DE2726112A1

DE2726112A1 - Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden stellantrieb

Info

Publication number: DE2726112A1
Application number: DE19772726112
Authority: DE
Inventors: Kurt Ewe; Edmund Dipl Ing Linzenkirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1978-12-14
Also published as: ATA361778A; US4210853A; FR2394123A1; AT364986B; FR2394123B3; DE2726112B2; DE2726112C3; JPS547077A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAI'T · Unser Zeichen:

Berlin und München ft VPA 77 P 3 5 2 2 BRD

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Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden Stellantrieb

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb und mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung.

Integral wirkende Stellantriebe bestehen üblicherweise aus einem Stellmotor, vorzugsweise einem Elektromotor, mit einem ggf. mehrstufigen Untersetzungsgetriebe, welches die relativ hohe Drehzahl des Stellmotors in die zur Verstellung des Stellglieds,

z. B. einer Klappe oder eines Schiebers, über seinen Stellbereich benötigte Linear- oder Winkelbewegung umsetzt. Als integral wirkende Stellantriebe können auch von Impulsfolgen angesteuerte und somit schrittweise betätigte pneumatische oder hydraulische Stellantriebe angesehen werden, deren Ubertragungsgestange ebenfalls Getriebelose aufweisen kann.

Aus regelungstechnischer Sicht sollen Stellantriebe für Regelzwecke über eine große Stellgeschwindigkeit und über eine hohe Auflösung des Stellwegs verfügen.
Hohe Stellgeschwindigkeiten lassen sich mit relativ einfachen Mitteln erzielen, jedoch bedingt die Forderung eines genauen Einlaufs des Stellglieds in die vorgegebene Sollstellung einen relativ hohen Aufwand beim Abbremsen des Stellantriebs. Theoretisch müssen auch kleinste Änderungen der Eingangsgröße

VPA 76 E 3522 komb.m.

VPA 77 E 3520

Sp 4 Sei, 7.6.1977

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der Regeleinrichtung, also sehr kleine Regeldifferenzen m eine entsprechende Änderung der Stellgröße, also der Ctellgliedstellung umgesetzt v/erden. In der Praxis, insbesondere bei großen Stellantrieben, läßt sich diese Forderung nicht verwirklichen, da ein Stellmotor nicht trägheitslos gebaut werden kann und infolgedessen beliebig kurze Stellimpulse vom Motor nicht mehr in Drehbewegungen und damit nicht mehr in Stellwege umgesetzt v/erden könne. Wegen der hohen Anlaufströme bei Elektromotoren sollte auch nicht während des AnlaufVorgangs, also vom Einschalten des Motors bis zum Erreichen seiner Nenndrehzahl, abgeschaltet werden, um die Kontakte der Schalteinrichtungen zu schonen und zu starke Erwärmung zu vermeiden. Aus diesen Gründen dürfen die Schaltimpulse des Reglerausgangssignals eine Mindestdauer nicht unterschreiten. Mit dieser Mindesteinschaltdauer wird bei losefreien Antrieben auch der kleinste mögliche Stellschritt und damit die mögliche Stellwegauflösung festgelegt. Bleibt der Stellmotor nach dem Ausschalten nicht sofort stehen, sondern läuft aufgrund seiner Rotationsenergie langsam aus, so vergrößert dieser Nachlauf wiederum die Stellschritte. Die Größe des Nachlaufs ist abhängig von Motorgröße, Drehzahl, den Reibungskräften des Getriebes und vom Lastmoment. Um diesen unkontrollierbaren Nachlauf des Stellmotors zu vermeiden, werden die in der Verfahrensindustrie eingesetzten elektromotorischen Regelantriebe häufig mit elektromechanischen oder elektronischen Bremseinrichtungen ausgerüstet, die relativ aufwendig und/oder dem Verschleiß unterworfen sind.

Bei elektromotorischen Stellantrieben mit elektromechanischen Bremsen muß daher die Mindesteinschaltimpulslänge gleich oder größer sein als die Summe aus der Anzugsverzögerung der Leistungsschalteinrichtung, der Hochlaufzeit des Motors und der Lüftzeit der Bremsen. In der Praxis beträgt die Mindestimpulslänge etwa 200 ms.

Bei elektronischen Bremseinrichtungen und kontaktlosen Leistungsschaltern beträgt die Mindesteinschaltdauer, abhängig von der Mo- torgröße, 50 bis 100 ms.

Soll z. B. der kleinste Stellschritt nicht größer sein als 0,3 % vom Stellbereich, so ergäben sich bei den genannten Mindesteinschaltdauern Stellzeiten von über 15 s für den vollen Stellbereich. Derartige Stellzeiten sind jedoch zu groß, um Regelstrek-

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ken mit Zeitkonstanten in der Größenordnung von 1 s, beispielsweise Durchfluß- oder Druckregelstrecken, dynamisch beherrschen zu können.

Ss besteht demgemäß die Aufgabe, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sowohl eine hohe Stellgeschwindigkeit als auch ein extrem hohes Auflösungsvermögen erreicht werden.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einer Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb und mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine zweite Rückführung mit einer der Stellgeschv/indigkeit proportionalen und dem Nachlauf entsprechend gewichteten Eingangsgröße vorgesehen ist und daß die Getriebelose größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors bis zum Erreichen seiner Nenndrehzahl und während des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen des Stellglieds, bezogen auf einen losefreien Antrieb.

Das als zweites Rückführsignal aufgeschaltete, der Stellgeschwindigkeit proportionale Signal bewirkt, daß der Stellmotor kurz vor Erreichen der Sollstellung abgeschaltet wird und diese mit dem Nachlauf erreicht wird.

Im Gegensatz zu den sonst üblichen, z. T. recht aufwendigen Bestrebungen, die mechanische Lose im Betriebe des Stellantriebs möglichst klein zu halten, kann hier ein Getriebe eingesetzt werden, in dem bereits von vornherein eine Getriebelose vorgesehen wird, die größenordnungsmäßig etwa 2 % des Stellbereichs entspricht. Die Stellwegauflösung kann beliebig hoch getrieben werden, wenn die Schalthäufigkeit nicht begrenzt ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Regeleinrichtung weist einen unstetigen oder stetig-ähnlichen Regler mit einem Mehrpunktschaltglied auf, dessen kleinste Ansprechschwelle kleiner als die der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechenden Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung eingestellt ist.

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An zwei, in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen soll das Prinzip der Erfindung sowie Weiterbildungen erläutert werden.

Figur 1; In einem Stellungsregelkreis wird als Eingangsgröße in bekannter Weise der Stellungssollwert y_o in einer Vergleichsstel-

Ie 1 mit einer ersten Rückführgröße, nämlich einer der Stellglied-Stellung entsprechenden Größe y und einer zweiten Rückführgröße, nämlich einer der Stellgeschwindigkeit y entsprechenden Größe subtraktiv verknüpft, das entstehende Signal ist das Eingangssignal eines Dreipunktschaltglieds 2 mit einstellbarer Ansprechschwelle a, dessen Ausgangssignal den als Integrator dargestellten Stellmotor 3 steuert bzw. schaltet. Der Stellmotor 3 ist ein Elektromotor mit relativ hoher Drehzahl, der über ein mehrstufiges Getriebe 4 das Stellglied 5, hier eine Klappe, verstellt. Die jeweilige Stellgliedstellung wird in bekannter V/eise abgetastet, in ein elektrisches Signal y umgeformt und als Eingangssignal der ersten Rückführung dem Dreipunktschaltglied 2 aufgeschaltet, das somit als P-Regler wirkt. An der Welle 6 des Stellmotors 3 wird ein als Differenzierglied 7 wirkender Tachogenerator angeschlossen, der ein der Stellgeschwindigkeit γ entsprechendes Signal bildet, welches über einen Verstärker 8 mit einstellbarer Verstärkung der Vergleichsstelle 1 zugeführt wird. Die Einstellung der Verstärkung im Verstärker 8 wird so gewählt, daß der Stellmotor 3 vor Erreichen der Soll-Stellung des Stellglieds 5 abgeschaltet wird und diese Stellung mit dem Nachlauf des Stellmotors 3 erreicht wird.

Das auf den nachlaufbehafteten Stellmotor 3 folgende Getriebe 4 weist mindestens eine Getriebestufe 4¹ mit Getriebelose auf, die Getriebelose dieser Stufe 4¹ bzw. die Summe der Getriebelosen weiterer, losebehafteter Getriebestufen ist so bemessen, daß sie größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors 3 bis zum Erreichen seiner Nenndrehzahl und während des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen Ay des Stellglieds 5, wenn keine Getriebelose vorhanden ist. Dies ist auch bei einem losebehafteten Getriebe der Fall, wenn Verstellungen in der gleichen Stellrichtung aufeinanderfolgen. Um eventuelle Rückwirkungen des Stellglieds 5 auf die losebehafteten Getriebestufen 4¹ des Ge-

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triebes 4 zu unterbinden, ist die letzte Getriebestufe 4" vor dem Stellglied 5 selbsthemmend ausgeführt.

Die Funktion der dargestellten Einrichtung ist folgende: Ändert sich die Eingangsgröße y sprungartig um einen größeren Betrag, so schaltet das Dreipunktschaltglied 2 den Stellmotor 3 ein, die Getriebelose in dem Getriebe 4 wird voll durchlaufen und das Stellglied 5 verstellt. Aufgrund der Stellgeschwindigkeitsaufschaltung wird der Stellmotor 3 kurz vor Erreichen der gewünschten Sollstellung abgeschaltet, mit dem Nachlauf wird die Sollstellung erreicht. Ist jedoch die auftretende Eingangsgröße y kleiner als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen des Stellglieds 5, so würde der Regler bei losefreiem Antrieb dauernd zwischen den beiden Stellrichtungen hin- und herschalten, sofern die Ansprechschwelle des Dreipunktschaltglieds 2 kleiner eingestellt ist als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen. Ist die Getriebelose gemäß der Erfindung größer als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen, so sind zwei Fälle zu unterscheiden. Tritt eine kleine Änderung der Eingangsgröße y_ auf, die der vorhergehenden entgegengesetzt ist, so muß nach Einschalten des Stellmotors 3 die Getriebelose voll durchlaufen werden und es besteht kein Unterschied zu dem bereits beschriebenen Verhalten beim Auftreten von großen Änderungen. Tritt jedoch eine Änderung in der gleichen Richtung wie die vorhergehende auf, so wird der Antrieb das Stellglied 5 zunächst über die gewünschte Sollstellung hinauslaufen lassen, er kehrt aber dann sofort seine Stellrichtung um, so daß der vorhergehend beschriebene Fall gilt. Die Auflösung des Stellwegs wird jetzt nur noch durch die Größe der Ansprechschwellen a des Dreipunktschaltglieds 2 bestimmt, die theoretisch zu Null gemacht werden können. In der Praxis wird man einen Kompromiß zwischen Schalthäufigkeit und Stellwegauflösung eingehen müssen, derart, daß die Auflösung des Stellwegs bei für Regelungszwecke ausreichenden Werten von 0,05 bis 0,1 % des Stellbereichs liegt.

Eine weitere Verbesserung des Stellverhaltens kann durch die Verwendung eines Stellantriebs mit umschaltbaren Stellgeschwindigkeiten erreicht werden. Häufig werden zu diesem Zweck polum-

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schaltbare Elektromotoren eingesetzt oder die Motore werden mit unterschiedlich großen Frequenzen gespeist.

In Figur 2 ist eine derartige Regeleinrichtung im Prinzip dargestellt. Die mit der bereits beschriebenen Schaltung identischen Teile tragen gleiche Bezugszeichen.

Anstelle der starren Rückführung im Beispiel nach Figur 1 weist hier der dargestellte PI-Regler eine nachgebende Rückführung mit dem einstellbaren Zeitglied 9 auf. Es ist hier ein Fünfpunktschaltglied 2' mit den Ansprechschwellen a und b verwendet, wobei die größere Ansprechschwelle b die hohe Stellgeschwindigkeit des polumschaltbaren Stellmotors 3'i die kleinere Ansprechschwelle a die niedrige Stellgeschwindigkeit einschaltet. Da der Nachlauf des Stellmotors im wesentlichen von seiner Rotationsenergie abhängt, ist sowohl er als auch der Anlauf in der niedrigen Stellgeschwindigkeit vergleichsweise klein. Dementsprechend kann auch die Ansprechschwelle a des Fünfpunktschaltglieds 2' sehr klein eingestellt werden, was zu einem hohen Auflösungsvermögen des Stellantriebs führt. Bei großen sprungartigen Änderungen der Eingangsgröße y , die oberhalb der Ansprechschwelle b liegen, führt die dann eingeschaltete hohe Stellgeschwindigkeit zu extrem kurzen Stellzeiten. Es können Stellzeiten in der Größenordnung von 1 s für den ganzen Stellbereich realisiert werden, wobei die Stellwegauflösung bei der niedrigen, nach Erreichen der Ansprechschwelle a eingeschalteten niedrigen Stellgeschwindigkeit besser als 0,1 % vom Stellbereich ist.

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Leerseite

Claims

/V ? 3 5 2 2 B Patentansprüche

'. iy Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb und mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweit« Rückführung mit einer der Stellgeschwindigkeit (γ) proportionalen und dem Nachlauf entsprechend gewichteten Eingangsgröße vorgesehen ist,

und daß die Getriebelose größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors (3) bis zum Erreichen seiner Kenndrehzahl und ^fahrend des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen des Stellglieds (5), bezogen auf einen losefreien Antrieb.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen unstetigen oder stetig-ähnlichen Regler mit einem Mehrpunktschaltglied (2, 2¹)» dessen Ansprechschwelle (a) kleiner als die der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechende Änderung der Eingangsgröße (y_s) der Regeleinrichtung eingestellt ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Stellantrieb mit von dem Mehrpunktschaltglied (2¹) umschaltbaren Stellgeschwindigkeiten, wobei die für die niedrige Stellgeschwindigkeit eingestellte Ansprechschwelle (a) kleiner ist als die anlauf- und nachlaufbedingte Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung .
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stellmotor (3, 3') mindestens eine Lose aufweisende Getriebestufe (4^f) und auf diese eine selbsthemmende Getriebestufe (4") folgt.

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ORiSlNAL INSPECTED