DE2658754C3

DE2658754C3 - Digitale Regelung, insbesondere eines Heizaggregats

Info

Publication number: DE2658754C3
Application number: DE2658754A
Authority: DE
Inventors: Werner 8500 Nuernberg Arnold
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1976-12-24
Filing date: 1976-12-24
Publication date: 1981-03-19
Also published as: DE2658754A1; DE2658754B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine digitale Regelung, insbesondere der Aufheizleistung eines Heizaggregats, vorzugsweise eines Herdes, bei der eine Einschaltimpulsfolge erzeugt wird, ein Sollwert kodiert in einen digitalen Speicher eingegeben und aus dem Speicher in einen Zähler überführt wird, dem Zähler die Einschaltimpulsfolge und eine von dem jeweiligen Meßwert abhängige Meßimpulsfolge zugeführt wird und der Zähler die Meßimpulsfolge mit dem Sollwert bis zu einem Endwert verrechnet, aus dem ein Ausgangssignal abgeleitet wird.

Eine derartige Regelanordnung mit digitaler Sollwertvorgabe und digitaler Istwerterfassung ist in der DE-AS U 93 580 beschrieben. Mit der in der DE-AS 11 93 580 beschriebenen Regelanordnung soll eine kontinuierliche digitale Istwerterfassung ohne Meßunsicherheiten erreicht werden, die zu einer Erhöhung der Regeldynamik führt Eine Regelung in der Weise, daß vor dem Erreichen eines Sollwertes die Stellgröße herabgesetzt wird, ist hier nicht möglich.

In der DE-AS 12 89871 ist eine Regelung eines Antriebs beschrieben, mit der die dem Antrieb zugeführte Leistung stetig abfällt wenn sich dessen Geschwindigkeit dem Sollwert nähert Es wird hierfür eine Bezugsfrequenz-Impulsfolge mit einer Signalfrequenz-lmpulsfolge verglichen. Eine Möglichkeit der Einstellung des Punktes, ab dem eine Leistungsreduzierung erfolgen soll, ist nicht gegeben. Außerdem wird auch der Sollwert nicht kodiert gespeichert

In der Literaturstelle Gelder, Schaltungen mit Halbleiterbauelementen, Band 2, München, 1970, Seite 154, ist eine Temperaturregelung für eine Herdplatte beschrieben, bei der für eine gleichmäßige Piattentemperatur 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 Solltemperatur die Heizleistung herabgesetzt Bis zur Solltemperatur wird mit voller Leistung geheizt

Aufgabe der Erfindung ist es, eine digitale Regelung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der schon vor dem Erreichen des Soliwertes die Leistung herabgesetzt wird, die zu einem Erreichen des Sollwertes führt, um ein Überschwingen des Sollwertes zu vermeiden.

Nach der Erfindung ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Mit der erfindungsgemäßen Regelung wird in jeder Einschaltimpulsperiode die tatsächliche Temperatur mit dem Sollwert der Temperatur verglichen und die innerhalb der jeweiligen Einschaltimpulsperiode liegende Heizungsdauer geregelt Wird die Abweichung der gemessenen Temperatur vom Sollwert kleiner, wird auch in der betreffenden Einschaltimpulsperiode weniger lang geheizt. Insgesamt nimmt also bei der Annäherung an de 1 Sollwert die Heizleistung ab.

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 dem Erreichen der Solltemperatur gearbeitet wird. Die Regelung I? 6t sich so einstellen, daß die Abnahme der Heizleistung etwa beim Erreichen der halben Solltemperatur einsetzt und die Heizleistung unmittelbar vor dem Erreichen der Solltemperatur etwa der halben Nennleistung entspricht. Damit ist eine Regelung erreicht, mit der ein Überschwingen der Solltemperatur weitestgehend vermieden ist.

Um Einschalt-Stromstöße zu vermeiden, werden die Einschaltimpulse so gelegt, daß sie synchron mit den Nulldurchgängen der Speisespannung des Heizaggregats auftreten.

Die Erfindung läßt sich auch in Regelkreisen einsetzen, in denen andere Größen als die Temperatur, beispielsweise Drehzahl oder Füllstand, möglichst ohne Überschwingen auf einen Sollwert zu bringen sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Regelschaltung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer digitalen Regelschaltung und

F i g. 2 ein Impulsdiagramm.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist in einzelne Schaltungsteile aufgegliedert Eine Ablaufsteuerung 1 mit Netz- synchronisation gibt Einschaltimpulse an einen Zähler 3 und Prüfimpulse auf eine Auiwertelogik S. Parallel zum Zähler 3 lieg» ein Speicher 6, in den von einer Sollwerteingabe 7 ein digital codierter Temperatur-Sollwert eingegeben wird. Weiterhin liegt am Zähler 3 ₎₀ ein Analog/Digital-Wandler 8 mit einem Temperaturfühler 9. 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

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 esner Leitung a an (vgl. Zeile a im Impulsdiagramm nach F i g. 2).

Mittels einer von einem integrierten Schaltkreis 2 gebildeten Zeitkette werden die Impulse umgeformt Sie treten an einer Leitung b im Beispielsfalle mit einer Penodendauer von 1,28 s mit dem Tastverhältnis 1 auf (vgl.Zeile bin Fig.2).

Die negativen Ranken werden als Einschaltimpulse c (vgl. Zeile c in Fig.2) und die positiven Flanken als Prüfimpulse </(vgL Zeile din Fig.2) ausgefiltert. Dies geschieht mittels der UND-Gatter 16,17,18 und 19.

Die Sollwerteingabe 7 arbeitet mit einem — in F i g. 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 wei.irhm an einem Negator 25 und an einem UND-Gatter 26, an dessen anderem Eingang der Kontakt 22 liegt

Der Zähler 3 weist zwei integrierte Zähler-Schaltkreise 27 und 28 auf, deren Q-Ausgänge mit D-Eingängen von zwei integrierten Speicher-Schaltkreisen 29 und 30 des Speichers 6 vtrbunden sind. Die Q-Ausgänge der Schaltkreise 29 und 30 liegen an den J-Eingängen der Schaltkreise 27 und 28. Der Sollwert wird bei der Betätigung des Kontaktrades 20 und geschlossenem Schaltkon^kt 23 als negative Impulsfolge über eine Latch-Leitung an die Ck-Eingänge der Speicher-Schaltkreise 29 und 30 gelegt. Gleichzeitig gelangt der Sollwert über ein NAND-Gatter 31 und ein UND-Gatter 32 als positive Impulsfolge an die Clock-Eingänge 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 10⁰C bis 290⁰C in Zehnerabstufung. Die beiden höheren Eingänge der Schaltkreise 28 und 30 ω können damit außer Betracht bleiben. Das UND-Gatter 32 sperrt weitere Impulse, wenn die Zähler-Schaltkreise 27, 28 auf Null zurückgezahlt sind. Der Zähler bleibt stehen.

Gleichzeitig mit der Eingabe des Sollwerts in die (5 Zähler-Schaltkreise 27 u.k) 28 tritt der codierte Sollwert an D-Eingängen der Speicher-Schaltkreise 29 und 30 auf und wird eingespeichert, wenn an der Latch-Leitung ein negativer Sollwertimpuls liegt 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 Operationsverstärker 34, dem eine Impulserzeugerschaltung 35 nachgeschaltet ist Bei höheren Temperaturen am Temperatui fühler 9 gibt der Analog/Digital-Wandler 8 eine Impulsfolge e mit höherer Frequenz ab als bei niedrigeren Temperaturen. Die Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse e liegt höher als die Impulsfolgefrequenz der Einschaltimpulse.

Die Temperaturimpulse e werden auf ein NAND-Gatter 36 gegeben, an dessen anderen Eingang der Negator 25 liegt Der Ausgang des ^V'AND-Gatters 36 liegt an einem Eingang des NAND-rGatters 31. Durch diese Verkopplung ist erreicht daß beim Einstellen eines Sollwerts nur dieser zu den Zähler-Schaltkreisen bzw. in den Speicher gelangt und sonst wenn der Schaltkontakt 23 geöffnet ist, die der jeweiligen Temperatur entsprechende Impulsfolge an den Clock-Eingang der Zähler-Schaltkreise 27 und 28 gelegt ist. Die Temperaturimpulse gelangen nicht in den Speicher, da dieser in diesem Falle über den Ausgang des NAND-Gatters 24 gesperrt ist.

Am Ausgang des Zählers liegt an einer Leitung /ein Signal an, wenn und solange in den Zähler-Schaltkreisen

27 und 28 ein anderer Wert als Null ansteht Die Leitung /liegt an einem UND-Gatter 37, das weiterhin mit dem Negator 25 verbunden ist. Außerdem liegt über eine Leitung h am UND-Gatter 37 der Q-Ausgang eines Flip-Flop 38, dessen D-Eingang mit der Leitung f verbunden ist. Das Flip-Flop 38 fragt die Leitung /"ab, wenn an ihm über die Leitung dem Prüfimpuls anliegt. Am Ausgang des UND-Gatters 37 liegt somit ein //■^ignal. wenn der Schaltkontakt 23 geöffnet ist an der Leitung /"ein //-Signal anliegt und der Prüfimpuls dann auftritt wenn an der Leitung /das W-Signal anliegt und damit auch der Q-Ausgang des Flip-Flops 33 H ist. In diesem Fall ist über eine Leitung g und den Lastschalter 11 die Heizung eingeschaltet. Sonst ist sie abgeschaltet.

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 Einstellung des Sollwerts beendet ist. Gelangt ein Einschaltimpuls an die Zähler 27 und 28, dann wird der in den Speicher-Schaltkreisen 29 und 30 codierte Sollwert über die !-Eingänge in die Zähler-Schaltki eise 27 und 28 eingegeben.

Im folgenden ist die Funktionsweise der Schaltung anhand des Impulsdiagramms für die Leitungen e, f, g und Λ erläutert. Es ist dabei von der gezeigten Lage der Einschaltimpulse (Leitung c) und der Prüfimpulse (Leitung d) ausgegangen. Die Impulsverläufe auf den Leitungen f, g und Λ sind für fünf verschiedene Temperaturen dargestellt. Es ist davon ausgegangen, daß ein Sollwert in die Speicher-Schaltkreise 6 eingespeichert ist. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung ist ein eingestellter Sollwert von 10⁰C angenommen. Im Speicher-Schaltkreis 29 sind dementsprechend Einerstellen und im Speicher-Schaltkreis 30 die Zehnerstellen gespeichert.

1. Es sei angenommen, daß die vom Temperaturfühler 9 gemessene Temperatur etwa 2°C beträgt. An der Leitung e tritt dann die in der Zeile e 1 dargestellte Impulsfolge auf. Sobald ein Einschaltimpuls den codierten Sollwert in den Zähler gibt, schaltet jeder ankommende Temperaturimpuls den Zähler um eine Stelle zurück. 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 Einschaltimpuls 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 / ständig ein //-Signal ansteht. Da dementsprechend der Prüfimpuls immer zusammen mit einem //-Signal auftritt, ist auch das Signal der Leitung h immer H. Entsprechend der Ausgangsannahme ist auch der Schaitkontakt Ii geöffnet, so daü die Heizung über die Leitung g ständig eingeschaltet ist. Es wird dementsprechend mit voller Heizleistung gearbeitet.

2. Es sei angenommen, daß die Temperatur 6°C beträgt, also wenig oberhalb des halben Sollwerts liegt. In diesem Fall ist die Impulsfolgefrequenz entsprechend höher. 10 Temperaturimpulse sind vor dem Eintreffen des nächsten Einschaltimpulses aufgetreten. Somit hat der Zähler auf Null gezählt, bevor der nächste Einschaltimpuls auftritt. Sobald der Zähler auf Null steht, ist auch das Signal an der Leitung /Null (vgl. Zeile /2). Am Signal der Leitung Λ ändert sich nichts, da die Prüfimpulse noch immer dann auftreten, wenn an der Leitung / ein //-Signal ansteht. Die Heizung arbeit« jetzt intermittierend, wie dies in Zeile g2 dargestellt ist. Die Heizpausen sind noch relativ klein. Bei dem gewählten Verhältnis zwischen der Impulsfolgefrequenz der Einschaltimpulse und der Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse beginnt die intermittierende Heizung gerade dann, wenn die tatsächliche Temperatur den halben Sollwert erreicht hat.

3. Die Temperatur ist auf 9°C gestiegen. Die Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse hat sich

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die Temperaturimpulse dementsprechend schneller mit dem Sollwert. Das Ausgangssignal auf der Leitung /hat den in Zeile /3 dargestellten zeitlichen Verlauf. Der Prüfimpuls tritt jeweils kurz vor der Beendigung des //-Signals der Leitung / auf, so daß an der Leitung h nach wie vor ein //-Signal steht. Die Heizung ist jetzt fast nur noch in der Hälfte der Zeit eingeschaltet. Sie arbeitet also etwa mit halber Leistung.

4. Es ist angenommen, daß sich die Temperatur auf ICTC, den Sollwert, erhöht hat. Die Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse 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. Dementsprechend hat über die Leitung g die Heizung auch kurz eingeschaltet. Der Prüfimpuls schaltet jetzt das Rip-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 zurückgezahlt, so daß die Impulsfolge auf der Leitung /unverändert ist. Da jedoch der Prüfimpuls jetzt immer in Zeiten auftritt, in denen das Signal der Leitung /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

ίο mit einem //-Signal zusammen und schaltet den Q-Eingang des Flip-Flop 38 auf H.

5. Geht man davon aus, daß die Temperatur am Temperaturfühler 9 den Sollwert übersteigt, dann ist der Zählvorgang und das Ausgangssignal (vgl. Zeile /5)

ii entsprechend kürzer. Die Leitung h bleibt auf Null. Die Heizung schaltet nicht mehr ein.

Ersichtlich kann durch die auf die Lage der Einschaitimpuise bezogene Lage der Pruiimpuise im Zusammenhang mit der Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse festgelegt werden, bei welcher Heizleistung die Heizung abschalten soll. Verlagert man bei der im Impulsdiagramm angenommenen Impulsfolgefrequenz den Prüfimpuls nach rechts oder links, würde die Heizung entsprechend früher oder später abschalten. 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 od^r größeren Biuchteil des Sollwerts würde dann auch die kontinuierliche Reduzierung der Heizleistung einsetzen.

Wird mittels des Kontaktrades 20 ein anderer, höherer Sollwert eingegeben, dann ändert sich an der grundsätzlichen Darstellung des Impulsdiagramms nichts. Bei entsprechend höheren Temperaturen ist die Impulsfolgefrequenz der Temperaturimpulse entsprechend höher, so daß das Zurückzählen des Zählers in vergleichbaren Zeitdimensionen erfolgt, wie sie im Impulsdiagramm dargestellt sind.

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bene 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.

Soll die Einschaltung bei einem bestimmten Phasenwinkel erfolgen, dann können die Einschaitimpuise entsprechend versetzt werden.

Die Genauigkeit der Abschaltung beim eingestellten Sollwert läßt sich durch die Bemessung der Impulsfolgefrequenz der Einschaitimpuise einstellen. Die Genauigkeit der einzelnen Einschaltphasen der Heizung ist von dem Analog/Digital- Wandler 8 abhängig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digitale Regelung, insbesondere der Aufheizleistung eines Heizaggregats, vorzugsweise eines Herdes, bei der eine Einschaltimpulsfolge erzeugt wird, ein Sollwert kodiert in einen digitalen Speicher eingegeben und aus dem Speicher in einen Zähler überführt wird, dem Zähler die Einschaltimpulsfolge und eine von dem jeweiligen Meßwert abhängige Meßimpulsfolge zugeführt wird und der Zähler die Meßimpulsfolge mit dem Sollwert bis zu einem Endwert verrechnet aus dem ein Ausgangssignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfimpulsfolge (d) mit einer der Impulsfolgefrequenz der Einschaltimpulsfolge (c) gleichen Impulsfolgefrequenz und gegenüber den Einschaltimpulsen versetzten Prüfimpulsen erzeugt wird, daß der Zähler ,3) jeweils in der Zeit zwischen zwei Einschaltimpulsen (c), beginnend mit einem Ein- » schaltimpuls, die in dieser Zeitspanne auftretenden Meßimpulse (e) mit dem bei jedem Einschaltimpuls (c) in den Zähler (3) überführten Sollwert bis zu dem Endwert verrechnet, wobei die Impulsfolgefrequenz der Meßimpulsfolge (e) höher als die Impulsfolgefrequenz der Einschaltimpulsfolge (c) ist daß der Zähler (3) während des Verrechnens ein die Einschaltdauer ^g) bestimmendes Ausgangssignal (7? abgibt, und daß über eine Auswertelogik (5) ein folgendes Ausgangssignal (f) u wirksam geschaltet wird, wenn ein Prüfimpuis (d) nach Beendigung des vorhergehenden Ausgangssignals β/auftritt.

2. Digitale Regelung n3-:h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Einscha·(impulse (c) und die Prüfimpulse (d)eiwa um einen halben Impulsabstand gegeneinander versetzt sind.

3. Digitale Regelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Auswertelogik (5) von einem UND-Gatter (37) und einem diesem vorgeschalteten Flip-Flop (38) gebildet ist, an dem die Priifimpulse (d) und das Ausgangssignal (ft anliegen.

4. Digitale Regelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Meßimpulsfolge (e) von einem Analog/Digital-Wandler (8) erzeugt und ihre Impulsfolgefrequenz bei einem Sollwert so bemessen ist, daß innerhalb der Zeitspanne zwischen zwei Einschaltimpulsen (c) mehr Meßimpulse (e) auftreten als für das Zurückzählen des kodierten Sollwerts auf Null erforderlich so sind.