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Reglerkette für getastete Regelung
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Die Erfindung betrifft eine Reglerkette für eine getastete Regelung,
mit eine. Eingsngsverträrker, dem eine dem Istwert der Regelgröße entsprechende
elektrische Größe aufschaltbar ist und der abhangig von Sollwert der Regelgröße
derart einstellbar ist, daß sein Ausgangssignal die Regelabweichung in Richtung
und Betrag als Abweichung von einem Bezugswert darstelit, sowie lit einer nachfolgenden
Reglerschaltung, die abhängig von diesem Regelabweichungssignal das Tastverhãltnis
eines Ein-Aus-Signals vorgebbarer Wechselfrequenz für mindestens ein auf die Regelgröße
einwirkendes Zweipunkt-Stellglied in Sinne einer Verminderung der Regelabweichung
verändert.
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Je nach dem Typ der in einen Regelkreis eingesetzten Reglerkette unterscheidet
aan zwischen echter stetiger Regelung, Zweipunktregelung und getasteter Regelung.
Bei stetiger Reiz lung wird ein die Regelgröße beeinflussendes Stellglied kontinuierlich
als Funktion der Regelabweichung in Sinne einer Verminderung dieser Abweichung verstellt.
Es gibt jedoch tnwendungsfälle, wie z.B. die Regelung einer Temperatur oder
eines
Gemischs, bei denen stufenlos veränderbare Stellglieder relativ aufwendig werden.
Um Stellgrößen wie etwa Heizung, Kühlung, Dosage von Zusätzen usw. kontinuierlich
verändern zu können, sind recht komplizierte und teure Geräte wie z.B.
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Thyristorschaltungen oder regelbare Drosselventile notwendig.
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Man weicht daher in solchen Fällen gerne auf Zweipunktregler aus,
bei denen das Stellglied je nachdem, ob die Regelgröße ihren Sollwert über- oder
unterschreitet, das betreffende Stellglied einfach aus- oder eingeschaltet wird.
Dieses Regelungsprinzip hat jedoch andererseits den Nachteil, daß zwangsläufig eine
relativ breite Oszillation der Regelgröße um den Sollwert eintritt. Einen Ausweg
bildet hier die erwähnte getastete Regelung, bei der das Stellglied mit fester Frequenz
intermittierend eingeschaltet wird, wobei das Verhältnis zwischen den Jeweiligen
Einschalt- und Ausschaltintervallen, d.h. das Tastverhältnis der Einschaltimpulse,
abhängig vom Regelabweichungssignal gesteuert wird. Obwohl sich die Stellgröße zu
öße hierbei unstetig" zwischen nur zwei Werten ändert, kann man dennoch eine "quasistetige"
Regelung erreichen, indem man die Schaltfrequenz so wählt, daß ein einziges Einschaltintervall
für sich allein noch nicht zu einer meßbaren Änderung der Regelgröße führt.
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Getastete Regler sind an sich bekannt, so z.B. der mechanische Kompensationsregler
mit Meßgerät, periodisch bewegtem Druckkugel und Rastblech. Bei manchen Regelproblemen
reicht es Jedoch nicht aus, ein in einem bestimmten Sinne auf die Regelgröße wirkendes
Stellglied periodisch mit mehr oder weniger großem Tastverhältnis ein- und auszuschalten.
Steht die Regelgröße unter dem Einfluß einer im gleichen Sinne wie das Stellglied
wirkenden starken Störgröße, dann wird ein zweites, in entgegengesetztem Sinne wirkendes
Stellglied notwendig sein, um diese Störgröße zu kompensieren. Bei Temperaturreglern
beispielsweise wird man in diesem Fall neben einer Heizung auch eine Kühlung vorsehen
lüssen.
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Um hier eine getastete Regelung mittels einer einzigen Reglerkette
zu erreichen, könnte man ins Auge fassen, das zum Ein- und Ausschalten der Heizung
bereitgestellte Schaltsignal in invertierter
Form zum Aus- und
Einschalten der Kühlung zu verwenden, bzw. gemäß dem im Tastverhältnis modulierten
Schaltsignal zwischen Heizung und Kühlung umzuschalten. Beim Erreichen des Sollwerts
würde diese Umschaltung dann in einem solchen Verhältnis erfolgen, daß sich beide
Einflüsse im Mittel aufheben. Es würde also ständig zwischen Heizung und Kühlung
umgeschaltet werden, obwohl an diesem Punkt im Grunde weder Heizung noch Kühlung
erforderlich ist. Dies bedeutet eine beträchtliche Energieverschwendung. Bei einer
Gemischregelung wie etwa der Regelung des pH-Werts eines Fermenters, ist dieses
Problem noch unangenehmer.
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Die erste Stellgröße wäre hier eine Säurezufuhr und die zweite, entgegengesetzt
wirkende Stellgröße eine Laugenzufuhr. Ein ständiger Wechsel zwischen beiden Zusätzen
mit variierendem Dosierungsverhältnis würde hier eine ungeheure Stoffverschwendung
bedeuten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Reglerkette der eingangs
beschriebenen Art so auszugestalten, daß sie bei beliebigen Regelproblemen zur Durchführung
einer besonders wirtschaftlichen und genauen getasteten Regelung eingesetzt werden
kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reglerschaltung
folgendes enthält: eine Quelle für ein periodisches Signal mit vorgebbarer Frequenz,
welches aus einer abwechselnden Folge von ansteigenden und abfallenden Ästen besteht;
eine Pegelverschiebungsschaltung, die an ihrem Eingang das periodische Signal empfängtund
an getrennten Ausgängen mindestens zwei verschieden vorgespannte Versionen des periodischen
Signals als Steuerwellen liefert, deren Auslenkungsbereiche fiberlappungslos und
vollständig auf gegenüberliegenden Seiten des Bezugswerts liegen; für jede Steuerwelle
einen gesonderten Vergleicher, der ein Einschaltsignal für ein ihm einzig zugeordnetes
von mehreren Zweipunkt-Stellgliedern erzeugt, solange das Regelabweichungssignal
den Momentanwert der betreffenden Steuerwelle in der
ihrer jeweiligen
Vorspannung gleichen Polaritat überschreitet.
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Da sich die Auslenkungsbereiche der verschiedenen Steuerwellen nicht
überlappen, wird je nach dem Wert des Regelabweichungssignals nur der eine oder
andere Vergleicher ein periodisch umschaltendes Ausgangssignal liefern. Beim Überstreichen
des Regelbereichs werden die Vergleicher nacheinander zur Aufgabe periodischer Einschalsignale
aktiviert, deren Tastverhältnis sich kontinuierlich ändert. Erst nachden das Tastverhältnis
eines Extremwert (0 oder 1) erreicht hat und damit die Einflüßmöglichkeit des zugeordneten
Stellgliedes erschöpft ist, kann ein anderer Vergleicher in Aktion treten um die
anderes Stellglied periodisch ein-und auszuschalten. Vergleicher, deren zugeführte
Steuerwellen ihren jeweiligen Auslenkungsbereich auf unterschiedlichen Seiten des
Bezugswertes haben, werden Stellgliedern zugeordnet, die in entgegengesetztem Sinne
auf die die Auslenkungsbereiche wie gesagt nicht überlappen, wird je dem, ob die
Regelabweichung positiv oder negativ ist, nur das eine oder das andere der geschaltet.
Ein ständiges unwirtschaftliches Umschalen zwischen entgegengesetzt wirkenden Stellgrößen
wird somit er In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist dafür gesorgt,
daß zwischen den Auslenkungsbereich der am wenigstem in der einen Richtung gegenüber
dci Bezugswert welle und dem Auslenkungsbereich der am wenigsten in der anderen
Richtung gegenüber dem Bezugswert verschobenen Steuerwelle eine endliche Lücke liegt.
Dies führt dazu, daß weder ein in dem einen Sinne wirkendes noch ein in ttsL n 8lne
wird kendes Stellglied in Aktion tritt, wenn sich die Regelgröße innerhalb eines
bestimmten Toleranzbereichs nahe dem Sollwert bewegt. Die besagte Lücke und somit
der Toleranzbereich der Regelung kann dem jeweiligen Regelproblem angepaßt werden,
beispielsweise durch Variation der Pegelverschiebungen.
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Mit der Erfindung wird die Regelkennlinie praktisch in verschiedene
Abschnitte
"segmentiert". Es können beliebig viele Segmente unterschiedlicher Steigung geschaffen
werden, indem man die Anzahl der verschiedenen Steuerwellen und die Ubertragungsfunktionen
der zugeordneten Stellglieder entsprechend wählt.
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Die Form der Segmente läßt sich durch die Gestalt der Steuerwellen
bestimmen. Bei dreieckförmigen oder sägezahnförmigen Steuerwellen ergeben sich lineare
Segmente, bei sinusförmigen Steuerwellen sind die Segmente sinusförmig gekrümmt,
usw..
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Vorzugsweise wird das vom Eingangsverstärker kommende Regelabweichungssignal
den Vergleichern über einen Proportionalverstärker zugeführt, dessen Verstärkung
zur Verstellung der Breite des Regelbereichs einstellbar ist. In gewissen Fällen
kann es nützlich sein, diesem Proportionalverstärker neben dem Regelabweichungssignal
zusätzlich das Integral des Regelabweichungssignals auf zuschalten. Dies ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn der Maximalbetrag der in der einen Richtung wirkenden Stellgröße
nicht gleich ist dem Maximalbetrag der in entgegengesetzter Richtung wirkenden Stellgröße.
Die tinte Integralaufschaltung verhindert in diesem Fall, daß sich die Regelgröße
auf einen vom Sollwert abweichenden Wert einpendelt.
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Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend
an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erlautert.
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Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Reglerkette;
Figuren 2a, 2b und 2c zeigen Wellenformen und Kennlinien für verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung; Figuren 3a und 3b sind Regelkennlinien, wie sie bei bestimmten Dimensionierungen
der Stellglieder auftreten können;
Fig. 4 ist das Schaltbild eines
Proportionalverstärkers mit wahlweiser Integralaufschaltung; Figuren 5a und 5b zeigen
Beispiele für die Beschaltung des Eingangsverstärkers; Fig. 6 zeigt eine Schaltung,
die eine visuelle Uberwachung der Einhaltung des Regelbereichs ermöglicht; Fig.
7 zeigt einen Wellenformgenerator mit nachfolgender Pegelverschiebungsschaltung
zur Erzeugung zweier Steuerwellen; Fig. 8 ist das Schaltbild eines Vergleichers
mit nachgeordneter Relais schaltung.
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Die in Fig. 1 sehr schematisch dargestellte Reglerkette hat einen
Meßsignaleingang zum Anlegen eines dem Istwert der Regelgröße entsprechenden elektrischen
Signals. Dieses Istwertsignal erscheint als Spannung UA auf der Eingangsleitung
A eines Eingangsverstärkers 100, dessen Funktion darin besteht, das Istwertsignal
in eine für die weitere Verarbeitung brauchbare Ausgangsspannung UB umzusetzen.
UB soll die Regelabweichung, d.h. die Abweichung des Istwerts von irgend einem vorgegebenen
Sollwert direkt als Abweichung gegenüber der Bezugsspannung der Schaltung (Masse-oder
Nullpotential) angeben. Zu diesem Zweck sei der Verstarker mit einer von außen einstellbaren
Yorspannungsschaltung versehen, die vor Inbetriebnahme der Reglerkette eo Justiert
wird, daß die Verstärkerausgangsspannung UB den Wert 0 hat, wenn Istwert und Sollwert
übereinstimmen. Diese Justierung wird unter Beobachtung des mit dem Verstarkerausgang
verbundenen Nullinstruments 120 vorgenommen. Der Eingangsverstärker 100 bildet somit
einen Sollwert/Istwert-Vergleicher mit Sollwertsteller.
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Beispiele für spezielle Ausführungsformen des Verstärkers 100 werden
an späterer Stelle noch beschrieben.
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Das Regelabweichungssignal UB vom Ausgang des Verstärkers 100 gelangt
zu einem Proportionalverstärker 200, dessen Verstärkungsfaktor variabel ist, um
die Breite des Regelbereichs symmetrisch zum eingestellten Sollwert verändern zu
können, wie es weiter unten noch erläutert wird.
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Die auf der Leitung C erscheinende Ausgangsspannung UC des Proportionalverstärkers
200 stellt das (verstärkte) Regelabweichungssignal dar, welches zur Ableitung von
Steuersignalen für verschiedene Stellglieder zur Beeinflussung der Regelgröße herangezogen
wird. Das Regelabweichungssignal Uc kann gewünschtenfalls durch eine mit dem Ausgang
des Verstärkers 200 verbundene Überwachungsschaltung 240 überwacht werden, die beim
Überschreiten des Regelbereichs verschiedenfarbige Leuchtdioden 241 und 242 zum
Aufleuchten bringt, wie es ebenfalls weiter unten noch erläutert wird.
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Die weitere Verarbeitung des Regelabweichungssignals Uc in der Schaltung
nach Fig. 1 sei nun in Verbindung mit den in Fig. 2a dargestellten Schaubildern
beschrieben. Ein Wellenformgenerator 500 erzeugt eine periodisch oszillierende Wechselspannung,
im vorliegenden Fall in Form einer Dreieckwelle D (vgl. Fig. 2a, linkes Bild). Diese
Dreieckwechselspannung D wird auf einen Eingang einer Pegelverschiebungsschaltung
600 gegeben, die mehrere Ausgänge aufweist, an deren jedem eine in bestimmter Weise
vorgespannte Version der Dreieckspannung erscheint. Im dargestellten Beispiel sind
es zwei Dreieckwellen D1 und D2, deren erstere ein in positiver Richtung verschobenes
Abbild und deren letztere ein in negativer Richtung verschobenes Abbild der Dreieckwechselspannung
ist. Das Maß dieser Amplitudenverschiebung oder Vorspannung ist jeweils so groß
gewählt, daß die erste Dreieckwelle D1 vollständig oberhalb und die zweite Dreieckwelle
D2 vollständig unterhalb der Nullachse liegt, d.h. die Auslenkungsbereiche der beiden
Dreieckwellen befinden sich überlappungslos und vollständig auf gegenüberliegenden
Seiten der Bezugsspannungsachse.
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Die Dreieckwelle D1 wird dem ersten Eingang eines ersten Vergleichers
310 zugeführt, der an seinem zweiten Eingang das Regelabweichungssignal Uc vom Ausgang
des Proportionalverstärkers 200 empfängt. Der Vergleicher 310 liefert eine Ausgangsspannung
vorbestimmter Amplitude, solange die erste Dreieckwelle D1 negativer ist als das
Regelabweichungssignal Uc. Sobald der Momentanwert der ersten Dreieckwelle D1 positiver
wird als das Regelabweichungssignal, fällt die Ausgangsspannung des Vergleichers
310 auf 0.
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Ein zweiter Vergleicher 320 empfängt an einem ersten Eingang die in
negativer Richtung verschobene Dreieckwelle D2 und an einem zweiten Eingang ebenfalls
das Regelabweichungssignal Uc. Der zweite Vergleicher 320 ist so ausgelegt, daß
er eine Ausgangsspannung vorbestimmter Amplitude liefert, solange das Regelabweichungssignal
Uc negativer ist als der Momentanwert der zweiten Dreieckwelle D2. Während derjenigen
Zeiten, in denen das Regelabweichungssignal positiver ist als der Momentanwert der
Dreieckwelle D2, liefert der zweite Vergleicher 320 keine Ausgangsspannung.
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Ist das Regelabweichungssignal Uc vom Ausgang des Verstärkers 200
positiver als die positive Spitzenamplitude der ersten Dreieckwelle D1, dann liefert
der erste Vergleicher 310 eine kontinuierliche Ausgangsspannung, während die Ausgangsspannung
des Vergleichers 320 auf 0 bleibt. Liegt das Regelabweichungssignal Uc innerhalb
des Auslenkungsbereichs der ersten Dreieckwelle D1, dann erscheinen am Ausgang des
Vergleichers 310 Rechteckimpulse, deren Folgefrequenz der Frequenz der Dreieckwelle
entspricht und deren jeweilige Dauer denJenigen Zeitspannen entsprechen, während
derer der Momentan-wert der Dreieckwelle D1 die Spannung UC unterschreitet. Wahrend
der übrigen Intervalle, in denen die Amplitude der Dreieckwelle D1 positiver ist
als das RegelabweichPngssignal U,, sinkt die Ausgangsspannung des Vergleichers 310
auf 0. Die Ausangsiipu1se des Vergleichers 310 werden kurzer und die dazwischenliegenden
Impulspausen
länger wenn das Regelabweichungssignal Uc innerhalb des Auslenkungsbereichs der
Dreieckwelle D1 negativer wird.
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Die Ausgangsspannung des zweiten Vergleichers 320 bleibt unter diesen
Umständen auf 0. Sinkt das Regelabweichungssignal Uc unter die negative Spitzenamplitude
der ersten Dreieckwelle Di, dann verschwinden die Ausgangsimpulse des ersten Vergleichers
310. Gerät das Regelabweichungssignal UC in den Auslenkungsbereich der zweiten Dreieckwelle
D2, dann erscheinen am Ausgang des zweiten Vergleichers 320 Spannungsimpulse, deren
jeweilige Dauer denjenigen Intervallen entspricht, in denen der Momentanwert der
zweiten Dreieckwelle D2 positiver ist als das Regelabweichungssignal. Diese Dauer
wird umso größer und die dazwischenliegenden Impulspausen werden umso kürzer, je
negativer das Regelabweichungssignal UC wird. Ist das Regelabweichungssignal negativer
als die negative Spitzenamplitude der zweiten Dreieckwelle D2, dann verschwinden
die Impulspausen am Ausgang des zweiten Vergleichers 320 vollstãndig, d.h. es erscheint
dort eine kontinuierliche Ausgangs spannung vorbestimmter Amplitude. Die Ausgangsspannung
des ersten Vergleichers 310 bleibt unter diesen Bedingungen auf 0.
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Das Ausgangssjgnal des ersten Vergleichers 310 kann herangezogen werden,
um über ein Relais 410 und einen zugehörigen gontakt k1 ein erstes Zweipunkt-Stellglied
zu schalten, welches die Regelgröße in einem ersten Sinne beeinflußt. Im Falle eines
Temperaturregelkreises beispielsweise mag dieses erste Stellglied eine Heizung sein.
In ahnlicher Weise kann das Ausgangssignal des zweiten Yergleichers 320 herangezogen
werden, um über ein Relais 420 und einen zugehörigen Kontakt h ein zweite.
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zUeipnnkt-ßtellglied zu schalten, welches die Regelgröße in entgegengesetztem
Sinne beeinflußt. Im Falle eines Temperaturregeikreises wird dieses zweite Stellglied
eine Kühlvorrichtung sein.
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Je nachden, ob das Regelabweichungssignal UC ii Auslenkungsbereich
der ersten oder der zweiten Dreieckwelle D1 oder D2 liegt,
liefert
der erste oder der zweite Vergleicher 310 oder 320 eine periodische Reckteckwelle
und somit ein periodisches Ein-Aus-Signal für das erste oder das zweite Zweipunkt-Stellglied.
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Je kleiner der Absolutbetrag des Regelabweichungssignals Uc wird,
desto kleiner wird das Tastverhältnis des Ein-Aus-Signals für das jeweils gesteuerte
Stellglied und somit der Mittelwert der jeweiligen Stellgröße, so daß im jeweiligen
Bereich eine auasi-stetige Regelung erfolgen kann. Zur Erzielung einer solchen Quasi-Stetigkeit
muß die Frequenz des vom Wellenformgenerator 500 erzeugten Signals und somit die
Frequenz der Steuerwellen für die Stellglieder derart mit den Übertragungsfaktoren
der Stellglieder abgestimmt sein, daß ein einziger Schaltimpuls für sich noch keine
meßbare Änderung der Regelgröße bewirken kann.
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Die Regelkennlinie eines mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform'der
Reglerkette betriebenen Regelkreises ist im rechten Bild der Fig. 2a dargestellt.
Die Abszisse gibt die Regelgröße x (z.B. Temperatur) an, während die Ordinate die
von den Stellgliedern bewirkte Stellgröße y (z.B. zu- oder abgeführte Wärmemenge
pro Zeiteinheit) darstellt. Der Nullpunkt der Abszisse entspricht dem Sollwert der
Regelgröße (Solltemperatur).
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Liegt das Regelabweichungssignal Uc oberhalb des Auslenkungsbereichs
der ersten Dreieckwelle D1 (mittleres Bild in Fig. 2a), dann liefert der erste Vergleicher
310 eine kontinuierliche Ausgangsspannung, womit das erste Stellglied (Heizung)
standig eingeschaltet ist. Dies entspricht der Stellgröße y1max in rechten Bild
der Fig. 2a. Die zu regelnde Temperatur steigt an, bis die Regelgröße einen Wert
Xe erreicht, bei der das Regelabweichungssignal die oberen Spitzen der ersten Dreieckwelle
D1 erreicht.
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Bei weiter steigender Temperatur gerät das Regelabweichungssignal
zunehmend in den Auslenkungsbereich der ersten Dreieckwelle D1, womit das Ausgangssignal
des ersten Vergleichers 310 und somit die Einschaltzeit der Heizung durch zunehmend
längere
Pausen unterbrochen wird. Die Stellgröße y (zugeführte
Wärmemenge) nimmt dadurch im Mittel kontinuierlich ab, wie es die abfallende Flanke
im linken Ast der Regelkennlinie zeigt. Wenn sich das Regelabweichungssignal so
weit vermindert hat, daß es die unteren Spitzen der ersten Dreieckwelle D1 nurmehr
noch berührt, sind die Einschaltintervalle für die Heizung auf 0 abgesunken, so
daß keine Wärmemenge mehr zugeführt wird. Dies entspricht dem Punkt x1 in der Regelkennlinie.
Das zweite Stellglied (Kühlung) bleibt während dieses gesamten Vorgangs ausgeschaltet.
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Wenn andererseits die Temperatur oder Regelgröße x einen solchen Wert
hat, daß das Regelabweichungssignal negativer ist als die negative Spitzenamplitude
der zweiten Dreieckwelle D2, dann liefert der zweite Vergleicher 320 ein kontinuierliches
Ausgangssignal, wodurch das zweite Stellglied (Kühlung) ununterbrochen im eingeschalteten
Zustand gehalten wird. Hierbei wird pro Zeiteinheit maximale Wärmemenge Y2max abgeführt,
bis die Temperatur den Wert +xe erreicht. Bei weiter absinkender Temperatur gerät
das Regelabweichungssignal zunehmend in den Auslenkungsbereich der zweiten Dreieckwelle
D2, womit die Kühlung durch zunehmend lange Intervalle unterbrochen wird und die
abgeführte Wärmemenge im Mittel kontinuierlich geringer wird, wie es die schräge
Flanke im rechten Ast der Regelkennlinie zeigt. Sobald das Regelabweichungssignal
den Auslenkungsbereich der zweiten Dreieckwelle D2 in positiver Richtung verläßt,
sind die Einschaltzeiten der Kühlung auf 0 abgesunken, d.h. die Kühlung bleibt vollständig
ausgeschaltet. Dies entspricht dem Punkt x2 in der Regelkennlinie.
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Die Heizung (erstes Stellglied) ist während dieses gesamten Vorgangs
ausgeschaltet geblieben.
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Bei der im rechten Bild der iig. 2a gezeigten Regelkennlinie erstreckt
sich der Proportionalbereich der Regelung von Xe bis +xe. Im linken Ast der Regelkennlinie
wirkt nur das erste Stellglied (Heizung) und im rechten Ast nur das zweite Stellglied
(Kühlung). In der Mitte des Regelbereichs, d.h. wenn die Regelgröße
nahe
dem Sollwert liet, ist keines der beiden Stellglied der wirksam. Dieser "Untätigkeitbereich"
erstreckt sich von xl bis x2 zu beiden Seiten des Sollwerts. Seine Breite kann beliebig
klein gemacht werden, indem man die Auslenkungsbereiche der beiden Dreieckwellen
D1 und D2 beliebig nahe an die Bezugsachse legt. Wenn man die beiden Auslenkungsbereiche
direkt ameinander angrenzen läßt, dann verschwindet der besagte Untätigkeitsbereich,
und die beiden Äste der Regelkennlinie bilden eine durchgehende Linie durch den
RullpunEt des Koordinatenkreuzes.
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In der Praxis wird es Jedoch haufig zweckiaßig sein, einen endlich
großen Zwischenraum zwischen den Auslenkungsbereichen der beiden Dreieckwellen zu
halten, um mit größerer Sicherheit auszuschließen, daß die Regelung in der Nähe
des Sollwerts ständig zwischen den beiden Stellgliedern umschaltet. Dieser Zwischenraum
kann so klein gewählt werden, daß die Punkte x1 und x2 innerhalb des Toleranzbereichs
der Regelung liegen. Man erreicht dadurch eine "Sparlücke" in der Kennlinie, die
einerseits die gewünschte Regelgebauigkeit nicht beeinträchtigt, andererseits aber
zu einer wesentlichen Verminderung an Energie und Verschleiß bei den Stellgliedern
führt.
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Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei den das
periodische Signal D und somit die Steuerwellen D1 und D2 an den Vergleichreingängen
dreieckige Wellenform haben. Eine solche Wellenform führt zu einer linearen Regelkennlinie,
wie sie im rechten Bild der fig. 2a gezeigt ist. Ein ähnliches Ergebnis würde mit
sägezahnförmigen Steuerwellen erzielt werden. Es sind jedoch auch beliebige andere
Wellenformen wie z.B. Sinusform oder Parabelform usw. möglich, un der Regelkennlinie
einen b.-liebig gekrümmten Verlauf zu geben. In Fig. 2b ist der Fall einer Sinuswellenform
veranschaulicht. Das linke Bild zeigt ein in Sinusform verlaufendes periodisches
Ausgangssignal D des Wellenformgenerators 500, das mittlere Bild zeigt di. entsprechenden
pegelverschobenen sinusförmigen Steuerwellen D1 und für die Vergleicher 310 und
320, und das rechte flild zeigt die sich daraus ergebende Regelkannlinie, deren
beide Äste sinusförmig
gekrümmt sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können auch mehr als zwei pegelverschobene
Steuerwellen verwendet werden, deren Auslenkungsbereiche überlappungslos übereinanderliegen.
Dieser Fall ist in Fig. 2c veranschaulicht, deren linkes Bild ähnlich wie die Fig.
2a das dreieckförmige periodische Signal D vom Ausgang des Wellenformgenerators
500 zeigt. Von diesem Signal werden nicht nur zwei pegelverschobene Steuerwellen
D1 und (wie im Falle der Fig. 2a), sondern noch weitere Steuerwellen D3 und D4 abgeleitet,
die an weiteren (in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten) Ausgängen der Pegelverschiebungsschaltung
600 erscheinen mögen. Die Auslenkungsbereiche dieser zusätzlichen Steuerwellen grenzen
direkt an die Auslenkungsbereiche der ersten beiden Steuerwellen D1 und D2 an. Die
Steuerwellen D3 und D4 können jeweils gemeinsam mit dem Regelabweichungssignal UO
weiteren Vergleichern zugeführt werden (in Fig. 1 bei 330 und 340 gestrichelt angedeutet),
die ähnlich wie die Vergleicher 310 bzw. 320 ausgebildet sind und in ähnlicher Weise
Ausgangssignale zur Ein-Aus-Schaltung weiterer Stellglieder liefern.
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So mag die Steuerwelle D3 beispielsweise einer zusätzlichen Heizung
und die Steuerwelle D4 einer zusätzlichen Kühlvorrichtung zugeordnet sein. Bewegt
sich das Regelabweichungssignal UC z.B. innerhalb des Auslenkungsbereichs der Steuerwelle
D3 dann ist das der Steuerwelle D1 zugeordnete Stellglied ständig eingeschaltet,
während das der Steuerwelle D3 zugeordnete Stellglied periodisch ein- und ausgeschaltet
wird. In diesem Zustand arbeitet die Regelung im Segment (D3) der im rechten Bild
der Fig. 2c gezeigten Regelkennlinie. Bewegt sich das Regelabweichungssignal im
Auslenkungsbereich der Steuerwelle dann wird das dieser Steuerwelle zugeordnete
Stellglied periodisch ein- und ausgeschaltet, während das der Steuerwelle D3 zugeordnete
Stellglied ständig ausgeschaltet bleibt.
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Dieser Zustand entspricht dem Segment (D1) der Regelkennlinie.
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In analoger Weise läßt sich dæ Regelverhalten für Abweiohungssignale
in den anderen Bereichen analysieren. Es können beliebig
viele
Steuerwellen mit unterschiedlicher Pegelverschiebung "nebeneinander gelegt werden,
um eine Regelkennlinie aus beliebig vielen Segmenten zu bilden. Die Auslenkungsbereiche
der verschiedenen Steuerwellen können auch unterschiedlich breit gemacht werden,
z.B. indem man das periodische Signal D verschiedenen Zweigen einer Pegelverschiebungsschaltung
mit unterschiedlicher Verstärkung oder Dämpfung zuführt.
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Es ist auch möglich, neben den Steuerwellen zusätzlich noch ein positives
und/oder negatives Gleichspannungssignal bereitzustellen, dessen Pegel jenseits
oder an der äußeren Grenze des Auslenkungsbereichs der am weitesten verschobenen
Steuerwelle liegt. Solche Gleichspannungspegel sind im mittleren Bild der Fig. 2c
mit D5 und D6 bezeichnet. Das Gleichspannungssignal D5 kann gemeinsam mit dem Regelabweichungssignal
U0 einem weiteren Vergleicher (nicht dargestellt) zugeführt werden, der ein Einschaltsignal
für ein weiteres Zweipunkt-Stellglied (Heizung) liefert, solange das Regelabweichungssignal
positiver ist als dieses Gleichspannungssignal. In Bhpl icher Weise kann das Gleichspannungssignal
D6 einem weiteren Vergleicher (ebenfalls nicht dargestellt) zugeführt werden, der
ein Einschaltsignal für ein wiederum anderes Zweipunkt-Stellglied (in diesem Falle
eine Kühlvorrichtung) erzeugt, solange das Regelabweichungssignal negativer ist
als dieses Gleichspannungssignal.
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Hierdurch werden zusätzliche Segmente in die Regelkennlinie eingeführt,
wie sie bei (D5) und (D6) im rechten Bild der Fig. 2c dargestellt sind.
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Das vorstehend beschriebene Prinzip der Reglerkette ist nicht auf
die Anwendung in Temperaturregelkreisen beschränkt sondern eignet sich zur Konstanthaltung
beliebiger Regelgrößen zu ößen x und ist überall dort von Vorteil, wo Zweipunkt-Stellglieder
praktisch sind. Dabei werden die auf die eine Seite der Bezugsachse pegelverschobenen
Steuerwellen zur Ansteuerung von Stellgliedern herangezogen, die alle in einem bestimmten
ersten Sinne auf die Regelgröße wirken, während die in der anderen Richtung
pegelverschobenen
Steuerwellen zur Ansteuerung von Stellgliedern herangezogen werden, die alle im
entgegengesetzten Sinne auf die Regelgröße wirken. Bei einer Temperaturregelung
besteht die erstgenannte Gruppe der Stellglieder aus Heizeinrichtungen und die zweitgenannte
Gruppe aus Kühleinrichtungen.
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Bei einer Regelanordnung zur Konstanthaltung des pH-Werts einer Flüssigkeit
beispielsweise mögen die einen Stellglieder Pumpen oder Leitungsventile zur Säurezufuhr
sein, während die anderen Stellglieder Pumpen oder Leitungsventile für Laugenzufuhr
sind. Beim Einsatz der Reglerkette ist ihre Gesamtverstärkung und auch die Periodendauer
des die Steuerwellen erzeugenden periodischen Signals so zu wählen, daß die bekannten
Konvergenzkriterien über den wirksamen Regelbereich erfüllt werden. Hierbei ist
neben der Regeltotzeit auch das Ubertragungsverhalten der jeweiligen Stellglieder
zu berücksichtigen, wobei es sich um bekannte oder leicht zu ermittelnde Parameter
handelt. Die Reglerkette kann also mit einfach durchzuführenden Einstellungen jedem
beliebigem Regelproblem angepaßt werden.
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An dieser Stelle ist noch zu erwähnen, daß die Schaffung einer sogenannten
"Sparlücke" im mittleren Bereich der Regelkennlinie (d.h. in der Nähe des Sollwerts)
besonders vorteilhaft ist, wenn es sich um eine Regelung wie etwa die Konstanthaltung
des pH-Werts einer Flüssigkeit handelt. Die Schaffung einer solchen Sparlücke führt
hier zu einer wesentlichen Einsparung des Verbrauchs an Säure und Lauge, da ein
ständiger Wechsel zwischen Säure- und Laugen zufuhr bei innerhalb der Toleranzgrenze
schwankendem pH-Wert vermieden wird.
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Wenn der Verstärker 200 in der Reglerkette nach Fig. 1 ein einfacher
Proportionalverstärker ist, dann wird sich das Regelabweichungssignal nur dann auf
den Bezugswert 0 einpendeln und die Regelgröße wird auf den Sollwert x0 konvergieren,
wenn die maximale Stellgröße Y1max des ersten Stellgliedes dem Betrag nach gleich
der entgegengesetzt wirkenden maximalen Stellgröße 92marx des zweiten Stellgliedes
ist. Das heißt, im Falle einer
Temperaturregelung würde sich die
Temperatur nur dann auf den gewünschten Sollwert einstellen, wenn die bei eingeschalteter
Heizung zugeführte Wärmemenge Je Zeiteinheit gleich ist der bei eingeschalteter
Kühlung abgeführten Wärmemenge je Zeiteinheit. Die sich in diesem Fall ergebende
Regelkennlinie ist noch einmal vergrößert in Fig. 3a dargestellt, und zwar aus Vereinfachungsgründen
ohne Sparlücke. Für die Regelkennlinie ysf (x) gilt allgemein folgendes: y1max +
y2max y1max - y2max 2 2xe Im Falle der Fig. 3a, d.h. wenn Y1max= y2max' reduziert
sich die Gleichung (1) auf folgenden Ausdruck: y1max = - (2) x3 Die Regelkennlinie
hat also in diesem Falle ihre Nullstelle bei x=O, d.h. die Regelgröße pendelt sich
auf den Sollwert x0 ein.
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In vielen Fällen wird jedoch die Bedingung Y1maX -y2max nicht erfüllt
sein, z.B. wenn der Sollwert x0 ein weit unter der Rauitemperatur liegender Temperaturwert
ist oder wenn die Temperatur eines exotherm reagierenden Mediums geregelt werden
soll. In diesen Fallen wirkt die Umgebung bzw. die exotherme'Reaktion als ständige
Störgröße im Sinne einer zusätzlichen Heizung, so daß im Endeffekt der Betrag von
y1max großer ist als der Betrag von y2max' In diesem Fall folgt die Regelkennlinie
nicht der reduzierten Funktion nach Gleichung (2), sondern hat einen Verlauf gemäß
Fig. 3b. Die Nullstelle dieser Regelkennlinie liegt nicht mehr bei x = 0, sondern
bei einem davon abweichenden Wert xa der sich aus Gleichung (1) ergibt als: y1max
+ y2max xa = xe (3) y1max - y2max
Die Temperatur pendelt sich also
nicht wie im Falle der Fig. 3a auf den Sollwert xO, sondern auf den davon abweichenden
Wert Xa ein. Liegt dieser Wert innerhalb des Toleranzbereichs der Regelgröße, ist
diese Abweichung nicht kritisch. Man kann z.B.
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durch Änderung des Verstärkungsfaktors der Verstärkers 200 den Regelbereich
so schmal machen (kleine Werte von +xe und3e) bzw. die von den beiden Stellgliedern
bewirkten maximalen Stellgrößen so groß machen (starke Heiz- und Kühlgeräte), daß
aufgrund der dadurch bewirkten steileren Regelkennlinie der Punkt Xa innerhalb des
Toleranzbereichs der Regelung fällt. Diese Maßnahme findet allerdings dort ihre
Grenzen, wo eine Überschreitung der Konvergenzbedingung droht.
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Wenn solche Maßnahmen nicht erwünscht oder möglich sind oder nicht
zu dem gewünschten Ergebnis führen, kann eine automatische nachführende Sollwerteinstellung
angewendet werden, indem man dem Eingang des Proportionalverstärkers 200 neben dem
Regelabweichungssignal zusätzlich das Integral des Regelabweichungssignals aufschaltet.
Eine entsprechende Beschaltung des Verstärkers 200 ist in Fig. 4 dargestellt.
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In der Anordnung nach Fig. 4 bildet ein Operationsverstärker 210 mit
den Widerständen 211, 212 und 213 eine Proportionalverstärkeranordnung, die an einem
nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 210 das Ausgangssignal U3
des Eingangsverstärkers 100 empfängt und am Ausgang des Operationsverstärkers 210
(Leitung C) das verstärkte Regelabweichungsaignal UC liefert, welches gemeinsam
mit den verschiedenen Steuerwellen den Vergleichern 310, 320, usw. (vgl. Fig. 1)
zugeführt wird.
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Ein Anteil des Ausgangssignals Uc wird über einen aus dem Widerstand
211 und dem Potentiometer 212 gebildeten veränderlichen Spannungsteiler mittels
des Widerstands 213 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 210
gekoppelt um eine veranderliche Gegenkopplung zur Veränderung' des Verstärkungsgrades
und somit der Breite des Regelbereichs tu bewirken.
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Die Ausgangsspannung UB des Eingangsverstärkers 100 (unverstärktes
Regelabweichungssignal) wird außerdem über einen Widerstand 221 auf den invertierenden
Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 220 gekoppelt. Der Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand 221 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
220 ist über einen Kondensator 222 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 220
gekoppelt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 220 liegt auf
dem festen Bezugspotential der Schaltungsanordnung (Masse).
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Der Operationsverstärker 220 hat naturgemäß einen unendlich hohen
Eingangswiderstand. Ist die Spannung UB = O (Sollwert und Istwert stimmen überein),
dann ist auch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 220 gleich 0. In diesem
Fall hat also der über den Schalter 230 mit diesem Ausgang verbundene Fußpunhtdes
Potentiometers 212 dasselbe Potential, als ob er an Masse angeschlossen wäre, so
daß der Operationsverstärker 210 die Spannung UB wie ein reiner Proportionalverstärker
verstärkt.
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Bei kurz zeitigen Änderungen von UB ergeben sich keine Änderungen
für den Operationsverstärker 220, da sein invertierender Eingang über den Kondensator
222 mit seinem Ausgang verbunden ist, so daß sich diese Änderungen über den Operationsverstärker
220 auf die Ausgangsspannung Uc übertragen.
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Wenn nun die Regelkennlinie z.B. infolge unterschiedlicher Beträge
von Y1maX und 92marx den in Fig. 3b dargestellten Verlauf hat und sich die Regelgröße
auf einen vom Sollwert x0 abweichenden Wert xa einzupendeln droht, dann weicht die
Spannung U langzeitig vom Wert O ab. Die RC-Zeitkonstante der aus dem Widerstand
221 und dem Kondensator 222 bestehenden Kombination ist 8o bemessen, daß sich bei
einer solchen langzeitigen Abweichung der Spannung UB der Kondensator 222 über den
Widerstand 221 ausreichend weit auflädt, um die Spannung am Fußpunkt des Potentiometers
212 merklich zu verschieben. Mit R212< R211 (UC > 10 UB) wirkt sich diese
Verschiebung auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 210 aus, so
daß sich UC verschiebt. Hiermit
tritt die Regelung in Aktion und
verändert die Regelgröße x in einem solchen Sinne, daß UB wieder kleiner wird und
gegen einen durch den Operationsverstärker 220 bestimmten Offsetwert geht. Da dieser
Offsetwert in der Regel verschwindend klein gegenüber dem Maximalwert der Spannung
UB ist, kann der Operationsverstärker 220 ohne Nullpunktkorrektur eingesetzt werden.
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Kurzzeitige Änderungen von UB werden nun wieder voll der verschobenen
Spannung Uc überlagert.
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Der beschriebene Mechanismus ist eine automatische Sollwertnachführung,
welche die unerwünschte Regelabweichung x bei der a Regelkennlinie nach Fig. 3b
zum Verschwinden bringt. Wenn eine solche Abweichung nicht zu befürchten ist oder
toleriert werden kann, dann wird durch Umlegen des Schalters 230 die Einrichtung
zur automatischen Sollwertnachführung unwirksam gemacht, so daß die in Fig. 4 gezeigte
Schaltung als reiner Proportionalverstärker wirkt.
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Zwei Ausführungsbeispiele für die Ausbildung des Eingangsverstärkers
100 zur Bereitstellung des auf den Bezugswert O bezogenen Regelabweichungssignals
UB sind in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Die Fig. 5a zeigt ein Beispiel für
die Verarbeitung des von einem Temperaturfühler kommenden Meßwerts. Dem nicht-invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 110, der mittels zweier Widerstände 118 und
119 gegengekoppelt ist, wird die von einem Potentiometer 112 abgegriffene Spannung
zugeführt, wobei dieses Potentiometer gemeinsam mit einem temperaturabhängigen Widerstand
Teil einer mit erdfreier Spannung gespeisten MeBbrücke bildet. Unter Beobachtung
des Nullinstruments 112 wird der Schleifer des Potentiometers 112 so eingestellt,
daß die Ausgangsspannung UB des Operationsverstärkers 110 gleich 0 ist, wenn die
mit dem Widerstand 111 gemessene Temperatur den Sollwert hat. Das Potentiometer
112 ist also gleichbedeutend mit einem Sollwertsteller.
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Die Fig. 5b zeigt die Beschaltung des Eingangsverstärkers 100
für
den Fall, daß das Meßsignal bereits in Form einer Gleichspannung vorliegt. Dem Meßsignal
wird eine mittels eines Potentiometers 113 einstellbare Vorspannung überlagert.
Das als Sollwertsteller dienende Potentiometer 113 wird unter Beobachtung des Nullinstruments
120 80 eingestellt, daß die Ausgangsspannung U3 gleich 0 ist, wenn das Meßsignal
einen dem gewünschten Sollwert entsprechenden Istwert darstellt.
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Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der in Fig. 1 schematisch dargestellten
Überwachungsschaltung 240, die du verstärkte Regelabweichungssignal Uc überwacht,
um beim Uberschreiten des Regelbereichs verschiedenfarbige Leuchtdioden 241 und
242 zum Aufleuchten zu bringen. Die Darstellung nach Fig. 6 ist in sich verständlich,
80 daß eine detaillierte Beschreibung der Arbeitsweise dieser Überwachungsschaltung
entfallen kann.
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Die Fig. 7 zeigt Einzelheiten eines Wellenformgenerators 500 und einer
nachgeschalteten Pegelverschiebungsschaltung 600 zur Erzeugung zweier pegelverschobener
dreieckförmiger Steuerwellen D1 und D2. Der Generator 500 enthält zwei Operationsverstärker
501 und 502, die in der gezeigten Weise miteinander und mit einem Kondensator 503
sowie mit Widerständen 504, 505 und 506 kombiniert sind. Der Widerstand 504 und
der Kondensator 503 bestimmen dabei die Periodendauer der erzeugten Dreieckwechselspannung
D, während die Widerstände 505 und 506 die Amplitude bestimmen, die im dargestellten
Fall +10 Volt betragen sollte, wenn die maximale Amplitudenauslenkung des verstärkten
Regelabweichungssignals U¢ etwa t14 Volt betrugt.
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Die Periodendauer sollte zur Vermeidung hoher Schaltfrequenzen der
zur Steuerung der Stellglieder verwendeten Relais möglichst groß sein. Sie wird
aber durch die Trägheit des zu regelnden Systems begrenzt, so daß ein Kompromiß
geschlossen werden muß.
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Zur Temperaturregelung eines 501-Fermenters beispielsweise hat sich
eine Periodendauer von etwa 10 Sekunden als geeignet erwiesen. Wie schon gesagt,
ist dabei zu berücksichtigen, daß
ein einzelner Schaltimpuls dieser
Länge nur eine innerhalb der Meßgenauigkeit liegende Temperaturänderung hervorrufen
darf.
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Die Pegelverschiebungsschaltung 600 besteht nach Fig. 7 aus einer
zwischen -15 Volt und +15 Volt geschalteten Kette mehrerer Widerstände 601 bis 604,
deren Mittelpunkt die Dreieckwechselspannung D zugeführt wird. Zwischen den Widerständen
601 und 602 ist eine in positiver Richtung verschobene Dreieckwelle D1 abgreifbar,
deren Auslenkungsbereich vollständig oberhalb der Bezugsachse liegt. Zwischen den
Widerständen 603 und 604 ist eine negativ verschobene Dreieckwelle D2 abgreifbar,
deren Auslenkungsbereich vollständig unterhalb der Bezugsachse liegt.
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Diese Steuerwellen können in der bereits beschriebenen Weise gemeinsam
mit dem verstärkten Regelabweichungssignal UC den Vergleichern 310 bzw. 320 zugeführt
werden.
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In Fig. 8 ist als Beispiel eine Ausführungsform des Vergleichers 310
mit der nachgeordneten Relais schaltung 410 dargestellt. Er besteht aus einem Operationsverstärker
und arbeitet als Schalter mit Rückkopplung, um Schaltunsicherheiten zu verhindern.
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Die Rückkopplung am Operationsverstärker 310 besteht aus dem Kondensator
303 und den Widerständen 308 und 307. Sie ist so zu dimensionieren, daß Schaltunsicherheiten
verschwinden, die Verschiebungen der Schaltgrenzen bei kleinstem Regelbereich Jedoch
noch nicht stören (Anhaltswerte sind: R307 im Kilo-Ohm-Bereich, R308 im Megaohmbereich
und C303 im nF-Bereich?. Das nachgeordnete Relais 410 sei vorzugsweise mittels eines
Widerstands 413 und eines Kondensators 412 anzugsverzögert beschaltet. Hierbei sind
keine Verschiebungen der Schaltgrenzen im Regelbereich möglich. Der Vorteil dieser
Möglichkeit Bt, daß die Schaltsicherheit des Relais zunimmt, da von dem Relais selbst
ausgehende Störungen die elektronischen Schaltkreise erst verspatet erreichen und
keine Rückwirkungen auf die Charakteristik der Reglerkette zu befürchten sind. Damit
in Verbindung mit der Rückkopplungsschaltung des Operationsverstarkers 310 keine
Doppelschaltungen des Relais auftreten können, muß in der Verstärkerschaltung 200
die aus dem Rückkopplungskondensator
214 und dem Widerstand 213
gebildete Wechselspannungs-Gegenkopplung zur Glättung des verstärkten Regelabweichungssignals
Uc entsprechend dimensioniert werden.
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L e e r s e i t e