-
Druckmittelbetriebener Regler Die Erfindung betrifft einen mit einem
Druckmittel betriebenen Regler, bei dem der Istwert und der Sollwert der Regelgröße
als Drücke eingegeben werden und die Proportionalwirkung mit Hilfe eines aus Strömungswiderständen
bestehenden Druckteilers einstellbar ist.
-
Bei bekannten Konstruktionen dieser Art wird die als Eingangssignal
vorhandene Regelabweichung verstärkt und auf das Stellglied übertragen. Die als
Proportionalwirkung, Integralwirkung oder Differentialwirkung zu bildende Reglerfunktion
wird dadurch erzeugt, daß man das Ausgangssignal des Reglers über eine zum Verstärker
parallel verlaufende Abzweigung - eine sogenannte Rückführung - mit dem Eingangssignal
in kraft- oder wegvergleichende Beziehung setzt. Ist der die Eigenschaften des Reglers
kennzeichnende Frequenzgang als Funktion vorgegeben, so entspricht bei genügend
großem Verstärkungsfaktor des Verstärkers der Frequenzgang der Rückführung dem reziproken
Wert dieser Funktion. Die Einstellung der gewünschten Reglerfunktion - der Proportionalwirkung,
der Integralwirkung oder der Differentialwirkung - ist bei den bekannten Ausführungen
der Regler daher in dem Rückführzweig des Verstärkers vorgesehen, wobei zur Einstellung
des Proportionalbereiches die im Rückführkanal befindlichen Strömungswiderstände
des Druckteilers verändert werden.
-
Erfindungsgemäß sind die Strömungswiderstände des Druckteilers im
Strömungsweg zwischen dem Druckleiter für den Istwert und dem Druckleiter für den
Sollwert angeordnet. Der Proportionalbereich ist hierbei durch die Einstellung des
Verhältnisses der Strömungswiderstände gegeben.
-
In Ausgestaltung der Erfindung kann man eine einstellbare Integralwirkung
ebenso wie eine einstellbare Differentialwirkung in der Weise erzielen, daß das
Verhältnis der Strömungswiderstände in der Druckteilerschaltung in Abhängigkeit
von dem zeitlichen Verlauf der Regelabweichung veränderbar ist. Dies kann unter
Verwendung bekannter Mittel, z. B. mit Hilfe einer veränderbaren Drossel, geschehen,
die von einem Federbalg betätigt wird, wobei die Druckzufuhr zum Federbalg über
eine einstellbare Drossel erfolgt.
-
Der Grundgedanke der Erfindung sei an Hand von Blockschaltbildern
erklärt, wie sie in den Abb.1 und 2 dargestellt sind.
-
Abb.l zeigt schematisch den Aufbau eines Reglers bekannter Konstruktion
mit den übergangsfunktionen der Übertragungsglieder. Das Eingangssignal -z. B. ein
dem Istwert der Regelgröße und ein dem Sollwert der Regelgröße entsprechender Druck
-wird dem linearen Übertragungsglied 1 zugeführt. Das Übertragungsglied l führt
den Vergleich zwischen Sollwert und Istwert durch. An seinem Ausgang herrscht ein
der Regelabweichung entsprechender Druck. Dieser Druck wird in dem Verstärker 2
verstärkt und über die Leitung 3 auf das nicht dargestellte Stellglied übertragen.
Der am Ausgang des Verstärkers 2 herrschende Stelldruck wird über die Rückführung
4 wieder an den Eingang des Verstärkers 2 zurückgeführt. An der Rückführung wird
durch Veränderung ihrer Wirkungsweise die Einstellung der Proportionalwirkung, der
Integralwirkung und gegebenenfalls auch der Differentialwirkung vorgenommen.
-
In Abb.2 ist das Blockschaltbild eines Reglers nach der Erfindung
wiedergegeben. Das Eingangssignal, bestehend aus einem dem Istwert der Regelgröße
und einem dem Sollwert der Regelgröße entsprechenden Druck, wird der Druckteilerschaltung
5 zugeführt, deren Übertragungseigenschaften durch die eingezeichnete Übergangsfunktion
dargestellt sind. In dieser Druckteilerschaltung wird durch Strömungswiderstände
ein Zwischendruck gebildet, der als Eingangsdruck für den Verstärker 2 dient. Der
Ausgang des Verstärkers 2 ist über die Leitung 3 mit dem Stellglied verbunden. Eine
einstellbare Proportionalwirkung, Integralwirkung und Differentialwirkung erfolgt
durch Beeinflussung der Strömungswiderstände in der Druckteilerschaltung 5.
-
Ein nach der Erfindung aufgebauter Regler besitzt gegenüber den bekannten
Reglern eine Reihe von Vorteilen: Die Reglerfunktionen (P-I-D-Verhalten) werden
vor dem Verstärkereingang erzeugt und eingestellt;
die bei Reglern
mit einstellbarer Verstärkerrückführung vorhandene Neigung zu Eigenschwingungen
ist hierdurch von vornherein ausgeschaltet.
-
Der verwendete Verstärker dient im wesentlichen zur Energieabgabe
an das Stellglied; er ist bezüglich seiner Wirkungsweise und seiner räumlichen Anordnung
unabhängig von den Bauteilen, welche die Reglerfunktionen ausüben. Hierdurch besteht
eine freie Wahl bezüglich der für den Verstärker verwendeten Hilfskraft und für
seinen Aufstellungsort. So ist es z. B. möglich, die Druckteilerschaltung mit der
Einrichtung zum Einstellen des Proportionalbereiches, der Integralwirkung und der
Differentialwirkung zusammen mit einem als Vorverstärker dienenden Übertrager in
einer Meßwarte unterzubringen, während der Kraftverstärker mit dem zugehörigen Anschluß
an die Hilfsenergiequelle am Stellort angeordnet werden kann.
-
Es ist außerdem möglich, den Verstärker in wegvergleichender oder
kraftvergleichender Ausführung ; zu wählen.
-
Ein weiterer Vorteil des Reglers nach der Erfindung ist darin zu sehen,
daß die Verstellung des Proportionalbereiches mit geringem Aufwand an Bauteilen
geschieht, wobei außerdem durch die Verstellung kein Stoß auf den Regelkreis ausgeübt
wird. Es sind zwar Regler bekannt, auch solche mit Druckteiler, bei denen die Verstellung
des Proportionalbereiches stoßfrei durchgeführt werden kann. Bei den bekannten Ausführungen
geschieht dies jedoch mit ; verhältnismäßig großem Aufwand, mit Hilfe eines zusätzlichen
Relais oder durch eine zur Vergleichsbildung von Kräften dienende Waage mit einstellbarem
Hebelverhältnis.
-
Die Ableitung der Differentialwirkung vom Istwert ; der Regelgröße
ist außerdem vorteilhaft. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, bei Reglern
die Differentialwirkung von dem als Ausgangsgröße des Reglers erzeugten Stelldruck
abzuleiten. Bei intermittierendem Betrieb wird dies von Nachteil sein, weil hierbei
- z. B. unmittelbar nach dem Einschalten - die gewünschte Abhängigkeit der Reglerfunktion
von der Abweichung des Istwertes vom Sollwert der Regelgröße nicht immer gegeben
ist.
-
Schließlich ermöglicht der Regler nach der Erfindung durch den Fortfall
der Rückführung des Verstärkers und durch die Ableitung der Reglerfunktionen von
den Eingangsgrößen eine besonders raumsparende Bauweise. Es sind die zur Bildung
der Zeitfunktionen erforderlichen Volumen geringer, wenn ; sie an die verhältnismäßig
geringen Eingangsdrücke anzuschließen sind, als wenn sie von den verstärkten Ausgangsdrücken
abgeleitet werden müssen.
-
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
dargestellt.
-
Abb.3 zeigt einen einfachen pneumatischen Proportionalregler. Der
Istwert der Regelgröße wird über die Rohrleitung 6 als pneumatischer Druck zugeführt.
Über die Rohrleitung 7 wird ein Druck zugeleitet, der dem Sollwert der Regelgröße
entspricht. In dem Strömungsweg zwischen diesen beiden Leitungen sind als Strömungswiderstände
eine verstellbare Drossel 8 und eine fest eingestellte Drossel 9 angeordnet. Der
zwischen den beiden Drosseln 8 und 9 herrschende Druck wird in dem Übertrager 10
mit dem in der Leitung 7 herrschenden Druck verglichen, der dem Sollwert der Regelgröße
entspricht. Der Übertrager 10 besteht aus einer Balgfeder 11, die an ihrem beweglichen
Ende druckdicht abgeschlossen ist und von einem druckfesten Gehäuse umgeben wird.
Der von der Balgfeder 11 abgeschlossene Innenraum 13 ist über die Leitung
12 dem zwischen den beiden Drosseln 8 und 9 herrschenden Druck ausgesetzt,
während von außen auf die Balgfeder 11 der Druck des Raumes 14 einwirkt. Der Raum
14 im Übertrager 10 ist über die Leitung 15 mit der Rohrleitung 7 verbunden; er
ist damit einem Druck ausgesetzt, der dem Sollwert der Regelgröße entspricht. Das
bewegliche Ende der Balgfeder 11 ist mit dem Hebel 16 verbunden, der im Punkt
17 drehbar gelagert ist und druckdicht aus dem Gehäuse des übertragers 10 herausgeführt
ist. Das frei bewegliche Ende 18 des Hebels 16 ist als Prallplatte ausgeführt; es
ist in einem geringen Abstand vor einer Ausströmdüse 19 angeordnet. Der Ausströmdüse
19 wird über die Rohrleitung 20 und die Drossel 21 Druckluft zugeführt. Der vor
der Ausströmdüse 19 herrschende Druck wird durch die Rohrleitung 22 dem nicht dargestellten
Stellglied der Regelstrecke unmittelbar oder über eine weitere Verstärkerstufe zugeleitet.
-
Tritt nun eine Abweichung des Istwertes vom Sollwert auf, so bildet
sich auf dem Strömungsweg, welcher die Rohrleitung 6 mit der Rohrleitung 7 verbindet,
zwischen den beiden Drosseln 8 und 9 ein Zwischendruck, dessen Wert durch das Verhältnis
der Strömungswiderstände der beiden Drosseln 8 und 9 festgelegt wird. Die Abweichung
dieses Zwischendruckes von dem in der Leitung 7 herrschenden, dem Sollwert entsprechenden
Druck bewirkt am Übertrager 10 eine Auslenkung des Hebels 16. Durch die Bewegung
des Hebels 16 wird der Abstand der Prallplatte 18 von der Ausströmdüse 19 und damit
auch der durch die Leitung 22 abgegebene Stelldruck verändert.
-
Der Übertrager 10 wirkt hierbei in Verbindung mit der Ausströmdüse
19 und der Prallplatte 18 als Verstärker in der Weise, daß durch einen geringen
Druckunterschied zwischen den Leitungen 12 und 15
am Eingang des Übertragers
eine starke Druckänderung in der zum Stellglied führenden Leitung 22 erzeugt wird.
Die Verstärkung arbeitet nach dem Verfahren des Wegvergleichs, indem einer bestimmten
Bewegung der Prallplatte 18 ein bestimmter Druck vor der Ausströmdüse zugeordnet
wird. Maßgebend für die vom Übertrager 10 auf den Stehdruck in der Leitung 22 ausgeübte
Druckänderung ist also die Abweichung des Druckes zwischen den beiden Drosseln 8
und 9 und dem in der Leitung 7 herrschenden Druck, der dem Sollwert entspricht.
Der zwischen den beiden Drosseln 8 und 9 herrschende Druck läßt sich durch Verstellen
der Drossel 8 verändern. Durch Verstellen der Drossel 8 ist also die Möglichkeit
gegeben, eine bestimmte Regelabweichung vorausgesetzt, die zugehörige Änderung des
Stelldruckes zu beeinflussen oder, anders ausgedrückt, den Proportionalbereich des
Reglers zu verstellen.
-
In Abb. 4 ist ein pneumatischer Regler nach der Erfindung mit Proportional-,
Integral- und Differentialwirkung dargestellt. Über die Rohrleitung 6 wird dem Regler
ein Druck zugeführt, welcher dem Istwert der Regelgröße entspricht, und über die
Rohrleitung 7 wird ein dem Sollwert der Regelgröße entsprechender Druck zugeleitet.
Auf dem Strömungsweg zwischen den druckführenden Rohrleitungen 6 und 7 sind die
folgenden Strömungswiderstände in Reihe geschaltet: die einstellbare Drossel 8,
das
Zeitglied 23, die feste Drossel 9 und das Zeitglied 24. Die Verbindungsleitung zwischen
der einstellbaren Drossel 8 und dem Zeitglied 23 ist über die Leitung 12 mit dem
Übertrager 10 verbunden; außerdem ist auch die Rohrleitung 7 über die Leitung 15
an den Übertrager 10 angeschlossen. Der Übertrager 10 betätigt die aus Prallplatte
18 und Ausströmdüse 19 bestehende Verstärkereinrichtung für die Druckzufuhr 22 zu
dem nicht dargestellten Stellglied.
-
Die beiden Zeitglieder 23 und 24 bestehen aus druckdichten Gehäusen,
die durch die Trennwände 25 und 26 in je zwei Räume 27, 28 und 29, 30 unterteilt
sind. In den unteren Teilräumen 28 und 30 sind die Balgfedern 31 und 32 angeordnet.
Die von diesen beiden Balgfedern begrenzten Räume 33 und 34 sind über die beiden
einstellbaren Drosseln 35 und 36 an die Verbindungsleitung zwischen der einstellbaren
Drossel 8 und dem Raum 28 des Zeitgliedes 23 angeschlossen.
-
In den Trennwänden 25 und 26 der beiden Zeitglieder 23 und 24 sind
einstellbare Ventile 37 und 38 angeordnet, deren Ventilkörper 39 und 40 mit den
beweglichen Enden der beiden Balgfedern 31 und 32 fest verbunden sind. Die Ventilkörper
39 und 40 bestehen aus je zwei Kugeln, die durch einen Stab miteinander verbunden
sind. Die Ventile 37 und 38 sind so justiert, daß sie geöffnet sind, wenn die von
außen und von innen auf die Federbälge 31 und 32 einwirkenden Drücke übereinstimmen.
-
Nimmt der Druck in den Räumen 28 und 30 außerhalb der Balgfedern 31
oder 32 höhere Werte an als in den Räumen 33 bzw. 34 innerhalb der Balgfeder 31
bzw. 32, so werden die beiden Ventile 37 oder 38 durch Abwärtsbewegung der Ventilkörper
39 bzw. 40 geschlossen. Die beiden Ventile 37 und 38 werden ebenfalls geschlossen,
wenn der Druck in den Räumen 33 und 34 innerhalb der Balgfedem überwiegt und dadurch
die Ventilkörper 39 und 40 aufwärts bewegt werden.
-
Bei Abweichungen zwischen Istwert und Sollwert der Regelgröße tritt
ein Druckunterschied zwischen den Rohrleitungen 6 und 7 auf. Dieser Druckunterschied
wirkt sich zunächst ohne nennenswerte Verzögerung auf den Raum 28 des Zeitgliedes
23 aus und bewirkt dadurch eine schließende Bewegung des Ventilkörpers 39. Über
die einstellbare Drossel 35 wird der zwischen den Rohrleitungen 6 und 7 herrschende
Druckunterschied mit zeitlicher Verzögerung dem Trennraum 33 der Balgfeder 31 zugeführt
und hierdurch die schließende Bewegung des Ventilkörpers 39 wieder rückgängig gemacht.
Die Funktion des Reglers wird durch die zeitabhängige Betätigung des Ventils 37
im differenzierenden Sinne beeinflußt in der Weise, daß die zwischen verstellbarer
Drossel 8 und Zeitglied 23 entstandene zeitabhängige Druckänderung als Eingangsgröße
auf den Übertrager 10 und damit auch auf das Stellglied einwirkt. Die zeitliche
Verzögerung, mit der diese Differentialwirkung wieder abgebaut wird, läßt sich durch
Verändern des Querschnittes der Drossel 35 einstellen.
-
Das im Strömungsweg zwischen der Rohrleitung 6 und der Rohrleitung
7 befindliche Ventil 38 des Zeitgliedes 24 wird über die einstellbare Drossel 36
ebenfalls durch den zwischen der einstellbaren Drossel 8 und dem Zeitglied 23 herrschenden
Druck beeinflußt. Das Ventil 38 übt hierbei eine integrierende Wirkung auf
den Regelvorgang aus, indem beim Auftreten einer Regelabweichung durch die Wirkung
der einstellbaren Drossel 36 in Verbindung mit der Balgfeder 32 der Ventilkörper
40 zeitabhängig in schließendem Sinne bewegt wird. Hierdurch wird in der Eingangsleitung
12 zum Übertrager 10 ein stetig zunehmender Druck aufgebaut, der bis auf die volle
Größe des dem Istwert entsprechenden Druckes in der Rohrleitung 6 anzusteigen vermag.
Die Nachstellzeit der Integralwirkung läßt sich durch Verändern des Querschnittes
der Drossel 36 einstellen.
-
Durch Verstellen der einstellbaren Drossel 8 läßt sich das durch die
einstellbare Drossel 8 einerseits und das durch die feste Drossel 9 und die Zeitglieder
23 und 24 andererseits gegebene Verhältnis der Strömungswiderstände verändern, welche
auf dem Strömungsweg zwischen der Rohrleitung 6 und der Rohrleitung 7 angeordnet
sind. Es wird hierdurch einer Regelabweichung ein bestimmter Eingangsdruck des Übertragers
10 zugeordnet und damit der Proportionalbereich des Reglers eingestellt.
-
Für Anwendungsgebiete von Reglern, bei denen eine Differentialwirkung
nicht erforderlich ist, läßt sich aus dem in Abb.4 dargestellten Regler durch Fortlassen
des Zeitgliedes 23 ein Regler mit Proportional- und Integralwirkung herstellen.
Es läßt sich hierdurch ein Regler dieser Funktion mit besonders geringem Aufwand
herstellen.
-
In Abb.5 ist ein pneumatischer Regler mit Proportional-, Integral-
und Differentialwirkung dargestellt, der in seiner Ausführung von dem in Abb.4 angegebenen
abweicht. Bei diesem Regler wird als Eingangsgröße über die Rohrleitung 6 ein Druck
zugeführt, welcher dem Istwert der Regelgröße entspricht. Über die Rohrleitung 7
wird ein dem Sollwert entsprechender Druck eingegeben. Auf dem Strömungsweg zwischen
den Rohrleitungen 6 und 7 sind die folgenden Strömungswiderstände in Reihe geschaltet:
die einstellbare Drossel 8 zum Einstellen des Proportionalbereiches und die beiden
Zeitglieder 41 und 42. Zwischen diesen beiden Zeitgliedern befindet sich im Strömungsweg
ein Ventil 43, dessen aus zwei Kugeln bestehender Schließkörper 44 mit den beiden
Balgfedern 45 und 46 der Zeitglieder 41 und 42 starr verbunden ist; die von den
Balgfedern 45 und 46 der Zeitglieder 41 und 42 abgeschlossenen Räume 47 und 48 sind
über die einstellbaren Drosseln 35 und 36 an die Verbindungsleitung zwischen der
verstellbaren Drossel 8 und dem Zeitglied 41 angeschlossen. Der Übertrager 10 ist
über die Leitung 12 mit der Verbindungsleitung zwischen Drossel 8 und Zeitglied
41. verbunden; außerdem ist er an die Rohrleitung 7 durch die Leitung 15 angeschlossen.
-
Das Zeitglied 41 betätigt das Ventil 43 in differenzierender Weise.
Bei einer Abweichung zwischen Istwert und Sollwert wirkt der dem Istwert der Regelgröße
entsprechende Druck ohne nennenswerte Verzögerung auf den Raum 49 im Zeitglied 41
ein. Hierdurch wird zunächst ein Druckunterschied zwischen dem Raum 47 im Innern
der Balgfeder 45 und dem Raum 49 hervorgerufen, welcher eine schließende Bewegung
des Ventilkörpers 44 bewirkt. Diese schließende Bewegung wird durch die Druckzufuhr
über die einstellbare Drossel 35 mit zeitlicher Verzögerung wieder aufgehoben.
Die integrierende Wirkung wird durch das Zeitglied 42 gebildet. Beim Auftreten einer
Regelabweichung wird über die einstellbare Drossel 36 der im Raum 48 innerhalb der
Balgfeder 46 herrschende Druck zeitabhängig verändert und hierdurch auf den Schließkörper
44 des Ventils 43 ebenfalls
zeitabhängig eine schließende Bewegung
ausgeübt, die erst bei Gleichheit zwischen Sollwert und Istwert der Regelgröße wieder
aufgehoben wird.
-
Der Übertrager 10 betätigt einen nach dem Verfahren des Kraftvergleichs
arbeitenden pneumatischen Verstärker. Das bewegliche Ende der Balgfeder 11 im Übertrager
10 greift an dem einen Arm des drehbar gelagerten Hebels 16 an. Der andere
Arm des Hebels 16 ist mit der abschließenden Wandung 51 am beweglichen Ende einer
Balgfeder 52 verbunden. Innerhalb der Balgfeder 52 ist eine Ausströmdüse 53 angeordnet,
deren Öffnung sich unmittelbar vor der abschließenden Wandung 51 am beweglichen
Ende der Balgfeder 52 befindet. Durch die Leitung 20 und die Drossel
21 wird dem Raum 54 innerhalb der Balgfeder 52 Druckluft zugeführt.
Durch die Rohrleitung 22 wird der in dem Raum 54 herrschende Druck dem Stellglied
der Regelstrecke zugeleitet. Die in den Innenraum 54 der Balgfeder
52
strömende Luft wird durch die Ausströmdüse 53 abgeleitet. Beim Auftreten
einer Druckdifferenz am Eingang des Übertragers 10 wird durch die Balgfeder
11 eine Kraft auf den im Innern des übertragers befindlichen Arm des Hebels
16 ausgeübt. Diese Kraft wird über den außerhalb des Übertragers 10 befindlichen
Arm des Hebels 16 auf die abschließende Wandung 51 am beweglichen Ende der Baigfeder
52 übertragen.
-
Durch die den Luftaustritt steuernde Bewegung der Wandung 51 vor der
Ausströmdüse 53 wird innerhalb des Raumes 54 ein Druck aufgebaut, welcher als Kraft
über den Hebel 16 der Kraft der Balgfeder 11 entgegenwirkt und mit dieser
Kraft im Gleichgewicht steht. Der Verstärkungsgrad der aus übertrager 10, Balgfeder
52 und Ausströmdüse 53 bestehenden Verstärkereinrichtung läßt sich durch zweckmäßige
Wahl der wirksamen Querschnitte der Balgfedern 11 und 52 und das Verhältnis der
Armlängen des Hebels 16 festlegen.