DE2726112C3

DE2726112C3 - Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden Stellantrieb

Info

Publication number: DE2726112C3
Application number: DE2726112A
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Linzenkirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1984-08-02
Also published as: FR2394123B3; JPS547077A; FR2394123A1; US4210853A; DE2726112A1; AT364986B; ATA361778A; DE2726112B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb, mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung und einer der Stellgeschwindigkeit proportionalen zweiten Rückführung.

Integral wirkende Stellantriebe bestehen üblicherweise aus einem Stellmotor, vorzugsweise einem Elektromotor, mit einem gegebenenfalls mehrstufigen Untersetzungsgetriebe, welches die relativ hohe Drehzahl des Stellmotors in die zur Verstellung des Stellglieds, z. B. einer Klappe oder eines Schiebers, über seinen Stellbereich benötigte Linear- oder Winkelbewegung umsetzt.

Als integral wirkende Stellantriebe können auch von Impulsfolgen angesteuerte und somit schrittweise betätigte pneumatische oder hydraulische Stellantriebe angesehen werden, deren Übertragungsgestänge ebenfalls Getriebelose aufweisen kann.

Aus regelungstechnischer Sicht sollen Stellantriebe für Regelzwecke über eine große Stellgeschwindigkeit und über eine hohe Auflösung des Stellwegs verfügen.

Hohe Stellgeschwindigkeiten lassen sich mit relativ einfachen Mitteln erzielen, jedoch bedingt die Forderung eines genauen Einlaufs des Stellglieds in die vorgegebene Sollstellung einen relativ hohen Aufwand beim Abbremsen des Stellantriebs.

Theoretisch müssen auch kleinste Änderungen der Eingangsgröße der Regeleinrichtung, also sehr kleine Regeldifferenzen in eine entsprechende Änderung der Stellgröße, also der Stellgliedstellung umgesetzt werden. In der Praxis, insbesondere bei großen Stellantrieben, läßt sich diese Forderung nicht verwirklichen, da ein Stellmotor nicht trägheitslos gebaut werden kann und infolgedessen beliebig kurze Stellimpuise vom Motor nicht mehr in Drehbewegungen und damit nicht mehr in Stellwege umgesetzt werden können. Wegen der hohen Anlaufströme bei Elektromotoren sollte auch nicht während des Anlaufvorgangs, also vom Einschalten des Motors bis zum Erreichen seiner Nenncirehzahl, abgeschaltet werden, um die Kontakte der Schalteinrichtungen zu schonen und zu starke Erwärmung zu vermeiden. Aus diesen Gründen dürfen die Schaltimpulse des Reglerausgangssignals eine Mindestdauer nicht unterschreiten. Mit dieser Mindesteinschaltdauer wird bei losefreien Antrieben auch der kleinste mögliche Stellschritt und damit die mögliche Stellwegauflösung festgelegt

Bleibt der Stellmotor nach dem Ausschalten nicht sofort stehen, sondern läuft aufgrund seiner Rotationsenergie langsam aus, so vergrößert dieser Nachlauf wiederum die Stellschntte. Um dem entgegenzuwirken, ist es bereits bekannt die Stellgeschwindigkeit als Parameter in den Regelkreis einzuführen, z. B. in Form einer zweiten Rückführgröße, die der Stellgeschwindigkeit proportional ist (siehe z. B. ASEA-Zeitschrift, Heft 4, 1966, Seiten 91—93). Damit wird erreicht, daß der Stellmotor ku>z vor Erreichen der Sollstellung abgeschaltet wird und diese mit dem Nachlauf erreicht wird. Da die Größe des Nachlaufs in vielen Fällen jedoch nicht konstant ist, sondern von Motorgröße, Drehzahl, den Reibungskräften des Getriebes und vom Lastmoment abhängt, werden die in der Verfahrensindustrie eingesetzten elektromotorischen Regelantriebe häufig noch mit elektromechanischen oder elektronischen Bremseinrichtungen ausgerüstet, die relativ aufwendig und/oder dem Verschleiß unterworfen sind.

Bei elektromotorischen Stellantrieben mit elektromechanischen Bremsen muß daher die Mindesteinschaltimpulslänge gleich oder größer sein aL. die Summe aus der Anzugsverzögerung der Leistungsschalteinrichtung, der Hochlaufzeit des Motors und der Lüftzeit der Bremsen. In der Praxis beträgt die Mindestimpulslänge in etwa 200 ms.

Bei elektronischen Bremseinrichtungen und kontaktlosen Leistungsschaltern beträgt die Mindesteinschaltdauer, abhängig von der Motorgröße, 50 bis 100 ms.

Soll z. B. der kleinste Stellschritt nicht größer sein als 03% vom Stellbereich, so ergäben sich bei den genannten Mindesteinschaltdauern Stellzeiten von über 15 s für den vollen Stellbereich. Derartige Stelizeiten sind jedoch zu groß, um Regelstrecken mit Zeitkonsiant2n in der Größenordnung von 1 s, beispielsweise Durchfluß- oder Druckregelstrecken, dynamisch beherrschen zu können.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sowohl eine hohe Stellgeschwindigkeit als auch ein extrem hohes Auflösungsvermögen erreicht werden.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einer Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb, mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung und einer der Stellgeschwindigkeit proportionalen zweiten Rückführung gesehen, die gekennzeichnet ist durch eine in dem mechanischen Übertragungsweg des Stellantriebs konstruktiv vorgesehene Lose, die größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors bis zum Erreichen seiner

Nenndrehzahl und während des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen des Stellglieds, bezogen auf einen losefreien Anstrieb und einen unstetigen oder stetig ähnlichen Regler mit Mehrpunktschaltglied, dessen Ansprechschwelle kleiner a's die der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechenden Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung eingestellt ist.

Im Gegensatz zu den sonst üblichen, z.T. recht aufwendigen Bestrebungen, die mechanische Lose im Betrieb des Stellantriebs möglichst klein zu halten, kann hier ein Getriebe eingesetzt werden, in dem bereits von vornherein eine Getriebelose vorgesehen wird, die größenordnungsmäßig etwa 2% des Stellbereichs entspricht Die Stellwegauflösung kann beliebig hochgetrieben werden, wenn die Schalthäufigkeit nicht begrenzt ist.

Ein besonders einfacher Aufbau der Regeleinrichtung wird durch die Verwendung der bekannten unstetigen oder stciigähniichcn Regler (siehe AEG-Mitteüungen, Band 55, 165, Nr. 5, Seite 407—412) erreic';»., deren kleinste Ansprechschwelle kleiner als die der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechenden Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung eingestellt ist.

An zwei, in den F i g. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen soll das Prinzip der Erfindung sowie. Weiterbildungen erläutert werden.

F i g. 1 in einem Stellungsregelkreis wird als Eingangsgröße in bekannter Weise der Stellungssollwert y_s in einer Vergleichsstelle 1 mit einer ersten Rückführgröße, nämüch einer der Stellgliedstellung entsprechenden Größe y und einer zweiten Rückführgröße, nämlich einer der Stellgeschwindigkeit y entsprechenden Größe substraktiv verknüpft, das entstehende Signal ist das Eingangssignal eines Dreipunktschaltglieds 2 mit einstellbarer Ansprechschwelle a, dessen Ausgangssignal den als Integrator dargestellten Stellmotor 3 steuert bzw. schaltet. Der Stellmotor 3 ist ein Elektromotor mit relativ hoher Drehzahl, der über ein mehrstufiges Getriebe 4 das Stellglied 5, hier eine Klappe, verstellt. Die jeweilige Stellgliedstellung wird in bekannter Weise abgetastet, in ein elektrisches Signal y umgeformt und als Eingangssignal der ersten Rückführung dem Dreipunkcschaltglied 2 uufgeschaltet, das somit als P-Regier wirkt. An der Welle 6 des Stellmotors 3 wird ein als Differenziergüed 7 wirkender Tachogenerator angeschlossen, der ein der Stellgeschwindigkeit y entsprechendes Signal bildet, welches über einen Verstärker 8 mit einstellbarer Verstärkung der Vergleichsstelle 1 zugeführt wird. Die Einstellung der Verstärkung im Verstärker 8 wird so gewählt, daß der Stellmotor 3 vor Erreichen der Soll-Stellung des Stellglieds 5 abgeschaltet wird und diese Stellung mit dem Nachlauf des Stellmotors 3 erreicht wird.

Das auf den nachlaufbehafteten Stellmotor 3 folgende Getriebe 4 weist mindestens eine Getriebestufe 4' mit Getriebelose auf, die Getriebelose dieser Stufe 4' bzw. die Summe der Getriebelosen weiterer, losebehafteter Getriebestufen ist so bemessen, daß sie größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors 3 bis zum Erreichen seiner Nenndrehzahl und während des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen Ay des Stellglieds 5, wenn Iceine Getriebelose vorhanden ist. Dies ist auch bei einem losebehafteten Getriebe der Fall, wenn Verstellungen in der gleichen Stellrichtung aufeinanderfolgen. Um eventuelle Rückwirkungen des Stellglieds 5 auf die losebehafteten Getriebestufen 4' des Getriebes 4 zu unterbinden, ibt die letzte Getriebestufe 4" vor dem Stellglied 5 selbsthemmend ausgeführt

Die. Funktion der dargestellten Einrichtung ist folgende: Ändert sich die Eingangsgröße y_s sprungartig um einen größeren Betrag, so schaltet das Dreipunktschaltglied 2 den Stellmotor 3 ein, die Getriebelose in dem Getriebe 4 wird voll durchlaufen und das Stellglied 5 verstellt Aufgrund der Stellgeschwindigkeitsaufschaltung wird der Stellmotor 3 kurz vor Erreichen der gewünschten Sollstellung abgeschaltet, mit dem Nachlauf wird die Sollstellung erreicht Ist jedoch die auftretende Eingangsgröße y_s kleiner als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen des Stellglieds 5, so würde der Regler bei losefreiem Antrieb dauernd zwischen den beiden Stelirichtungen hin- und herschalten, sofern die Ansprechschwelle des Dreipunktschaltglieds 2 kleiner eingestellt ist als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stf.^v>'jngsäpderungen.

1st die Gstrisbclcse gemäß der Erfindung größer als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen, so sind zwei Fälle zu unterscheiden. Tritt eine kleine Änderung der Eingangsgröße y_s auf, die der vorhergehenden entgegengesetzt ist, so muß nach Einschalten des Stellmotors 3 die Getriebelose voll durchlaufen werden und es besteht kein Unterschied zu dem bereits beschriebenen Verhalten beim Auftreten von großen Änderungen. Tritt jedoch eipe Änderung in der gleichen Richtung wie die vorhergehende auf, so wird der Antrieb das Stellglied 5 zunächst über die gewünschte Sollsteliung hinauslaufen lassen, er kehrt aber dann sofort seine Stellrichtung um, so daß der vorhergehend beschriebene Fall gilt Die Auflösung des Stellwegs wird jetzt nur noch durch die Größe der Ansprechschwellen a des Dreipunktschaltglieds 2 bestimmt, die theoretisch zu Null gemacht werden können. In der Praxis wird man einen K.omp"omiß zwischen Schalthäufigkeit und Stellwegauflösung eingehen müssen, derart, daß die Auflösung des Stellwegs bei für ^egelungszwecke ausreichenden Werten von 0,05 bis 0,1 % des Stellbereichs liegt.

Eine weitere Verbesserung des Steüverhdtens kann durch die Verwendung eines Stellantriebs mit umschaltbaren Stellgeschwindigkeiten erreicht werden. Häufig werden zu diesem Zweck polumschaltbar Elektromotoren eingesetzt oder die Motoren werden mit unterschiedlich großen Frequenzen gespeist.

In Fig.2 ist ist eine derartige Regeleinrichtung im Prinzip dargestellt. Die mit der bereits beschriebenen Schaltung identischen Teile tragen gleiche Bezugszeichen.

Anr-ielle der starren Rückführung im Beispiel nach Fig. 1 weist hier der dargestellte PI-Regler eine nachgebende Rückführung mit dem einstellbaren Zeitglied 9 auf. Es ist hier ein Fünfpunktschaltglied 2' mit den Ansprechsch-wellen a und b verwendet, wobei die größere Ansprechschwelle bdie hohe Stellgeschwindigkeit des polumschültbaren Stellmotors 3', die kleinere Ansprechsdiwelle a die niedrige Stellgeschwindigkeit einschaltet Da der Nachlauf des Stellmotors im wesentlichen von seiner Rotationsenergie abhängt, ist sowohl er als auch der Anlauf in der niedrigen Stellgeschwindigkeit vergleichsweise klein. Dementsprechend kann aueir die Ansprechschwelle a des

6-< Fünfpunktschaltgüeds 2' sehr klein eingestellt werden, was zu einem hohen Auflösungsvermögen des Stellantriebs führt. Bei großen sprungartigen Änderungen der Eingangsgröße y_s, d,ie oberhalb der Ansprechschwelle b

liegen, führt die dann eingeschaltete hohe Stellgeschwindigkeit zu extrem kurzen Stellzeiten. Es können Stellzeiten in der Größenordnung von 1 s für den ganzen Stellbereich realisiert werden, wobei die Stellwegauflösung bei der niedrigen, nach Erreichen der Ansprechschwelle a eingeschalteten niedrigen Stellgeschwindigkeit besser als 0,1 % vom Stellbereich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb, mit einer der Stellgliedsteliung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung und einer der Stellgeschwindigkeit proportionalen zweiten Rückführung, gekennzeichnet durch eine in dem mechanischen Übertragungsweg des Stellantriebs konstruktiv vorgesehene Lose, die größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors (3) bis zum Erreichen seiner Nenndrehzahl und während des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen des Stellglieds (5), bezogen auf einen losefreien Antrieb, und einen unstetigen oder stetig-ähnlichen Regler mit Mehrpunktschaltglied (2, 2'), dessen Ansprechschwelle (a) kleiner als die der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechende Änderung der Eingangsgröße (y_s) der Regeleinrichtung eingestellt ist

2. Regeleinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Stellantrieb mit von dem Mehrpunktschaltglied (2') umschaltbaren Stellgeschwindigkeiten, wobei die für die niedrige Stellgeschwindigkeit eingestellte Ansprechschwelle (a) kleiner ist als die anlauf- und nachlaufbedingte Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stellmotor (3, 3') mindestens eine Lose aufweisende Getriebestufe (4') und auf die^s eine selbsthemmende Getriebestufe (4") folgt.