DE1233933B - Elektrisches Regelverfahren mit impulsbreiten-modulierter Stellmotorsteuerung und Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents
Elektrisches Regelverfahren mit impulsbreiten-modulierter Stellmotorsteuerung und Einrichtung zur Durchfuehrung des VerfahrensInfo
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Description
- Elektrisches Regelverfahren mit impulsbreitenmodulierter Stellmotorsteuerung und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein elektrisches Regelverfahren mit impulsbreitenmodulierter Stellmotorsteuerung, bei welchem ein stetiges elektrisches Regelsignal einer einen elektronischen Verstärker und eine in dessen Ausgang liegende Schalteinrichtung mit zwei stabilen Zuständen aufweisenden Regeleinrichtung zugeführt wird, welche einerseits im Sinne einer Ein-Aus-Regelung periodisch einen Stellantrieb steuert und andererseits in gleichem Rhythmus eine verzögerte Rückführung beaufschlagt, derart, daß das. stetige Regelsignal in ein entsprechend impulsbreitenb bl moduliertes Impulssignal umgewandelt wird.
- Regler dieser Art sind an sich bekannt. Beispielsweise sind Regler bekannt, bei welchen das SteUglied im wesentlichen nur eine von zwei diskreten Stellungen einnehmen kann (»Auf-Zu-Regelung«), wobei der Regler nach Maßgabe der jeweiligen Regelabweichung und- seiner übertrafflgsfunktion die zeitliche Umschaltung zwischen den diskreten Stellungen des Regelorgans (Stellglieds) beeinflußt. Hierbei wird also nicht, wie bei dem Prinzip der Stellungsmodulation, das Stellglied nach Maßgabe der jeweiligen Regelabweichung und der übertragungsfunktion des Reglers innerhalb eines kontinuierlichen Stellbereichs verstellt, sondern lediglich zwischen seinen stabilen Zuständen in zeitmodulierter Weise umgeschaltet. - Die bekannten nach diesem Verfahren arbeitenden Regeleinrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß der Stellmotor unausgesetzt in zwei Extremstellungen gebracht wird und daher einem starken Verschleiß unterliegt, ganz abgesehen von der bei dieser Regelart unvermeidlichen Geräuschbildung.
- Durch die vorliegende Erfindung soll ein verbesserter, in seinem Aufbau einfacher und störsicherer Regler dieser Art geschaffen werden, der insbesondere auch als PI-Regler ausgebildet werden kann, und zwar erforderlichenfalls auch für lange Zeitkonstanten, und bei welchem die erwähnten Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden werden.
- Züi diesem Zweck ist bei dem Regelverfahren gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die mit dem Steuerimpulssignal synchron arbeitende Rückführung wenigstens eine Verstärkerstufe ganz überbrückt und die Rückführgröße der betreffenden Verstärkerstufe zusammen mit dem Regelsignal in einem gemeinsamen, galvanisch nicht unterbrochenen, unveränderlichen Eingangskreis zugeführt wird.
- Dieses Regelverfahren gemäß der Erfindung vereinigt in sich die Vorteile einer Stellungsmodulation des Stellmotors mit einer Zeitmodulation des Re-,-elsignals, und es wird möglich, wesentlich einfachere und billigere Stellantriebe als bisher, beispielsweise Elektromagnete, für eine Stellungsmodulation zu verwenden. Bei dem Regeiverfahren gemäß der Erfindung kann nämlich offensichtlich die Frequenz des Arbeitszyklus so hoch gewählt werden, daß ein Stellantrieb der erwähnten einfachen Art, beispielsweise ein Elektromagnet, zufolge seiner Masse und Dämpfung selbst nicht mehr oszilliert und somit einer stetigen Stellungsmodulation unterzogen wird. Ein solcher Regler vereint daher die Vorteile der Stellungs-und der Zeitmodulation. Ein besonderer Vorteil im lEnblick auf die Stabilität des Regelkreises besteht bei dem Regelverfahren gemäß der Erfindung darin, daß ein derartiges Regelverfahren keine Totzone um den eingestellten Sollwert herum besitzt und daher eine nahezu unbegrenzte Empfindlichkeit aufweist, was beispielsweise bei der normalen Umsteuerung von Elektromotoren nicht erreichbar ist.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist demgemäß vorgesehen, daß die Rückführgröße mit ihrem zeitlichen Mittelwert dem Regelsignal dauernd das Gleichgewicht hält, derart, daß die Regeleinrichtung ein einziges, kontinuierliches Steuerimpulssignal für einen stetig arbeitenden Stellmotor erzeugt.
- Wie erwähnt, kann die Einrichtung so getroffen werden, daß sich eine verhältnismäßig hohe Frequenz des Arbeitszyklus ergibt; zu diesem Zweck kann bei einer vorteilhaften Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung vorgesehen sein" daß die Rückführung zur -Erzielung der Impulsbreitenmodulation ein RC-Glied mit relativ geringer Zeitkonstante aufweist.
- Falls für die Regeleinrichtung ein PI-Verhalten gewünscht wird, kann gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform vorgesehen sein, daß die auf den Eingangskreis arbeitende Rückführung zusätzlich ein nachgebendes (differenzierendes) Glied zur Erzielung eines PI-Verhaltens für den Regler aufweist.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß eine Vorverstärkung des Fehlersignals vorgesehen ist und daß die Rückführgröße zusammen mit dem vorverstärkten Fehlersignal dem Eingang eines Gleichstromverstärkers zugeführt wird.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In dieser zeig ,t F i 1-. 1 ein Teilschaltbild eines Reglers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens, F i g. 2 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform, unter Einschließung des der Meßwertumwandlung und der Bildung des Regelabweichsignals dienenden Schaltungsteils.
- F i g. 1 zeigt einen als Zweipunktregler mit Impulsbreitenmodulation ausgebildeten Regler gemäß der Erfindung, und zwar nur den die Endstufe des Regelverstärkers, die Stellmotorsteuerung und den Rückführkreis enthaltenden Teil der Schaltung. Die Meßwertumformung, die Erzeugung eines der Regelabweichung proportionalen Signals durch Vergleich mit einem Sollwert und eine eventuelle Vorverstärkung können in beliebiger an sich bekannter Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Bildung des Regelsignals in einer üblichen Brückenschaltung erfolgen, in welcher ein Zwei- einen von der Regelgröße beeinflußten Meßwertumforiner und ein anderer Zweig eine Sollwerteinstellung aufweist. Die Brücke kann als Wechselstrom- oder Gleichstrombrücke betrieben werden und das Brückenausgangssignal gegebenenfalls vorverstärkt werden; hierbei kann, wenn die Brücke als Wechselstrombrücke betrieben wird, die Vorverstärkung einen Phasendiskriminator mit Gleichrichtung aufweisen, derart, daß am Ende der Vorverstärkung ein nach Vorzeichen und Betrag der Regelabweichung entsprechendes Gleichstromsignal erhalten wird. Alternativ kann die Brücke auch als Gleichstrombrücke betrieben werden und deren Ausgangssi,gnal entweder direkt oder nach einer Gleichspannungsvorverstärkung dem Eingang des in F i g. 1 gezeigten Reglerteils zuggeführt werden.
- Es sei somit vorausgesetzt, daß der Schaltung in F i g. 1 an dem von der Widerstandsreihenschaltung 27,26 gebildeten Eingang ein der Regelabweichung nach Vorzeichen und Betrag entsprechendes Gleichspannungssignal zugeführt wird. Dieses Signal stellt den Proportionalanteil des Reglers dar. Der Spannungsabfall an den Widerständen 26 und 27 liegt direkt im Gitterkreis der Pentodenröhre 44, in Reihe mit den Widerständen 54, 53, über welche eine Rückführspannung in den Gitterkreis eingespeist wird, wie weiter unten noch beschrieben wird. In Reihe mit der Kathode ist noch ein Gegenkopplungswiderstand 51 vorgesehen.
- Die Anodenspannung der Pentodenröhre 44 wird aus der Wicklung 170 des Transformators 7 durch die als Gleichrichter betriebene linke Hälfte der Doppeltriode 171 erzeugt; zur Glättung ist ein Kondensator 172 vorgesehen. Die negative Seite dieses Kondensators 172 ist über den Kathodenwiderstand 51 mit der Kathode der Röhre 44 verbunden, die positive Seite des Kondensators liegt über einen Lastwiderstand 173 an der Anode der Röhre 44. Des weiteren liegt über dem Kondensator 172 ein Spannungsteiler aus Widerständen 174,175 und dem bereits erwähnten Kathodenwiderstand 51; dieser Spannungsteiler dient zur Vorspannung der Gitter der Röhre 44; der durch den Kathodenwiderstand 51 fließende Strom erzeugt eine Vorspannung für das Steuergitter der Röhre 44; an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 174 und 175 wird die Schirmgittervorspannung abgenommen.
- Die rechte Seite der Doppelröhre 171 wird aus einer Transformatorwicklung 178 mit Wechselstrom gespeist und betätigt die Erregerwicklung eines Relais 260 mit zwei Schaltarmen 261, 262. Der Anodenstromkreis der rechten Röhrenhälfte 171 wird durch einen Kathodenwiderstand 181 geschlossen, der eine Gegenkopplung ergibt. Die am Gitter dieser Triodenröhre liegende Spannung entspricht der Differenz des Spannungsabfalls am oberen Teil des Potentiometers 174 und des Spannungsabfalls des Anodenwiderstandes 173 der Pentodenröhre 44.
- Der Kontaktarm 261 des Relais 260 schaltet den (nicht dargestellten) Stellantrieb des ebenfalls nicht dargestellten Stellgliedes im Sinne eines Zweipunktreglers ein und aus. Ein weiterer Kontaktarm 262 des gleichen Relais 260 schaltet, im gleichen Rhythmus wie diese Stellgliedbetätigung, eine von einer Netztransformatorwicklung 57 über einen Gleichrichter 265 gelieferte konstante Gleichspannung an den Rückführkreis des Reglers an bzw. von ihm ab.
- Dieser Rückführkreis weist ein verzögerndes RC-Glied mit einem Kondensator 263 und einem Widerstand 264 auf, das die Umschaltung gemäß dem impulsartigen Betrieb des Reglers bewirkt und die Frequenz dieser Umschaltungen bestimmt. Außerdem weist der Rückführzweia ein nachgebendes RC-Glied mit einem Kondensator 52 und dem aktiven Teil der Widerstände 53 und 54 auf; dieses nachgebende (differenzierende) Rückführglied führt einen Integral-Term in die übertragungsfunktion des Reglers ein, wodurch dieser ein PI-Verhalten erhält.
- Die im Kathoden-Gitterkreis der Röhre 44 liegenden Widerstände 53, 54 dienen gleichzeitig zur Einspeisung der Rückführgröße in den Eingangskreis der Röhre 44. Die sich mit diesem Rückführzweig ergebende Wirkungsweise des Reglers ist wie folgt: Wenn der Kontakt 262 den Rückführkreis an den Gleichrichter 265 anschaltet, so erhöht sich die Ladung des Kondensators 263 und damit die Spannung an den Widerständen 53 und 54 derart, daß schließlich das Relais 260 durch die Regelverstärkerstufen 44, 171 betätigt und der Kontaktarm 262 auf den unteren Kontakt umgeschaltet wird, wodurch der Rückführzweig von der Gleichstromquelle 265, 57 abgeschaltet wird. Der Kondensator 263, der wesentlich kleiner als der Kondensator 52 ist, entlädt sich langsam. Dieser Zyklus ergibt eine Ein- und Ausschaltung von gleicher Dauer, wenn die am wirksamen Teil der Widerstände 53 und 54 abfallende Spannung halb so groß ist wie die Spannung am Gleichrichter 265.
- Sobald an den Widerständen 26 und 27 infolge einer Regelabweichung eine Zusatzspannung auftritt, kommt diese ün- Gitterkreis der Röhre -zur Auswirkung, so daß die Kontakte länger als die halbe Zeit offen oder geschlossen gehalten werden. Außerdem wird die Ladung am Kondensator 52 allmählich wegintegriert und auf diese Weise die sonst unvermeidliche Verschiebung des Regelpunktes verhindert.
- Man erkennt, daß der beschriebene Regler einen Zweipunktregler darstellt, d. h. einen Regler, bei welchem das Stellglied anders als bei dem Prinzip der Stellungsmodulation im wesentlichen nur eine von zwei diskreten Stellungen einnehmen kann (»Auf-Zu-Regelung«), wobei der Regler nach Maßgabe der jeweiligen Regelabweichung und seiner übertragungsfunktion die zeitliche Umschaltung zwischen den diskreten Stellungen des Regelorgans beeinflußt. Bei der beschriebenen Ausführungsform. eines Reglers mit Impulsbreiterunodulation oszilliert der Regler mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen der voll geöffneten und der voll geschlossenen Stellung, wobei der relative Anteil von öffnungsperiode und Schließperiode durch den Regelvorgang verändert wird, während die Frequenz des aus öffnungs- und Schließperiode zusammen gebildeten Arbeitszyldus im wesentlichen unverändert bleibt.
- F i g. 2 zeigt eine geringfügig abgewandelte Ausführungsforin eines derartigen Reglers, unter Einbeziehung des der Bildung des Regelabweichungssignals dienenden Teils der Schaltung.
- Das Regelabweichungssignal wird in einer Gleichstrombrücke 200 erzeugt, welche in ihrem einen Arm. einen Thermistor 201 als Meßwertfühler und -wandler aufweist. Die Brücke 200 wird aus einer Netztransformatorwicklung 101 über eine Gleichrichterbrücke 103 mit Gleichstrom gespeist. Die an den Diagonalpunkten 202 und 203 der Meßbrücke auftretende Ausgangsspannung ist der jeweiligen Regelabweichung nach Größe und Vorzeichen proportional und wird einem Potentiometer 236 zugeführt, dessen Abgriff mit dem Eingang des Regelverstärkers verbunden ist. Die an dem Potentiometer 236 in F i g. 2 abgegriffene Spannung entspricht der den Wider-e, im ständen 26,27 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 zugeführten Spannung und stellt den Proportionalanteil dar.
- Der Regelverstärker mit der von dem kombinierten Re-elabweich- und Rückführsignal gesteuerten Pentode 44 und der Doppeltriode 171 ist bis auf die weiter unten erläuterte abgewandelte Ausbildung des Gitterkreises der Röhre 44 in gleicher Weise aufgebaut wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1. Wie dort ist im Ausgangskreis des Regelverstärkers die Erregerwicklung 260 eines Relais angeordnet, dessen einer Kontaktarm 261 die Ein- bzw. Abschaltung des Stellantriebs und dessen anderer Kontaktarm 262 wiederum die periodische Auf- und Ab- schaltung der von dem Schaltungsteil 57,265 gelieferten konstanten Gleichspannung an den Rückführkreis bewirkt.
- Der Rückführkreis besteht wiederum, wie in F i g. 1, im wesentlichen aus zwei RC-Rückführgliedern, nämlich einem verzögernden Rückführglied aus dem Kondensator 263 und dem Widerstand 264, das im wesentlichen die Frequenz der Umschaltung des pulsförmig betriebenen Auf-Zu-Reglers bestimmt, und einem nachgebenden (differenzierenden) Rückführglied aus dem Kondensator 52 und dem aktiven Teil der Widerstände 55, 56 bzw. 54, 53, das wiederum der Einführung eines Integral-Terms in die Reglerfunktion dient und diesem ein PI-Verhalten verleiht, falls dies gewünscht wird.
- Das Netzwerk zur Einspeisung der Rückführspannung in den Gitterkreis und zur Kombination der Rückführspannung mit dem Proportionalelement ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel von F i g. 1 geringfügig abgewandelt. Dieser Gitterkreis weist ein Widerstandsnetzwerk 53 bis 56 auf, in welchem das an dem Potentiometer 236 abgegriffene Proportionalelement aufgeteilt und mit dem Rückführsignal kombiniert wird. Die Widerstände 54 und 55 sind zweckmäßig gleich groß und die veränderbaren Widerstände 53 und 56 zur gemeinsamen Verstellung mechanisch gekuppelt, derart, daß immer der gleiche Anteil dieser beiden Widerstände stromdurchflossen ist; hierdurch wird erreicht, daß jeweils stets die Hälfte der Proportionalelementspannung an den Widerständen 53 und 54 abfällt und in Kombination mit dem über die Widerstände 56,55 eingespeisten Rückführsignal die Gitterspannung der Pentodenröhre 44 beeinflußt. Wie in F i g. 1 ist ein fester Spannungsteiler 174,175 abgenommen.
- Kathodenwiderstand 51 zur Gittervorspannung vorgesehen; die Schirmgitterspannung wird an dem Hinsichtlich der Wirkungsweise stimmt das in F i g. 2 beschriebene Ausführungsbeispiel mit dem nach F i g. 1 im wesentlichen überein.
Claims (2)
- Patentanspräche: 1. Elektrisches Regelverfahren mit impulsbreitemnodulierter Stellmotorsteuerung, bei welchem ein stetiges elektrisches Regelsignal einer einen elektronischen Verstärker und eine in dessen Ausgang liegende Schalteinrichtung mit zwei stabilen Zuständen aufweisenden Regeleinrichtung zugeführt wird, welche einerseits im Sinne einer Ein-Aus-Regelung periodisch einen Stellantrieb steuert und andererseits in gleichem Rhythmus eine verzögerte Rückführung beaufschlagt, derart daß das stetige Regelsignal in ein entsprechend impulsbreitenmoduliertes Impulssignal umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Steuerimpulssignal synchron arbeitende Rückführung (264, 263) wenigstens eine Verstärkerstufe ganz überbrückt und die Rückführgröße der betreffenden Verstärkerstufe (44) zusammen mit dem Regelsignal in einem gemeinsamen, galvanisch nicht unterbrochenen, unveränderlichen Eingangskreis (26,27,53,54) zugeführt wird.
- 2. Elektrisches Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn eichnet, daß die Rückführgröße mit ihrem zeitlichen Mittelwert dem Regelsignal dauernd das Gleichgewicht hält, derart, daß die Regeleinrichtung ein einziges, kontinuierliches Steuerimpulssignal (bei 261) für einen stetig arbeitenden Stellmotor erzeugt. 3. Elektrische Regeleinrichtung zur Durchführang des Regelverfahrens nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung zur Erzielung der Impulsbreitenmodulation ein RC-Glied (263,264) mit relativ geringer Zeitkonstante aufweist. 4. Elektrische Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Eingangskreis (26,27,53,54) arbeitende Rückführung zusätzlich ein nachgebendes (differenzierendes ) Glied (52, 54) zur Erzielung eines PI-Verhaltens für den Regler aufweist. 5. Elektrische Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche, nachgebende Rückführglied als RC-Glied (52,54) ausgebildet ist. 6. Elektrische Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einkanalig ausgebildet ist. 7. Elektrische Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorverstärkung des Fehlersignals vorgesehen ist und daß die Rückführgröße zusammen mit dem vorverstärkten Fehlersignal dem Eingang eines Gleichstromverstärkers (44) zugeführt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 827 980; USA.-Patentschrift Nr. 2 714 693; Zeitschrift »Regelungstechnik«, Jg. 1953, S. 13 bis 17; »Siemens-Zeitschrift«, Jg. 1955, S. 23 bis 25.
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1957
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