© ms vorgesehen. Es werden somit nur geringe Anforderungen an den Analogspeicher 12 gestellt, so daß z.B. ein Kondensator kleiner Kapazität als Analogspeicher ausreicht.

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Es besteht auch die Möglichkeit, den Grenzwertmelder l8 als Dreipunktschalter auszugestalten und schon dann den Schalter zu schließen und den Schalter 16 in die obere Stellung umzuschalten, wenn die Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 gleich der Ausgangsspannung des Analogspeichers 121st. In diesem Fall ist eine zusätzliche, in der Zeichnung punktiert dargestellte Signalverbindung von dem als Grenzwertmelder l8 dienenden Dreipunktschalter zu der ersten Verknüpfungsschaltung 14 erforderlich.

Während des Handbetriebes ist der Schalter 1 geöffnet und der Schalter 11 geschlossen. Der Schalter 8 befindet sich in der unteren Stellung, der Schalter 15 in der linken Stellung und der Schalter 16 in der oberen Stellung. Da dem Vor-Rückwärts-Zähler 6 in dieser Schaltstellung keine Zählimpulse zugeführt werden, bleibt die Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers Io konstant und damit auch die Ausgangsspannungen-der Summationsstelle 2 und des Analogspeichers 12. Der Vor-Rückwärts-Zähler kann im Gegensatz zu einem analogen Speicher beliebig lange seinen Inhalt speichern. Die Änderung der Stellgröße erfolgt im Handbetrieb durch Beaufschlagen des Vor-Rückwärts-Zählers mit Zählimpulsen und Zählrichtungssignalen, Im Leitgerät 13 ist für die Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Spannung Uy je eine in der Zeichnung mit den Symbolen "+" bzw. "-" versehene Drucktaste vorgesehen. Bei Betätigung einer dieser beiden Drucktasten wird über die Leitung 21 der zweiten Verknüpfungsschaltung 19 ein Zählrichtungssignal zugeführt, das über die Leitung 2o, den Schalter 8 und die Leitung 9, an den Vor-Rückwärts-Zähler 6 weitergeleitet wird. Gleichzeitig wird über die Leitung 22 an die erste Verknüpfungsschaltung 14 ein Signal gegeben und der Schalter 2J> geschlossen. Über die Schalter 2J, 16 und 15 werden von einem weiteren Impulsgenerator 24 Zählimpulse mit der Frequenz fg dem Impulseingang des Vor-RUckwärts-Zählers 6 zugeführt bis der Zählerinhalt und damit auch die Spannung U_y den gewünschten Wert erreicht hat.

Die Frequenz fo des Impulsgenerators 24 ist um ca. drei Größen- · Ordnungen kleiner gewählt als die Frequenz f-|_ des Impulsgenerators 17. Dies hat den Vorteil, daß einerseits ein schnelles

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Angleichen während des Urcschaltvorganges möglich ist, andererseits jedoch eine feinfühlige Verstellung der Stellgröße während des Handbetriebes gewährleistet ist.

Beim Zurückschalten von Hand- auf Automatikbetrieb öffnet die erste Verknüpfungsschaltung 14 den Schalter 11, schließt den Schalter 1 und schaltet den Schalter 16 in die untere Stellung. Wie bereits oben beschrieben, wird in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 und derjenigen des Analagspeichers 12 die Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 an diejenige des Analogspeicher 12 angeglichen. Die Beaufschlagung des Vor-Rückwärts-Zählers 6 mit Zählimpulsen erfolgt von dem Impulsgenerator 17 über die Schalter 16 und 15 und die Zählrichtungssteuerung des Vor-RUckwärts-Zählers 6 erfolgt über den Grenzwertmelder 18, die zweite Verknüpfungsschaltung 19* die Leitung 2o, den Schalter 8 und die Leitung 9. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne, die sich wie oben beschrieben, aus der Frequenz f-^_ des Impulsgenerators 17 und der Anzahl der Schritte ergibt, die für eine Verstellung der Stellgröße um loo % erforderlich sind, schaltet die erste Verknüpfungsschaltung 14- die Schalter 8, 11 und 15 in die in der Zeichnung dargestellten Stellungen zurück. Ohne einen Umschaltstoß läuft anschließend die Ausgangsspannung der Summationsstelle 2 und damit auch die des Analogspeichers 12 auf den durch die Spannung U_e vorbestimmten Wert ein.

Eine sättigungsfreie Begrenzung der Ausgangsspannung des PI-Reglers läßt sich auf einfache Weise realisieren. Ein Grenzwertmelder 25 in Form eines Zweipunktschalters gibt ein Umschaltsignal an die erste Verknüpfungsschaltung 14 und ein Zählrichtungssignal an die zweite Verknüpfungsschaltung 19* wenn die Spannung U_y einen oberen Grenzwert U_max überschreitet. Daraufhin schaltet die erste Verknüpfungsschaltung 14 den Schalter 15 in die linke Stellung und den Schalter 8 in die untere Stellung. Der Inhalt des Vor-Rückwärts-Zählers 6 wird nun so lange zurückgezahlt, bis die Spannung U_y wieder den vorgegebenen Grenzwert ^umax erreicht hat. Die erste Verknüpfungsschaltung 14 schaltet dann die Schalter 8 und 15 in die gezeichnete Stellung zurück.

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Dieses Spiel wiederholt sich jedesmal, wenn die Spannung U_y den oberen Grenzwert U„_v überschreitet. Unterschreitet dagegen die Spannung U einen vorgegebenen unteren Grenzwert U_n^_n, so gibt ein Grenzwertmelder 26 ein Umschaltsignal an die erste Verknüpfungsschaltung 14 und ein Zählrichtungssignal an die zweite Verknüpfungsschaltung 19* und die erste Verknüpfungsschaltung 14 schältet den Schalter 15 in die linke Stellung und den Schalter in die untere Stellung um. Der Vor-Rückwärts-Zähler 6 wird von dem Impulsgenerator 17 so lange mit Zählimpulsen über die Schalter 16 und 15 beaufschlagt, bis die Spannung U„ wieder den unteren Grenzwert U ., erreicht hat. Gleichzeitig erfolgt die Umschaltung der Schalter 8 und 15 in die gezeichnete Stellung. Da der Schalter 11 und der Analogspeicher 12 für die sättigungsfreie Begrenzung der Ausgangsspannung nicht erforderlich sind, kann als Ist*-Spannung für die Grenzwert geber 25 und 26 auch die Ausgangsspannung der Summationssteile 2 dienen.

Die Schalter 1, 5, 8, 11, 15, 16 und 2j5 sind in dem Ausführungsbeispiel als mechanische Schalter dargestellt? aufgrund der Verzögerungszeiten mechanischer Schalter werden jedoch - insbesondere bei schnellen Angleichvorgängen - elektronische Schalter verwendet* '

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Claims

- 8 Patentansprüche

/ 1.)Elektrische Regeleinrichtung mit analogem P-Kanal und digi-

^ / talem I-Kanal in Parallelschaltung, mit einem Analog/Digital-

Umsetzer im Eingang des digitalen I-Kahals, einem digitalen Integrator, einem Digital/Analog-Umsetzer im Ausgang des digitalen I-Kanals sowie einer analogen Summationssteile zur Verknüpfung der Ausgangsgröße des P-Kanals mit derjenigen des I-Kanals zu einer analogen Stellgröße, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Umsetzer ein Spannungs/ Frequenz-Wandler (5) ist, dessen Impulsausgang über einen Frequenzteiler (4) mit einstellbarem Teilungsverhältnis dem Impulseingang eines als digitaler Integrator dienenden Vor-Rückwärts-Zählers (6) zugeführt ist, und der Vorzeichenausgang des Spannungs/Prequenz-Wandlers (3) mit dem Vorzeicheneingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) verbunden ist.
2. Elektrische Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der analogen Summationsstelle (2) ein Analogspeicher (12) nachgeschaltet ist, beim Umschalten von Automatik- auf Handbetrieb ein erster Schalter (11) die Verbindung zwischen der analogen Summationsstelle (2) und dem Analogspeicher (12) auftrennt, daran anschließend ein zweiter Schalter (1) die Verbindung zwischen dem analogen P-Kanal und der analogen Summationsstelle (2) auftrennt, ein dritter Schalter (15) die Verbindung zwischen dem Ausgang des Frequenzteilers (4) und dem Impulseingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) auftrennt und ein vierter Schalter (8) die Verbindung zwischen dem Vorzeichenausgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers (j5) und dem Vorzeicheneingang des Vor-RÜckwärts-Zählers (6) auftrennt, daß eine Steuerschaltung (14, 19) den Vor-RUckwärts-Zähler (6) im Sinne eines Angleichens an die Ausgangsspannung (U ) des Analogspeichers (12) mit Zählimpulsen und Vorzeichensignalen beaufschlagt und nach erfolgtem Angleichen der erste Schalter (11) die Verbindung zwischen der analogen

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Summationssteile (2) und dem Analogspeicher (12) wiederherstellt und die Änderung der Stellgröße im Handbetrieb durch Beaufschlagen des Vor-Rückwärts-Zählers (6) mit Zählimpulsen und Vorzeichensignalen erfolgt.
3. Elektrische Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grenzwertmelder (l8) das Vorzeichen der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der analogen Summationsstelle (2) und demjenigen des Analogspeichers (12) bestimmt und das Ausgangssignal des Grenzwertmelders (l8) während des Angleichens als Vorzeichensignal auf den Vorzeicheneingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) geschaltet ist.
4. Elektrische Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder J, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der dem Vor-Rückwärts-Zählers (6) zugeführten Zählimpulse während des Angleichens konstant ist und mindestens drei Zehnerpotenzen höher ist als diejenige der Zählimpulse, die zur Änderung der Stellgröße im Handbetrieb dienen.
5. Elektrische Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umschalten von Hand- auf Automatikbetrieb der erste Schalter (11) die Verbindung zwischen der analogen Summationsstelle (2) und dem Analogspeicher (12) auftrennt, der zweite Schalter (1) daran anschließend die Verbindung zwischen dem analogen P-Kanal und der analogen Summationsstelle (2) wiederherstellt, daß die Steuerschaltung (14, 19) den Vor-Rückwärts-Zähler (6) im Sinne eines Angleichens des Ausgangssignals der analogen Summationsstelle (2) an dasjenige des Analogspeichers (12) mit Zählimpulsen und Vorzeichensignalen beaufschlagt und nach erfolgtem Angleichen der erste Schalter (11) die Verbindung zwischen der analogen Summationsstelle (2) und dem Analogspeicher (12) wiederhergestellt, der dritte Schalter (15) die Verbindung zwischen dem Frequenzteiler (4) und dem Impulseingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) wiederherstellt und der vierte Schalter (8) die Verbindung zwischen dem Vorzeichenausgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers (3) und dem Vorzeicheneingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) wiederherstellt.

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Elektrische Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zeiträumen, in denen die Ausgangsspannung (U ) des PI-Reglers vorgegebene Grenzwerte überschreitet, die Verbindung zwischen dem Ausgang des Frequenzteilers (4) und dem Impulseingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) sowie die Verbindung zwischen dem Vorzeichenausgang des Spannungs/Prequenz-Wandlers (3) und dem Vorzeicheneingang des Vor-Rückwärts-Zählers (6) aufgetrennt ist und der Vor-Rückwärts-Zähler (6) im Sinne einer Rückführung der Ausgangsspannung (U ) des PI-Reglers an den überschrittenen Grenzwert (U . bzw. U _x) mit Zählimpulsen und Vorzeichensignalen beaufschlagt ist.

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