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Digitale Regelung, insbesondere eines Heizaggregats
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Die Erfindung betrifft eine digitale Regelung, insbesondere der Aufheizleistung
eines Heizaggregats, vorzugsweise eines Herdes.
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In der Literaturstelle Gelder, Schaltungen mit Halbleiterbauelementen,
Band 2, München, 1970, Seite 154, ist eine Temperatur-Regelung für eine Herdplatte
beschrieben, bei der für eine gleich mäßige Plattentemperatur die Herdplatte nach
dem Erreichen des Sollwertes periodisch ein und ausgeschaltet wird. Hierbei wird
mit einem astabilen Multivibrator gearbeitet, dessen Tastverhältnis einstellbar
ist. Mit dieser Schaltung wird beim Erreichen der gewünschten Solltemperatur die
Heizleistung herabgesetzt. Bis zur Solltemperatur wird mit voller Leistung geheizt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine digitale Regelung vorzuschlagen,
bei der schon vor dem Erreichen des Sollwerts die Heizlei stung heruntergesetzt
wird, um ein Uberschwingen der Solltemperatur zu vermeiden.
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Nach der Erfindung ist obige Aufgabe dadurch gelost, daß ein Sollwert
codiert in einen digitalen Speicher eingegeben wird, daß eine Einschaltimpulsfolge
und eine Prüfimpulsfolge mit übereinstimmender Impulsfolgefrequenz und gegeneinander
versetzten
Einschalt- und Prüfimpulsen erzeugt wird, daß der codierte
Sollwert bei Jedem Einschaltimpuls aus dem Speicher in einen Zähler überführt wird,
daß dem Zähler eine Meßimpulsfolge mit einer von dem Jeweiliger Meßwert abhängigen
Impulsfolgefrequenz zugeführt wird, die höher als die Impulsfolgefrequenz der Einschaltimpulsfolge
ist, wobei der Zahler Jeweils in der Zeit zwischen zwei Einschaltimpulsen, mit einem
Einschaltimpuls beginnend, die in dieser Zeitspanne auftretenden Meßimpuls mit dem
codierten Sollwert bis zu einem Endwert verrechnet und daß der Zähler, solange das
Verrechnen dauert, ein Ausgangssignal abgibt, das die Einschaltdauer, insbesondere
des Heizaggregats bestimmt, und daß über eine Luswertelogik ein folgendes Ausgangssignal
unwirksam geschalte- wird, wenn das Prüfsignal nach Beendigung des vorhergehenden
Ausgangssignals auftritt.
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Mit diesem Verfahren wird in jeder Eir-schaltimpulsperiode die tatsächlich
gemessene Temperatur mit dem Sollwert der Temperatur verglichen und entsprechend
dem Vergleichsergebnis die innerhalb der Jeweiligen Einschaltimpulsperiode liegende
Heizungsdauer geregelt. Wird die Abweichung der gemessenen Temperatur vom Sollwert
kleiner, dann wird auch in der betreffenden Einschaltimpulsperiode weniger lang
geheizt. Insgesamt nimmt also bei der Annäherung an den Sollwert die Heizleistung
ab.
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Die Temperatur, bei der die Abnahme der Heizleistung einsetzt, läßt
sich durch das Verhältnis von Einschaltimpulsperiode und Periode der Meßimpulse
bei dieser Temperatur festlegen. Ebenso läßt sich die Mindestheizleistung festlegen,
mit der vor Erreichen der Solltemperatur gearbeitet wird.
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Vorzugsweise setzt die Abnahme der Heizleistung etwa bei Erreichen
der halben Solltemperatur ein und die Heizleistung unmittelbar vor dem Erreichen
der Solltemperatur entspricht etwa der halben Nennleistung. Damit ist eine Regelung
erreicht, mit der ein Uberschwingen der Solltemperatur weitestgehend vermieden ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung liegen die Einschaltimpulse
synchron mit den Nulldurchgängen der Speisespannung des Heizaggregats. Dadurch lassen
sich Einschalt-Stromstöße vermeiden.
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Die Erfindung läßt sich auch in Regelkreisen einsetzen, in denen andere
Größen als die Temperatur9 beispielsweise Drehzahl oder Füllstand, möglichst ohne
Überschwingen auf einen Sollwert zu bringen sinde Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Regelschaltung.
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n der Zeichnung zeigen: Fig 1 ein Schaltbild einer digitalen Regelschaltung
und Fig. 2 ein Impulsdiagramm.
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Die Schaltung nach Fig0 1 ist in einzelne Schaltungsteile auf gegliedert.
Eine Ablaufsteuerung 1 mit Netzsynchronisation gibt Einschaltmpulse an einen Zähler
3 und Prüfimpulse auf eine Aus wertelogik 50 Parallel zum Zähler 3 liegt ein Speicher
6, in den von einer Sollwereingabe 7 ein digital codierter Temperatur-Sollwert eingegeben
wird0 Weiterhin liegt am Zähler 3 ein Analog/ Digital-Wandler 8 mit einem Temperaturfühler
90 Parallel zum Speicher 6 ist eine Anzeigeeinrichtung 10 geschaltet. Ausgangseitig
ist die Auswertelogik 5 mit einem Lastschalter 11 verbunden, der im Speisestromkreis
eines Heizaggregats 12 liegt.
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Die Ablaufsteuerung 1 liegt mit einem Synchronisiereingang 13 am Wechselstrom
Versorgungsnetz des Heizaggregats 12. Mittels einer Kippschaltung 14 werden Impulse
mit der Netzfrequenz (50 Hz) erzeugt. Diese stehen an einer Leitung a an (vgl. Zeile
a im Impulsdiagramm nach Fig. 2).
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Mittels einer von einem integrierten Schaltkreis2(IC 4024) gebildeten
Zeitkette werden die Impulse umgeformt. Sie treten an einer Leitung b im Beispielsfalle
mit einer Periodendauer von 1,28 s mit dem Tastverhältnis 1 auf (vgl. Zeile b in
Fig. 2).
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Die negativen flanken werden als Einschaltimpulse c (vgl.
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Zeile c in Fig. 2) und die positiven Flanken als Prüfimpulse d (vgl.
Zeile d in Fig. 2) ausgefiltert. Dies geschieht mittels der UND-Gatter 16, 17, 18
und 19.
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Die Sollwerteingabe 7 arbeitet mit einem - in Fig. 1 schematisch dargestellten
- Kontaktrad 20, das beim Drehen nacheinander eine dem einzustellenden Sollwert
entsprechende Anzahl von Impulsen an einen Kontakt 21 gibt. Weiterhin ist ein Drehrichtungskontakt
22 und ein Schaltkontakt 23 vorgesehen, der bei der Sollwerteinstellung geschlossen
ist. Die Kontakte 21 und 23 liegen an einem NAND-Gatter 24. Der Kontakt 23 liegt
weiterhin an einem Negator 25 und an einem UED-Gatter 26, an dessen anderem Eingang
der Kontakt 22 liegt Der Zähler 3 weist zwei integrierte Zähler-Schaltkreise 27
und 28 auf (IC 4029), deren Q-Ausgange mit D-Eingängen von zwei integrierten Speicher-Schaltkreisen
29 und 30 (IC 4042 ) des Speichers 6 verbunden sind. Die Q-Ausgärge der Schaltkreise
29 und 30 liegen an den o-Eingängen der Schaltkreise 27 und 28 Der Sollwert wird
bei der Betätigung des Kontaktrades 20 und geschlossenem Schaltkontakt 23 als negative
Impulsfolge über eine Latch-Leitung an die Ck-Eingänge der Speicher-Schaltkreise
29 und 30 gelegt.
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Gleichzeitig gelangt der Sollwert über ein NAND-Gatter 31 und ein
UND Gatter 32 als positive Impulsfolge an die Clock-Eingånge der Zähler-Schaltkreise
27 und 28. Die einen Stellen des Sollwerts treten hierdurch am Zähler-Schaltkreis
27, die nächsthöheren Stellen am Zähler-Schaltkreis 28 BCD-codiert auf. Der Sollwert
kann zwei Dekaden umfassen. In der Praxis ist dies der Bereich von 700C bis 290
0c in Zehnerabstufung. Die beiden höheren Eingänge der Schaltkreise 28 und 30 können
damit außer Betracht bleiben.
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Das UND-Gatter 32 sperrt weitere Impulse, wenn die Zähler-Schaltkreise
27, 28 auf Null zurückgezählt sind. Der Zähler bleibt stehen.
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Gleichzeitig mit der Eingabe des Sollwerts in die Zähler-Schaltkreise
27 und 28 tritt der codierte Sollwert an D-Eingängen der Speicher-Schaltkreise 29
und 30 auf und wird eingespeichert,
wenn an der Lacht-Leitung ein
negativer Sollwertimpuls liegt.
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Diese Art der Einspeicherung ist schaltungstechnisch günstig, da zusätzliche
Bausteine für die Codierung entfallen Das UND-Gatter 26 verhindert, daß beim Eingeben
des Sollwerts die Zähler Schaltkreise 27, 28 rückwärts zählen Der Analog/Digital=Wandler
8 arbeitet mit einer Brückenschaltung 33, in deren einem Zweig der Temperaturfühler
9 angeordnet ist. Im Querzweig der Brückenschaltung 33 liegt ein Operationsverstäker
34 (IC 741), dem eine Impulserzeugerschaltung 35 nachgeschaltet ist. Bei höheren
Temperaturen am Temperaturfühler 9 gibt der Analog/Digital-Wandler 8 eine Impulse
folge e mit höherer Frequenz ab als bei niedrigeren Temperaturen. Die Impulsfolgefrequenz
der Temperaturimpulse e liegt höher als die Impulsfolgefrequenz der Einschalimpulse.
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Die Temperaturimpulse e werden auf ein NAND-Gatter 36 gegeben, an
dessen anderen Eingang der Negator 25 liegt. Der Ausgang des NAND-Gatters 36 liegt
an einem Eingang des NAND-Gatters 31. Durch diese Verkopplung ist erreicht, daß
beim Einstellen eines Solwerts nur dieser zu den Zähler-Schaltkreisen bzwO in den
Speicher gelangt und sonst, wenn der Schaltkontakt 23 geöffnet ist, die der Jeweiligen
Temperatur entsprechende Impulsfolge an den clock-Eingang der Zähler-Schaltreise
27 und 28 gelegt ist. Die Temperaturimpulse gelangen nicht in den Speicher9 da dieser
in diesem Falle über den Ausgang des Nand-Gatters 24 gesperrt ist.
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Am Ausgang des Zählers liegt an einer Leitung f ein Signal an9 wenn
und solange in den- Zähler-Schaltkreisen 27 und 28 ein anderer Wert als Null ansteht.
Die Leitung f liegt an einem UND-Gatter 37, das weiterhin mit dem Negator 25 verbunden
ist.
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Außerdem liegt über eine Leitung h am UND-Gatter 37 der Q-Ausgang
eines Flip-Flop 389 dessen D-Eingang mit der Leitung £ verbunden ist. Das Flip-Flop
38 fragt die Leitung f ab, wenn an ihm über die Leitung d ein Prüfimpuls anliegt.
Am Ausgang des UND-Gatters 37 liegt somit ein H-Signal, wenn der Schaltkontakt 23
geöffnet ist, an der Leitung f ein H-Signal anliegt
und der Prüfimpuls
dann auftritt, wenn an der Leitung f das H-signal anliegt und damit auch der Q-Ausgang
des Flip-Flops 38 H ist. In diesem Fall ist über eine Leitung g und den Lastschalter
11 die Heizung eingeschaltet. Sonst ist sie abgeschaltet.
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Der Einschaltimpuls liegt über ein weiteres UND-Gatter 39 an Preset-Eingängen
der Zähler-Schaltkreise 27 und 28. Am UND-Gatter 39 liegt ebenfalls der Negator
25. Die Einschaltimpulse können damit nur an die Zähler gelangen, wenn der Kontakt
23 offen ist, d. h. die Einbellung des Sollwerte beendet ist.
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Gelangt ein Einschaltimpuls an die Zähler 27 und 28 dann wird der
in den Speicher-Schaltkreisen 29 und 30 codierte Sollwert über die J-Eingänge in
die Fähler-Schaltkreise 27 und 28 eingegeben.
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Im folgenden ist die Funktionsweise der Schaltung anhand des Impulsdiagrammen
für die Leitungen e, f, g und h erläutert.
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Es ist dabei von der gezeigten Lage der Einschaltimpulse (Leitung
c) und der Prüfimpulse (Leitung d) ausgegender. Die Impulsverläufe auf den Leitungen
f, g und h sind für fünf verschiedene Temperaturen dargestellt. Es ist davon ausgegangen,
daß eim Sollwert im die Speicher-Schaltkreise 5 eingespenchert ist.
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Zur Vereinfachtung der @@@@@@erischen Daretellung ist @@n e@ngestellter
Sollwert von @°C angenommen. In Speicher-Schaltkreis 29 sind dementsprechend. Einerstellen
und in Speicher-Schaltkreis 30 die Zehnerstellen gespeichert.
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1. Es sei angenommen, daß die vom Temperaturfühler @ gemessene Temperatur
etwa 2°C beträgt. An der Leitung e tritt dann die in der Zeile e1 dargestellte Impulsfolge
auf. Sobald ein Einschaltimpuls den codierten Sollwert in den Zähler gibt, schaltet
jeder ankommende Temperaturimpuls den Zähler um eine Stellezurück.
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Da bei einer Temperatur von 2°C die Impulsfolgefrequenz noch relativ
niedrig ist, ist der Zähler vor dem Auftreten des nächsten Einschaltimpulses erst
um 4 Stellen, also nicht auf Null, zurückgezählt. Dieser nächste Einschaltimpulse
gibt erneut den Sollwert aus dem Speicher 6 auf den Zähler 3, so daß die Zählung
wieder erneut beginnt. Der Zähler wird nie Null, so
daß an der
Leitung f ständig ein H°Signal ansteht. Da dementsprechend der Prüfimpuls immer
zusammen mit einem H-Signal auftritt, ist auch das Signal der Leitung h immer Ho
Ent sprechend der Ausgangsannahme ist auch der Schaltkontakt 23 geöffnet, so daß
die Heizung über die Leitung g ständig ein geschaltet ist. Es wird dementsprechend
mit voller Heizlei stung gearbeitet.
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2. Es sei angenommen9 daß die Temperatur 6°C beträgt9 also wenig oberhalb
des halben Sollwerts liegt. In diesem Fall ist die Impulsfolgefrequenz entsprechen
höher. 10 Temperaturim pulse sind vor dem Eintreffen des nächsten Einschaltimpulses
aufgetreten. Somit hat der Zähler auf Null gezählt, bevor der nächste Einschaltimpulse
auftritt. Sobald der Zähler auf Null steht, ist auch das Signal an der Leitung £
Null (vgl. Zeile f2)o Am Signal der Leitung h ändert sich nichts, da die Prüfimpulse
noch immer dann auftreten, wenn an der Leitung f ein H-Signal ansteht. Die Heizung
arbeitet jetzt intermittierend, wie dies in Zeile g2 dargestellt ist. Die Heizpausen
sind noch relativ klein. Bei dem gewählten Verhältnis zwischen der Impulsfolgefrequenz
der Einschaltimpulses und der Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse beginnt
die intermittierende Heizung gerade dann, wenn die tatsächliche Temperatur den halben
Sollwert erreicht hatO 30 Die Temperatur ist auf 9 0C gestiegene Die Impulsfolgefrequenz
der Temperaturimpulse hat sich dementsprechend weiter erhöht. Der Zähler verrechnet
die Temperaturimpulse dement sprechend schneller mit dem Sollwert. Das Ausgangssignal
auf der Leitung f hat den in Zeile £3 dargestellten zeitlichen Ver lauf 0 Der Prüfimpuls
tritt Jeweils kuzz vor der Beendigung des H-Signals der Leitung £ auf so daß an
der Leitung h h nach wie vor ein H-Signal steht. Die Heizung ist hetzt fast nur
noch in der Hälfte der Zeit eingeschaltet. Sie arbeitet also etwa mit halber Leistung
4. Es ist angenommenp daß sich die Temperatur auf 10°C, den Sollwerts erhöht hatO
Die Impulsfolgefrequenz der Temperatur impulse ist dadurch entsprechend erhöht.
Der Zähler hat vom
codierten Sollwert auf Null gezählt, und das
Signal auf der Leitung f ist dementsprechend Null kurz bevor der Prüfimpuls auftritt.
Bis dahin war das Signal auf der Leitung h noch H.
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Dementsprechend hat über die Leitung g die Heizung auch kurz eingeschaltet.
Der Prüfimpuls schaltet jetzt das Flip-Flop 38 um, so daß an der Leitung h ein Null-Signal
ansteht. Beim nächsten Einschaltimpuls wird nach wie vor der Sollwert in den Zähler
überführt und auf Null zurückgezählt, so daß die Impulsfolge auf der Leitung f unverändert
ist. Da jedoch der Prüfimpuls jetzt immer in Zeiten auftritt, in denen das Signal
der Leitung f Null ist, bleibt die Leitung h auf Null. Das UND-Gatter 37 verhindert
hierdurch ein weiteres Einschalten der Heizung. Erst wenn der Sollwert unterschritten
wird, fällt der Prüfimpuls wieder mit einem H-Signal zusammen und schaltet den Q-Eingang
des Flip-Flop 38 auf H.
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5. Geht man davon aus, daß die Temperatur am Temperaturfühler 9 den
Sollwert übersteigt, dann ist der Zählvorgang und das Ausgangssignal (vgl. Zeile
25) entsprechend kürzer. Die Leitung h bleibt auf Null. Die Heizung schaltet nicht
mehr ein.
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Ersichtlich kann durch die auf die Lage der Einschaltimpulse bezogene
Lage der Prüfimpulse im Zusammenhang mit der Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse
festgelegt werden, bei welcher Heizleistung die Heizung abschalter soll. Verlagert
man bei der im Impulsdiagramm angenommenen Impulsfolgefrequenz den Prüfimpuls nach
rechts oder links, würde die Heizung entsprechend früher oder später abschalter.
Paßt man gleichzeitig die Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse im Bereich des
Sollwerts entsprechend an, dann läßt sich der Faktor der Gesamtleistung einstellen
mit dem die Heizung knapp unterhalb des Sollwerts arbeitet. Bei einem entsprechend
kleineren oder größeren Bruchteil des Sollwerts würde dann auch die Kontinuierliche
Reduzierung der Heizleistung einsetzen.
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Wird mittels des Kontaktrades 20 ein anderer, höherer Sollwert eingegeben,
dann ändert sich an der grundsätzlichen Darstellung des Impulsdiagramms nicht. Bei
entsprechend höheren Temperaturen ist die Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulseentsprechend
höher,
so daß das Zurückzählen des Zählers in Zäh gleichbaren Zeitdimensionen erfolgt,
wie sie im Impulsdiagramm dargestellt sind0 Durch das beschriebene Verfahren und
die beschriebene Schaltung ist erreicht, daß die Heizleistung bis zum Erreichen
des Sollwerts kontinuierlich verringert wird, so daß ein wesentliches Überschwingen
der Temperatur über den Sollwert vermieden ist. Darüber hinaus erfolgt die Einschaltung
der Heizung jeweils netzsynchron, da die Einschaltimpulse von der Netzfrequenz abgeleitet
sind. Dies ist günstig, da im Beispielsfalle oberhalb des halben Sollwerts die Heizung
etwa alle 1,28 s eingeschaltet wird. Der Lastschalter 11 ist ein Triac.
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Soll die Einschaltung bei einem bestimmten Phasenwinkel erfolgen,
dann können die Einschaltimpulse entsprechend versetzt werden.
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Die Genauigkeit der Abschaltung beim eingestellen Sollwert läßt sich
durch die Bemessung der Impulsfolgefrequenz der Einschaltimpulse einstellen. Die
Genauigkeit der einzelnen Ein schaltphasen der Heizung ist von dem Analog/Digital-Wandler
8 abhängig.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Es können die beschriebenen Schaltungsteile auch durch andere Schaltungsteile mit
wenigstens ähnlicher Fu tion ersetzt werden.