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Elektronischer Regler
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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Regler dessen Zeitverhalten
einen I-Anteil aufweist und bei welchem eine Anfahrschaltung vorgesehen ist, enthaltend
einen Operationsverstärker im Signalkreis, der in seiner Gegenkopplungsschleife
mit einem Kondensator beschaltet ist, dem spannungsbegrenzende Mittel parallelgeschaltet
sind.
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Es sind Regler bekannt, bei denen ein Signalkreis einen Fühler für
die Regelgröße und ein Meßwerk enthält, dessen Zeiger nach Maßgabe der Regelgröße
auslenkbar ist. Durch das Meßwerk wird eine Stellgröße gesteuert. In den Signalkreis
wird über einen mit dem Fühler in Reihe liegenden Widerstand, an welchem der Ausgang
eines in einem Rückführkreis angeordneten Gleichstromverstärkers liegt, eine Rückführspannung
eingespeist. Diese Rückführspannung hängt von der Stellgröße ab. Beispielsweise
wird mit Einschaltung einer Heizung als Stellgröße gleichzeitig eine Spannung an
den Rückführkreis angelegt. Zur Erzielung eines gewünschten Zeitverhaltens des Reglers
ist in dem Rückführkreis ein differenzierendes und integrierendes Netzwerk vorgesehen,
welches ein I- bzw. D-Verhalten des Reglers bewirkt.
Dabei tritt
das Problem auf, daß sich beim Anfahren, d.h. wenn die Regelstrecke von einer großen
Regelabweichung her auf den Sollwert gebracht wird, die Kondensatoren im Rückführkreis
aufladen, bevor der Sollwert überhaupt erreicht ist. Dann ist die Rückführung bei
Erreichen des Sollwertes schon weggefallen, und die Regelgröße schwingt über den
Sollwert über.
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Es sind Anfahrschaltungen" bekannt, durch welche diese Erscheinung
vermieden werden sollen.
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Bei einer bekannten Anfahrschaltung (DT-AS 1 080 197) liegt eine von
der Stellgröße abhängige Spannung über einen Widerstand an einem ersten Kondensator
an, was eine Verzögerung der Rückführung bewirkt. An dem ersten Kondensator liegt
die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators mit einem ohmschen Widerstand. Ein
Gleichstronverstärker, über den die Rückführspannung in den Signalkreis eingespeist
wird, liegt mit seinem Eingang an diesem ohmschen Widerstand. Durch Aufladen des
zweiten Kondensators wird die Rückführung "nachgiebig", d.h. sie klingt mit der
Zeit ab, während der erste Kondensator eine Verzögerung der Rückführung bringt.
Beim Anfahren, z.B.
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beim Aufheizen eines Ofens auf seine Solltemperatur liegt über längere
Zeit eine große Regelabweichung und eine entsprechende Stellgröße vor. Die Rückführung
klingt dann durch Aufladen des zweiten Kondensators schon wieder ab, bevor der Sollwert
überhaupt erreicht wird. Bei Erreichen des Sollwertes würde dann keine Rückführung
vorliegen, was zu einem Überschwingen über den Sollwert führt. Um das zu verhindern
ist bei der bekannten Anordnung zu dem zweiten Kondensator eine Zenerdiode parallelgeschaltet.
Diese wird leitend, wenn die an dem zweiten Kondensator liegende Spannung beim Anfahren
über einen vorgegebenen Wert ansteigt, und sorgt dafür, daß auch dann eine Rückführung
wirksam wird.
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Bei dieser bekannten Anordnung ist ein von Signalkreis gesonderter
Rückführkreis vorgesehen, durch den eine Rückführspannung, die von der Stellgröße
abhängig ist, in den Signalkreis eingespeist wird.
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Bei einer anderen bekannten nachgiebigen Rückführung (DT-PS 1 588
342) liegt zu dem für die Nachgiebigkeit der Rückführung verantwortlichen Kondensator
ein Transistor parallel. An der Basis dieses Transistors liegt ein Kondensator,
der durch einen synchron mit dem Steuerkontakt des Reglers arbeitenden Umschaltkontakt
abwechselnd an eine Ladespannung angelegt oder durch einen Entladewiderstand entladen
wird. Bei normalem Regelspiel des Reglers bleibt dabei die Spannung an dem Kondensator
unterhalb eines Wertes, bei dem der Transistor leitend wird. Wenn dagegen beim Anfahren
der Steuerkontakt des Reglers längere Zeit geschlossen bleibt, wird der Kondensator
soweit aufgeladen, daß er den Transistor aufsteuert. Hierdurch wird wieder die Nachgiebigkeit
der Rückführung während des Anfahrens unterdrückt und ein Überschwingen über den
Sollwert verhindert.
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Auch bei dieser Anordnung handelt es sich um einen Regler mit gesondertem
Rückführkreis. Die Überbrückung des Kondensators erfolgt in Abhängigkeit vom Regelspiel
des Steuerkontaktes des Reglers. Das Leitendwerden des Transistors tritt nur bei
einer Polarität der Kondensatorspannung ein.
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Neuere elektronische Regler arbeiten nicht mit einem synchron mit
dem Steuerkontakt des Reglers eingeschalteten gesonderten Rückführkreis sondern
verwenden im Signalkreis, in welchem das Regelabweichungssignal zu einer Stellgröße
verarbeitet wird, als integrierte Operationsverstärker ausgebildete Verstärker,
wobei das erforderliche dynamische Rückführverhalten des Reglers durch geeignete
Beschaltung der Operationsverstärker
erreicht wird. Bei einer bekannten
Anordnung dieser Art liegt das Regelabweichungssignal über die Parallelschaltung
eines ohmschen Widerstandes und eines ersten Kondensators am Eingang eines Operationsverstärkers.
In der Gegenkopplungsschleife dieses Operationsverstärkers ist die Reihenschaltung
eines ohmschen Widerstandes und eines zweiten Kondensators vorgesehen.
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Eine solche Verstärkerschaltung hat PID-Verhalten. Um eine Störung
dieses PID-Verhaltens durch Sättigung des Verstärkers in der Anfahrphase zu vermeiden,
liegen bei einem bekannten elektronischen Regler dieser Art am Eingang des Operationsverstärkers
ein Paar von antiparallel geschalteten Dioden.
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Parallel zu dem in der Rückführschleife liegenden zweiten Kondensators
ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors geschaltet, dessen Basis auf
einer festen Spannung gegen Erde gehalten wird (DT-OS 22 51 013). Durch den Transistor
soll bei Annäherung an die Sättigung des Operationsverstärkers ein zu dem zweiten
Kondensators paralleler Strompfad freigegeben werden.
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Mit einem Transistors kann eine Überbrückung des zweiten Kondensators
nur bei einer Polarität der Regelabweichung, z.B.
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beim Anfahren, erfolgen. Der Transistor wird nicht wirksam, wenn eine
große Regelabweichung entgegengesetzter Polarität den Operationsverstärker in die
Sättigung treibt. Außerdem wird ein Transistor stetig aufgesteuert. Wünschenswert
ist dagegen eine Schaltung, die innerhalb eines definierten Bereiches mit einem
vorgegebenen Zeitverhalten arbeitet und dann auf ein ebenso genau vorgegebenes anderes
Verhalten umschaltet. Weiterhin wird bei der bekannten Schaltung die Versorgungsspannung
des Transistors, d.h. die zwischen Emitter und Kollektor liegende Spannung von der
nicht konstanten Kondensatorspannung gebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Regler
der eingangs definierten Art so auszubilden, daß sie unterhalb eines genau definierten
Schwellwertes ein vorgegebenes Zeitverhalten zeigt und oberhalb dieses Schwellwertes
auf
ein definiertes, ein Überschwingen über den Sollwert infolge Sättigung des Operationsverstärkers
verhinderndes anderes Zeitverhalten aufweist, und welcher ein solches Über schwingen
sowohl bei positiven als auch bei negativen Regelabweichungen verhindert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die spannungsbegrenzenden
Mittel von gegensinnig angeordneten Dioden gebildet sind, welche jeweils oberhalb
eines definierten Schwellwertes einen starken Anstieg der Leitfähigkeit zeigen.
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Bis zu einem definierten Schwellwert sind die Dioden nichtleitend
oder haben einen bestimmten hohen Widerstand, so daß sie das Zeitverhalten des Reglers
nicht beeinflussen. Bei Erreichen des Schwellwertes werden die Dioden leitend und
überbrücken den Kondensator in der Gegenkopplungsschleife. Die Kondensatorspannung
wird dadurch auf einen vorgegebenen Wert hinreichend weit unterhalb der Sättigungsspannung
des Operationsverstärkers begrenzt, der bei normalem Arbeiten des Reglers nicht
überschritten wird und auch beim Auftreten sehr großer Regelabweichungen ein Wirksamwerden
der P- und D-Anteile im Signalkreis nicht verhindert. Diese Wirkung tritt bei positiver
wie bei negativer Regelabweichung ein.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme
auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt einen elektronischen
Regler nach der Erfindung, bei welchem die spannungsbegrenzenden Mittel von Zenerdioden
gebildet sind.
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Fig. 2 zeigt einen Regler, bei welchem die spannungsbegrenzenden
Mittel von Dioden in Reihenschaltung gebildet sind.
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Bei dem Regler nach Fig. 1 liegt ein Regelabweichungssignal an Klemmen
10 und 12 an, von denen die Klemme 12 geerdet ist. Das Regelabweichungssignal wird
durch einen Spannungsteiler bestehend aus zwei Festwiderständen 14 und 16 in einem
festen Verhältnis geteilt, und der Verbindungspunkt der Festwiderstände 14 und 16
liegt über einen Widerstand 18 an einem Eingang 20 eines Operationsverstärkers 22
an. Der andere Eingang 24 des Operationsverstärkers 22 liegt über einen Widerstand
26 an Erde. Am Ausgang des Operationsverstärkers 22 liegt ein Spannungsteiler bestehend
aus einem Potentiometer 28 und einem Widerstand 30. Von dem Potentiometer 28 wird
eine Gegenkopplungsspannung abgegriffen und über eine Gegenkopplungsschleife 32
auf den Eingang 20 geschaltet. Die Gegenkopplungsschleife 32 enthält ein Paar von
Widerständen 34 und 36.
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Zwischen den beiden Widerständen 34 und 36 ist eine Verbindung über
einen Widerstand 38 und eine Kapazität in Form zweier parallelgeschalteter Kondensatoren
40,42 zur Erde hergestellt.
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Diese Schaltungsanordnung zeigt bekanntermafen PD-Verhalten.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 22 ist über einen Widerstand
44 mit einem Eingang 46 eines zweiten Operationsverstärkers 48 verbunden. Der andere
Eingang 50 des Operationsverstärkers 48 ist über einen Widerstand 52 geerdet. Der
Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist über eine Gegenkopplungsschleife 54 mit
dem Eingang 46 verbunden. Diese Gegenkopplungsschleife 54 enthält die Reihenschaltung
einer Kapazität in Form zweier parallelgeschalteter Kondensatoren 56,58 und eines
Widerstandes 60. Der Ausgang des Operationsverstärkers 48 liegt über einen Widerstand
62 an einer
Ausgangsklemme 64, an welcher eine die Stellgröße wiedergebende
Spannung erscheint. Diese kann in bekannter Weise einen Pulsbreitenmodulator steuern,
von welchem ein Ausgangsrelais getaktet wird.
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Die Schaltungsanordnung mit dem Operationsverstärker 48 hat I-Verhalten,
so daß sich insgesamt ein PI-Verhalten des Reglers ergibt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 liegen parallel zu den Kondensatoren
56,58 zwei Zenerdioden 66 und 68 die gegensinnig in Reihe geschaltet sind. Unterhalb
eines vorgegebenen Schwellwertes der an den Kondensatoren 56,58 anliegenden Spannung
ist bei jeder Polarität dieser Spannung jeweils eine der Zener-Dioden 66 oder 68
gesperrt, während die andere Zener-Diode in Durchlaßrichtung beaufschlagt und leitend
ist.
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Unterhalb des Schwellwertes wird also das Zeitverhalten der Schaltung
durch die Zener-Dioden nicht beeinflußt. Bei Überschreiten des Schwellwertes wird
auch die gesperrte Zener-Diode leitend so, daß die Spannung an den Kondensatoren
56,58 auf den Schwellwert begrenzt wird.
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Der Schwellwert ist dabei so gewählt, daß er bei normalem Arbeiten
des Reglers, also bei den üblichen kleinen Schwankungen der Regelgröße um den Sollwert,
nicht überschritten wird. Er liegt aber hinreichend weit unterhalb der Sättigung
des Operationsverstärkers 48, so daß auch bei Erreichen des Schwellwertes die PD-Anteile
von der den Operationsverstärker 22 enthaltenden Schaltung noch wirksam werden können.
Bei großen Regelabweichungen, z.B. beim Anfahren, ist daher stets eine Gewähr gegen
ein Überschwingen gegeben. Dabei wirkt die beschriebene Schaltung gleichermaßen
bei positiver und negativer Regelabweichung.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform
nach Fig. 1 und entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen
wie dort.
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Statt der Zener-Dioden 66,68 sind dort den Kondensatoren 56,58 Reihenschaltungen
von üblichen Dioden 70,72 und 74,76 parallelgeschaltet und zwar sind diese Reihenschaltungen
von Dioden antiparallel zueinander angeordnet. Diese Anordnung wirkt ähnlich wie
die Zener-Dioden. Eine der Reihenschaltungen, z.B.
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mit den Dioden 70 und 72, ist bei einer bestimmten Polarität der Spannung
an den Kondensatoren 56,58 auf jeden Fall gesperrt. Die andere Reihenschaltung mit
den Dioden 74 und 76 wird leitend, wenn die Spannung einen Schwellwert überschreitet,
welcher gleich der Summe der Durchlaßspannungen der Dioden 74 und 76 ist.
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