DE3687510T2

DE3687510T2 - Proportionales steuerungssystem.

Info

Publication number: DE3687510T2
Application number: DE8686307500T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Furusawa
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2006-10-01
Also published as: CN1011266B; US4739467A; CN86106507A; EP0221670A1; DE3687510D1; JPS6277604A; EP0221670B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein proportional es Steuerungssystem, das eine physikalische Größe innerhalb eines geregelten Prozesses durch Verstellen einer dem Prozeß zugeführten Eingangsgröße steuert und eine erste Einrichtung zum Ermitteln des Augenblickswertes der physikalischen Größe aufweist, eine zweite Einrichtung zum Erzeugen eines Differenzsignals, das die Differenz zwischen der genannten physikalischen Größe und einem vorbestimmten Bezugswert wiedergibt, sowie eine dritte Einrichtung zum Regeln der genannten dem Prozeß zugeführten Eingangsgröße proportional zu dem Differenzsignal.
Bei dem bekannten proportionalen Steuerungssystem wird im Prinzip keine zu regelnde physikalische Größe vollständig so geregelt, daß sie genau einen Zielwert erreicht, sondern sie wird zwangsläufig von einem ungeregelt bleibenden Restwert begleitet. Als Beispiel diene ein proportionales Heizgerät-Steuerungssystem zum Regeln eines Heizgeräts, um Wasser in einem Bad auf eine vorbestimmte Zieltemperatur zu erwärmen und es auf dieser Temperatur zu halten. Die Augenblickstemperatur des Wassers wird mittels eines elektrischen Temperatursensors wie etwa eines Thermistors ermittelt. Die so in Form eines elektrischen Signals gewonnene Wassertemperatur wird (verstärkt und dann) mittels eines Komparators mit einer Bezugsspannung verglichen, wobei die Bezugsspannung derart vorbestimmt wird, daß sie der vorgenannten Zieltemperatur entspricht, auf der das Wasser gehalten werden soll. Der Ausgang des Komparators ist somit proportional zu der Differenz zwischen der ermittelten Temperatur und der Zieltemperatur. Das Heizgerät wird proportional zum Ausgang des Komparators mit Strom versorgt, d. h. das Wasser wird proportional zu dem Unterschied zwischen der Wassertemperatur und der Zieltemperatur mit Wärme versorgt, solange die erstere niedriger ist als die letztere. Im Verlauf dieser Heizgerätregelung nimmt, während die Wassertemperatur in Richtung auf die Zieltemperatur ansteigt, die dem Heizgerät, d. h. dem Wasser, zuzuführende Strommenge ab, und zwar infolge der geringer werdenden Differenz zwischen der Wassertemperatur und dem Zielwert. Andererseits nimmt mit zunehmender Wassertemperatur auch die Wärmeabstrahlung des Wassers an seine Umgebung zu. Infolgedessen erreichen die Stromzufuhr (zum Wasser) und die Wärmeabstrahlung (vom Wasser) einen Gleichgewichtszustand. Aus diesem Grunde verringert sich die Differenz zwischen der Wassertemperatur und der Zieltemperatur keineswegs genau auf Null, sondern verbleibt auf einem gewissen Restwert, der der zum Ausgleich der Wärmeabstrahlung erforderlichen Strommenge entspricht. Das Steuerungssystem wird daher in einen Gleichgewichtszustand gebracht, bei dem die Wassertemperatur um einen nicht regelbaren Restwert unterhalb des Zielwertes gehalten wird. Dieser nicht regelbare Restwert kann im Prinzip auf einen unendlich kleinen Wert gebracht werden, indem man den Proportionalitätsfaktor der Stromzufuhr unendlich weit erhöht, doch ein solches System ist natürlich nicht praktikabel. Wie vorstehend erläutert, ist es in der Praxis unmöglich, irgendeine physikalische Größe mit Hilfe der bekannten proportionalen Steuerungssysteme so zu regeln, daß sie genau auf einem vorbestimmten Zielwert gehalten wird. Diese Unzulänglichkeit wird üblicherweise dadurch überwunden, daß man den Restwert entweder durch eine Handbetätigung oder mittels einer zusätzlich vorgesehenen Regeleinrichtung ausgleicht. Die manuelle Ausgleichsmethode ist jedoch nicht nur mühsam und oft von mangelhafter Präzision, sondern erfordert auch ständige Überprüfung der betreffenden physikalischen Umgebungswerte (z. B. der das Wasser umgebenden Lufttemperatur im Falle der vorstehend als Beispiel angeführten Heizgerätregelung), während eine zusätzliche Einrichtung das gesamte System kompliziert macht, da alle möglichen Variationen der Umgebungsbedingungen beherrscht werden müssen. Ein anderes Verfahren zum Ausschalten des Fehlers besteht darin, einen Integralregler bekannter Art in das proportionale Steuerungssystem einzuschalten, wodurch die gesamte Vorrichtung zu einem PI-Regler wird (der strenggenommen kein proportionales Steuerungssystem mehr ist). Obwohl es der Einbau eines Integralreglers ermöglicht, die nicht regelbaren Restwerte auszuschalten, weist die Vorrichtung, wenn sie computergesteuert ist, den Nachteil auf, einen Speicher mit großer Kapazität zu benötigen, da die Integraloperation eine lange Zeit in Anspruch nimmt.
Das erfindungsgemäße proportionale Steuerungssystem ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ermitteln eines Gleichgewichtszustandes, die eine Gleichgewichtsbedingung zwischen dem Augenblickswert der dem Prozeß zugeführten Eingangsgröße und Verlusten der physikalischen Größe infolge des Prozeßverlaufs ermittelt, einen Speicher zum Speichern des genannten Differenzsignals im Augenblick des Gleichgewichts, eine Addiereinrichtung zum Addieren des in dem genannten Speicher gespeicherten Differenzsignals zur Ausgangsgröße der genannten zweiten Einrichtung und eine vierte Einrichtung zum Zuführen des Ausgangs der Addiereinrichtung zu der genannten dritten Einrichtung, um die genannte dem Prozeß zugeführte Eingangsgröße derart zu regeln, daß in einem ersten Schritt ein Gleichgewichtszustand hergestellt wird, in dem die physikalische Größe auf einem Wert stabilisiert wird, der vom Zielwert des Steuerungssystems abweicht, und daß in den nachfolgenden Schritten die dritte Einrichtung die zum Prozeß zugeführte Eingangsgröße proportional zur Summe des Augenblickswertes der physikalischen Größe und des in dem Speicher gespeicherten Differenzsignals regelt, so daß in einem Prozeß sukzessiver Annäherung das Gleichgewicht dem geforderten Zielwert der physikalischen Größe näher gebracht wird.
Im folgenden wird das Prinzip der Erfindung am Beispiel eines Temperaturregelsystems beschrieben.
Wenn angenommen wird, daß ein Objektiv, dessen Temperatur letztlich auf eine Zieltemperatur Ta (konstant) gebracht werden soll, eine Augenblickstemperatur t (variabel) aufweist und von einer Umgebungstemperatur Te (konstant) umgeben ist, können wir hinsichtlich des Objektivs die Temperaturabweichung δ von der Zieltemperatur Ta und die Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebungstemperatur Te wie folgt definieren:
δ=Ta-t (1)
D=t-Te (2)
Wenn gemäß den vorstehenden Definitionen eine anfängliche Beziehung Te< t< Ta angenommen wird, erhält das Objektiv kontinuierlich eine Stromzufuhr, die im Verhältnis zu δ variiert:
W=WO=Kδ (3)
Hierin ist K ein Proportionalitätsfaktor. Andererseits strahlt das Objektiv thermische Energie mit der Geschwindigkeit E ab, die allgemein durch eine nichtlineare Funktion von D repräsentiert wird:
E=f(D) (4)
Im Gleichgewichtszustand sollten daher die Stromzufuhr W und die thermische Energieabstrahlungsgeschwindigkeit E einander ausgleichen, so daß Gl. (3) und (4) miteinander gleichgesetzt werden können:
Kδ=f(D) (5)
Diese Gleichung, in der δ und D durch Gl. (1) und (2) miteinander in Beziehung gesetzt sind, kann im Prinzip nach δ aufgelöst werden, wodurch man eine Rest-Temperaturabweichung δ&sub1; erhält, die im Gleichgewicht konstant bleibt. Gemäß Mol-%3, welche Gl. (3) und (4) (sowie die weiter unten erwähnten Gl. (8) und (15)) graphisch darstellt, ist δ&sub1; graphisch durch die dem Punkt S entsprechende Temperaturabweichung gegeben, in dem Gl. (3) und (4) einander kreuzen. Daher bleibt das Objektiv auf einer konstanten Temperatur, die aus Gl. (1) gewonnen wird, in der δ&sub1; für δ eingesetzt wird:
t&sub1;=Ta-δ&sub1; (6)
Durch Einsetzen von t&sub1; für t in Gl. (1) erhält man direkt die entsprechende Temperaturdifferenz D&sub1; (graphisch die Temperaturdifferenz entsprechend dem Punkt S in Fig. 3) zwischen dem Objektiv und der Umgebung:
D&sub1;=t&sub1;-Te (7)
Bei einem proportionalen Steuerungssystem bekannter Art kann daher das Objektiv nie genau auf die Zieltemperatur Ta erwärmt werden, sondern verbleibt auf einer Temperatur t&sub1;, die um den ungeregelt bleibenden Wert δ&sub1; niedriger liegt als Ta Um einen solchen nicht regelbaren Rest δ&sub1; im wesentlichen auszuschalten, ist das erfindungsgemäße Steuerungssystem, wie im folgenden beschrieben, so eingerichtet, daß jedesmal dann, wenn ein Gleichgewichtszustand zwischen der Stromzufuhr und der Wärmeabstrahlung erreicht wird, ein zusätzlicher Regelvorgang durchgeführt wird.
Das heißt, daß nachdem das vorgenannte (erste) Gleichgewicht erreicht worden ist, bei dem das Objektiv auf der Gleichgewichtstemperatur t&sub1; gehalten wird, die um die Restabweichung δ&sub1; (gemäß Gl. (6) und (7)) niedriger liegt als die Zieltemperatur Ta, die Stromzufuhr W zu dem Objektiv auf W(1) umgestellt wird, das wie folgt gegeben ist:
W(1)=Kδ&sub1;+G&sub1;δ (8)
Hierin ist G&sub1; ein neuer Proportionalitätsfaktor, der gleich K sein kann. Der erste Ausdruck Kδ&sub1; auf der rechten Seite von Gl. (8) ist eine Konstante, die gleich der beim ersten Gleichgewicht fortgesetzt zugeführten Strommenge ist, während der zweite Ausdruck ein neuer Proportionalitätsausdruck ist. Durch Addieren der neuen proportionalen Stromzufuhr G&sub1;δ zu Kδ&sub1; (= Konstante) beginnt die Temperatur des Objektivs zu steigen, bis der nächste, d. h. der zweite Gleichgewichtszustand zwischen der erhöhten Stromzufuhr W(1) und der Wärmeabstrahlung E=f(D) (Gl. 4) hergestellt ist. Um den ungeregelt bleibenden Rest beim zweiten Gleichgewicht zu erhalten, sei zunächst, wie unten gezeigt, die Gl. (4) angenähert, indem man sie mit D&sub1; (gemäß Gl. (7)) auf den ersten Grad erweitert:
Hierin ist eine Beziehung F(D&sub1;) = Kδ&sub1; berücksichtigt, und die Umwandlung von (D-D&sub1;) in (δ-δ) basiert auf der durch Gl. (1), (2), (6) und (7) wiedergegebenen Beziehung. Beim zweiten Gleichgewicht kann Gl. (8) mit Gl. (9) gleichgesetzt werden, wodurch sich folgende Beziehung ergibt:
Hierin repräsentiert die Konstante F&sub1; den Ausdruck (δf/δD) D&sub1;. Diese Gleichung kann nach δ gelöst werden, wodurch man die Temperaturabweichung δ&sub2; beim zweiten Gleichgewicht (graphisch entsprechend dem Punkt S' in Fig. 3) erhält:
Die Temperatur t&sub2; des Objektivs beim zweiten Gleichgewicht wird gewonnen, indem man δ&sub2; für δ in Gl. (1) einsetzt:
Wie sich aus Gl. (11) ergibt, ist
δ&sub2;< δ&sub1; (13)
da F&sub1;/(G&sub1;+F&sub1;) < 1, und dementsprechend
t&sub2; > t&sub1; (14)
Die Ungleichungen (13) und (14) zeigen, daß beim zweiten Gleichgewicht die Temperatur des Objektivs der Zieltemperatur Ta näherkommt.
Nach dem zweiten Gleichgewicht schreitet das Steuerungssystem zum dritten Gleichgewicht fort (graphisch entsprechend dem Punkt S'' in Fig. 3), wobei die Stromzufuhr W übergeht auf:
W(2)=Kδ&sub1;+G&sub1;δ&sub2;+G&sub2;δ (15)
Anschließend werden nacheinander schrittweise ähnliche Regelvorgänge durchgeführt, bis das Objektiv eine Temperatur erreicht, die im wesentlichen als gleich der Zieltemperatur Ta betrachtet wird.
Dementsprechend ist die Temperaturabweichung δn, die beim n-ten Gleichgewicht gemäß Gl. (11) ungeregelt bleibt, wie folgt gegeben:
In Gl. (16) sind Gj (j=1, 2, . . ., n-1) Proportionalitätsfaktoren, die in der Gleichung w(j-1)=Kδ&sub1;+G&sub1;δ&sub2;+G&sub2;δ&sub3;.... +Gj-1δ erscheinen, die entsprechend Gl. (8) den Strom ausdrückt, der dem Objektiv während des Verlaufs bis zum j-ten Gleichgewicht zuzuführen ist, während Fj (j=1, 2, . . ., n-1) (δf/δD)Dj in der Gleichung Gj-1 δ=(δf/δD)Dj-1 (δj-1-δ) repräsentiert, die Gl. (10) entspricht. Die aus Gl. (16) gewonnene Temperaturabweichung Δn gibt die Temperatur tn des Objektivs beim n-ten Gleichgewicht wieder:
tn=Ta-δn (17)
Indem man die Zahl n unendlich weit erhöht, kann die Temperaturabweichung Δn unendlich klein gemacht werden, da alle Ausdrücke Fj/(Gj+Fj) kleiner sind als Eins. Infolgedessen kann die Temperatur tn im Prinzip der Zieltemperatur Ta unendlich nahe gebracht werden, indem man die Zahl n unendlich weit erhöht.
Sind übrigens die Proportionalitätsfaktoren Gj einander gleich und auch gleich K, verlaufen die drei linearen Darstellungen W(O), W(1) und W(2) in Fig. 3 parallel zueinander. Fig. 3 zeigt nur die Vorgänge bis zum dritten Gleichgewicht. Wenn außerdem die Funktion E=f(D), die die Abstrahlungsgeschwindigkeit von dem Objektiv aus repräsentiert, als linear betrachtet werden kann, wird Gl. (16) reduziert auf:
Hierin ist F=Fj und G=Gj (j=1, 2, . . ., n-1).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Stromkreises eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der bei dem Ausführungsbeispiel verwendeten Durchflußküvetteneinheit;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Prinzips und der Funktion der Erfindung;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Schritte der Temperaturregelung des Ausführungsbeispiels zeigt; und
Fig. 5 ist ein Fließbild zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend beschrieben. Das Ausführungsbeispiel ist als Temperaturregler für eine Durchflußküvette eines Spektrophotometers ausgebildet. Der gesamte Aufbau des Ausführungsbeispiels ist in Fig. 1 als Blockdiagramm dargestellt. In Fig. 1 stehen eine Thermomoduleinheit 2 und ein Thermistor 3 in thermischem Kontakt mit einer Durchflußküvette 1, wie durch dicke gestrichelte Linien angedeutet. Die Herstellung des thermischen Kontakts zwischen ihnen ist in Fig. 2 veranschaulicht. Die Thermomoduleinheit 2, die in Fig. 1 als ein Block dargestellt ist, setzt sich gemäß Fig. 2 aus einem Paar von Thermomodulen 2a und 2b zusammen, zwischen denen die Durchflußküvette 1 eingeschlossen ist. Die Thermomodule 2a und 2b sind elektrisch in Reihe miteinander geschaltet und werden durch Leitungen 2c mit Strom versorgt. Der Thermistor 3 seinerseits ist in die Durchflußküvette 1 eingebettet. Der Thermistor 3 dient dazu, die Temperatur der Durchflußküvette 1 zu fühlen, während die Thermomodule 2a und 2b der Durchflußküvette Wärme zuführen oder entziehen, und zwar entsprechend der Polarität des ihnen zugeführten Stromes. Die Durchflußküvette 1 besitzt außerdem ein Zuführungsrohr 1b für Proben (flüssig) und ein Probenabflußrohr 1c auf sowie ein Lichtfenster 1a, durch das Licht in die Küvette 1 einfallen kann. In dem gesamten Aufbau des Stromkreises nach Fig. 1 spielt der Thermistor 3, dessen Widerstand R(t) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, die Rolle des Feedback-Resistors in einem invertierenden Verstärkerkreis 4, in dem ein Rechenverstärker 4a verwendet wird. Die invertierende Eingangsklemme des Rechenverstärkers 4a ist über einen Eingangswiderstand r mit einer äußeren Klemme 4b verbunden. Die Klemme 4b wird auf einer konstanten Minus-Spannung -VO gehalten. Der Ausgang des Verstärkerkreises 4 wird mit einer Bezugsspannung Vf durch einen Differentialverstärker 5 verglichen, der aus einem Rechenverstärker 5a und zusammenhängenden Widerständen r&sub1;'s und r&sub2;'s besteht. Somit gibt der Differentialverstärkerkreis 5 ein Differenzsignal Vd proportional zu der Differenz zwischen der Bezugsspannung Vf und dem Ausgang des Verstärkerkreises 4 ab. Das Differenzsignal Vd wird anschließend durch einen Analog-Digital-Converter 6 digitalisiert und einem Mikrocomputer 7 eingegeben, der eine Zentraleinheit (CPU) 7a, einen Speicher mit direktem Zugriff (RAM) 7b und einen Festwertspeicher (ROM) 7c aufweist. Der Mikrocomputer 7 erzeugt Betätigungssignale, um einen Thermomodul-Antriebsstromkreis 8 entsprechend dem Differenzsignal Vd zu betätigen. Die Thermomoduleinheit 2 wird von dem Thermomodul-Antriebsstromkreis 8 mit Strom versorgt und liefert oder entzieht der Durchflußküvette 1 Wärme, um sie auf eine vorbestimmte Zieltemperatur einzuregeln. Die Funktion des so aufgebauten Ausführungsbeispiels wird im folgenden auch anhand der Formeln und von Fig. 4 gemäß dem vorstehenden Abschnitt über Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung beschrieben.
Es sei z. B. angenommen, daß anfänglich eine Beziehung Te≤t«Ta existiert, in der Te die Umgebungstemperatur der Durchflußküvette 1, t die Temperatur der Durchflußküvette 1 und Ta eine Zieltemperatur ist. Der invertierende Verstärkerstromkreis 4 (mit der auf dem Minuspotential -VO gehaltenen Klemme 4b) gibt ein Temperatursignal mit der Spannung (VO/r)R(t) entsprechend dem Widerstand R(t) des Thermistors 3 ab, wobei dieser Widerstand R die Temperatur t wiedergibt. Der Differentialverstärkerstromkreis 5 vergleicht das Temperatursignal mit einer positiven Bezugsspannung Vf, die auf einen Wert entsprechend einer Zieltemperatur Ta eingestellt ist, auf welcher die Durchflußküvette 1 endgültig gehalten werden soll. Die Bezugsspannung Vf ist daher gleich (VO/r)R(Ta). Der Differentialverstärker 5 vergleicht (VO/r)R(t) mit Vf=(VO/r)R(Ta) und gibt folgendes Differenzsignal ab:
Dieses Signal ist proportional zu der Differenz zwischen dem Temperatursignal (VO/r)R(t) und dem Bezugssignal Vf. Gl. (19) entspricht Gl. (1) (und Gl. (3), wie weiter unten erwähnt). Diese Differenz Vd wird durch den Analog-Digital- Converter 6 digitalisiert und dann dem Mikrocomputer 7 zugeführt. Entsprechend der Polarität und Größe des Differenzsignals Vd erzeugt der Mikrocomputer 7 vorbestimmte Betätigungssignale und betätigt den Thermomodul-Antriebsstromkreis 8, der ein Stromrichtungs-Umschaltelement 8a, einen Umschalttransistor 8b und eine Gleichstromquelle 8c aufweist. Falls wie im vorliegenden Fall die Polarität von Vd anzeigt, daß t< Ta, betätigt der Mikrocomputer 7 das Stromrichtungs- Umschaltelement 8a in der Weise, daß ein von dem Umschalttransistor 8b gelieferter Strom in derjenigen Richtung gesendet wird, die die Thermomoduleinheit 2 zum Erzeugen von Wärme veranlaßt. Außerdem erzeugt der Computer 7 (aus der CPU 7a) ein Impulssignal, dessen Breite U proportional zu der Größe von Vd innerhalb der Periode der Signalprüfung durch den Analog-Digital-Converter 6 ist. Dieses Impulssignal treibt den Umschalttransistor 8a an, um ihn zu veranlassen, einen Thermomodul-Antriebsimpulsstrom mit der gleichen Breite U abzugeben. Nachdem die Thermomoduleinheit 2 mit diesem Impulsstrom versorgt worden ist, erzeugt sie eine Wärme, die proportional zu dem Differenzsignal Vd ist und die Temperatur t der Durchflußküvette 1 in Richtung auf die Zieltemperatur Ta erhöht. Dieses Regelungsstadium entspricht der Stromzufuhr nach Gl. (3). Wenn t in Richtung auf Ta ansteigt, steigt auch R(t) (das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist) in Richtung auf R(Ta), wodurch Vd kleiner wird. Der Rückgang von Vd ist begleitet von einem Rückgang der Impulsbreite des durch den Computer 7 (CPU 7a) an den Transistor 8b gelieferten Betätigungssignals, was zu einer Verringerung der Wärmeerzeugung durch die Thermomoduleinheit 2 führt. Andererseits verstärkt sich die Wärmeabstrahlung der Durchflußküvette 1 entsprechend Gl. (4), während die Temperatur t ansteigt. Die gleichzeitig ablaufenden Vorgänge der abnehmenden Wärmezufuhr zu der Durchflußküvette 1 und der von ihr ausgehenden Wärmeabstrahlung erreichen bald einen Punkt, in dem sie einander aufheben und das gesamte Steuerungssystem in sein erstes Gleichgewicht bringen, bevor die Temperatur t der Durchflußküvette 1 die Zieltemperatur Ta erreicht. Dies bedeutet, daß in Fig. 3 die Punkte P und Q sich auf den Punkt S zu bewegen und dort zusammentreffen. Bei diesem ersten Gleichgewicht verbleiben t und Vd auf t&sub1;< Ta bzw. Vd1=Vd(t&sub1;) (Siehe Gl. (5), (6) und (7).) Nachdem das (erste) Gleichgewicht dadurch bestätigt worden ist, daß das Differenzsignal Vd während einer vorbestimmten Zeitspanne auf einem konstanten Wert Vd1=Vd(t&sub1;) verbleibt, speichert der Mikrocomputer 7 den Wert in dem RAM 7b und erneuert gleichzeitig die Impulsbreite U des erzeugten Betätigungssignals, so daß es proportional wird zu:
VD(t)=Vd1+α[R(Ta)-R(t)] (20)
Dies ist die Summe des gespeicherten Wertes Vd1 und einer Differenzspannung Vd(t)=α[R(Ta)-R(t)], die der Verstärker 5 nunmehr ausgibt. (Gleich nachdem der Mikrocomputer 7 die Impulsbreite erneuert, ist Gl. (20) gleich 2Vd1, da t in [R(Ta)-R(t)] t&sub1; ist.) Somit wird der Durchschnittswert des Impulsstromes, der der Thermomoduleinheit 2 zugeführt wird, und daher auch die der Durchflußküvette zuzuführende Wärmeenergie ebenfalls proportional zu Gl. (20) erhöht. Diese verstärkte Zufuhr von Wärmeenergie entspricht Gl. (8). Nachdem die Wärmeenergie proportional zu Gl. (18) verstärkt worden ist, beginnt die Durchflußküvette 1 wiederum in Richtung auf Ta aufgeheizt zu werden, bis die Energiezufuhr und die Wärmeabstrahlung wiederum einander aufheben und das gesamte Steuerungssystem in das zweite Gleichgewicht bringen. Bei diesem zweiten Gleichgewicht verbleibt die Temperatur t der Durchflußküvette 1 auf einer Temperatur t&sub2;, die durch das Verhältnis t&sub1;< t=t&sub2;< Ta wiedergegeben wird, und die durch Gl. (18) gegebene Summe ist gleich Vd1+α[R(Ta)-R(t&sub2;)]. Gemäß Fig. 3 beginnt bei diesem zum zweiten Gleichgewicht führenden Vorgang der Punkt Q, der bereits beim ersten Gleichgewicht den Punkt S erreicht hat, sich von dort aus in Richtung auf den Punkt S' zu bewegen, während der Punkt P, der ebenfalls im Punkt S lag, einmal zu dem Punkt P' hochspringt und sich dann auf den Punkt S' zu bewegt. Beide Punkte P' und Q' treffen natürlich bei zweiten Gleichgewicht im Punkt S' zusammen. Wie aus dem Regelprozeß zum Erreichen des zweiten Gleichgewichts zu entnehmen, führt das erfindungsgemäße Steuerungssystem schrittweise zusätzliche Regelvorgänge ähnlich demjenigen zum Erreichen des zweiten Gleichgewichts durch, und zwar nacheinander jedesmal dann, wenn ein Gleichgewichtszustand am Ende des vorhergehenden Regelvorgangs erreicht wird. Obwohl sich im Prinzip die Durchführung zusätzlicher Regelvorgänge ständig fortsetzt, so daß δn unendlich klein wird, kommt das System in der Praxis zum Stillstand unter der Bedingung, daß Vd(t) einen so kleinen Wert erreicht, daß das Verhältnis S/N des Differentialverstärkerkreises 5 gleich Eins wird. Auf diese Weise kann die Temperatur t der Durchflußküvette 1 im wesentlichen auf die Zieltemperatur Ta eingeregelt werden. Der Zeitprozeß des Anstiegs von t gegen Ta ist qualitativ durch eine Kurve in Fig. 4 veranschaulicht, in der die drei waagerechten Abschnitte t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; den Punkten S, S' bzw. S'' in Fig. 3 entsprechen. Diese waagerechten Abschnitte erscheinen aufgrund der Zeiten, während welcher der Mikrocomputer 7 Gleichgewichtszustände zwischen der Energiezufuhr und der Wärmeabstrahlung bestätigt.
Die vorstehende Beschreibung gilt für den Fall, daß anfänglich t< Ta angenommen wurde. Fall anfänglich t> Ta angenommen wurde oder t aus irgendeinem Grunde größer wird als Tag z. B. wegen eines plötzlichen Abfalls der Umgebungstemperatur Te während des Vorgangs der Erhöhung von t gegen Ta oder nach dem Erreichen von t=Ta, wird die Polarität des durch den Verstärker 5 ausgegebenen Differenzsignals Vd(t) umgekehrt, so daß der zu der Thermomoduleinheit 2 fließende Strom seine Richtung ändert, um der Durchflußküvette 1 Wärme zu entziehen. Somit läuft der gesamte Regelvorgang in umgekehrter Richtung ab, um die Temperatur t gegen Ta zu senken.
Die oben beschriebene Funktion des Ausführungsbeispiels kann anhand eines Fließbildes nach Fig. 5 zusammengefaßt werden.
In dem Fließbild bedeutet N=O in Schritt I, daß zu Anfang der RAM 7b (Fig. 1) keine Signale speichert, die zu dem Differenzsignal Vd(t) aus dem Verstärkerstromkreis 5 (Fig. 1) zu addieren sind. Das Differenzsignal Vd(t) wird im Schritt 11 geprüft (durch den Analog-Digital-Converter 6 (Fig. 1)) und schreitet dann, falls es im Schritt III als immer noch zeitvariabel befunden wird, direkt zu Schritt V vor, wo die Breite U des Thermomodul-Antriebsimpulsstroms entsprechend einer Spannung VD(t) nach Gl. (21) ermittelt wird. Ein derartiger die Schritte II, III und V durchlaufender Prozeß wird wiederholt, bis Vd(t) auf einer konstanten Spannung Vdn=Vd(tn) stabilisiert ist, die beim n-ten Gleichgewicht erscheint. Wird Vd(t) im Schritt III als bei Vdn verbleibend befunden, wird N in Gl. (21) durch n(=1, 2, . . .) ersetzt. Wenn N durch n ersetzt wird, wird der Vorgang mit den Schritten II, III und V nochmals wiederholt. Daher besteht bis zum Erreichen des ersten Gleichgewichts, bei dem Vd(t) zum ersten Mal auf Vd1 gehalten wird, VD nur in dem Ausdruck βOVd(t) (entsprechend Gl. (3)), da zu Anfang N=O ist (Vdo, das in Gl. (21) für alle Werte von N erscheint, ist als Null definiert). In der Folge wird jedesmal dann, wenn Vd(t) stabilisiert ist, VD in βOVd1+β&sub1;Vd(t) verwandelt (entsprechend Gl. (8) und (20)), βOVd1+β&sub1;Vd2+β&sub2;Vd(t) usw.
Obwohl die vorliegende Erfindung am Ausführungsbeispiel eines Heizgerätreglers beschrieben wurde, stellt dieses verbesserte proportionale Steuerungssystem eine fundamentale Erfindung dar, wie nachstehend aus Anspruch hervorgeht. Die Erfindung hat daher überaus umfassende und zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, z. B. als Geschwindigkeitsregler für ein Fahrzeug, als Drehzahlregler, zur Regelung des Flüssigkeitsspiegels in einem mit einem Abfluß versehenen Bad oder dergleichen.

Claims

1. Proportionales Steuerungssystem, das eine physikalische Größe innerhalb eines geregelten Prozesses durch Verstellen einer dein Prozeß zugeführten Eingangsgröße steuert, mit folgenden Bestandteilen:

einer ersten Einrichtung (1) zum Ermitteln des Augenblickswertes der physikalischen Größe,

einer zweiten Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Differenzsignals, das die Differenz zwischen der genannten physikalischen Größe und einem vorbestimmten Bezugswert (Vf) wiedergibt,

einer dritten Einrichtung (7, 8) zum Regeln der vorgenannten, dein Prozeß zugeführten Eingangsgröße proportional zu dem Differenzsignal, gekennzeichnet durch:

eine Einrichtung zum Ermitteln eines Gleichgewichtszustands (in 7a), die ein Gleichgewicht zwischen dem Augenblickswert der Prozeßeingangsgröße und Verlusten der physikalischen Größe infolge des Prozeßverlaufs ermittelt,

einen Speicher (7b) zum Speichern des genannten Differenzsignals im Augenblick des Gleichgewichts,

eine Addiereinrichtung (in 7a) zum Addieren des in dem genannten Speicher (7b) gespeicherten Differenzsignals zu dem Ausgang der genannten zweiten Einrichtung (5),

und eine vierte Einrichtung zum Eingeben des Ausgangs der Addiereinrichtung in die genannte dritte Einrichtung (7, 8), um die genannte Eingangsgröße für den Prozeß in der Weise zu regeln, daß in einem ersten Schritt ein Gleichgewichtszustand hergestellt wird, in dem die physikalische Größe auf einem Wert stabilisiert wird, der von dem Zielwert des Steuerungssystems abweicht, und daß in den darauffolgenden Schritten die dritte Einrichtung (7) die Eingangsgröße für den Prozeß proportional zur Summe des Augenblickswertes der physikalischen Größe und des im Speicher (7b) gespeicherten Differenzsignals regelt, so daß in einem Prozeß stufenweiser Annäherung das Gleichgewicht dem geforderten Zielwert der physikalischen Größe näher gebracht wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe eine Temperatur und die Eingangsgröße thermische Energie ist und daß die Funktionen der Einrichtung zum Ermitteln des Gleichgewichtszustands, die Addiereinrichtung und die vierte Einrichtung computerisiert sind.