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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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F i g. 2 zeigt eine geringfügig abgewandelte Ausführungsforin
eines derartigen Reglers, unter Einbeziehung des der Bildung des Regelabweichungssignals
dienenden Teils der Schaltung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.