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Regeleinrichtung für einzeln zu- und abschaltbare Stellglieder Die
Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einzeln zu- und abschaltbare,
jeweils einer Teilstellgröße einer Gesamtstellgröße zugeordnete Stellglieder mit
Zweipunktverhalten, bestehend aus einem üblichen Dreipunktregler sowie einem von
diesem angesteuerten, die Stellglieder betätigenden Stufenschaltwerk.
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Bei den bekannten, beispielweise der Brennereinschaltregelung von
Mehrzellenheizkesseln dienenden Einrichtungen dieser Art besteht das Stufenschaltwerk
bisher aus einer Programm- oder Nockenwalze mit einer der Zahl der Stellglieder
- beispielsweise der Brennermagnetventile
- entsprechenden Zahl
von Nocken, die in Abhängigkeit von der Walzenumlaufgeschwindigkeit und der Anordnung
der Nocken auf der Walze die Stellglieder zu-bzw. abschalten.
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Die bekannten Steuerungseinrichtungen weisen einige erhebliche, durch
die Drehzahlkonstanz der Nockenwalze im Verhältnis zu dem nicht linearen Kennlinienverlauf
der Regelgröße verursachte Nachteile auf. So vermag insbesondere die Nockenwalze
plötzlichen hohen Sollwertabweichungen, die durch schnelles Zu- oder Abschalten
mehrerer Stellglieder beantwortet werden müBten,nicht mit ausreichender Schnelligkeit
zu folgen. Dies gilt insbesondere bei den kritischen Fällen einer großen negativen
Regelabweichung bei niedrigem Grundlastbetrieb (plötzliche Erhöhung der Wärme abnahme
nach Aufhebung der machtabsenkung) einerseits und großen positiven Regelabweichungen
bei hoher Grundlast oder Vollastbetrieb andererseits. Zwar könnte dieser funktionelle
Nachteil durch logarithmische Anordnung der Nocken auf der Walze ausgeglichen werden,
dies würde jedoch die Verwendung getrennter Nockenwalzen für die Zuschaltsteuerung
und die Rückschaltsteuerung unter Einschuß der hierdurch unvermeidlichen Koordinierungssteuerung
erfordern.
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Nicht ausgleichbar sind auf diesem Wege jedoch die Schwierigkeiten,
die dadurch entstehen, daß zur Auslegung der
Nockenwalze die fiktive
Festlegung einer bestimmten Größe der Regelstrecke erforderlich ist. Eine betriebsbedingt
vorgenommene Veränderung der Betriebsverhältnisse der Regelstrecke - im Heizungsbetrieb
etwa (vorübergehende ) Trennung oder Zuschaltung eines Gebäudetraktes - führt dann
auch notwendig zu einer Veränderung des Parameters der Regelstrecke und damit zu
unabgestimmten Regelungsverhältnissen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Regeleinrichtung
der beschriebenen Art, die eine Regelung der Zu- bzw. Abschaltgeschwindigkeit der
Stellgliein der unabhängig von der Art der Störgröße/Proportionalität zur Regelabweichung
gewährleistet und die Erfindung besteht darin, daß das Stufenschaltwerk von je einer
an die Dreipugktreglerkontakte angeschlossenen Konstantstromschaltung sowie einer
diesem nachgeschalteten Kondensator-Verstärkeranordnung mit hohem Eingangswiderstand
am besteht Verstärker/,dem in Parallelschaltung eine der Zahl der Stellglieder entsprechende
Zahl von Schwellwertschaltern mit abgestufter Referenzspannung nachgeschaltet sind.
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Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung gewährleistet eine der Charakteristik
des Dreipunktreglers mit großer Genauigkeit folgende Regelung und damit bei Erzielung
genauer PI-Verhältnisse eine plötzlichen hohen Regelabweichungen schnell folgende
proportionale Steuerung.
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Die Konstantstromquelle übernimmt hierbei in Verbindung mit der nachgeordneten
Kondensator-Verstärkereinrichtung die Funktion eines Zeitgliedes, wahrend die Schwellwertschalter
mit abgestufter Referenz sp annung das zeitabhängige SchaLtglied für die Stellglieder
bilden.
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Die Konstantstromquelle wird zweckmäßig von einem Feldeffekttransistor
mit nachgeschaltetem Stellwiderstand gebildet, wodurch eine Schaltfolgezeiteinstellung
durch Regelung der Ladungsgeschwindigkeit des als Zeitglied dienenden Kondensators
möglich wird.
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Vorteilhaft ist parallel zum DreipuSktregelglied ein Zweipunktregelglied
mit im Totbereich des Dreipunktreglers liegender Hysteresiskennung vorgesehen, das
über einen Transistorschalter mit den Ausgängen der Schwellwertschalter über eine
aus je einer Und-/Oder-Gatterkombination für jeden Schwellwertschalter bestehende
Verknüpfungslogik verbunden ist, bei der die Eingänge jedes Und-Gatters mit den
Ausgängen des jeweils zugehörigen Schwellwertschalters einerseits und des Oder-Gatters
andererseits verknüpft sind, während der eine der Eingänge jedes Oder-Gatters jeweils
mit dem Schwellwertschalter der nachgeordneten Schaltstufe verknüpft und der andere
Eingang aller Oder-Gatter mit dem Zweipunktregelglied verbunden
sind.
Mit Hilfe dieser Anordnung wird eine korrektive tbersteuerung der Dreipunktregelung
erreicht dahingehend, daß nach Erreichen der Sollwertbedingungen bereits innerhalb
der engen Grenzen der Hysteresiskennlinie des Zweipunktregelgliedes liegende Sollwertabweichungen
sofort nachgeregelt werden. Es wird daher mit dem erfindungsgemäßen Regler nicht
nur eine schnelle Nachregelung gro-Ber Sollwertänderungen sondern auch eine große
Regelgenauigkeit erzielt.
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Zur Verbesserung des Einschaltverhaltens ist zweckmäßig den Eonstantstromgliedern
ein gemeinsamer, systemgesteuerter Unterbrecher nachgeschaltet, der bei Erreichen
der oberen und unteren Grenzwerte der Kondensator-Ladung öffnet, wodurch in Verbindung
mit der verknüpften Zweipunktregelung ein sofortiges Anspringen des ersten Stellgliedes
beim Einschalten und darüberhinaus ein definiertes Anfahrverhalten erzielt wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
Es zeigen Fig. 1 das Gesamtschaltbild der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung Fig.
2 eine schematische Darstellung der Eysterisiskennlinien der sich einander überlagernden
Dreipunkt-und Zweipunktregler.
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Fig. 3 eine schematische graphische Darstellung des Regelvorganges
bei einer angenommenen Regelabweichung.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 ein üblicher Schrittregler mit Ausgängen
2 und 3 für Dreipunktregelung und einem weiteren Ausgang 4 für Zweipunktregelung
bezeichnet. Er arbeitet in der Weise, daß bei einer dem Einschaltwert der Rysteresiskennung
entsprechenden positiven Regelabweichung das Relais geschlossen wird und damit am
Ausgang 2 ein Potential vom -12 Volt ansteht, während im Falle einer entsprechend
hohen negativen Regelabweichung das Reglerrelais 3a schließt und damit am Ausgang
3 ein Potential von +12 Volt ansteht. Am Zweipunktreglerausgang 4 steht umgekehrt
bei positiver Regelabweichung'positives Potential und bei negativer Regelabweichung
negatives Potential von jeweils 10 Volt an.
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Das dem Regler 1 nachgeordnete Stufenschaltwerk wird erfindungsgemäß
gebildet von je einer Eonstantstromschaltung aus je einem Feldeffekttransistor 5,
6 mit nachgeschaltetem Stellwiderstand 5a, 6a für jeden Ausgang des Dreipunktregelgliedes,
weiterhin einer dieser nachgeschalteten Eondensator-/Verstärkeranordnung 7, 8 als
Zeitglied mit einem Operationsverstärker 8 mit hohem, beispielsweise 1014 Ohm betragendem
Eingangswiderstand, sowie einer grundsätzlich beliebigen Zahl von jeweils auf ein
Stellglied
wirkenden Schwellwertschaltern in stufenweise festgeleerReferenzspnnnung.
Im Beispielsfalle sind vier Schwellwertschalter 10-13 für entsprechend vier Stellglieder,
etwa Brenner-Magnetventile vorgesehen, die an den Anschlüssen Y Y2, Y3 und Y4, angeklemmt
sind. Damit sind der Leistungsbereich bzw. die Gesamtstellgröße in vier Teilstellgrößen
geteilt mit jeweils einem Aussteuerbereich von UA = 20 = 5 V / Stellglied UAST =
n Stellgl.) Hieraus ergibt sich auch die für die einzelnen Schwellwertschalter vorzugebende
Referenspannung URef.
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Uref.n = UH + Un ein - Un aus (2n - 1) 2 worin Un die Ein- bzw. Ausschaltspannung
des n-ten Schwellwertschalters bezeichnen. Für das dargestellte Beispiel sich ergeben/Referenzspannungen
von - bezogen auf -12 V = 0 -4,5 V für Schalter 10, 9,5 V für Schalter 11, 14,5
V für Schalter 12 und 19,5 V für Schalter 13, die mit Hilfe der Spannungsteiler
R1 bis R5 eingestellt werden. Die Hysteresis von jeweils + 2,5 V, bezogen auf die
jeweilige Referenzspannung, wird mit Hilfe der Widerstände Rp und Rn eingestellt.
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Das Stufenschaltwerk und damit das Dreipunktregelglied ist mit dem
Zweipunktregelglied mittels einer Verknüpfungslogik verbunden, die aus je einer
Und-/Oder-Gatterkombination 14a, 14b....17a, 17b für jeden Schwellwertschalter 10...13
besteht und die mit den Schwellwertschaltern und dem Zweipunktregelausgang 4 derart
verschaltet ist, daß die Eingänge der Und-Gatter 14b-17b über jeweils einen Analog-TTL-Umsetzer
18 mit den Ausgängen des zugehörigen Schwellwertschalters 10-13 einerseits und des
zugehörigen Oder-Gatters 14a-17a andererseits verknüpft sind, während die Eingänge
der Oder-Gatter 14a-17aeinerseits gemeinsam über ebenfalls einen Analog-TTL-Umsetzer
18 mit dem Zweipunktreglerausgang 4 und andererseits mit dem Schwellwertschalter
der jeweils nachgeordneten Schaltstufe verschaltet sind. Der freie Eingang des in
der Reihe letzten Oder-Gatters 17a ist dauerhaft an Pluspotential gelegt. Es ergibt
sich hierdurch die in Fig. 2 wiedergegebene Regelcharakteristik, bei der größere
Regelabweichungen durch Aussteuerung über das Dreipunktglied entlang den Hysteresisbreiten
HD- bzw.
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+ HD+ nachgeregelt werden und die Feinregelung nach Erreichen von
Sollwertverhältnissen durch Ubersteuerung des letzten Stellgliedes über das Zweipunktregelglied
entsprechend der Hysteresiskennung Hz erfolgt. Durch die in Fig. 2 durch strichlinierte
Darstellung eines Hysteresispaares kenntlich gemachte Verstellung der Kennung des
Dreipunktregelgliedes
und die hierdurch bewirkte Veränderung des Ruhezonenbereiches können abgegrenzte
Regelzonen unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten eingestellt werden etwa dergestalt,
daß bei Justierung der Einschaltwerte des -Zweipunktreglers und Dreipunktreglers
auf einen Abstand von beispielsweise 30C. die Aussteuerung des nächsten Stellgliedes
eine länger andauernde Wirksamkeit einer Störgröße dieser Größenordnung voraussetzt.
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Es ist zur Verbesserung des Einschaltverhaltens den Konstantstromgliedern
ein gemeinsamer systemgesteuerter Un terbrecher 19 vorgeschaltet, der mittels eines
npn-Schalters mit im Basiskreis vorgeschaltetem NAND-Gatter 20 betätigt wird, dessen
einer Eingang direkt mit dem Ausgang des Und-Gatters 14b der ersten Schaltstufe
und dessen anderer Eingang über einen Inverter 21 mit dem Ausgang des Und-Gatters
17b der letzten SchaltstufeY4 verknüpft sind.
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Es ist darüberhinaus der Anfahrweg zum ersten Schwellwertschalter
10 unterbrochen und dieser Eingang dauerhaft an Plus-Potential gelegt. Hierdurch
wird einerseits ein sofortiges Anspringen des ersten Stellgliedes beim Einschalten
des Reglers und darüberhinaus ein definiertes Anfahrverhalten erzielt. Durch die
strichlinierte Verbindung zum Operationsverstärker soll verdeutlicht werden, daß
diese Unterbrechung nur für das erste Stellglied gilt, d. h. sich auch bei beispielsweise
Hintereinanderschaltung mehrerer (gedruckter) Schaltkarten nicht wiederholt.
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Die dargestellte Regeleinrichtung wirkt wie folgt: Beim Einlegen des
Hauptschalters liegen der Schwellwertschalter 10, der Spannungsteiler R1...R6 und
das Gatter 17a mit seinem einen Eingang ar. Potential. Gleichzeitig stehen infolge
der beim erstmaligen Einschalten bestehenden negativen Regelabweichung der Regelstrecke
am Ausgang 3 bzw. nach SchlieBen des Schalters 3a an der Konstantstromquelle 5,5a
positives Potential und am Ausgang 4 negatives Potential an. Dies führt nach Analog-TTL-Umsetzung
in den Umsetzern 18 des Schwellwertschalters 10 und des Zweipunktreglers 4 über
die Gatter 14å, 14b zu einem Einschaltbefehl an das Stellglied Y1.Gleichzeitig erfolgt
über die Gatterkombination 20, 21 Sperrung des Transistors 19a und Entregung des
Unterbrechers 19, der damit in Schließstellung fällt. Das Einlegen des Hauptschütz
führt damit unmittelbar und ohne Zeitverzögerung zum Einschalten des ersten Stellgliedes
einerseits und zur seitproportionalen Beladung des Kondensators 7 entsprechend der
Regelcharakteristik des Dreipunktregelgliedes. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 in schematischer
Darstellung unter Zugrundelegung einer linearen Regelabweichung von 50% (3A) wiedergegeben,
die Regelimpulse der in Fig. 3B wiedergegebenen Zeit- und Schrittfolge auslöst.
Diese Regelimpulse führen (Fig. 33) zu einer der P-Anteils-Eennlinie folgenden Beladung
des Kondensators 7
wahrend der Zeit Tp, innerhalb der nach den
wiedergegebenen Bedingungen die Einschaltspannung des Schwellwertschalters 11 erreicht
wird, was zu einem zusätzlichen Einschalten des Stellgliedes Y2 führt. Unter der
gestellten Bedingung einer bleibenden Regelabweichung von 50% würde die weitere
Regelung nun mit verkürzter Impulsfolge entlang der dargestellten gestuften Kennlinie
vollziehen, die der der gemittelten I-Anteils-Kennlinie entspricht.
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Der Regler folgt damit genau P-I-Regelverhältnissen.
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Für das Folgende soll davon ausgegangen werden, daß nach Einschalten
des zweiten Stellgliedes Sollwertbedingungen erreicht sind, in welchem Fall der
Unterbrecher 3a geöffnet wird. Infolge dieser Unterbrechung einerseits und des hohen
Eingangswiderstandes am Operationsverstärker 8 andererseits bleibt die Ladung des
Kondensators 7 erhalten. Es stehen damit am Ausgang des Schwellwertschalters 11
und damit an den verbundenen Eingängen der Gatter 14a und 15b log 1 an, wodurch
das Stellglied Y1 dauerhaft und das Stellglied Y2 solange in Funktion gehalten werden,
solange die Ausschaltschwelle des Zweipunktreglers noch nicht erreicht ist, d. h.
das Gatter 15a vom Ausgang 4 her noch mit log. 1 belegt ist. Bei Erreichen der Ausschaltschwelle
am Zweipunktregelgliedvtritt Wechsel des log-Befehles am Gatter 15a und damit auch
am Gatter 15b ein mit der Folge, daß das Stellglied Y2 trotz Erhaltung des Einschaltbefehls-am
Schwellwertschalter 11 ausgeschaltet
wird. Es tritt somit eine
Ubersteuerung des Dreipunktschrittreglers für das letzte eingeschaltete Stellglied
ein. Erst bei Auftreten einer größeren, in den Bereich HD bzw HD+ gem. Fig. 2 reichende
Regelabweizhung tritt durch Schließung des Schalters 2a oder 3a und der hierdurch
erfolgenden weiteren Beladung oder Entladung des Kondensators 7 eine weitergehende
Änderung der Regelungsverhältnisse ein, bis bei Erreichen der Sollwertverhältnisse
die Ubersteuerung des letzten Stellgliedes in der beschriebenen Weise durch das
Zweipunktregelglied übernommen wird.
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Bei Erreichung der Zuschaltschwelle für den letzten Schwellwertschalter
13 erfolgt Änderung der Belegung des NAND-Gatters 21 und damit Umschaltung des Transistorschalters
19a ein, der ein Öffnen des Hauptschalters 19 bewirkt und damit die Beladung des
Kondensators 7 unterbricht. Bei Einschalten des letzten Stellgliedes verbleibt somit
der Kondensator in einer definierten Ladung, was die Grundlage dafür darstellt,
daß die sich eventuell anschließende Rückschaltfolge bereits für das erste Glied
in genauer Zeitproportionalität vollzieht.
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Der im Prinzip analoge Vorgang vollzieht sich am Ende der Rückschaltfolge
bei Abschalten des ersten Stellgliedes y1, mit dem gleichzeitig ebenfalls der Schalter
19 geöffnet
und ein weiteres Entladen unter den gewünschten bzw.
definierten Einschaltwert verhindert und durch den eine genaue Zeitproportionalität
der Einschaltfolge bei dem sich anschließenden Zuschaltvorgang erreicht wird.