DE1149440B - Three-point controller for recording and regulating the mean control error value - Google Patents

Description

Dreipunktregler zur Erfassung und Ausregelung des Regelfehlermittelwertes Bei Regelkreisen unterliegt das Stellglied auch bei bester Auslegung einem nicht vernachläßigbaren Verschleiß. Dies trifft besonders dann zu, wenn durch das Stellorgan große Energien zu steuern sind. Treten nun bei der Regelgröße statistische Schwankungen bzw. eine Oberwellenüberlagerung auf, so würde jedesmal bei einem momentanen überschreiten der statischen Ansprechgrenzen des Reglers ein Stellbefehl ausgelöst werden, wodurch das Stehorgan vorzeitig durch Verschleiß unbrauchbar würde.Three-point controller for recording and regulating the mean control error value In the case of control loops, the actuator is not subject to one, even with the best design negligible wear and tear. This is especially true when by the actuator great energies are to be controlled. There are now statistical fluctuations in the controlled variable or a harmonic superposition, it would exceed each time at a momentary one the static response limits of the controller, an actuating command can be triggered, whereby the standing organ would prematurely become unusable due to wear and tear.

Eine Einschränkung der Verstellhäufigkeit des Stellorgans durch Vergrößerung der Ansprechgrenzen kann nur dann in Frage kommen, wenn die dadurch bedingte Verminderung der Regelgenauigkeit in Kauf genommen werden kann.A limitation of the frequency of adjustment of the actuator through enlargement the response limits can only be considered if the resulting reduction the control accuracy can be accepted.

Hochgenaue Regelungen bei minimaler Verstellhäufigkeit des Stellgliedes erfordern deshalb Regeleinrichtungen, die auf kurzzeitig die statischen Ansprechgrenzen überschreitende Regelabweichungen nicht ansprechen, wohl aber auf noch so kleine bleibende Regelabweichungen.Highly precise controls with minimal adjustment frequency of the actuator therefore require control devices that briefly exceed the static response limits Do not address excessive control deviations, but address them, no matter how small permanent deviations.

Für diesen Zweck ist eine Regeleinrichtung bekannt, welche die Abweichung der Regelgröße nach Dauer und Größe mißt, als Impulse speichert und auswertet. Neben einem komplizierten Meßwerk waren hierzu aufwendige Impulswandler, Zeitglieder und Impulsspeicher erforderlich.For this purpose, a control device is known, which the deviation measures the controlled variable according to duration and size, stores it as pulses and evaluates it. Next to a complicated measuring mechanism were complex pulse converters, timing elements and Pulse memory required.

Bei Selbststeuereinrichtungen von Schiffen wurde schon vorgeschlagen, das Zeitintegral der Regelabweichung zur Einhaltung eines Sollkurses auszuwerten. Weiterhin war es bei einem mit Magnetkippverstärker aufgebauten Dreipunktregler bekannt, die Schalthäufigkeit unter Verwendung der natürlichen Ansprechträgheit der Magnetverstärker herabzusetzen. Hierbei verursachen große Regelabweichungen praktisch immer ein Ansprechen der Regeleinrichtung, seien sie nun von langer oder kurzer Dauer. Andererseits bedeuten häufig auftretende kurzzeitige Regelabweichungen geringer Größe eine Veränderung des zeitlichen Mittelwertes der Regelabweichung, die bei diesem bekannten Regler unberücksichtigt bleibt.In the case of self-steering devices on ships, it has already been proposed that evaluate the time integral of the control deviation to maintain a target course. Furthermore, it was with a three-point controller built with a magnetic tilt amplifier known, the switching frequency using the natural inertia the magnetic amplifier degrade. This causes large control deviations practically always a response of the control device, be it from long or short duration. On the other hand, frequently occurring short-term control deviations mean small size, a change in the mean value of the control deviation over time, which is not taken into account in this known controller.

Ein anderer Weg zur Lösung des Problems der minimalen Verstellhäufigkeit eines Reglers wird demgegenüber durch die Erfindung aufgezeigt. Sie betrifft einen Dreipunktregler, der den Mittelwert eines mit Oberwellen bzw. statistischen Schwankungen behafteten Regelfehlers ausregelt unter Anwendung von das Zeitintegral der Regelabweichung auswertenden Schaltmitteln sowie von Kippgliedern in Form von zwei Kippstufen mit je einem nachgeschalteten Relais, welche die Regelgröße in entgegengesetzter Richtung beeinflussen. Die Erfindung besteht darin, daß zwei bistabile Kippstufen jeweils mit unterschiedlichen Ansprech- und Abfallgrenzen verwendet sind, denen ein mif der Regelabweichung beaufschlagter Integrierverstärker vorgeschaltet ist, und daß eine von den Ausgängen der Kippstufen abgeleitete Größe zur dynamischen Stabilisierung der Regelung im Sinne einer Rückführung des Integrierverstärkers in seine Nullage auf den Eingang dieses Integrierverstärkers gegengekoppelt wird.Another way to solve the problem of the minimum frequency of adjustments In contrast, a controller is shown by the invention. It affects you Three-point controller that measures the mean value of a with harmonics or statistical fluctuations affected control error is corrected using the time integral of the control deviation evaluating switching means as well as flip-flops in the form of two flip-flops with each a downstream relay, which the controlled variable in the opposite direction influence. The invention consists in that two bistable multivibrators each with different response and fall-off limits are used, where a mif the control deviation applied integrating amplifier is connected upstream, and that a variable derived from the outputs of the flip-flops for dynamic stabilization the regulation in the sense of a return of the integrating amplifier to its zero position is fed back to the input of this integrating amplifier.

Die Ansprechgrenzen der Kippstufen und die Beschaltung des Verstärkers werden dabei so dimensioniert, daß erst bei überschreiten eines vorgegebenen Zeitintegrals des Regelfehlers ein Stellbefehl ausgelöst wird. Die Größe dieses Zeitintegrals kann den jeweiligen Erfordernissen auf einfache Weise durch Ändern der Werte zweier Schaltelemente angepaßt werden.The response limits of the multivibrators and the wiring of the amplifier are dimensioned so that only when a predetermined time integral is exceeded an actuating command is triggered after the control error. The size of this time integral can meet your needs in a simple manner by changing the values of two Switching elements are adapted.

Durch die erfindungsgemäße Kombination des Integrierverstärkers mit den beiden Kippstufen und der von letzteren abgeleiteten Gegenkopplung wird eine genaue Regelung auf den Mittelwert der Regelgröße bei sparsamster Betätigung des Stellgliedes möglich. Kurzzeitig auftretende Fehlerspitzen vermögen keinen Stellbefehl auszulösen, weil ihr Zeitintegral kleiner bleibt als das vorgegebene.The inventive combination of the integrating amplifier with the two flip-flops and the negative feedback derived from the latter becomes one precise regulation to the mean value of the controlled variable with the most economical actuation of the Actuator possible. Short-term error peaks are not capable of setting commands to trigger because their time integral remains smaller than the given one.

In. analoger Weise wird durch eine bewußt große Festlegung des Verhältnisses Ansprechwert zu Abfallwert der Kippstufen vermieden, daß bei angesprochenem Relais die Oberwellen des Regelfehlers ein intermittierendes Abfallen verursachen.In. in an analogous manner, by deliberately setting the ratio of the response value to the drop-out value of the flip-flops, avoiding the problem of the addressed Relay the harmonics of the control error cause an intermittent drop.

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Ausführung der von den Ausgängen der Kippstufen abgeleiteten Gegenkopplung. Damit der Dreipunktregler stabil und pendelfrei arbeitet, muß die für die Dynamik der Regelung schädliche Zeitkonstante des Integrierverstärkers prinzipiell durch eine verzögerte Gegenkopplung gleicher Zeitkonstante kompensiert werden. Unter Einsparung verzögernder Rückführglieder wird erfindungsgemäß der Integrator gleichzeitig zur Verzögerung des Eingangs- wie des Gegenkopplungsstromes herangezogen. Die Gegenkopplung wird daher uriverzögert auf den Eingang des Integrators rückgeführt und bewirkt dessen Rückintegration in die Ausgangslage. Da die Dauer dieser Rückintegration abhängig ist von der Differenz zwischen dem Eingangsstrom und denn konstanten, Gegenkopplungsstrom, erhält man als weiteren Vorteil, daß die Kontaktschließungzeit des nachgeschalteten Relais mit dem Regelfehler wächst.An essential part of the invention is the execution of the the negative feedback derived from the outputs of the flip-flops. So that the three-point controller stable and works without oscillation, the time constant that is detrimental to the dynamics of the control must be of the integrating amplifier in principle due to a delayed negative feedback Time constant are compensated. With the saving of retarding feedback elements according to the invention, the integrator is used simultaneously to delay the input like the negative feedback current is used. The negative feedback is therefore initially delayed fed back to the input of the integrator and causes it to be reintegrated into the initial situation. Since the duration of this reintegration depends on the difference between the input current and the constant, negative feedback current is obtained as a further advantage that the contact closure time of the downstream relay grows with the rule error.

Für den Fall, daß man große Regelfehleroberwellen bzw. statistische Schwankungen sofort ausregeln will, kleinere dagegen unterdrücken bzw. erst ihren Einfluß auf den Mittelwert der Regelgröße ausregeln will, läßt sich durch ein weiteres Merkmal der Erfindung die Anregelzeit des Reglers beträchtlich dadurch herabsetzen, daß im Rückführkreis des Integrierverstärkers ein zusätzlicher Widerstand eingeschaltet wird, der das Fehlerzeitintegral, welches zum Ansprechen einer Kippstufe erforderlich ist, linear mit der Größe der auftretenden Regelabweichung verkleinert.In the event that you have large control error harmonics or statistical Wants to regulate fluctuations immediately, suppressing smaller ones or theirs first If you want to regulate the influence on the mean value of the controlled variable, you can use another Feature of the invention considerably reduce the rise time of the controller by that an additional resistor is switched on in the feedback loop of the integrating amplifier which is the error time integral that is required to respond to a trigger stage is reduced linearly with the size of the occurring control deviation.

Die Erfindung verbindet also unter Anwendung einer einfachen billigen Schaltung durch eine kräftige Oberwellenunterdrückung eine geringe Schalthäufigkeit mit einer hohen Regelgenauigkeit.The invention thus connects using a simple cheap Switching through a strong harmonic suppression a low switching frequency with a high level of control accuracy.

Vorteilhafte Anwendungsgebiete für die Erfindung sind Elektrodenregelungen von Reduktions- und Niederschachtöfen, Kesselregelung, Regelung von chemischen Prozessen, Betätigung von Stelltransformatoren bei der Netzspannungsregelung sowie Betätigung von Lastschaltern für Zu- und Abschaltung von Kondensatorbatterien bei der Blindlastkompensation.Electrode controls are advantageous areas of application for the invention of reduction and low shaft furnaces, boiler control, control of chemical processes, Operation of variable transformers for mains voltage regulation and operation of load switches for connecting and disconnecting capacitor banks for reactive load compensation.

An Hand eines Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Im Prinzipschaltbild nach Fig. 1 ist die grundsätzliche Schaltung dargestellt. Der Meßwertumformer 1 gibt eine dem Regelfehler proportionale Gleichspannung UE ab, die mit starken Oberwellen überlagert sein kann. Diese Spannung wird über den Widerstand 10 dem ein- oder mehrstufigen Verstärker 2 zugeführt, der im uribeschalteten Zustand eine große Verstärkung und eine kleine Zeitkonstante besitzt. Durch den einstellbaren Rückführkondensator 8 erhält er eine Integriercharakteristik, die in Fig. 2 dargestellt ist. Bei konstanter Eingangsspannung UF steigt die Ausgangsspannung UA linear mit der Zeit an. Als sogenannte Integrierzeit T, welche proportional der Größe des Kondensators 8 ist, definiert man die Zeit, in der nach Anlegen einer konstanten Eingangsspannung die Ausgangsspannung den Wert der Eingangsspannung erreicht.In the basic circuit diagram of Fig. 1 is the basic circuit shown. The transducer 1 outputs a DC voltage proportional to the control error UE, which can be superimposed with strong harmonics. This tension is over the resistor 10 is fed to the single-stage or multi-stage amplifier 2, which is switched in the uri State has a large gain and a small time constant. Through the adjustable feedback capacitor 8 he receives an integration characteristic that is shown in FIG. With a constant input voltage UF, the output voltage increases UA increases linearly with time. As the so-called integration time T, which is proportional to the The size of the capacitor 8 is defined as the time it takes after applying a constant input voltage, the output voltage reaches the value of the input voltage.

Der Gegenkopplungswiderstand 9 begrenzt die Verstärkung des Integrators und bestimmt die Ansprechgrenzen der Anordnung bezüglich statischer Regelfehler. Die Ausgangsspannung UA des Integrators wirkt auf die beiden Kippstufen 3 und 4, die bei unterschiedlichen Vorzeichen ansprechen. Deren Ansprechwerte Ei und Abfallwerte e. sind durch Fig. 3 definiert. Die Kippstufen erregen die Relais 5 und 6, die ihrerseits gegebenenfalls über Umkehrschütze den mit einer Bremsung versehenen Motor 7 steuern. Die näheren Einzelheiten dieser Motorschaltung sind nicht dargestellt. Hilfskontakte dieser Relais bewirken über den einstellbaren Widerstand 11 eine Gegenkopplung auf den Eingang des Verstärkers 2.The negative feedback resistor 9 limits the gain of the integrator and determines the response limits of the arrangement with regard to static control errors. The output voltage UA of the integrator acts on the two flip-flops 3 and 4, which respond with different signs. Their response values Ei and dropout values e. are defined by FIG. 3. The flip-flops energize the relays 5 and 6, which in turn if necessary, control the motor 7 provided with a braking system via reversing contactors. The details of this motor circuit are not shown. Auxiliary contacts these relays cause negative feedback via the adjustable resistor 11 the input of amplifier 2.

Die Ausgangsspannung UA des Integrierverstärkers 2 entspricht dem Zeitintegral von UE. Solange U;4 kleiner als 81 ist, erfolgt kein Ansprechen und damit keine Befehlsgabe an den Motor. Jede Oberwelle von UE, deren Zeitintegral je Halbwelle kleiner als ein vorgegebener Wert £l T ist, wird daher unterdrückt.The output voltage UA of the integrating amplifier 2 corresponds to the time integral of UE. As long as U; 4 is less than 81, there is no response and therefore no commands are sent to the motor. Each harmonic of UE whose time integral per half-wave is less than a predetermined value £ l T is therefore suppressed.

Bei Überschreiten des vorgegebenen Zeitintegrals durch einen statischen Fehler spricht eine Kippstufe an und gibt dem Motor einen Stellbefehl im Sinne einer Verkleinerung des Regelfehlers. Die Kompensation der für die Dynamik der Regelung schädlichen Zeitkonstanten des Integrators wird über die Hilfskontakte der Relais und über den Widerstand 11 erreicht. Diese Gegenkopplung führt uriverzögert auf den Eingang des Integrators und bewirkt seine Rückintegration so lange, bis UA - £o ist und damit ein Abfallen der Kippstufen und Relais bewirkt wird. Wird durch Verkleinerung der Kapazität 8 die Integrierzeit des Integrators verkleinert, so muß eine entsprechende Vergrößerung des Widerstandes 11 erfolgen, damit die regeldynamischen Verhältnisse unverändert bleiben.If the specified time integral is exceeded due to a static error, a flip-flop triggers and gives the motor a control command in the sense of reducing the control error. The compensation of the time constants of the integrator, which are detrimental to the dynamics of the control, is achieved via the auxiliary contacts of the relays and via the resistor 11. This negative feedback leads to the input of the integrator with an initial delay and effects its reintegration until UA - £ 0, which causes the flip-flops and relays to drop. If the integration time of the integrator is reduced by reducing the capacitance 8, the resistor 11 must be increased accordingly so that the dynamic control conditions remain unchanged.

Durch den zusätzlichen Widerstand 12, der an die sonst überbrückten Klemmen 13 und 14 anzuschließen wäre, kann erreicht werden, daß die Ausgangsspannung des Integrierverstärkers 2 schneller einen bestimmten Wert erreicht, wie dies die Kennlinie für U,4' in Fig. 2 veranschaulicht. Die Größe U" ist dabei proportional der Eingangsspannung UE. Das zum Ansprechen der Kippstufen erforderliche Fehlerzeit integral wird also bei einer gegebenen Abweichung eher erreicht als bei kurzgeschlossenen Klemmen 13 und 14.By the additional resistor 12, which is connected to the otherwise bridged Terminals 13 and 14 would have to be connected, the output voltage can be achieved of the integrating amplifier 2 reaches a certain value faster, like this Characteristic curve for U, 4 'is illustrated in FIG. The size U "is proportional the input voltage UE. The error time required to respond to the flip-flops integral is therefore reached sooner with a given deviation than with short-circuited Terminals 13 and 14.

Besitzt die Regelstrecke noch zusätzlich eine im Vergleich zur Integrierzeit des Integrators nicht mehr vernachlässigbare Zeitkonstante, so kann an Stelle der starren Gegenkopplung 11 eine verzögerte Gegenkopplung entsprechender Zeitkonstante verwendet werden. Die Gegenkopplung kann in jedem Falle auch unmittelbar an den Ausgängen der Kippstufen abgenommen werden.Does the controlled system also have an integration time compared to the integration time of the integrator is no longer negligible, then instead of rigid negative feedback 11 a delayed negative feedback corresponding time constant be used. The negative feedback can in each case also directly to the Outputs of the flip-flops are removed.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Dreipunktregler zur Erfassung und Aasregelung des Regelfehlermittelwertes einer mit Oberwellen bzw. statistischen Schwankungen behafteten Regelgröße unter Anwendung von das Zeitintegral der Regelabweichung auswertenden Schaltmitteln sowie von Kippgliedern in Form von zwei Kippstufen mit je einem nachgeschalteten Relais, welche die Regelgröße in entgegengesetzter Richtung beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bistabile Kippstufen jeweils mit unterschiedlichen Ansprech- und Abfallgrenzen verwendet sind, denen ein mit der Regelabweichung beaufschlagter Integrierverstärker vorgeschaltet ist, und daß eine von den Ausgängen der Kippstufen abgeleitete Größe zur dynamischen Stabilisierung der Regelung im Sinne einer Rückführung des Integrierverstärkers in seine Nullage auf den Eingang dieses Integrierverstärkers gegengekoppelt wird. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Ansprechwert zu Abfallwert der Kippstufen wesentlich größer als 1 gewählt ist. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Serienschaltung eines Kondensators (8) und eines Widerstandes (12) im Rückführkreis des Integrierverstärkers (2). 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker und die Kippstufen mit kontaktlosen Bauelementen ausgeführt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 748 815, 698 861, 846125, 941411; österreichische Patentschrift Nr. 204134; Zeitschrift »Regelungstechnik«, Jg. 1955, S.108/109; Zeitschrift »E. u. M.«, Jg. 1960, S. 49 bis 52.PATENT CLAIMS: 1. Three-point controller for recording and carrion control the mean control error value with harmonics or statistical fluctuations affected controlled variable using the time integral of the control deviation evaluating Switching means and flip-flops in the form of two flip-flops, each with one downstream Relays, which influence the controlled variable in the opposite direction, thereby characterized that two bistable multivibrators each with different response and fall-off limits are used to which the control deviation is applied Integrating amplifier is connected upstream, and that one of the outputs of the flip-flops Derived variable for dynamic stabilization of the regulation in terms of feedback of the integrating amplifier in its zero position to the input of this integrating amplifier is fed back. 2. Device according to claim 1, characterized in that that the ratio of the pickup value to the dropout value of the multivibrators is significantly greater than 1 is selected. 3. Device according to claim 1 and 2, characterized by the series connection a capacitor (8) and a resistor (12) in the feedback loop of the integrating amplifier (2). 4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the amplifier and the flip-flops are made with contactless components. Considered Publications: German Patent Nos. 748 815, 698 861, 846125, 941411; Austrian U.S. Patent No. 204134; Magazine »control engineering«, year 1955, pp.108 / 109; magazine "E. u. M. ”, vol. 1960, pp. 49 to 52.