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Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Dreipunkt-Schrittregler
mit DPI-Verhalten, der insbesondere als stetig äbnlicher Regler bei der Regelung
von langsamen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz kommt.
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Charakteristik der bekannten technische Lösungen Es gehort zum allgemeinen
Stand der Technik stetig ähnliche Dreipunktregler, bestehend aus einem Dreipunktglied
und einer Rückführung, aafzubauen. Durch die Wahl dar Rückführung wird das Zeitverhalten
des Regiers bestimmt.
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Derartige Reglerstrukturen sind von A. Wierzbicki in der Regelungstechnik
(München) (14) 1966 S. 1E6 - 171 und S. 277 -281 sowie von Latzel in der Regelungstechnik
(15) 1967 Seite 355 - 361 beschrieben. Bier wird das PID-Zeitverhalten durch die
Ausführung der Rückführung erreicht, die durch Gegeneinanderschaltung von zwei PT1-Gliedern
bzw. durch Reihenschaltung eines PT1 oder eines DTl-Gliedes realisiert wird. Diese
Strukturen besitzen den Nachteil der starken Verkopplung der Parameter Kp, TN und
TV, wodurch die optimale Regelkreisanpassung erschwert wird.
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Problematisch bei diesen Reglern ist auch das Verhindern der Integralsättigung,
die bei Ubersteuerung des Reglers auftritt.
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In dem DD-WP 178 503 ist eine Lösung für einen unstetigen PI-Regler
bei nachgeschaltetem integralem Stellglied angegeben, die durch Wab L der Rückführstruktur
eine weitestgehend unabhängige Einstellung von Kp und TN ermöglicht sowie eine Integralsättigung
verhindert. Nachteilig bei dieser Lösung sind die hohen Forderungen an den Rückführverstärker
bezüglich Eingangsstrom und Offsetspannung. Außerdem sind die Reglerparameter TV
und TN nicht mit einem Bedieneleient einstellbar, was für viele inwendungsfälle
sinnvoll ist.
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In der DE-OS 23 10 892 wird weiterhin eine Schaltung beschrieben,
bei der durch Testung des Integrationswiderstandes eines Integrators eine in wciten
Grenzen veränderbare Integrationsze tkonstante e: angestellt werden kann. Durch
diese Maßnahme werden sie Fehlereinflüsse des Verstärkers reduziert sowie sehr große
Widerstände bzw. Kondensatoren vermieden. Nachteilig ist der @ che Aufwand einer
Realisierung mehrerer Tastgeneratoren, um die Parameter des P--, I- und D-Anteils
einzustellen Ziel der Erfindung Der nützliche Effekt der Erfindung besteht darin,
daß durch die gefundene Lösung für die Steuerlogik mittels Optokoppler eine Erhöhung
der Zuvarlässigkeit durch Verringerung der Anzahl der erforderlichen Bauelemente
erreicht wird. Weiterhin wird eine geringere stabilisierte Versorgungsspannung für
die Operationsverstärker benötigt, da die Feldeffekttransistoren nicht direkt durch
die Ausgangsspannuag des Dreipunktschalters, sondern über den Optokoppler gesteuert
werden. Diese Maßnahme reduziert den Energieverbrauch der gesamten Schaltung.
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Daneben bestoht der nützliche Effekt in einer einfacheren Reglerbedienung.
Auf große RC-Kombinationen kann verzichtet werden und an den Ruckführverstärker
werden keine hohen Forerungen bezüglich der Offsetspannung gestellt.
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Darlegung des Wesens der Erfindung DIe techniscile Aufgabe, die durch
die Erfindung gelöst wird, besteht darin, mit geringem Aufwand einen Dreipunkt-Schrittrogler
zu realisieren, der sich integral auflädt und verzögert abklingt, wobei eine weitgehende
entkoppelte Einstellbarkeit der Reglerparameter erreicht sowie eine Integralsättichung
vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird unter Verwendung eines bekannten Dreipunktschalters,
einer integral aufladbaren und verzögert entladbaren Rickführung, DT1-Glied und
integralom Stellglied gelöst, indem erfindungsgemäß die Rückführung au einem aktiven
Zeitglied besteht, das aus einem invertierenden Ver@tärker mit Integrations-Kondensator
und Entladewiiderstand zwischen Eingang und Ausgang sowie Integrationswiderstand
am Eingangspunkt gebildet wird.
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Der Entladewiderstand besteht aus der Reihenschaltung eines In-@@@rationswiderstandes
und eines MOS-Feldeffekttransistors, der vom Tastgenerator gesperrt bzw. leitend
gesteuert wird. @ierdurcil erhöht sich der für den Abklingvorgang verantwortliche
Widerstand um das Verhältnis Periodendauer zur Einschaltzeit des Tastgenerators.
Durch Veränderung der Periodendauer T bei Konstanter Einschaltzeit t ein des Feldefekttransistors
kann somit die Zeitkonstante in weitem Bereich verändert werden. Die wirksame Zeitkonstante
ist dann # = R . C . @ ein wobei T die Periodendauer und tein die Finschaltzeit
ist.
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Durch eine arn an Ausgang des Dreipunktschalters über einen Vorwiderstand
angeschlossene Grätzbrücke, in deren Querzweig sich ein Optokoppler befindet, wird
auf einfachste Weise aus dem bipolaren Ausgangssignal des Dreipunktschalters ein
unipolares
Steuersignal gewonnen, mit dem die elektronische Umschaltung zwischen integralem
Aufladen und verzögertem Entladen erfolgt.
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Die Abklingzeitkonstante des DT1-Gliedes wird durch einen Disferentiationswiderstand
mit getastetem Feldeffekttransistor in Reihe gebildet, wobei die Tastimpulse für
die abklingzeitkonstante des DT1-Gliedes und den Abklingvorgang der Rückführung
von einem Tastgenerator erzeugt werden. Somit wird Durch. diese Lösung der Vorteil
erzielt, daß bei Änderung der Periodendauer an einem Bedienelement die Reglerparameter
TN und TV im Verhältnis TV = 4 zueinander xleichzeitig geändert werden. Die veränderlichen
Zeitkonstanten für dea Abklingvorgang der dückführung und den Abklingvorgang des
DT1-Gliedes werden mit relativ kleinen Kapazitäts- und Widerstandswerten realisiert.
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Nach dem Abklingen aller Zeitkonstanten befindet sich der Dreipunktregler
im Ruhezustand und das Stellglied wird nicht betatigt.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
naher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt den erfindungsgemäßen Schrittregler.
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Die Regelgröße x wird über die Eingangseinheit 1 auf den Dreipunktregler
3 geschaltet der die Regelabweichung, bestehend aus der Differenz zwischen Istwert
x und Sollwert 2W, bildet.
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Ist die Regelabweichung größer als der Ansprechwert xan des Dreipunktschalters
3, so wird er durchgeschaltet und ein Relais, durch eine Treiberstufe 4 angesteuert,
zur Steuerung des integralen Stellgliedes 8 betätigt. Gleichzeitig steuert das Ausgangssignal
die Rückführung 5 uld den Tastgenerator 7 an. Eine Steuerung bewirkt, daß sich die
Rückführung 5
integral mit entgegengesetztem Vorzeichen auflädt
dadurch die Regelabweichung abbaut und den Dreipunktschalter 3 bei Erreichung der
Abschaltschwelle xab abschaltet. Dadurch kommt das Stellglied 8 zum Stillstand.
Die Rückführung 5 wird jetzt als PT1-Glied umgeschaltet und entlädt sich mit der
Zeitkonstante # = TN = C1 . R2 ein bis die Rückführausgangsspannung den Ansprechwert
des Dreipunktschalters 3 wieder erreicht und erneut das Stellglied 8 betatight.
Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.
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Die @@angsspannung der Rückführung 5 wird durch das Kp-Potentiometer
R4 festgelegt.
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Die Zeitkoustante der PT1-Rückführung entspr@cht der Nachstellzuit
TN. Das Zeitverhalten dieser beschriebenen Struktur hat PD-Verhalten und mit nachgeschalteten
integrilem Stellglied 8 wirt se @-Verhalten erzeugt. Wird die Regelgröße x zusätzl@@@
@@lferenziert und am Summierverstärker des Dreipunkts@@@@@ers @ # TV . dt nl@@uaddlert,
so erhält man einen Dreipunkt-Schrittregler mit DPI-Verhalten bei nachgeschaltetem
integralm Stellglied 8.
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Die Vorhaltzeit wird durch ein DT1-Glied 6 gebildet, dessen @e@@konstante
ebenfalls durch das Tastverhaltnis bestimmt wird.
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Die Zeitkonstante der Rückführung 8 und die Zeitkonstante des D1-GIiedes
6 werden von einem Tastgenerator 7 gesteuert, dessen fastverhältins mit einem Potentiomete
eingestellt werden kann.
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Das aktive Zeitglied der Rückführung 5 .vird durch den invertie:enden
Verstärker V1 gebildet, wobei die Abklingzeitkonstante durch den Integrationskondensator
C1, den Entladewiderstand R2 und dem Tastverhältnis am MOS - Feldeffekttransistor
T2
bestimmt wird. Gleichzeitig erfolgt mit den MOS-Feldeffekttransistoren T2 und T3
die elektronische Umschaltung zwischen dem integralen Aufladevorgang und dem verzögerten
Abklingvorgang, indem durch die Steuerlogik, bestehend aus Optokoppler T1 und Si-npn-Transistor
T5, eine wechselseitige Sperrung vorgenommen wird. Um ein sicheres Durchschalten
ueF Feldeffekttransistors T3 zu gewährleisten, muß das Gate gegenüber dem Source
um den ibschnürbereich (-7V) negativer vorgespannt sein. Da die Dreipunktreglerausgangsspannung
Y durch die positive und negative Sättigungsausgangsspannung eines Verstärkers bestimmt
wird; wird das Gate des MOS-Feldeffektransistors T3 über einen Optokoppler T1, des-£en
Diode im Grätzbrückenzweig der Dioden D1 bis D4 liegt, immer mit der negativen Betriebsspannung
angesteuert. Er ist somit beim Arspruchen des Dreipunktschalters 3 immer leitend,
die Rückfünrung ' kanrs sich mit der ZeiSkon:tante R1 . aufladen, da das Gate des
MOS-Feldeffekttransistors T in diesem Moment über der. Si-npn-Transistor T5 gesperrt
ict. hat der Regler seine Ruhelage, d. h. Aussgangssignal Null, ist der Transistor
des Optokoppiers T1 gesperrt. Dadurch ist der MOS-Feldeffekttransistor T3 und der
Si-npn-Transistor T5 ebenfalls gesperrt. Der MOS-Feldeffekttransistor T2 wird durch
den Tastgenerator 7 gesteuert und ermoglicht somit den Abklingvorgang.
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Die Abklingzeitkonstante des D£1-Gliedes 6 wird durch den Differentiationskondensator
C2, dem Differentiationswiderstand R3 und dem Tastverhältnis am MOS-Feldeffekttransistor
T4 gebildet. Der nichtinvertierende Verstärker V2 ist ein Spannungsfolger und dient
zur Entkopplung. eben der einfachen Bedienung durch die gleichzeitige Verstellung
von TN und IV durch ein Bedienelement, zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung
der Steuerlogik mittels Optokoppler durch höhere Zuverlässigkeit, geringeren Volumens
und
weniger Bauelemente aus. Daneben erlaubt die Lösung den Einsatz einer weniger stabilisierten
Versorgungsspannung für die Operationsverstärker und somit einen geringeren Energieverbrauch.
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Aufstellung der verwendeten Benzugszeichen 1 Eingangseinheit 2 Sollwert
3 Dreipunktschalter + xan positive Ansprechwert + xab positive Abfallwert - xan
negative Anschrechwert - xab negative Abfallwert 4 Treiberstufe 5 1/PT1-Rückfuhrung
inver @erer der Verstärker 11 @ptokoppler 12 VOS -Feldeffekttransistor 13 MOS-Feldeffekttransistor
15 @p@-Transistor @@..@. @@-Di den C@ integrationskondensator R@ @@@g ationswinderstand
@@ @ntla ewiderstand @ @@@@@ entl meten @@ @@ie @ nicht @vor lerc@ner Verst@ auf
@@ WOS-F ldef ekttransistor @2 Diffe enti@tionskondensator @@ Diffe enti@tionswiderstand
fastgene @tor @@ Zeitk nstarten @@ Zeitkonstanten 8 Integrales Stellglied
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