DE3425445A1

DE3425445A1 - Elektronischer mischwasserthermostat mit robustem regelverhalten

Info

Publication number: DE3425445A1
Application number: DE19843425445
Authority: DE
Inventors: Kenneth Leopold Dipl.-Phys. Ellington; Horst Dipl.-Phys. 6904 Eppelheim Heimel; Harro Prof. Dr. 5810 Witten Kiendl; Andrew Stephen Dipl.-Phys. Sawbridgeworth Hertfordshire Lefley
Original assignee: Friedrich Grohe Armaturenfabrik GmbH and Co
Current assignee: Grohe Water Technology AG and Co KG
Priority date: 1983-07-13
Filing date: 1984-07-11
Publication date: 1985-02-21
Also published as: GB2143343A; GB8318899D0; DE3425445C2

Description

•S- 342544

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Friedrich Grohe Armaturenfabrxk GmbH & Co.

GRP- 595

K.L.Ellington-H.Kiendl-H.He imel-A.S.Lefley
10-5-1-1

Elektronischer Mischwasserthermostat mit
robustem Regelverhalten

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein thermostatisch geregeltes Mischventil zum Mischen von heißem und kaltem Wasser z. B. für Duschen.

/2

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Es gibt bereits Mischventile, in denen ein Temperaturfühler im Ventilausgang ein elektrisches Signal erzeugt, das mit einem voreinstellbaren Bezugssignal verglichen wird; die Differenz zwischen diesen beiden Signalen wird als Regelsignal für einen Motor benutzt, der den Ventilmechanismus betätigt. Zur vereinfachten Darstellung wird hierzu auf die Figuren 1 und 2 der beigefügten Zeichnung verwiesen.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes einen Motorregler für einen Motor 2, der über ein Getriebe 3 ein Mischventil 4 betätigt. Das Ventil hat Einlasse für kaltes Wasser mit einer Temperatur von Ί_ν und heißes Wasser mit einer Temperatur T,_r

IS. W ·

Der Ventilausgang liefert Wasser mit einer Temperatur von T_M· Der Temperaturfühler 5 mißt die Ausgangstemperatur und leitet ein Signal T„ ab. Eine Vergleichsschaltung empfängt ein "Sollwerf'-Signal A von einem SolLwertsteller 6 zusammen mit dem Rückkopplungssignal B des Fühlers 5. Das Differenzsignal der Vergleichsschaltung ist das Regelsignal für den Motorregler

Ein Hauptnachteil eines solchen Einkreissystems, wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Tatsache, daß es Änderungen, die den Regelkreis beeinflussen, erst aufspürt und ausgleicht, nachdem sie bereits stattgefunden haben, und diese spiegeln sich als Temperaturänderungen wieder, die mit der Zeitkonstanten des Temperaturfühlers "belastet" sind. Weitere Faktoren, welche die Leistung des Systems beeinträchtigen, sind u. a. das Getriebespiel (Hysteresis), die Umdrehungszahl des Motors, Verkalkung der Ventilelemente etc. Die bekannten Vorrichtungen setzen konstante lineare Übertragungsfunktionen aller Elemente voraus, was in der Praxis nicht der Fall ist. Elektromotoren haben eine lastabhängige Anlaßspannung, wie in Fig. 2(a) dargestellt. Normalerweise kommt ein Elektromotor selbst bei leichter Belastung nicht eher in Gang, bis eine Schwellenspannung £ C—£ ) erreicht ist, wobei der Motor dann eine Kreisfrequenz (J hat, die sich proportinal zur änderung

der angewandten Spannung U verhält. Eine Getriefcehysterese die weitgehend auf ein Spiel der Zahnräder zurückzuführen ist, ist in Fig. 2(b) dargestellt. Wie in Fig. 2(c) gezeigt, hat der Temperaturfühler durch die Isolierung der Verkapselung eine Totzeit und im allgemeinen außerdem eine systembedingte nichtlineare Temperatur-Zeitfunktion.

Die vorliegende Erfindung stellt einen kostengünstigen thermostatisch geregelten Mischer zur Verfugung> der die oben beschriebenen Nachteile vermeidet oder mindert.

Nach der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein thermostatisch geregegeltes Mischventil, in dem ein motorgesteuertes Ventil auf ein Regelsignal reagiert, das die Differenz zwischen einem voreingestellten Temperaturwert und einem Ausgangstemperaturwert darstellt, die abgeleitet wird über einen ersten Rückkopplungskreis vom Ventilausgang zum Motorregler, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischventilanordnung zusätzlich einen oder mehrere sekundäre Rückkopplungskreise hat, in dem/denen (ein) sekundäre(s) Regelsignal(e) von mechanischen oder elektromechanischen dynamischen Parametern der Ventilanordnung abgeleitet wird (werden), das (die) eine sekundäre Regelvorrichtung für die Mischeranordnung anspricht.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren 3 bis 13 der Zeichnung verschiedene Versionen beschrieben:

Fig. 3 zeigt eine Mischeranordnung mit einem sekundären Rückkopplungskreis und einem Ventilstellungsfühler.

Fig. 4 zeigt eine Mischeranordnung mit einem sekundären Rückkopplungskreis und einem Ventilgeschwindigkeitsfühler.

Fig. 5 u. 5a zeigen eine Mischeranordnung mit einem sekundären Rückkopplungskreis und einem Motordrehzahlfühler.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Mischeranordnung in Fig. 5, in welcher der sekundäre Rückkopplungskreis eine integrierte

Schaltung hat. . -

Fig. 7 zeigt -.eine Mi se her anordnung mit einem Rückkopplungskreis und einem Motordrehzahlfühler sowie einem Temperaturregler.

Fig. 8 zeigt ein Abwandlung der in Fig. 7 dargestellten Anordnung.

Fig. 9 u. 9a zeigen eine Mischeranordnung mit einem D-Regler zur Vereinfachung der Anordnung in Fig. 8.

Fig. 10 zeigt eine Miseheranordnung mit einem Rückkopplungskreis und einem Signal, das sich proportional zur Geschwindigkeit der Temperaturänderung T_M verhält und über einen weiteren Regelkreis dem Geschwindigkeitsregelsignal hinzugefügt ist.

Fig. 11 zeigt eine Mischerabwandlung, die eine plötzliche Änderung des "Sollwerts" ermöglicht, der ohne Überschwingungen auf den Thermostat übertragen wird.
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Fig. 12 zeigt die Abwandlung eines Mischers zur Eliminierung von Systemschwingungen und

Fig. 13 & 13a zeigen den Einbau eines Weichtastfilters in die Mischerregelung, um Änderungen in der Anlaßspannung des Ventilmotors auszugleichen.

In Fig. 3 besteht die Mischeranordnung aus einem Temperaturregler 1, der mit einem Motor 2 über ein Getriebe 3 ein Mischventil 4 regelt. Das Mischventil 4 hat einen Heißwassereinlaß T„ und einen Kaltwassereinlaß T_R. Der Auslaß T_M liefert Wasser mit einer Temperatur T_M, je nach Mischverhältnis und Eingangstemperatur. Die Temperatur T„ des Auslasses wird bestimmt durch einen Temperaturfühler 5, der ein Signal T-. aussendet, das mit der Solltemperatur T„ des Sollwertstellers

verglichen wird. Die Differenz e zwischen T₁₃,

und T_M ist die Eingabe zum Temperaturregler 1. Der Temperaturregler 1 besitzt das Differenzsignal e_ nach einem Regelgesetz, Vorzugsweise der proportionalen Integraldifferenzierung (PID) und

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sendet ein Signal zum Ventilstellungsregler 8. Diese Regelfunktion kann durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden.

Um einige der Nachteile in Einkreissystemen, wie oben beschrieben, auszuschalten, werden sekundäre Rückkopplungskreise eingebaut. Die einfachste Form eines Sekundärkreises besteht aus einem Stellungsfühler 7, der die augenblickliche Stellung q des Mischventils 4 am Ausgang des Getriebes 3 bestimmt und ein Stellsignal £ aussendet, das mit einem gewünschten Stellungssignal £ verglichen werden kann, welches an einem Vergleichsschaltgerät 8a eingestellt wird. Das Fehlersignal wird zu einem Stellungsregler 8 geleitet, das wiederum den Motor 2 regelt. Der Stellungsfühler 7 kann einfach aus einem Gleichstrom-Drehpotentiometer bestehen, der direkt an das Ventil- getriebe über ein geringes Spiel bzw. spielfrei angeschlossen ist. Für eine Übertragungsstellung kann ein Induktionsstellungsfühler benutzt werden; erfolgt der Antrieb über einen Schrittmotor, kann der eingebaute Impulszähler als Stellungsfühler agieren. Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung wird das Rückkopplungssignal q mit dem Temperaturdifferenzsignal e_ verglichen, das quasials ein "Stellungssignal" fungiert. Demzufolge, gibt der Stellungsregler eine Ausgangsspannung an den Motor 2, um das Mischventil zu betätigen bis q = £. Handelt es sich bei dem Stellungsregler um ein Proportionalgerät, gewährleistet eine richtige Wahl des Verstärkungsfaktors, daß das Ventil ohne Überschwingung mit maximaler Geschwindigkeit verstellt wird und Unsicherheiten durch das Getriebespiel praktisch ausgeschaltet werden. So ist die zum Antriebskreis gelieferte Spannung durch den Verstärkungsfaktor des Reglers 8 stets größer als es sonst der Fall wäre, wenn nur ein einfacher Temperatur-Rückkopplungskreis zur Verfugung stünde. Daher werden mechanische Belastungen im Ventil schneller überwunden und können die Ausgangstemperatur nicht wesentlich beeinflussen. Durch elektronische Stellungsfühler werden auch Endstufenschalter überflüssig. Während ein Elektromotor bei einer Einkreisanordnung als integrierendes Element wirken würde, der zu Stabilitätsproblemen führen könnte, wenn sich im Regelkreis ein weiteres Phasenverzögerungselement befände; der doppelte Rückkopplungskreis erscheint dem außenstehenden

Betrachter nicht als Integrator. .../6

Der Temperaturregler 1 mit untergeordneter Stellungsregelung könnte daher ein Proportional-Integralregler (PI) sein. Im' Gegensatz zu einem einfachen P-Regler ist er in der Lage, auch die kleinste Regelabweichung zu beseitigen. Das gilt besonders dann, wenn das Ventil schwergängig ist, weil sich Kalkablagerungen gebildet haben, die bei einem einfachen Proportionalregler (P) zunehmende Regelabweichungen zufolge hätten.

Eine alternative Anordnung zu der in Fig. 3 besteht aus einem Sekundärkreis mit einem Ventilgeschwindigkeitsfühler lo, Fig. Typischerweise kann der Fühler ein Tachogenerator sein, der ein elektrisches Signal erzeugt, proportional zur Geschwindigkeit V, mit welcher das Ventil bewegt wird. Ähnlich wie beim Stellungsfühler wird das Geschwindigkeitssignal V zu einer Vergleichsschaltung 9a geleitet, wo es mit der Ausgabe des Temperaturreglers verglichen wird, der ein "Sollgeschwindigkeits"-Signal V erzeugt. Das Fehlersignal wird zu einem Geschwindigkeitsregler 9 geleitet - analog zu der Anordnung in Fig. 3.

Die Anordnung in Fig. 4 hat ähnliche Vorteile wie die in Fig. 3, was die Ventiltrieb—Hysteresis und Ventilverkalkung anbetrifft. Da die Anordnung in Fig. 4 jedoch wie ein Integrator aussieht, kann der Temperaturregler 1 nicht als Piregler fungieren. Dasselbe Verhalten, wie bei dem PI-Temperaturregler und der Stellungsrückkopplung kann aber erhalten werden, wenn der Temperaturregler nun als Proportional- Differenzialregler (PD) fungiert. Ein Nachteil ist jedoch der, daß die Anlaß- oder Schwellenspannung des Motors zu einem Dauerregelfehler führen kann. Außerdem kann diese Version keine Endschalter ersetzen.

Eine beträchtliche Vereinfachung in technischer Hinsicht der _; vorigen Version kann dadurch erreicht werden, daß die Geschwindigkeit von einem elektronischen Kreis 11 abgeleitet wird unter Verwendung des Motorstroms, Fig.5. Die Winkelgeschwin digkeit des Motors kann durch zwei Spannungsmessungen am Ein- und Ausgang des Motors gemessen werden unter Einschaltung eines bekannten Meßwiderstandes.

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Diese Version ist besonders kosteneffek'tiv*," da mechanische Meßelemente vermieden werden. Noch effektiver kann diese Version gemacht werden, indem man eine integrierte Schaltung 12 an die Geschwindigkeit^Rückkopplungsschaltung anschließt, die aus einem Operationsverstärker plus einigen Normteilen besteht, Fig. 6. Dadurch wird das Geschwindigkeitssignal in ein Stellungssignal umgewandelt. Infolge systematischer Fehler, die bei der Berechnung der Winkelgeschwindigkeit entstehen können, kann jedoch der Ausgang des Integrators 12 bis an den durch die Versorgungsspannung gegebenen Anschlag driften. Das laßt, sich vermeiden, ^. „.. , ,

indem man einen negativen Ruckkopplungskreis an den

Integrator legt mit Hilfe eines Widerstandes 12a, der so gewählt wird,daß der Ausgang des Integrators bei O-Eingabe mit einer Zeitkonstante, die im Vergleich zur Zeitkonstanten des Regelvorgangs groß ist, auf 0 abfällt. Diese Anordnung ist nun wiederum gleichbedeutend mit einem Stellung-Rückkopplungskreis. Das hat jedoch den Nachteil, daß das Getriebe mit seiner Hysterese außerhalb des Rückkopplungskreises liegt. Der Nachteil kann gemildert werden, indem der teure elektromechanische Stellungsfühler durch einen billigen elektronischen Schaltkreis ersetzt wird, der den weiteren Vorteil hat, daß kein mechanischer Verschleiß wie beim Positionsfühler auftritt.
Wird der Temperaturregler 1 in Form eines PI-Reglers gewählt, ist eine weitere Vereinfachung möglich, Fig. 7. Die PI-Schaltung kann mit getrennten Proportional- und Integrierteilen 13, 14, 15 gebaut werden. Der Integrator 13 kann in der gleichen Weise wie der Integrator in dem vorerwähnten Geschwindigkeit-Rückkopplungskreis eingebaut werden. Wenn jetzt das Signal vom Geschwindigkeitsrechner 11 nicht über ein zusätzliches Integrationselement 12, sondern über das des Tempera- . turreglers 13 geleitet wird, haben wir wieder einen Positionsregelkreis aber mit weniger elektronischen Elementen . Das Problem der Integratorabdrift ist nun auch beseitigt, da jede Abdriftneigung durch die Rückmeldung des Temperatursignals automatisch kompensiert wird.

Die Praxis zeigt, daß die zuletzt genannte Anordnung,Fig. 7, die gestellte Aufgabe zufriedenstellend löst, solange das Ge schwindigkeit-Rückmeldesignal ausreichend rauschfrei ist.

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Bei Gleichstrommotoren ist dies nur ^durc,h gewährleistet. Das Kollektorenrauschen bei billigeren Motoren kann zu Regelstörungen führen. Die zuletzt beschriebene Anordnung kann zur Vermeidung der Auswirkungen von Kollektorrauschen verbessert werden, indem die Retourschleife des Geschwindigkeitssignals zwischen dem Geschwindigkeitsrechner 11 und der Zuleitung zum Temperaturregler 1, Fig. 8, aufgesplittet wird. Das Geschwindigkeitssignal wird zu einem Vergleichspunkt 9a zwischen dem Geschwindigkeitsregler 9 und dem Temperaturregler 1 geleitet, während das zum Temperaturregler zurückgeleitete Signal einem Zweigpunkt unmittelbar vor dem Vergleichspunkt 9a entnommen wird. Schließlich wird ein Verzögerungselement 1. Ordnung, 16, zwischen den neuen Zweigpunkt und den Temperaturregler 1 gesetzt, dessen Übertragungsfunktion durch F(S) = V/(l +YS) gegeben ist. V ist . hier der Verstärkungsfaktor des Regelelements 8 und "C die mechanische Zeitkonstante des Motors. Bei der Anordnung in Fig. 8 bilden die Elemente 9, 9a, 2 und 11 wiederum einen inneren Regelkreis für die Ventilgeschwindigkeit, wie in Fig. 5 beschrieben. Indem man den Verstärkungsfaktor des Proportionalreglers 9 ausreichend groß macht, kann die Ventilgeschwindigkeit jeder Änderung des "Sollgeschwindigkeif'-Signals fast augenblicklich folgen. Das und das Verzögerungselement 16 sorgen dafür, daß die Signalrückmeldung zum Punkt 13a mit dem entsprechenden Signal in Fig. 7 fast äquivalent ist. Daher ist die Anordnung in Fig. 8 mit der in Fig. 7 äquivalent - nur mit dem weiteren Vorteil, daß billigere Motoren (mit hohem Kollektorrauschen) benutzt werden können.

Die Übertragungsfunktion G(S) der Elemente 13 bis 16 ist formell äquivalent mit einem konventionellen LEAD-Glied, wenn die Zeitkonstante des Motors γ ausreichend klein ist. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, die Schaltung der Fig. 8 wesent-

T*¹ iff 9
lieh zu vereinfachen,^während die Regeleigenschaften durch den. Ersatz des Temperaturreglers 1 sowie des Verzögerungselements 16 und die Rückkopplung 13a durch einen konventionellen LEAD-Regler, Fig.9a, bestehend aus ein paar Teilen, beibehalten werden. Diese Anordnung ist in ihrem guten Regelverhalten dem . eingangs erörterten PI-Regler mit unterlagerter Positionsregelung und direkter Positionsmessung ähnlich. Obwohl hier die Effekte der

4L τ

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Getriebhysterese und der Motoranlaßspanr.ung--nicht kompensiert werden, hat sie den Vorteil, billig zu sein.

Die Grundidee der Rege!verbesserung durch Hilfskreise läßt sich noch ausweiten, indem man sie mehr als einem internen dynamischen Parameter zuordnet. So ist es z.B. möglich, ausgehend von einer Anordnung nach Fig. 5, einen zusätzlichen unterlagerten Re gelkreis für die Änderungsgeschwindigkeit T der Mischwasser temperatur einzurichten, welcher dem Regelkreis für die Ventilgeschwindig-

erzielbar ist. , keit übergeordnet ist, wodurch kostengünstig eine Verbesserung/ Normalerweise wäre dafür ein separater Meßfühler erforderlich, es ist aber möglich, T von der Ventilgeschwidigkeit ν abzuleiten, wenn angenommen wird, daß T der Ventilgeschwindigkeit entspricht, selbst verzögert durch den Mischvorgang und die Laufzeiten.

Um dies zu bewerkstelligen (Fig. lo) wird in die Rückführung des Geschwindigkeitssignals zwischen dem Geschwindigkeitsrechner und dem Vergleichspunkt 9a ein Zweigpunkt eingesetzt, von wo das Signal zu einem elektronischen '"!„-Rechner" 18 geleitet wird, repräsentiert durch einen Verzögerungskreis erster Ordnung, dessen Zeitkonstante so gewählt wird, daß sie der Verzögerung zwischen Ventilverschiebung und Temperaturänderung entspricht. So sendet der T-Rechner ein Signal aus, das proportional zu T ist. Der innere Kreis wird durch den Τ,,-Regler und einen Vergleichspunkt 19a geschlossen. Die Elemente 1, 9 und 19 werden (in einer bevorzugten Version) als P-Regler ausgeführt. Diese Anordnung ist wiederum äquivalent mit den zu Fig. 8 und 9 erörterten Leitungsversionen.

Bestimmte weitere Fehler in den verschiedenen Elementen des Thermostats werden erfindungsgemäß durch die Einfügung verschiedener Kreise in den Hauptregelkreis kompensiert.

Eine Störung in den Zustandsgrößen, die den Regelkreis beeinträchtigen, wie z. B. ein plötzlicher Druckabfall, kann nur über einen Temperaturfühler abgefühlt werden, der mit seiner Zeitkonstanten "belastet" ist, während eine plötzliche Änderung des Sollwertes extern auf den Thermostat ohne Verzögerung gelegt werden kann. Das bedeutet, ein für eine interne Störung optimierter Thermostat zeigt bei plötzlichen Änderungen im

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47.

Sollwert starke Überschwingungen, währsnd\.eln- für"-Änderungen im Sollwert optimierter Thermostat zu langsam auf Änderungen der physikalischen Parameter reagiert. Dieser Zustand wird erfindungsgemäß kompensiert, indem dem Sollwertblock 6 ein Verzögerungskreis 21, Fig. 11, nachgeschaltet wird, dessen Zeitkonstante der des Temperaturfühlers sehr .ähnlich ist. Das führt dazu, daß ein für äußere Störungen optimierter Ther mostat ohne Übersclrwingen auf Änderungen im Sollwert reagiert.

Praktische Erwägungen machen es schwierig für die Zeitkonstante des Temperaturfühlers, unter einen bestimmten Mindestwert zu fallen. Es können jedoch billigere, langsamere Temperaturfühler verwandt werden, wenn das verzögerte Temperatursignal nachher so behandelt wird, daß es dem Regler wie ein unverzögertes Signal erscheint. Das wird dadurch bewerkstelligt, daß man dem

LEAD-Funktion ,

Temperaturfühler ein elektronisches Netzwerk 23,Fig. 11, mit'' nachschaltet. In der Praxis kann eine wirksame Zeitkonstante zum Abfühlen der Temperatur von o,1 Sekunde erreicht werden, wenn ein Temperaturfühler mit einer Zeitkonstante von y= o,5 benutzt wird.

Ein weiteres Problem ist das Meßrauschen durch unvollkommenes Mischen der beiden Wasserströme im Mischventil. Diese Schwierigkeit kann beseitigt werden durch den Einbau eines Tiefpaß- filters 24 in den Temperatur-Rückmeldekreis. Ein Io Hz-Filter ist das geeignetste Mittel zur Rauschdämpfung, ohne wesent-. liehe Erhöhung der effektiven Zeitkonstante für die Temperaturmessung.
Im allgemeinen kann ein Mischthermostat nicht als reines Verzögerungselement charakterisiert werden. Außer der Verzögerungskonstanten T"gibt es eine Totzeit t , hauptächlich verursacht durch die Betriebszeitwirkung der Ventilbewegung und der Ankunft des Mischwassers beim Temperaturfühler. Der Einfluß der Totzeit kann beschrieben werden durch einen zusätzlichen Begriff exp (-io^s) in der Übertragungsfunktion L(s) des gesamten offenen Regelkreises und besteht in einer mit steigender Frequenz wachsenden Phasenabsenkung bei gleichbleibendem Betrag von L(s). Dadurch wird die Systemstabilität entscheidend beeinflußt und neigt im allgemeinen dazu, die Tendenz zu Systemschwingungen zu verstärken.

EPO

Dieser Effekt kann reduziert werden-Üurc-h Ei-niedrigung "des Verstärkungsfaktors im System, allerdings nur auf Kosten einer langsameren Systemreaktion und Erhöhung der Restregelfehler. Das Problem wird gelöst durch den Einbau eines weiteren LEAD-Gliedes 26 (Fig. 12) in den Hauptkreis, wie in Fig. 9a dargestellt. Ihre Konstanten können so gewählt werden, daß die Phasenabsenkung kompensiert wird in der Weise, daß der ursprüngliche Verstärkungsfaktor beibehalten werden kann.

Es wurde bereits ausgeführt, daß ein Regelkreis mit einem LEAD- Regler sowie einem untergeordneten Geschwindigkeitsregler den ungünstigen Effekt der Motor-Anlaßspannung (Schwellenspannung) (Fig. 2a) nicht so kompensieren kann wie ein teurerer PI-Regler. Das zeigt sich in der Praxis durch höhere Restfehler eoo ·

Der Effekt des LEAD-Reglers kann jedoch kompensiert werden durch Erhöhung des Wertes für die Übertragungsfunktion des Temperaturreglers H(s), und zwar selektiv durch Zwischenschaltung eines Verzögerungskreises 28 vor dem Temperaturregler 1, wie in Fig. 13 gezeigt. Durch richtige Wahl der Teile für den Verzögerungskreis kann man gewährleisten, daß die Übertragungsfunktion bei niedrigen Frequenzen verstärkt wird, ohne die Stabilität der kritischen Frequenz w (bei der die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems einheitlich wird) zu beeinträchtigen. So kann der Restfehler aufgrund des LEAD-Reglers durch ein geeignetes Kompromißkonzept des Verzögerungselements reduziert werden. Die Anlaß-Schwellenspannung des Motors erhöht sich mit der Zeit, da die Motorbelastung mit zunehmender Verkalkung des Ventils steigt. Die Hinzufügung des Verzögerungselements 28 trägt dazu bei, die guten Regeleigenschaften des Thermostats über längere Gebrauchszeiten zu erhalten.

So erlauben die Maßnahmen in Fig. 13 dem kosteneffektiven LEAD-Regler in Fig. 9 eine Leistung zu bringen, die der ausgezeichneten des teureren PI-Reglers nahe kommt. In ähnlicher Weise wird dadurch die Version in Fig. Io möglich, ebenfalls nahe an der Leistung des PI-Reglers.

Zusammengefaßt beinhaltet die vorliegende Erfindung drei besonders vorteilehafte Systeme: den PI-Regler mit behelfsmäßiger Positionsregelung (Fig. 3) zusammen mit den in Fig. H

.../12

. 49. "l III :' Ol

und 12 beschriebenen Maßnahmen bilden sie das ideale System. Der LEAD-Regler in Fig. 9 und der T-Regler in Fig. 10 mit unter- lagerter Geschwindigkeitsregelung, die auch die Maßnahmen in den Figuren 11 und 12 beinhalten, bilden Systeme, deren Leistung etwas schwächer ist, dafür sind aber die Kosten niedriger.

Die obigen Prinzipien gelten auch für andere Verfahren, in denen ein physikalischer Parameter durch einen Sensor gemessen wird, der mit einer Verzögerung und einer Totzeit "belastet" ist und dessen zulässige" Regelzeiten innerhalb ähnlicher Größenordnungen liegen wie die Zeitkonstanten (Verzögerung und Totzeit), welche den Sensor charakterisieren.

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-AO-

Leerseite

PO C

Claims

3425U5

Friedrich Grohe Armaturenfabrik GmbH & Co.

GRP - 595

ANSPRÜCHE

l. Thermostatisch geregeltes Mischventil, in dem ein motorbetätigtes■Ventil auf ein Regelsignal reagiert, das den Unterschied zwischen vdreingestelltem Temperaturwert und Ausgangstemperaturwert darstellt, der über einen ersten Rückmeldekreis vom Ventilauslaß zur Motorregelung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischventilanordnung außerdem einen oder mehrere sekundäre Rückmeldekreise beinhaltet, in denen ein sekundäres Regelsignal(e) von mechanischen oder elektromechanischen dynamischen Parametern der Ventilanordnung abgeleitet wird, das (die) sekundäre(n) Signal(e) wird (werden) einer sekundären Regelvorrichtung für die Mischeranordnung zugeordnet.

2. Mischventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Rückmeldekreis eine Ventilstellungs-Abführvorrichtung hat, die ein elektrisches Signal zum Messen der Regelstellung des Mischventils erzeugt, daß einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen mit einem Sollwertsignalwert aus dem Hauptregelkreis zugeordnet wird, die Differenz zwischen dem elektrischen Signal und dem Sollwertsignal wird der sekundären Regelvorrichtung für die Mischeranordnung zugeordnet.

3. Mischventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Rückmeldekreis eine Ventilgeschwindigkeit-Fühlvorrichtung hat, die ein elektrisches Signal zum Messen der Geschwindigkeit des Mischventils erzeugt, dieses elektrische Signal wird zu einer Vergleichsvorrichtung geleitet zum Vergleichen mit einem Sollwertsignalwert aus dem Hauptregelkreis, die Differenz zwischen dem elektrischen Signal und dem Sollwertsignal wird der sekundären Regelvorrichtung für die Mischeranordnung zugeleitet.

4. Mischventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilgeschwindigkeit-Fühlvorrichtung einen elektrischen Schaltkreis hat, dessen Eingangsparameter die über den Ventilantrieb abfallende Spannung darstellt, einschließlich eines Serien-Meßwiderstandes und die über den Serien-Meßwiderstand gefallene Spannung, die gleichzeitig gemessen wird.

5. Mischventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstellungs-Fühlvorrichtung ein Gleichstrom- Drehpotentiometer hat, das mechanisch am Ventil angeschlossen ist oder an ein Getriebe zwischen Motor und Ventil.

6. Mischventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstellung- FUh!vorrichtung einen Induktions-Stellungsfühler hat, der am Ventil angekoppelt ist.

7. Mischventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ■ zeichnet, daß der Motor ein Schrittmotor ist und die Ventil- stellungs-Fühlvorrichtung einen Impulszähler hat, der Impulse für den Schrittmotor zählt.

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8. Mischventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Ventilgeschwindigkeit messende Element aus einem elektrischen Netz besteht, dessen Ausgangsparameter zwei Spannungen sind, wovon eineüber den Motor gesenkt wird sowie aus einem Meßwiderstand, der in Serie mit ihm geschaltet ist und der anderen, die nur über den Serienmeßwiderstand gesenkt wird.

9. Mischventilanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Motorregelung ein PI-Regler vorgesehen ist und daß das integrierende Element des PI-Reglers zur Integration des Vent ilgeschvrindigke it ssignals benutzt wird.

10. Mischventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Hilfsregler für die Ventilgeschwindigkeit vorgesehen ist und das proportional zur Ventilstellung reagierende elektrische Signal durch elektronische Integration des eingestellten Signalwerts für die Ventilgeschwindigkeit erzeugt

20 wird.

11. Mischventilanordnung nach vorstehender Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Motorregelung einen LEAD-Regelkreis einschließt.

12. Mischventilanordnung Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein zusätzliches Schaltelement beinhaltet, das ein elektrisches Signal erzeugt, welches eine Funktion der Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangstemperatur ist sowie einen Hilfs-Rückmelderegelkreis, ait dem die Anderungsgeschwindigkeit mit einem in einem ersten Rückmeldekreis erzeugten Sollwert verglichen und die Differenz zwischen der Geschwindigkeit des Änderungssignals und des Sollwertsignals auf den Kreis gelegt wird, der die Ventilge-

35 schwindigkeit regelt.

.../16

Πτ-ΖΖ7-Ί

13. Mischventilanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Schaltelement, welches das Signal erzeugt,aus einem elektrischen Kreis besteht, dessen Eingangssignal der Ventilgeschwindigkeit proportional ist.

14. Mischventilanordnung nach vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Ausgleichsvorrichtung beinhaltet zum Entkoppeln der Reglerreaktion auf Änderungen der Sollwerte von Reaktionen auf Änderungen, die durch äußere Faktoren bewirkt werden.

15. Mischventilanordnung nach vorstehender

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Ausgleichsvorrichtung für von einen Prozessfühler fehlerhafte erzeugte Meßsignale beinhaltet sowie zur Dämpfung dieser Signale und zur Angleichung an zeitliche Verzögerungen im Zusammenhang mit dem Temperaturfühler.

16. Mischventilvorrichtung nach vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Ausgleichsvorrichtung für nichtlineare Übertragungsfunktionen des Rückmelde-Regelkreises in bezug auf Totzeiten und Motoranfahr- oder -echwellenspannungen beinhaltet.

17. Mischventilanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der voreingestellte Temperaturwert über

ein elektronisches Netz geleitet wird, das als Verzögerungsschaltung fungiert, welche das Sollwertsignal verzögert, um ein Überschwingen der Ausgangstemperatur als Folge der Reaktion des Motorreglers auf Änderungen^ des Temperatur-Sollwerts zu verhindern, und dadurch wird die Reaktion des Reglers auf Änderungen des Temperatursollwerts von seinen Reaktionen auf andere Faktoren abgetrennt.

.../17

„_H ι r^ dadurch gekenn-18. Mischventilanordnung nach Ansprucn «-.

*.,r.riihlers im ersten

zeichnet, daß die Leistung des Temperaturluu ^ _dessen Rückmeldekreis über einen LEAD-Kreis übertragen^ ^ Parameter so eingestellt sind, daß di<, ei£ der Serienanordnung aus Fühler und LkA die des Temperaturfühlers allein.

19 Mischventilanordnung nach vorstehen er

η der Ausgang des

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ^ _{eleitet wird}, um Temperaturfühlers über einen Tiefpaßfilter ge ^ _durch

das Rauschen, das auf das Temperatursignal * ^ ^ ^ _{unterdrücken}. unvollkommenes Mischen oder aus anderen im

2o. Mischventilanordnung nach vorstehender

*. ^^a Has Regelsignal tür Ansprüche, dadurch gekannzeichnet, daß d Schaltkreis

da.~torgereg.lte Ventil über einen ^" _{so eingestellt} des IiAD-TTPS geleitet wird, dessen P„»·*

sind, daß eine Phasenverzogerung in der ""^^«^,, _Tot. des ersten Rückmeldekreises ausgeglichen w » ^ zeiten in den Rückmeldekreiselementen verursacht

₂₁. „ischventüanordouns nac. ««^^eisignal «r das Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß da _VerzSgerungs. motcrgeregelte Ventil über exnen ·1·**«™ „_{1Κ sln}d, daß

kreis geleitet wird, dessen Parameter so * _Freqtten- der verstärkungsfaktcr des Regelkreises Wt _vermin(Jern_ zen verstärkt wird, um Restregelienie

■i ivctena einem vor—

22. Mischventilanordnung nach wenigen=«

stehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß peraturregler ein PI-Regler vorgesehen ist.

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23. Mischventilanordnung nach wenigstens einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,

daß der Temperaturregelkreis einen PI-Regler enthält und daß zur Integration des Geschwindigkeitssignals das Integrierglied dieses PI-Reglers verwendet wird.

24. Mischventilanordnung nach wenigstens

einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,

daß der Temperaturregelkreis einen PI-Regler enthält und daß zur Integration des Sollwertsignals der Geschwindigkeit das Integrierglied dieses PI-Reglers verwendet wi rd.

25, Mischventilanordnung nach wenigstens

einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,

daß der Regler des Tempraturregelkreises ein Lead-Regler ist.

26. Mischventilanordnung nach wenigstens einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,

daß der Temperaturregelkreis an Position

(C) ein zusätzliches elektronisches Netzwerk vom Lead-Typ enthält, dessen Parameter derart eingestellt werden, daß eine in der übertragungsfunktion des offenen Regelkreises durch Totzeiten in der Regelstrecke auftretende Phasenabsenkung bei der Durchtrittsfrequenz kompensiert wird.

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27. Elektronischer Wassermischthermostat mit robustem Regelverhalten, unempfindlich gegen Parameteränderungen im Regelkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelkreis zur Regelung der Wassermischtemperatur ersetzt wird durch einen oder mehrere Hilfsregelkreise für die inneren dynamischen Parameter des Regelkreises.

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