DE2033091A1 - Digitaler Fluidic-Regler - Google Patents
Digitaler Fluidic-ReglerInfo
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- DE2033091A1 DE2033091A1 DE19702033091 DE2033091A DE2033091A1 DE 2033091 A1 DE2033091 A1 DE 2033091A1 DE 19702033091 DE19702033091 DE 19702033091 DE 2033091 A DE2033091 A DE 2033091A DE 2033091 A1 DE2033091 A1 DE 2033091A1
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- F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
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Description
DH. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING, W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN
PjSlTBNTANWAI/ΓΕ ··
D.8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUAST8ASSE 4 · TELEFON (OiIT) »HOW fc U O α U vJ J
Die Erfindung betrifft einen Fluidie-Regler, welcher
auf Istwertsignale PV und Sollwertsignale SP anspricht, die
in einem Froze^regelsystem mit einem Steuerelement am Ende
zur Beeinflussung des Prozesses gebildet werden, insbesondere einen Fluidic-Prozeß-Regler, welcher mit dem Endsteuerelement in einem Prozeßregelkreis zusammenarbeitet, um eine
Prozeßvariable, also einen Istwert, auf einer gewünschten
Höhe zu halten.
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BAD ORIGINAL
2Q33G91
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen
und billigen Fluidic-Regler zu schaffen, welcher für
den Vergleich eines Sollwertsignals SP und eines Istwertsignals PV entsprechend der Prozeßvariablen geeignet ist,
um durch digitale Mittel ein Fluidlc-Steuersignal zu erzeugen, welches ein Endsteuerelement zur Berichtigung des
Fehlers zwischen Sollwert und Istwert und so zum Halten
des Istwerts auf einer gewünschten Höhe betreibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäö durch einen
Fluidic-Regler der eingangs genannten Art gelöst* welcher
gekennzeichnet ist durch einen Komparator mit einer !Eriggerstufe,
welche auf die relativen Höhen des Sollwerts SP und
des Istwerts PV anspricht und an einem ersten Ausgang ein
Signal konstanter Höhe für SP>PV und an einem zweiten Ausgang ein Signal konstanter Höhe für FV>SP erzeugt, wobei
an jedem Ausgang eine Rechteckwelle auftritt, wenn der Istwert PV in bezug auf den Sollwert SP schwingt, eine Einrichtung zur Integration des Signals an wenigstem einen der
Ausgänge zur Erzeugung eines Steuersignals und zur Zufuhr
des integrierten Signals zu dem Endsteuerelement eine ihm
eigene Trägheit aufweist, wodurch der Istwert FV in Bezug
auf den Sollwert SP innerhalb eines relativ schmalen Bandes
schwingfähig 1st.
Unter den wichtigen Merkmalen des eri^indungegemäßen
digitalen Fluidio-Reglers sind ein Ausmaß; an Zuverläßigkeit
und Lebenserwartung, welches sowohl elektronisch« als auch
pneumatische Vorrichtungen übertrifft, und die Tatsache,
daß der Fluidic-Regler, welcher von ümweltfaktoren unbeeinflußt bleibt, tatsächlich wartungsfrei und völlig sicher
ist. Ein wichtiger Fluidic "»Elementen eigener Vorteil tat das
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Ausschalten von Ausfallzeiten infolge von Fehlern. PUr industrielle
und chemische Prozesse sind die Kosten für solche Ausfallsseiten weit größer als die Kosten der Komponenten in dem Prozeßregelsystem.
Ein Fluidic-Regler wird nicht beeinflußt durch harte
industrielle Bedingungen, wie hohe Temperatur, Korrosion, Schlag, Vibration, Strahlung und Staub. Er 1st einfach einzubauen, abzustimmen und anzustellen und kann von ungeschultem
technischen Personal gewartet und erhalten werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sowie weiterer
Vorteile und Merkmale sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben.Es zeigen:
Pig. 1 ein Blockschaltbild eines Prozeßregelkreises mit einem
erfindungsgemäßen digitalen Fluidic-Regler,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des Reglers,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Komparatorkreises in
dem Regler,
Fig. 4 ein Kurvenbild zur Erklärung der Wirkung des Reglers
auf die Druckvariable,
Flg. 5 ein Kurvenbild, welches den Rechteckwellenausgang des
im Regler enthaltenen Triggerkreises zeigt,
Fig. 6 die Ansprechkurve des Reglers,
Flg. 7 die Regieranordnung mit einem Differentialsteller am
Endsteuerelement, und
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Fig. 8 ein Blockschaltbild des Reglers, wenn die Versorgungssignale
einem zugehörigen Rechner zugeführt werden.
In Fig. 1 ist ein grundsätzlicher Prozeßregelkreis entsprechend
der Erfindung zur Strömungsregelung eines Fluidums (Flüssigkeit oder Gas) oder fließfähiger Festkörper in Teilchenform gezeigt. Als Beispiel soll angenommen werden, daß
durch eine Leitung 10 ein Gas strömt, welches einem Prozeß über ein Endsteuerelement 11 zugeführt wird, das zum Beginnen
und Anhalten der Strömung geöffnet oder geschlossen wer- W den kann. Zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand
ist das Endsteuerelement auf Zwischenwerte einstellbar, um die Strömung verändern zu können. Zu diesem Zweck kann das
Endsteuerelement 11 die Form eines luftbetätigten Steuerventils für proportionale Strömungssteuerung haben, welches
durch einen Steller 12 mit einer Membran oder einem Stellzylinder betrieben wird. Bei einem typischen Ventilsteller
ist das Eingangsluftdrucksignal gewöhnlich im Bereich von
0,21 bis 1,05 kg/cm , wobei die Strömung durch das Ventil
proportional dem Drucksignal gehalten wird» Wenn daher
ein Druck von 0,21 kg/cm dem geschlossenen Zustand des
Ventils und ein Druck von 1,05 kg/cm dem voll geöffneten
»Zustand des Ventils entspricht, bedeutet ein Druck von
0,63 kg/cm eine öffnung von 50$, usw. Durch Änderung der
Intensität des Drucksignals am Steller 12 kann daher die Strömung durch das Ventil oder Endsteuerelement 11 entsprechend
geändert werden.
Ein Regler 15 als Prozeßregler, welcher ein@a erflndungsgeraäßec
Fluidic-Regler ist, dient dazu* die Strömung
durch die Leitung 10 auf der gewünschten Höhe zu halten. Um diesen Zweck zu erreichen, vergleicht der Regler
13 den gewünschten Wert, d.h. ein Sollwertsignal und ein
■ der Prozeßvariablen entsprechendes Signal, das Istwertsignal, um ein Steuersignal zur Betätigung des Endsteuer-
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elements 11 zu erzeugen. Das Sollwertsignal (0,21 - 1,05
kg/cm J kann durch eine handbetätigte entfernte Sollwertquelle 14 oder einen Digitalrechner 15 eingestellt werden,
welcher zur Verbindung mit dem Regler sowohl einen Elektrisch-Fluidie-Umsetzer
16 als auch einen Pluidic-Elektrisch-Umsetzer
17 aufweist. Die Art der Rechnersteuerung wird später
im einzelnen beschrieben werden.
Das Prozeßführungssignal (0,21 - 1,05 kg/cm2), welches der tatsächlichen Strömung durch die Leitung 10 ent spricht,
wird von einem Differenzdruckmesser 18 oder einer
gleichwertigen Einrichtung erhalten, welche mit einer Lochplatte 19 in der Leitung verbunden sind. Der Regler 13, welcher einen Komparator zum Vergleich des Sollwerts mit dem
Istwert enthält, erzeugt ein Steuersignal, welches proportional der Differenz oder dem Fehler zwischen diesen
beiden ist.
Wenn das Sollwertsignal größer als das RUckfUhrungsslgnal ist, schickt der Regler 13 ein Steuersignal zum Endsteuerelement
11, wodurch dieses in einem Ausmaß geöffnet wird, daß die Durchflußleistung wieder auf die gewünschte
Höhe gebracht wird. Wenn umgekehrt das Sollwertsignal kleiner
als das RUckfUhrungsslgnal ist, wird der Regler das Steuerelement am Ende so steuern, daß die Durchflußleistung
in einem solchen Ausmaß verringert wird, daß sich der gewünschte Wert der Durchflußleistung wieder ergibt.
Der oben beschriebene Regelkreis ist im wesentlichen
der gleiche wie in einem pneumatischen Regelsystem, mit der Ausnahme, daß nach der Erfindung der Regler ein
digitaler Pluidlc-Regler und nicht ein analoger pneumatischer
Regler ist. Die Theorie digitaler Regelungen ist be-
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kannt und voll .auf Fluidic-Kreise anwendbar. Die drei grundsätzlichen
Fluidic-Vorrichtungen sind der StrahlwechselwirkungsVerstärker,
der Strömungsturbulenzverstärker und der fokussierte Strahlverstärker.
Wie in dem Artikel "Digital Fluids Works Now" von Henke in "Control Engineering", Januar I967 und der in diesem
Artikel genannten Literatur gezeigt, können Fluidic-Vorrichtungen logische Funktionen wie "oder","und" und "nor" ausführen.
Logische Fluidic-Gatter können in bekannte normalerweise mit
elektronischen Mitteln verwendete Kreise wie Schmitt-Triggerkreise binäre Zähler und Schieberegister eingebaut werden.
Wo z.B. das vom Regler geregelte Fluidum von der gleichen Art wie das im Regler verwendbare Fluidum ist, ist
es nicht nötig, hierfür eine getrennte Fluidumversorgung zu haben. Wenn so Erdgas durch die Leitung 10 strömt, erübrigt
sich eine unabhängige Fluidumversorgung für den Regler. In diesem Falle kann man auch auf einen Fühler oder Übertrager
zur Ableitung des Istwerts aus der Leitung 10 verzichten und den Istwert« wie es durch den variablen Fluidlc-Widerstand
20 gezeigt ist, direkt von der Leitung für das Erdgas ableiten.
Wenn der Wert des durch den Fluidic-Widerstand 20 eingeführten Widerstands derart ist, daß sich ein Verhältnis
von Eingang zu Ausgang der Fluidumgeschwindigkeit ergibt, bei welchem der Ausgang im Schallbereich liegt, wird die Strömung
im Ausgang des Widerstands, welcher im wesentlichen als Fluidumverengung wirkt, proportional dem Eingangsdruck sein
und daher ein Istwertsignal ohne die Notwendigkeit eines Übertragers
oder Fühlers ergeben.
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Ähnlich kann der Sollwertdruck statt der Verwendung
eines getrennte Sollwerteinsteller mittels eines konventionellen
Druckreglers 21 abgeleitet werden, der direkt mit der Leitung 10 verbunden und so einstellbar ist, daß er einen Ausgangs-
druck konstanter Höhe im Bereich von 0,21 bis 1,05 kg/cm abgibt.
Das Versorgungsfluidura für den Regler läßt sich ebenfalls
mittels eines nicht gezeigten mit der Leitung 10 verbundenen
Reglers erhalten, desjsen Ausgang so gefiltert ist, daß eine
Versorgung mit sauberem, trockenem Gas mit 2,46 kg/cm oder einem anderen Druck, der sich durch die Erfordernisse des
Systems ergibt, erfolgt.
Es versteht sieh, daß bei der Beschreibung des Fluidlc-Systems
äquivalente elektrische Ausdrücke für die Elemente des
Fluidic-Kreises verwendet werden. In der Praxis sind Fluidic-Widerstände
Vorrichtungen wie Ventile oder variable Öffnungen, welche die Fluidic-Eingangss%iale auf Höhen reduzieren, in
velchen sie mit den Komparatorkomponenten verträglich sind« Andererseits sind die gleichen Grundsätze, welche hier im
Zusammenhang mit einem Fluidic-System beschrieben sind* voll
auf elektronische Regler anwendbar, und es läßt sich ein
elektronischer Regler mit einem Komparator mit einem Triggerkreis wie hier beschrieben vorselien, um einen Regelvorgang
zu bewirken, der ausgeprägte Vorteile gegenüber einem solchen
mit vorhandenen elektronischen Reglern aufweist.
In Fig. 2 sind die wesentlichen Komponenten des Fluidic-.
Reglers 15 in Blockform dargestellt. Der Regler 13 wird von
einem Komparator 22 gebildet, dessen Ausgänge einem zweikanaligen
Digitalverstärker 23 zugeführt werden. Den zwei Eingängen
des Komparators 22 werden das Istwertsignal PV und das Sollwertsignal
SP zugeführt. Das Istwertsignal ist von dem veränderlichen Fluidic-Widerstand 20 abgeleitet, welcher mit der
Leitung 10 verbunden ist, deren Fluidum geregelt wird.
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Wie oben dargelegt, kann der Istwert wahlweise durch
einen mit der Leitung verbundenen Fühler oder andere bekannte Einrichtungen abgenommen werden. Das Sollwertsignal wird vom
mit der Leitung 10 verbundenen Druckregler 21 genommen, oder es wird von einem Fluidic-Sollwerteinsteller bekannten Aufbaus
abgeleitet. In der Praxis ist der Druckbereich für Istwert und Sollwert 0,21 bis 1,05 kg/cm2.
Wie in Fig. 3 getrennt gezeigt, ist der Komparator 22
ein Fluidic-Kreis, der so auf die relativen Höhen des, Sollwerts
SP und des Istwerts PV so anspricht, daß erseinen ersten
Fluidic-Ausgang konstanter Druckhöhe erzeugt, wenn SP >
PV, und einen zweiten Fluidic-Ausgang ebenfalls mit konstantem
Druck erzeugt, wenn PV^ SP. Dies wird erreicht durch drei
proportionale Fluidic-Verstärkerstufen A., Ag und A^ in
Kaskadenschaltung, wobei der Ausgang der Endstufe einer Triggerstufe
T, wie einem Flip-Flop oder einem Oder-Gatter oder beiden zugeführt wird. Alle Stufen weisen zwei EingangsanschlUsse i.
und ig und zwei AusgangsanschlUsse O1 und O2 auf. Die Erfindung
ist in keiner Weis· auf drei Verstärkerstufen beschränkt und es können in der Praxis eine kleinere oder größere Anzahl von
Stufen verwendet werden. Die Istwert- und Sollwertsignale werden den Eingangsanschlüssen I1 bzw. ig der ersten Fluidic-V«ratärkeritufe
A1 zugeführt. Als Beispiel soll angenommen werden, daß der Sollwert um ein bestimmtes Maß größer ist als der
Istwert. Folglich wird ein Fluidum relativ hohen Drucks von einer Fluidumdruckquelle P_ in der ersten Fluidic-Verstärkerstufe A1
zu einem größeren Ausmaß zu deren Ausgangsanschluß O1 abgelenkt
und der Fluidumdruck an diesem Ausgangsanschluß ist relativ zu dem am Ausgangsanschluß Og proportional der Differenz zwischen
Soll- und Istwert.
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Auf diese Weise ist der Fluidum-eingangsdruck an dem
Eingangsanschluß I1 dr zweiten Fluidic-Verstärkerstufe A2, welche mit dem Ausgangsanschluß O1 der Pluidic-Verstärkerstufe A1
verbunden ist, größer als derjenige am Eingangsanschluß ig*
welcher mit dem Ausgangsanschluß O2 der Pluidic. verstärkerstufe
A1 verbunden ist. Als Ergebnis ist die Ausgangsgröße am AusgangsanschlußOgder Fluidic -Verstärkerstufe A2 proportional
größer als bei O1. In der Fluidic-Verstärkerstufe A, ist die
Eingangsgröße bei ig daher größer als bei I1, und die Ausgangsgröße bei O1 ist proportional größer als bei Og. Die an den
Ausgangsanschlüssen o. und o0 der Fluidic-Verstärkerstufβ Αι d
j
erscheinenden Fluidic-Ausgangsgrößen werden den Eingangsanschlüssen I1 und ig der Triggerstufe T zugeführt.
Die Triggeretufe T, welche ein Fluidie-Flip-Flop, ein
Fluidic-Oder-öatter oder beides oder eine beliebige Fluidic-Vorrichtung sein, kann, welche auf ähnliche Weise arbeitet, kann
an Jedem der Ausgangsanschlüese O1 oder Og eine Fluidic-Ausgangsgröße konstanter Druckhöhe erzeugen. Der im Betrieb befindliche
Ausganganschluß wird durch die relativen pruckhöhen an den Eingangsanschltiseen I1 und ig bestimmt. Wenn der Druck am Eingangsanechluß I1 der Triggerstufβ T größerist als bei ig, Wie es in
dem beschriebenen'Beispiel wegen der Tatsache SPλ FV der Fall
ist, wird die Triggerstufe lediglich bei O1 eine Ausgangsgröße
aufweisen. Die umgekehrte Wirkung tritt auf, wenn FV >
SPist, in welchem Fall ein konstanter Ausgangsdruck nur am Ausgangsanechluß Og auftritt.
Wenn daher der Wert des Istwerts relativ zum Sollwert, welcher sich auf einer festen Bezugshöhe befindet, periodisch
ansteigt und fällt, wird am Ausgangsanschluß Og der Triggeretufe eine Rechteokwelle auftreten, bei vÄcher die ansteigende
Flunk· Jede» Impul··· mit dem Augenblick des Istwertanstieges
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über den Sollwert und die abfallende Flanke mit dem hierauf folgenden Istwertabfall unter den Sollwert zusammenfällt. Die
Breite der Rechteckimpulse wird durch das Zeitintervall zwischen
ansteigender und abfallender Kante bestimmt. Am Aua-.
gangsansohluß O1 wird ebenfalls eine Rechteckwelle auftreten,
welche jedoch um l80° in der Phase gegenüber der Welle bei Og
verschoben ist. ■
In anderen Worten kippt die Triggerstufe T, wenn der
Istwert größer als der Sollwert wird, und kippt zurück, wenn dieser unter den Sollwert fällt, wobei sich der Ausgang der
Triggerstufe auf einer konstanten Druckhöhe unabhängig von der
Größe der Differenz zwischen Sollwert und Istwert befindet.
Unter nochmaliger Bezugsnahme auf Fig. 2 ist zu erkennen,
daß die Rechteckwellen am Ausgang des !Comparators 22 dem
Digitalverstärker 23 zugeführt werden, dessen eine Ausgangsgröße bei OUT1 proportional der Ausgangsgröße bei O1 des Komparators
ist und nur auftritt, wenn SP^PV, während der andere
Ausgang bei OUT2 proportional der Ausgangsgröße bei Og
des !Comparators ist und nur auftritt,, wenn PV >
SP .
Ein Teil des Ausgangs vom Ausgangsanschluß OUT1 wird
über einen veränderlichen Rückkopplungswiderstand 24 zum Istwerteingang
des Komparators 22 zurückgeführt. Der von der Leitung
10 abgeleitete Istwert wird in den gleichen Eingang über
eine Diode 25 eingeführt, welche eine EinwegströmungsVorrichtung ist, die bewirkt, daß das Rttckführungsfluidum nur in den
Komparator strömt.
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Die Eingangsgröße des !Comparators ist somit die algebraische
Summe FV+K·1Sg, wobei K eine Konstante und .f« die Druckhöhe
der Rückführungsgrößfe 1st* Diese Rückführung wirkt zur Stabilisierung des Systems infolge ihrer dämpfenden Wirkung« wobei
die Oröße der Rückführung den Dämpfungsfaktor bestimmt.
Die Ausgangsgröße bei OUT1 des Digitalverstärkers 23
wird über ein Diodenwiderstandsnetzwerk, welches aus Dioden 26
und 27 und Widerständen 28 und 29 gebildet ist« dem Steller 12
des Endsteuerelements 11 zugeführt, welches in Praxis ein
fluidumbetr!ebenes Steuerventil für proportionale Strömung
sein kann, das durch einen Membransteller betätigt wird. In
dem Netzwerk läßt die Diode 26 eine einseitig gerichtete Strömung
vom Ausgangeanschluß OUT1 über den Widerstand 28 zum Steller
12 zu, während die Diode 27 nur einen Rückfluß vom Steller
12 über den Widerstand 29 zum Ausgangsanschluß OUT1 erlaubt.
In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der AusgangsanschlußOUT2 entlüftet und es wird daher kein Gebrauch von ihm
gemacht.
Bei der Analyse des Verhaltens des Reglers wird erst angenommen, wie te In Flg. 4 graphisch dargestellt let, daß der
Sollwert SF des Systems auf 0,63 kg/cm eingeetellt ist, während
sich der Istwert PV zunächst bei 0,21 kg/cm2, der niedrigsten
Höhe des Druckbereichs, welcher sich bis 1,05 kg/cm2 erstreckt,
befindet. Die Aufgabe des Keglers 1st es daher, das Endeteuerelement
bo zu betreiben, daß der Istwert auf 0,63 kg/cm steigt
und hierauf auf dieserHöhe bleibt.
Wenn der Sollwert größer als der Istwert 1st, tritt ein konstanter Fluidumdruck am Ausgangsanschluß OUT1 des Digitalverstärkers
23 auf und wird über die Diode 26 und den Widerstand· 28 zum Steller 12 mit Membrane des Endsteuerelements 11 zugeführt. Dieser Ausgang wird in dem Steller oder durch die zu
diesem führende Leitung integriert, um ein Steuersignal zu er-
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zeugen, welches eine vergrößerte Öffnung des Ventils als Endsteuerelement
11 bewirkt und ein Ansteigen des Istwerts zur Folge hat. Dieser Anstieg des Istwerts über der Zeit ist in
Fig. 4 gezeigt, in welcher der Istwert im Intervall A t von
0,21 kg/cm2 auf die Sollwerthöhe von 0,6? kg/cm2 steigt.
Die dem Prozeßregelsystem eigene mechanische Trägheit
ist jedoch derart, daß nach dem Abschalten des Betätigungsdrucks,
welches auftritt, wenn der Istwert die Höhe des Sollwerts kreuzt und hierbei bewirkt, daß der Komparator
vom Ausgangsanschluß OUT1 auf den entlüfteten Ausgangsanschluß
OUTg schaltet, der Istwert weiter während einer end- '
liehen Zeitdauer ansteigt. In der praktischen Ausführungsform des Systems eneicht der Istwert eine Höhe von 0,0007
kg/cm über dem Sollwert, ehe eine Umkehr auftritt.
Wenn der Komparator 22 einen Zustand erfaßt, in welchem der Istwert den Sollwert übersteigt, schaltet sein
Triggerkreis den Ausgang auf OUT2, und der über den Ausgangsanschluß
OUT·, dem Steiler mit Membran zugeführte Druck fällt
ab. Folglich wird, wenn sich die nicht mehr unter Druck stehende
Membran in umgekehrter Richtung bewegt, der hierdurch erzeugte
Gegendruck durch die Diode 27 und den Widerstand 29
strömen, bis ein Punkt erreicht ist, an welchem der durch diesen Vorgang hervorgerufene Istwert die Sollwerthöhe (Fig. 4)
kreuzt und die Triggerstufe T wieder zur Erzeugung von Fluidumdruck
bei OUT1 schaltet, wodurch der Istwert erneut steigt und
der Zyklus wiederholt wird.
Die hieraus sich ergebende Hin- und Herbeweguiig des
Istwerts um die Sollwerthöhe erzeugt den in Fig. 4 gezeigten
Sägezahnwellenzug SW1. Infolge der dämpfenden Wirkung durch
die Rückführschleife wird der Verlauf der Sägezahlwelle jedoch
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stabilisiert und es entsteht ein stetiger Wellenzug SW2 verringerter
Amplitude. So bleibt die Schwingung des Istwert in bezug auf den Sollwert innerhalb eines relativ schmalen Bandes,
dessen Grenzen durch den Dämpfungsfaktor bestimmt sind.
In der Kurvendarstellung in Pig. 5, welche die Ausgangsgröße
an dem Ausgangsanschluß OUT1 des Digitalverstärkers
während der Änderung des Istwerts nach Pig. 4 zeigt, ist zu
erkennen, daß die Druckhöhe an dem Ausgangsanschluß OUT1 des
Digitalverstärkers während des Intervalls 4 t> wenn der Istwert auf die Sollwerhöhe ansteigt, konstant ist. Wenn hierauf
jedoch der Istwert innerhalb eines relativ schmalen Bandes in bezug auf den Sollwert hin- und her zu schwingen beginnt,
werden in entsprechenden Zeitlagen ReeHBckimpulse erzeugt· So
tritt jedesmal wenn der Sollwert SP auf einen neuen Wert ge-'ändert wird, ein kurzes Intervall auf, währenddessen die Ausgangsgröße
des Digitalverstärkers konstant ist, und währenddessen sich der Istwert PV" ändert, um die Sollwerthöhe zu erreichen.
Diesem Vorgang folgt eine sehr kleine Schwingung des Istwerts, wenn die Sollwerthöhe erreicht 1st.
Diese Modulationskomponente, welche einen Zittervorgang
darstellt, tritt mit relativ hoher Geschwindigkeit auf und hat keine wahrnehmbare Wirkung auf das gesteuerte Fluidum, denn die
Rechteckwellenimpulse vom Digitalverstärker werden wirksam durch
den Steller mit Membran oder in der zu diesem führenden Leitung
integriert. Der Zittervorgang hat jedoch eine wichtige Wirkung,
da er dazu führt, daß ein Hängenbleiben des Ventilstößels verhindert
und die Reibung der Ventildichtung verringert wird, wodurch das Ventil frei bleibt.
Im Gegensatz zu dm üblichen Reglern vermag der erfindungsgemäße
Regler unsymmetrische Prozeßanregungen zu korn-' pensieren. Wie bekannt,let bei manchen Prozessen ein schnelleres
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Absprechen für positive und ein langsameres Auspochen für
negative Korrekturen erforderlich. Die Ansprechzeit für positive Korrekturen wird bestimmt durch den Wert des Widerstandes
28, und für negative Korrekturen durch den Wert des Widerstands 29, dessen Wert getrennt eingestellt werden kann,
'um verschiedene Ansprechzeiten zu ergeben. D@r Dämpfungsfaktor ist durch Verändern des RUckkopplungswiderstandes 24 einstellbar.
In Fig. 6 ist eine typische Änsprechkurve für einen
Fluidic-Regler der oben beschriebenen Art gezeigt. In diesem
Kurvenbild ist die Kurve CO die berechnete Steuerausgangsgröße, wenn dem Prozeßsteller @ln analoger Druck im Bereich
von 0,21 bis 0,35 kg/cm zugeführt wird.
Es 1st zu erkennen, daß wenn der Sollwert SP plötzlich auf einen höheren Wert gestellt wird, d©r Wert längs
der Kurve CO entlang einer ansteigenden Linie zunimmt und der Wert des Istwertes PV entlang einer parallelen ansteigenden
Linie zunimmt, bis er einen Wert in der Nöh© des Sollwerts
erreicht. Der Qrad des Zittern in der Kurve CO hingt von der
Dämpfung des Systems ab. Eine ähnliche Wirkung wird erreicht^
wenn der Sollwert SP plötzlich verringert wird.
Wenn, wie in Fig. 7 gezeigte der Steller 128 das Endsteuerelement 11 doppelt wirkend statt einfach wirkend ist,
wird von beiden Ausgängen dte Digitalverstärkers 23 Gebrauch
gemacht. In diesem Fall wird der AusgangsansohluS OUT ^ mit d©r
oberen Kammer des Stellers 12* über den Widerstand 28 verbunden*
während der Auagangsansohluß OUT2 mit dossen unterer Kamm©;?
den Widerstand 29 verbunden wird, so d&S die Wirkung in beiden
Bewegungariohtungen positiv ist«
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Ein Diodennetzwerk wird auf diese Weise vermieden*
Ansonsten ist die Betriebsweise die gleiche wie oben beschrieben.
Um eine direkte digitale Regelung (DDG) mit einem
elektronischen Digitalrechner 15 wie in Fig. 1 gezeigt» zu
erreichen» wird der Ausgang des Rechners direkt einem Fluidic-Regler
ohne teuere Signalumsetzung und -Verarbeitung zugeführt.
Dies kann durch vorhandene elektriseh-Fluidio-Umsetzer 16
(Fig. 1) wie durch von der Firma Pitney-Bowes hergestellte
Elektro-Fluidic-Übertrager Modell 6O4O erfolgen. Diese Umsetzer
können im Grenzbereich der Anlage angeordnet sein» so daß in der Anlage selbst nur Fluidic-Komponenten und
keine elektrischen Komponenten auftreten.
Fluidic-Signale können ebenfalls mit vorhandenen
Fluidic-Elektrlsch-Umsetzera 17 (Fig. 1) wie etwa einem von
Fairchils Controls, einer Abteilung der Fairchild Camera * Instruments Corporation, hergestellten Druck-Elektrο-Schalter
Modell PSF-IOOa in verträgliche elektrische Signale umgesetzt werden.
Wie In Fig. 8 gezeigt, ist in dem dualen Ausgang des
Digitalverstärkers ein Ausgangsanschluß OUT1 vorhanden, dessen
Modulationskomponente einen Zustand "Brozeßzustand hoch FSH11
anzeigt, bei welchem der Istwert über dem Sollwert liegt
(0,07 kg/cm entspricht einer logischen Eins und weniger als
0,0055 kg/cm entspricht einer logischen Null)V Am Ausgangsanschlufl
OUT2 tritt eine Modulationskomponente auf, welche
einen "Prozeßzustand niedrig PSLn anzeigt, bei welchem der
Istwert unter dem Sollwert liegt (0,07 kg/cm2 entspricht einer
logischen Eins und weniger als 0,0035 kg/cm2 entspricht einer
logischen Null). Diese Anzeigen können dem Rechner zugeführt
werden, um Daten über den herrschenden Zustand im Prozeß vorzusehen,
wodurch der Rechner Korrekturfunktionen ausführen kann.
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-16-
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Während bevorzugte AusfUhrungsformen der Erfindung gezeigt worden sind, versteht es sich, daß viele Änderungen und
Modifikationen hierzu durchgeführt werden können, ohne von dem
wesentlichen Gedanken der Erfindung abzuweichen. Der Komparator kann z-B. einen von dem Fluidic Product Department der Corning
Glass Works hergestellten Schmitt-Trigger 190462 enthalten. Dieser Trigger ist ein pneumatischer Schalter mit einem einstellbaren Triggerpunkt und ist daher ein Analog-Digital-Umsetzer, Er verwendet drei Proportionalverstärker, ein Flip-Flop
und ein Nor-Gatter in einem monolithischen Block bestehend aus
fünf Platten'. Die anderen Elemente des Systems einschließlich des Digitalverstärkers können ebenfalls die Form von Gliedern
einer integrierten Schaltung haben, wodurch die Notwendigkeit von Verbindungs#leitungen zwischen den einzelnen Fluidic-Komponenten vermieden wird, so daß der gesamte Regler in der
Form einer sehr kompakten Anordnung mit integriertem Aufbau hergestellt werden kann.
-17-
i ο <■ ■ ■ 1ViHi
Claims (1)
- - 17 -Patent ans ρ r ü c h eFluidic-Regler, welcher auf Istwertsignale PV und Sollwertsignale SP ansprioht, die in einem Prozeßregelsystem mit einem Steuerelement am Ende zur Beeinflussung des Prozesses gebildet werden, g e k β η η ζ e i c h η e t durch einen Komparator (22) mit einer Triggerstufe (T), welche auf die relativen Höhen des Sollwerts SP und des Istwerts PV anspricht und an einem ersten Ausgang (οχ) ein Signal konstanter Höhe für SP P" PV und an einem zweiten Ausgang (o«) ein Signal konstanter Höhe für PV >SP erzeugt, wobei an Jedem Ausgang eine Reohteckwelle auftritt« wenn der Istwert PV in bezug auf den Sollwert SP schwingt, eine Einrichtung (12) zur Integration des Signals an wenigstem einen der Ausgänge (oj, O2) zur Erzeugung eines Steuersignals und zur Zufuhr des integrierten Signals zu dem Endsteuerelement (11), so daß durch dieses Endsteuerelement der Istwert PV in Richtung auf den Sollwert SP hin änderbar ist, wobei das steuerelement (11) eine ihm eigene Trägheit aufweist, wodurch der Istwert PV in bezug auf den Sollwert SP innerhalb eines relativ schmalen Bandes schwingfähig ist*2« Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführung zwischen den einenAusgfing (O1) und den Eingang (I1) des Komparators (22), welchem der Istwert PV zugeführt wird, zur Erzeugung einer Rückkopplung zur Stabilisierung des Reglers (13) geschaltet ist.3* Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g β k e η η ζ e i c hn e t, daß die Signale elektronischer Natur und der Komparator (22) ein elektronischer Schmitt-Trigger ist.4. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e i c hn e t, daß die Signale Fluidic-Signalβ und der Komparator (22) ein Fluidic-Schmitt-Trigger ist.-Λ -18-109812/1 112■!, ϊί- 18 - ■ - . J5. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeieh net,: dafi der Komparator (22) aus einer Mhm von proportionalen Fluidic-Verstärker-stufen (A1, A2, A,) besteht, deren erste Pluidic-Verstärkerstufe (A1) auf die Pluidic-SoUwertisignale SP und Pluidic-. Istwertsignale FV anspricht, und die letzte Fluidic-Verstärker-, stufe (A^) mit dem lihgang des Fluidio-Triggers (T) verbunden ist,6. Regler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge k en ns eic hn e t, dafi ein Rückkopplungswiderstand (24) zwischen dem einen Ausgang des Triggers (T) und den Istwerteingang (I1) dea Kompa-™ rators (22) geschaltet ist, wodurch das Eingangssignal am Komparator (22) die Sum» des Istwertsignals FV und des Rückführsignals ist.7* Regler nach Anspruch 6, dadurch gekennze 1 ohne %» daS der Rüokkopplungswiderstand (24) zur Veränderung der Dämpfung; des Reglers (13) einstellbar ist.8. Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e kennzeichnet, dai das Endeteuerelement (11) in einer Leitung (10) angeordnet ist, welche ein Fluidum zu einer Last führt,und daß der Istwert FV von einem mit dieser Leitung (10) verbun- |l denen Widerstand (20) und der Sollwert SP von einem mit dieser Leitung (10) verbundenen Druckregler (21) abgeleitet ist.9. Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das das Endeteuerelement (11) mit einem einfach wirkenden pneumatischen Steller (12) verbunden ist, ein Ausgang (OUT1) des Reglers (13) mit dem Steller (12) Über eine erste Diode (26) in Reihe mit einem Widerstand (23) in einer Richtung wirkend verbunden und der Steller (12) mit dem einen Ausgang (OUT1) über eine zweite Diode (27) in Reihe mit einem Widerstand (29) in einer Riohtung wirkend verbunden ist und daß der zweit® Ausgang (OUT2) des Reglars (13) entlüftet ist.1 0 9 H 1 2 11 1 1 2■-■ 19 -10. Regler nach einender Ansprüche 4 bis 8, dadurch g ek β η η -zeichnet» daß das Endeteuerelement (11) mit einen doppelt wirkenden pneumatischen Steller (12*) verbunden ist, dessen eines Ende mit dem einen Ausgang (OUT1) und dessen anderes Ende mit dem anderen Ausgang(OUTg) des Reglers (13) verbunden ist.11. Kegler nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch g e- ke η hz e i ch η et, daß der Regler (13) einen mit dem Ausgang des Triggers (T) verbundenen Digitalverstärker (23) aufweist.10 9812/1112
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-
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