DE1513394A1 - Regelanordnung mit frequenz- und zeitproportionalen Signalen unter Verwendung getrennter Soll- und Istwertwandler - Google Patents

Description

Dr. Herbert Scholz Patentanwalt 2000 Hamburg 1, den 28.1.1969

MönckebergstraBe 7 .

Telefon: 33 92 21 ΪΖ/MÜ

Fernschreiber: 2-161587 a dpu d

P 15 13 394.5 Meine Akte: PHD-523

Philips Pat ent Verwaltung GmI)H

"Regelanordnung mit frequenz- und zeitproportionalen Signalen unter Verwendung getrennter Soll- und Istwertwandler"

Die Erfindung bezieht sich auf Regelanordnungen mit frequenz- und zeitproportionalen Signalen unter Verwendung getrennter Soll- und Istwertwandler, in denen z.B. die Istgrößen durch Frequenzen dargestellt sind und die Sollgrößen ziffernmäßig eingestellt oder eingegeben werden, besonders für Verhältnisregelungen, bei denen die als Sollwerte eingestellten oder eingegebenen Ziffern unabhängig von den Absolutwerten der geregelten Größen den Verhältnissen der geregelten Größen untereinander proportional sind.

Regelanordnungen, bei denen frequenzanaloge Keßgrößen mit numerisch einstellbaren Sollgrößen verglichen werden, sind bekannt. Ss existieren im wesentlichen vier verschiedene Ausführungearten. Im ersten Pail werden die von einem Muttergenerator mit der Frequenz f_Q gelieferten Impulse durch beliebig einstellbare ganze Zahlen z^ geteilt und die so gewonnenen Sollwerte ^q/z^ mit dem Meßwert verglichen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die von der leilerzahl Z₁ abhängige Stufigkeit der Sollwerte und die dadurch bedingte, notwendig hohe Frequenz f_Q sowie die Notwendigkeit, entweder den reziproken Zahlenwert der Sollgröße einzustellen oder innerhalb der Anlage eine ümkodierungseinrichtung vorzusehen; vgl. z.B. "VDE-Buchreiheⁿ, Band 8, Seite 146.

- 2 909841/1257

iJOil IAr;. / »I AUi. alii.l :..iU j!k:bA.i1eru:.:j!iges.V. 4

_ 2 —

Im zweiten Fall erfolgt ein· Teilung der al» Istgrößt zu verarbeitenden Frequenz f^ durch eine dem Sollwert proportionale Zahl. Hierbei muß die Meßfrequenz f^ bei gegebener Stufigkeit der Sollwerteinstellung relativ hoch werden, was In vielen Fällen zu Schwierigkelten auf der Aufnehmerseitβ führt. Ausserdem wird die die Dynamik des Regelkreises beeinflussende Er eisverstärkung und damit das dynamische Verhalten des Regelkreises sollwertabhängig; vgl. z.B. die Zeitschrift "Control Engineering", September 196o, Seiten 180-184.

Im dritten Fall wird eine dem Sollwert proportionale Impulsfolge synthetisch aufgebaut, indem eine Mutbrlmpulsfolge dcx* Frequenz f_Q durch ganze Zahlen z. geteilt und die so entstandenen Impulsfolgen mit den Frequenzen f_Q/z^ nach Haßgabe des Sollwertes aadiert werden. Diese synthetisch aufgebaute Impulsfolge ist im allgemeinen mit Periodizitätsfehlera behaftet, die zwar durch entsprechende "Auswahlrezepte¹¹ klein gehalten, jedoch nicht zum Verschwinden gebracht werden können; vgl. z.B. die Zeitschrift "EIZ", Ausgabe A, Heft 12/1962, Seiten 381-387.

Schließlich kann die Sollfrequenz aur. einer Mutterfrequenz durch Multiplikation mit einer ganzen Zahl abgeleitet werden, jedoch ist hierzu ein getrennter und aufwendiger Regelkreis nötig, vgl. z.B. die Zeitschrift "Regelungstechnik", Heft 1o/ i960, Seiten 345t348.

Auch ist bereits ein Frequenzregler bekannt, bei dem der Sollwert ziffernmäßig eingegeben wird, vgl. z.B. "VDE-Buchreihe", Band 8, 1962, Seiten 233-241. Dabei wird von einem Zeitgenerator ein festes Zeitraster geliefert (Δι » loo msec). Grundsätzlich kann dabei nur jeder 2. Z ei tbe*. θ impuls zur Einleitung

909841/125 7 - 3 -

BAD OHiGiNAL

eine· Keflsyklus benutet werden» dtesen Sauer durch die Zeitdauer At gegeben ist. In dem den Meßintervall folgenden Intervall (dessen Dauer ebenfalls At ist) bleibt die Meßfrequenz unerfaQt. Die Abtastfrequenz ist dort also 1/2 At. Beim Anmeldungsgegenstand tritt demgegenüber prinzipiell ein geringerer Informationsverlust auf.

Zweck der Erfindung ist es, Regelanordnungen zu schaffen, die die erwähnten Nachteile nicht aufweisen, sondern bei denen die Sollwerte feinstufig, numerisch und ohne Umkodierung direkt als Ziffern eingegeben oder eingestellt werden können und deren Dynamik nicht von den Sollwerten abhängt. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß Mittel vorgesehen sind zur Umwandlung der Meßfrequenzen (Istfrequenzen) in diesen proportionale Ist-Zeitintervalle und zur Umwandlung der numerisch eingestellten und/oder eingegebenen Sollwerte in diesen proportionale Soll-Zeitintervalle sowie an eich bekannte Mittel sum Vergleich jeweils zweier zusammengehörender Ist- und Soll-Zeitintervalle .

Dadurch ergeben sich folgende Vorteile. Beim Anmeldungsgegenstand wird von einer Zeitbasis ein Zeitintervall geliefert, in dem die Messung der Meßfrequenz erfolgt. Unmittelbar nach Beendigung der Auswertung wird die Zeitbasis getriggert und ein Meßseitintervall liefern. Dadurch wird erreicht, daß der bei gegebener Zeitbasis, Meßfrequenz und Sollwert kleinetmögliehe Informationsverlust erzielt wird. Die Abtastfrequenz einer solchen Anordnung ist somit gegeben durch 1/Ij₁ + t_M, wenn t_B < t_m, bzw. 1/Ϊ_Μ + t_ß, wenn t_fl > t_ffl ist, wobei I_M die Meßzeit, t_fl das Soll-Zeitintervall und t das Ist-Zeitinervall bedeuten.

- 4 -9 09841/1257

— A. —

Dabei entspricht (bei gleicher Zeitbat β) Τ«, « At. Pa die Taktpulsfrequenz £ größer als die Meßfrequenz £_a ist, wird t_ bzw. t_ mit Sicherheit klein gegen At, so daß die Abtasthäufigkeit in der Zeiteinheit beim Anmeldungagegenstand höher ist. Mithin können auch Störungen höherer !Frequenzen auegeregelt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein der Meßfrequenz (Ist-Größe) proportionales Zeitintervall t_m * f_m · t^/f^ am Ausgang des Meßwertwandlers zur Verfügung steht, das den Vorteil hat, für Anzeigezwecke, zur Überwachung sowie zu andersartiger, z.B. intensitätsanaloger, Weiterverarbeitung zur Verfügung steht.

Sie Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Sarin zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer möglichen Ausführungsform eines Meßwertwandlers zur Verwendung in einer Anordnung zur Gewinnung eines Soll-Zeitintervalle nach der Erfindung,

Pig. 2 die gleiche Anordnung wie Pig. 1, erweitert auf mehrere Regelkreise,

Pig. 3 das Schaltbild eines Meßwertwandlers nach der Er- . findung, bei dem durch kontinuierliches Einzählen der Meßfrequenz ein Informationsverlust vermieden wird, und

Pig. 4 mehrkanalige Regelanordnung nach der Erfindung, bestehend aus Meßwertwandlern nach Pig. 3 und einem Sollwertgeber.

909841/1257 " ⁵ ""

Sämtliche Aueführungsbeispiele in den Fig. 1-4 sind in synchroner Technik angegeben, d.h. das Schalten der Kipp- und Zählstufen erfolgt nach Vorbereitung der Stufen über ihre Signaleingänge S durch einen zentralen Taktpuls. Dabei werden die Zählstufen um eine Einheit weitergeschaltet, wenn an den Signaleingängen das Vorbereitungssignal für die Dauer eines Taktpulsabständeβ ansteht. Dauersignal an den Signaleingängen hat Zählen mit Taktpulsfrequenz zur folge.

fig. 1 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung, bestehend aus dem Meßwertwandler HW 1, einem Soll-Zeitintervallgeber SW 1 zunächst für einen Regelkanal und einer an sich bekannten Schaltung V zum Vergleich von Soll- und Ist-Zeitintervall und ferner einer dazugehörenden, ebenfalls an sich bekannten Zeitbasis T. Die in ein proportionales Ist-Zeitintervall umzuwandelnde, von einem beliebigen nicht gezeichneten frequenzanalogen Meßaufnehmer, z.B. Drehzahlaufnehmer, gelieferte und in einer ebenfalls nicht gezeichneten Synchronisationsstufe mit einem Taktpuls f synchronisierte Meßfrequenz f_m wird dem Eingang E_fm zugeführt und über eine Torstufe Gy dem Vorwärtseingang Sy eines Differenzzählers Z^ ₁ angeboten. Der Zähler Zj^ ₁ steht auf "Null¹¹, -die bistabile Kippstufe PP zeigt an ihrem Ausgang C das der logischen ¹¹O" entsprechende Potential. Dadurch ist über das UND-Gatter G_R der Rückwärtseingang E_R des Zählers Z^ ₁ gesperrt. Während der Meßβeit wird also der Zähler Z^ ₁ bis zu einem Zählerstand z_M = f_m aufzählen. Ein vom Ende der Meßzeit abgeleiteter, taktpulssynchronisierter Impuls T_{M n} bereitet über den Signaleingang S₁ das mit dem koinzidenten Taktimpuls erfolgende Umschalten der bistabilen Kippstufe PP vor. Nach dem Umschalten liegt über das UND-Gatter G_R am Rückwärtseingang E_R des Zählers

909841 /1257 _ ₆ _

"!"-Potential, so daß der Zähler mit laktpulsfrequens rückwärts zählt. Das Erreichen.des Zählerstandes "Null", erkannt durch das UND-Gatter G_Q, stoppt das Rückwärtβzählen und bereitet das Rückschalten der bistabilen Kippstufe IT in ihre Ausgangslage vor. Sie Dauer des "L"-Signales am Rückwärtaeingang beträgt t_m = Zjj/fp ■ f_m *μ/^£ _ρ ¹^ ^{ist damiib der Mej3}~ frequenz f proportional«

Bas Soll-Zeitintervall wird im Sollwertgeber SW^ erzeugt, der aus einem Vorwärtszähler Zg mit einer ziffernmäßig einstellbaren Vorwahleinrichtung D, einer bistabilen Steuerstufe PF₃, einem UND-Gatter Gg und den Inverterstufen N₃₁ und N₃₂ Gesteht. Während eines Meßintervalls t_M bleibt der Zähler Z_g in der Nullstellung, und die bistabile Kippstufe IT₃ zeigt an ihrem Ausgang Gg ⁿOⁿ-Potential.

Die Vorwahl einri chtung D sei auf eine dem Sollwert entsprechende Ziffer Zg > 0 eingestellt» uo daß an ihrem Ausgang "0"-Potential liegt; damit ist das UND-Gatter Ug über die Inverterstufe Ng₂ vorbereitet. Wie bei dem Meßwertwandler wird auch die bistabile Kippstufe FFg durch den am Ende der Meßzeit erzeugten, taktpulasynchronen Impuls ^, zusammen alt dem damit koinzidenten Taktimpuls umgeschaltet, so daß gleichzeitig mit dem Rückwärtszählen des Zählers Z^ ₁ das Einzahlen der Taktpulse in den Zähler Zg beginnt. Das Erreichen der vorgewählten Ziffer - Ausgang der Vorwahleinrichtung D erhält "!"-Potential - stoppt über N_g2 und G₃ den Zählvorgang und bewirkt das Rückschalten der bistabilen Kippstufe PP₃ in ihre Ausgangslage; gleichzeitig wird der Zähler Z₃ über die Inverter stufe Ng₁ nach Null gesetzt. Der Ausgang des UND-Gatters G₃ zeigt für das Soll-Zeitintervall t₀ « ^zq/^£ _v "!"-Potential, d.h. das Soll-Zeitintervall ist der vorgewählten Ziffer proportional.

309841/1257

Soll-Zeitintervall t₀ und Ist-Zeitintervall t_m werden In einer Antikoinzidenzschaltung Y vorzeichenbewertet verglichen, d.h. ihr Ausgang Iy zeigt während einer Zeit

"!"-Potential, wenn t_m > t_e, ihr Ausgang A_R, wenn t_m < t_B ist.

Wenn beide Zähler Z^₁ und Zg ihre Nullstellung wieder erreicht haben, kann ein neuer Heßzyklus beginnen. Diese Bedingung wird erkannt durch das UND-Gatter G₁, das die nullstellung des Zählers Z₁^₁ mit dem Ausgang der Inverterstufe N₃₁ verknüpft und dessen Ausgang die Zeitbasis T ansteuert.

Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung wie fig. 1, jedoch erweitert auf mehrere Regelkreise. Die Heßwertwandler HW₁₁ - HW_1n - einer je Regelkreis - sind jedoch nur noch als Blockschaltbilder wiedergegeben.

Der Sollwertgeber besteht jetzt aus einem Sollwertzähler Z_g, der allen Regelkreisen gemeinsam ist, und je einer Vorwahleinrichtung D₁...D_n, einer bistabilen Steuerstufe FF_g1.. einem UND-Gatter ^Gsi»«»Gs_n t"¹* einer Inverterstufe pro Regelkreis sowie einer Verknüpfungsschaltung, bestehend aus der ODER-Funktion 0 und einer Inverterstufe N_g1. Die Wirkungsweise dieser Anordnung unterscheidet sich von der oben beschriebenen lediglich dadurch, daß das Stoppen des Zählvorganges und das Rücksetzen des Zählers Z_g erst dann erfolgt, wenn die größte der vorgewählten Ziffern Z_gi erreicht ist. Die an den Ausgängen des UND-Gatters G_gi auftretenden Soll-Zeitintervalle haben die Dauern t_Bi ■ ^zs

909841/1257 _ft

— ο —

Da ein neuer Meßzyklus erst wieder beginnen darf, wenn der Sollwertzähler Z_g und alle Zähler ^zmw-i-j · · ·^ΖΜ¥ΐη ^{der Meflwer}"^t~ wandler MW₁₁...MW_1n den Zählerstand ITuIl erreicht haben, ist das UND-Gatter Gg, eingangssei tig erweitert worden.

Die beschriebene Anordnung ist besondere geeignet für Meßfrequenzen, die sehr klein sind, verglichen mit der Taktpulsfrequenz. In diesem Falle geht nur ein vernachläeeigbarer Teil der Meßinformation verloren, da die Rückzählseiten t_m, in denen der Meßvorgang unterbrochen ist, klein sind gegen die Meßzeit t_M (t_m < t_M).

Ist diese Bedingung t_m < t_M nicht erfüllt, so kann die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig* 3 angewendet werden, die prinzipiell ohne Unterbrechung des Meßvorganges arbeitet.

Fig. 3 zeigt einen Meßwertwandler MW₂, der sich im Aufbau von dem oben beschriebenen Meßwertwandler MW₁ dadurch unterscheidet, daß die Torstufe Gy (Fig. 1) durch eine Antikoinzidenzschaltung A für Vor- und Rückwärtseingang des Differenzzählers Zj₁^₂ ersetzt ist. Die Zeitbasis T ist freilaufend und liefert in vorgegebenen Zeitabständen t_M taktpulssynchronisierte Impulse.

Die Meßfrequenz wird Jetzt kontinuierlich dem Vorwärtseingang Ey angeboten und in den Zähler eingezählt. Der von der Zeitbasis T gelieferte Impuls ΐ_Μβνη führt zum Umschalten der bistabilen Kippstufe FF, ihr Ausgang C erhält damit ¹¹L"-Potential, das über das UND-Gatter G_R an den Rückwärtszähl-

eingang E_n gelangt. Dadurch wird der Zähler Z₁^₀, f > f ° ° κ ° MW2* ρ m

tt it d Difff f f

vorausgesetzt, mit der Differenzfrequenz f - f !hergezählt. Das Erreichen des Zählerstandes Null, erkannt durch das UND-Gatter Gq, führt zum Rückschalten der bistabilen Kippstufe FF

909841/1257

in ihre Ausgangslage und zum Sperren des Rückwärtszähleinganges E^ über das UND-Gatter G_R. Anschließend zählt der Zähler Z^₂ wieder mit der Meßfrequenz f_m allein in Vorwärtsrichtung bis zum Eintreffen des nächsten Zeitbasisimpulses. Im stationären Zustand, wenn der Zählerstand bei konstanter Meßfrequenz jeweils beim Eintreffen des Zeitbasisimpulses den gleichen Wert annimmt, ist die Sauer t des ^NLⁿ-Potentials am Ausgang des UND-Gatters G_R der Meßfrequenz proportional. Es gilt dann:

t s f_M · ^tM .

m m ¹

Pig. 4 zeigt eine Regelanordnung für mehrere Regelkreise, bestehend aus Meßwertwandlern vom Typ MW₂ nach Pig. 3 - ge zeichnet als Blockschaltbilder - und einem Sollwertgeber, der mit dem unter Pig. 2 beschriebenen identisch ist. Die ebenfalls gezeichnete Zeitbasis ist freilaufend, d.h. das in den Pig. 1 und 2 gezeichnete UND-Gatter G₁ entfällt.

Die beiden beschriebenen Anordnungen erfüllen die für Verhältnisregelungen wichtige Forderung nach numerisch eingebbaren Komponentenverhältnissen. Macht man z.B. stets

1000,

dann entsprechen die eingestellten Werte z_gi den Komponentenanteilen in °/oo, und zwar unabhängig vom Absolutwert der geregelten Größen, der Taktpulsfrequenz f und der Meßzeit t_M· Die Absolutwerte der geregelten Größen können über t_M, das dynamische Verhalten der Regelanordnung über f , beeinflußt werden.

ΠΠ98Α1/1257 -1ο-

- 1ο -

Darüber hinaus erweist sich bei den beiden beschriebenen Anordnungen die latsache, daß je Regelanordnung unabhängig von der Anzahl der Regelkreise im Sollwertgeber nur ein Sollwertzähler benötigt wird, besonders bei Anordnungen mit vielen Regelkreisen bezüglich des Aufwandes als vorteilhaft; denn die benötigte Zählkapazität des Sollwertxählers hängt nur von der gewünschten Genauigkeit, nicht aber von der Anzahl der Regelkreise ab.

Patentansprüche ι

BAD ORIGINAL - 11 -

009841/125 7

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Regelanordnung mit frequenz- und zeitporportionalen Signalen, besonders für Verhältnisregelungen, bei denen die Sollwerte für die Komponenten und/oder Komponentenverhältnisse feinstufig, ziffernmäßig eingegeben und/ oder eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zur Umwandlung der Heßfrequenzen (Istfrequenzen) in diesen proportionale Ist-Zeitintervalle und zur Umwandlung der numerisch eingestellten und/oder eingegebenen Sollwerte in diesen proportionale Soll-Zeitintervalle sowie an sich bekannte Mittel zum Vergleich jeweils zweier zusammengehörender Ist- und Soll-Zeitintervalle.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umwandlung der Istfrequenz in ein Ist-Zeitintervall ein Vor-Rückwärtszähler (Z^₁, Pig. 1; ^ZMW2» -^S* 3)und eine Einrichtung zu dessen Steuerung sind.

3. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung (Fig. 1) des Zählers eine von einer Zeitbasis (T) und einem den UuIl-

sustand des Zählers erkennenden UND-Gatter (G_Q) wechselseitig angesteuerte bistabile Kippstufe (PP) und ein den Rückwärtβeingang des Zählers steuerndes UND-Gatter (G_R) zur Verknüpfung des Schaltzustandes der bistabilen Kippstufe (PP) mit dem invertierten Nullsignal des Zählers und ein den Vorwärtseingang des Zählers ansteuerndes UND-Gatter (Gy) zur Verknüpfung der Zeitbasis

(T) mit dem Meßfrequenzeingang (E₁, ) sind. 9 0 9 8 A 1 / 1 2 5 7

- 12 -

4. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Steuerung des Zählers (Zj^₂' Pig. 3) eine von einer ZeitbaeLs (I) und einem den NuIlzustand des Zählers erkennenden UND-Gatter (Gq) wechselseitig angesteuerte bistabile Kippstufe (PP) und ein den Rückwärtseingang einer dem Zähler vorgeschalteten Antikoinzidenzschaltung (A) ansteuerndes UND-Gatter (Gp) zur Verknüpfung des Schaltzustandes der bistabilen Kippstufe (PP) mit dem invertierten Nullsignal des Zählers sind.

5. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Mittel zur Umwandlung der numerisch eingestellten und/oder eingegebenen Sollwerte in Soll-Zeitintervalle unabhängig von der Anzahl der verschiedenen Sollwerte ein gemeinsamer einkanaliger Zähler (Zg) und Mittel zur Steuerung desselben sind.

6. Regelanordnung nach Anspruch 5_t dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung des Zählers mindestens eine Vorwahleinrichtung, eine davon und von einer Zeitbasis wechselweise gesteuerte bistabile Kippstufe, ein den Schaltzustand der bistabilen Kippstufe mit dem invertierten Ausgangssignal der Vorwahleinrichtung verknüpfendes und entweder direkt oder gegebenenfalls über eine ODBR-Punktion mit den Ausgängen der weiteren UND-Gatter verknüpft, den Eingang des Zählers direkt und dessen Rücksetzeingang über eine Inverterstufe ansteuerndes UND-Gatter sind.

909841/1257

-43-

Leerseite