-
Dreipunktregler mit Rückführung Die Erfindung betrifft einen Dreipunktregler
mit integral wirkender Rückführung für den Aufklingvorgang und verzögerter Rückführung
für den Abklingvorgang und aktivem Rückführzweig.
-
Dreipunktregler mit Rückführung finden dort Verwendung, uo bei relativ
geringem Aufwand große Leistungsverstärkungen zwischen Regelgröße und Stellglied
erreicht werden sollen. In seinem prinzipiellen Aufbau besteht der Dreipunktregler
aus einem Schaltglied, zwei Schalteinrichtungen, meist in Form von Relais und einer
Rückführung. Seine Ausgangsgröße wirkt auf ein Stellglied, das fast ausschließlich
als Stellmotor ausgeführt ist.
-
Das Schaltglied besitzt einen Aus-Bereich innerhalb einer toten Zone
und zwei vorzeichenabhängige Einschaltpunkte mit Schaltdifferenz, die auch als Schalthysterese
bezeichnet wird. Eine Regelabweichung x; am Eingang des Reglers, die die Ansprechschwelle
der toten Zone überschreitet, bewirkt in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelabweichung
Xw die Bestätigung eines der beiden Relais über das Schaltglied. Vom Relais gespeist,
läuft der Stellmotor in der zugehörigen Richtig.
-
Jedes der beiden Relais schaltet bei Betätigung außerdem eine konstante
Rückführspannung Xro mit einer solchen Polarität über ein Zeitglied auf den Eingang
des Reglers, daß sie der Regelabweichung Xw entgegenwirkt, wodurch nach einem längeren
Einschaltbereich ein ständiger Schaltwechsel entsteht. Das Zeitglied ist häufig
als Verzögerungsglied mit unabhängig voneinander einstellbaren Zeitkonstanten für
den Aufklingvorgang Tan bei beNtätigtem Relais und für den Abklingvorgang Tab bei
geöffneten Relaiskontakten ausgeführt.
-
usammen mit dem integral wirkenden Stellglied ergibt sich eine dem
stetigen PI-Regler ähnliche Über@@@gungsfunktion und es wird insgesamt ein stetig-ähnliches
PI-Verhalten des Dreipunktreglers mit Rückführung erreicht. In Anlehnung an die
Bezeichnungsweise bei stetigen PI-Reglern werden auch zur Beschreibung des genäherten
Pl-Verhaltens des Dreipunktreglers mit Rückführung die Parameter "Reglerverstärkung"
kp und "Nachstellzeit" Tn verwendet.
-
Anders als beim stetigen Regler treten jedoch bei der Realisierung
eines stetig-ähnlichen PI-Reglers funktionelle Abhängigkeiten zwischen den einzelnen
Größen auf.
-
Der Parameter Nachstellzeit Tn ist abhängig von der Regelabweichung
, der Rückführspannung xro und der AbklingzeitkonstanterL UabX die Reglerverstärkung
kp ist abhängig von der Regelabwei-@@ p chung xw, der Rückführspannung xro und den
Auf- und Abklingzeitkonstanten Tan, Tab. Es gilt also Tn = Funktion (xw, Tab, xro)
kp = Funktion (xw, Tan, Tab, xro) Weiterhin sind beide Parameter von der Ansprechempfindlichkeit
und der Hysterese des Schaltgliedes abhängig. Hierbei handelt es sich um prinzipbedingte
Abhängigkeiten, auf die nicht weiter eingegangen werden soll. Zur Einstellung der
Parameter Tn und kp können also die Auf- und Abklingzeitkonstanten Tan, Tab oder
die Rückfübrspannung xro verwendet werden. Während über die Rückführspannung beide
Parameter miteinander verkoppelt sind, scheint zunächst über die Zeitkonstanten
eine (zumindest ein seitige) Entkopplung der Parameter nLöglich.
-
In der praktischen An-endung des Dreipunktreglers erweist sich die
Abhängigkeit des Proportionalbereiches, bzw. dessen Reziprokwert, der Reglerverstärkung
kp von der Regelabweichung, also kp . r (xw) als besonders hinderlich. Je nach dem
Verhältnis der Auf- und Abklingzeitkonstanten Tan und gab zeigt der Regler progressives,
linear oder degressives Verhalten. Die angestrebte Linearisierung des Reglers fordert,
daß Auf- und Abklingzeitkonstanto Tan und Tab gleich groß sein müssen. Durch diese
Forderung für lineares Verhalten läßt sich eine entkoppelte Einstellung der Reglerparameter
nicht mehr realisieren.
-
Wird das Zeitverhalten der Rückführung nicht lediglich durch ein Verzögerungsglied
realisiert, sondern wird wie bereits vorgeschlagen, für den Aufklingvorgang eine
integral wirkende Rückführung vorgesehen und für den Abklingvorgang eine verzögerte
Rückführung verwendet, dann ermöglicht dies eine wesentlich günstigere Einstellung
der Parameter kp und Tn, weil mit der Höhe der Rückführspannung eine Verstellung
des Parameters kp vorgenommen werden kann, ohne daß die Nachstellzeit Tn davon beeinflußt
wird. Bis auf die prinzipbedingte Abhängigkeit im Bereich um die Ansprechschwelle
des Schaltgliedes ist dadurch die Nachstellzeit Tn unabhängig von der Regelabweichung
xw.
-
Eine integral wirkende Rückführung für den Aufklingvorgang beseitigt
noch einen weiteren Nachteil, für den bei verzögerter Rückführung beim Aufklingvorgang
eine gesonderte Abhilfe geschaffen werden muß: Beim Einstellen der Reglerparameter
durch Verändern der Rückführspannung xro kann der Pall eintreten, daß die auftretende
Regelabweichung xw größer ist als die Summe aus eingestellter Rückführspannung xro
und Ansprechschwelle des Schaltgliedes. In diesem Pall wird der erste Einschaltbereich
nicht mehr verlassen, der Stellmotor wird nicht ausgeschaltet und läuft gegen den
Anschlag. Bci integral wirkender Rückführung dagegen steigt die der Regelabweichung
Xw entgegenwirkende spann nung bei jedem Steigungsverhältnis soweit an, daß das
Schaltglied anspricht.
-
Universell einsetzbare Dreipurktregler mit Rückführung müssen extrem
gro3e Verstellbereiche der Parameter aufweisen, damit sie den unterschiedlichsten
Forderungen praktischer $Anwendungsfälle gerecht werden kön.:en. Dies erfordert
in vreiten Grenzen einstellbare Zeitkonstanten der RC-Glieder in der Rückführung,
wobei dann Schwierigkeiten auftreten, wenn 6roße Zeitkonstanten von Minuten bis
hin zur Größenordnung einer Stunde realisiert werden mdßsen.
-
Eine bekannte unordnung erzielt mit relativ kleinen KaFazitats-und
Wide.-standswerten dadurch große Zeitkonstanten, daß die Rückführung sowohl für
den Aufkling- als auch für den Abklingvorgang als aktives Verzögerungsglied ausgeführt
ist, indem das RC-Glied in bekannter Weise in den Gegenkopplungszweig eines Verstärkers
eingefügt ist. Nachteiligerweise lassen sich auch mit dieser Anordnung die gegenseitigen
Verkopplungen der Reglerparameter und kp, die allen Anordnungen mit verzögerter
Rückführung für den Aufkling- und Abklingvorgang anhaften, nicht beseitigen.
-
In einer weiteren bekannten Anordnung wird der Kondensator der Rückführung
während des Aufklingvorganges mit einem konstanten Strom gespeist, wodurch sich
eine integral wirkende Rückführung ergibt. Da der konstante in den Kondensator fließende
Strom durch eine Gegenkop-lung über dem im Vorwärtszweig liegenden Verstärker erzielt
wird, lassen sich auch bei dieser Anordnung große Aufladezeiten erzielen. Die Entladung
des Kondensators erfolgt über einstellbare Widerstände, so daß sich für den Abklingvorgang
die gewünschte verzögerte Rückführung ergibt. äit dieser Anordnung wird dadurch
zwar eine weitgehende entkop;elte Einstellbarkeit dor Reglerparameter erreicht,
aber wegen der direkten Entladung des Rückführkondensators lassen sich für den Entladevorgang
nachteiligerweise große Zeiten entweder gar nicht oder nur mit großen, raumbeanspruchenden
Kapazitätswerten erzielen, womit ein beim Aufladevorgang erzielter Vorteil wieder
hinfällig wird.
-
Die Erfindung bezweckt, die beschriebenen, den bekannten Lösungen
unterschiedlich anhaftenden Nachteile insgesamt zu beseitigen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dreipunktregler mit
integral wirkender RücLführung für den Aufklingvorgang und verzögerter Rückführung
für den Abklingvorgang zu schaffen, der eine weitgehend entkoptelte Einstellbarkeit
der Reglerparameter ermöglicht und bei dem in extremen Bereichen veränderbare Zeitkonstanten
sowohl für den Aufklingvorgang als auch für den Abklingvorgang mit technisch leicht
realisierbaren Widerstandswerten und kleinen Kapazitätswerten erzielt werden.
-
Diese Aufgabe wird durch eine aktive Rückführung gelöst, in der erfindungsgemäß
ein aktives Zeitglied sowohl den integralen Aufklingvorgang als auch nach Umschaltung
seines Ubertragungsver haltens durch das vom Schaltglied des Dreipunktreolers betätigte
Relais den verzögerten Abklingvorgang bewirkt. Das aktive Zeitglied für den integralen
Aufkllngvorgang wird durch einen an sich bekannten Integrator realisiert, der aus
einem Verstärker mit hoher Verstärkung besteht, zwischen dessen Ausgang und Eingang
ein gegenkoppelnder Kondensator eingefügt ist und vor dessen Eingang ein Integrationswiderstand
geschaltet ist, in den die Rückführspannung eingespeist wird. Durch Verändern der
Höhe der Rückführspannung wird die Reglerverstärkung kp eingestellt.
-
Bei der Umschaltung trennt ein Relaiskontakt die RückfJirspannung
vom Integrationswiderstand und schaltet eine starre Rückführung auf den Eingang
des Integrators, wodurch der Abklingvorgang mit verzögertem Zeitverhalten abläuft.
Die starre Rückführung enthält einen veränderlichen Spannungsteiler, mit dem die
Nachstellzeit E verändert werden kann.
-
An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1: das Blockschaltbild einer Regeleinrichtung,
bestehend aus Dreipunktregler mit Rückführung und Stellglied, Fig. 2s die Über@@@gungsfunktion
und die zugehörigen Schaltimpulse für das Ein- und Ausschalten der Rückführspannung,
Fig. 3: eine Regeleinrichtung mit erfindungsgemäßem Rückführzweig für den Dreipunktregler.
-
Bei der Erläuterung des Wirkprinzipe der Re eleinrichtung in Fig.
1, die zusammen niit der Darstellung der Fig. 2 erfolgt, wird davon ausgegangen,
daß vorerst ke@ne Regelabweichung xw vorhanden ist und daß alle Ausgleichvorgänge
Abgeklungen sind.
-
Demzufolge befinden sich sovonl die Rückführspannung xr als auch die
Schaltspannung yx auf dem Wert Null. t.eiterhin soll sich das Stellglied ST in seiner
Ausgangslage befinden, womit auch die Stellgröße y den Wert Null besitzt.
-
Tritt am Eingang des Schaltgliedes SG eine sprungförmige Regelabweichung
xw auf, die so groß ist, daß die Ansprechschwelle xan des Schaltgliedes SG überschritten
wird, dann liefert dieses an seinem Ausgang eine Schaltspannung yx mit konstantem
Betrag und einer Polarität, die der Regelabweichung xw entgegengerichtet ist. Dadurch
wird das Stellglied ST mit konstanter Geschwindigkeit in derjenigen Richtung in
Gang gesetzt, die durch die Polarität der Schaltspannung yx bestimmt wird. Die Stellgröße
y steigt in entsprechender Richtung linear an.
-
Die Schaltspannung yx betätigt weiterhin einen Umschalter US, wodurch
der Umschaltkontakt UK die Stellung "auf" für den Aufklingvorgang einnimmt. Vber
die integrale Rückführung IR bewirkt die Schaltspannung yx eine linear ansteigende
Rückführspannung xr, die der Regelabweichung zw entgegenwirkt.
-
Als Ergebnis sinkt die Eingangsspannung des Schaltgliedes SG linear
ab, bis dessen Abschaltschwelle xab erreicht ist, wodurch die Schaltspannung yx
auf Null abfüllt. Dadurch komL.t das Stellglied ST zum Stillstand und die Stellgröße
y verbleibt auf der erreichten Höhe. Gleichzeitig unterbleibt die Betätigung des
Umschalters US und der Umschaltkontakt UK nimat die Stellung "ab" für den Abklingvorgang
ein. Durch die verzögerte Rückführung VR sinkt die Rückführspannung xr exponentiell
ab.
-
In gleichem Maße steigt dabei die Eingangsspannung des Schaltgliedes
SG an, bis seine Ansprechschwelle Xan wieder nicht ist. Die beschriebenen Vorgänge
wiederholen sich nun ständig
durch abwechselndes An- und Abschalten
des Schaltgliedes. Der erste Einschaltvorgang ist in allgemeinen wesentlich länger
als die folgenden sich abwechselnden Ein- und Ausschaltvorgänge, wie dies in Bild
2 dargestellt ist.
-
Der tatsächlich entstehende vielfach geknickte Geradenzug der Ubergangsfunktion
y(t) in Fig. 2 kann durch die Näherung y(t), die der Übergangsfunktion eines stetigen
Pl-Reglers entspricht, vereinfacht werden. Von dieser Näherung können dann, wie
dargestellt, die Reglerparameter Nachstellzeit T und Reglerverstarkung s in einfacher
Weise abgelesen werden.
-
Die Übergangsfunktion y(t) der Fig. 2 gilt in gleicher Weise für die
Regeleinrichtung der Fig. 3, da diese nach denselben Wirkprinzip wie die Anordnung
der Fig. 1 arbeitet. In Fig. 3 läßt das Schaltglied SG entweder Relais Rs 1 oder
Relais Rs 2 ansprechen, je nach dem, welche Polarität die resultierende Eingangsspannung
xw - xr besitzt. Das Stellglied ST wird durch einen Motor M realisiert, der von
den Relaiskontakten.rs 1/1 bzw. rs 2/1 in Rechts- bzw. Links lauf geschaltet wird.
Uber weitere Relaiskontakte rs 1/2 bzw.@2/2 wird eine positive bzw.
-
eine negative Schaltspannung yx aus den Spannungsquellen + Ur bzw.
- C für den Rückführzweig RF und das Relais Rs 3 geliefert.
-
Über den Einstellwiderstand R1 läßt sich der für die Rückführung verwendete
Anteil der Schaltspannung yx verändern, womit eine Einstellung der Reglerverstärkung
kp ermöglicht wird.
-
Wird über das Schaltglied SG eines der beiden Relais Rs 1 oder Rs
2 erregt, dann wird durch yx auch Rs 3 erregt und der Umschaltkontakt rs 3 schaltet
in die Stellung auf, womit der integrale iufklingvorgang beginnt. Ober den an sich
bekannten Integrator, der aus Verstärker V, Kondensator C und Integrationswiderstand
R2 besteht, wird die am Einstellwiderstand R1 eingestellte Spannung integriert und
als Ergebnis steigt die Rückführspannung sr linear an und wirkt der Regelabweichung
zw entgegen.
-
Wird die Abschaltschwelle xab des Schaltgliedes SG erreicht, dann
werden alle Relais stronlos, dadurch schaltet der Umschaltkontakt rs 3 in die Stellung
"ab" und leitet damit den Abklingvorgang ein. Der Umschaltkontakt rs 3 trennt dabei
die einen speiste Spannung vom Integrator und stellt parallel zum Kondensator C
durch die Verbindung zwischen dem widerstand R3 und den Integrationswiderstand R2
eine starre Rückführung über den Verstärker V her. Damit wechselt die Charakteristik
des aktiven Rückführzweiges RF von integrales zu verzögertem Obertragungsverhalten.
Die Zeitkonstante des Abklingvorganges und damit die Nachstellzeit Tn kann mit Hilfe
des Einstellvriderstands R4in weiten Grenzen verändert werden.
-
Für die Zeitdauer des Abklingvorganges kommt infolge des Verstärkers
V die Kapazität des Kondensators C näherungsweise um den Verstärkungsfaktor vervielfacht
zur Wirkung, so daß mit hohen Verstärkungsfaktoren, z.B. beim Einsatz von Operationsverstärkern,
bei kleinen Kondensatoren sehr große Zeiten erreicht werden können.