DE2726112B2 - Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden Stellantrieb - Google Patents
Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden StellantriebInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und
Nachlauf behafteten Stellantrieb, mit einer der Steflgliedstellung
behafteten Stellantrieb, mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der
Rückführung und einer der Stellgeschwindigkeit proportionalen zweiten Rückführung.
Integral wirkende Stellantriebe bestehen üblicherweise aus einem Stellmotor, vorzugsweise einem Elektromotor,
mit einem gegebenenfalls mehrstufigen Untersetzungsgetriebe, welches die relativ hohe Drehzahl des
Stellmotors in die zur Verstellung des Stellglieds, z. B.
einer Klappe oder eines Schiebers, Ober seinen Stellbereich benötigte Linear* oder Winkelbewegung so
umsetzt
Als integral wirkende Stellantriebe können auch von Impulsfolgen angesteuerte und somit schrittweise
betätigte pneumatische oder hydraulische Stellantriebe angesehen werden, deren Übertragungsgeslänge 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 w
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 der Regeleinrichtung, also sehr kleine
Regeldifferen/.en in eine entsprechende Änderung der
Stellgröße, also der Steltgliedstellii'g umgesetzt werden.
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 sieht mehr in Drehbewegungen und damit nicht
mehr in Stellwege umgesetzt werden können. 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 Reglerausgaugssignals eine Mindestdauer nicht unterschreiten. Mit dieser Mindesteinschaltdauer wird
bei losefreien Antrieben auch der kleinste mögliche Stellschritt und damit die mögliche Stellwegauflösning
festgelegt
Bleibt der Stellmotor nach dem Ausschalten nicht sofort stehen, sondern läuft aufgrund seiner Rotaticmseiiergie
langsam aus, so vergrößert dieser Nachlauf «nedenHH die Stellschritte. Um dem entgegenzuwirken,
ist es bereits bekannt, die Stellgeschwindigkeit als Parameter in den Regelkreis einzuführen, z. B. in Form
einer zweiten Rückführgröße, die der Stellgeschwindigkeit
proportional ist (siehe z.B. ASEA-Zeitschrift,
Heft 4, 1966, Seiten 91-93). Damit wird erreicht, daß
der Stellmotor kunt vor Erreichen der Sollstellung abgeschaltet wird und diese mit dem Nachlauf erreicht
wird. Da die Größe des Nachlaufs in vielen Fällen jedoch nicht konstant ist, sondern von Motorgröße,
Drehzahl, den Reibungskräften des Getriebes und vom Lastmoment abhängt, werden die in der Verfahrensindustrie
eingesetzten elektromotorischen Regelantriebe häufig noch 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 -üe Summe aus der
Anzugsverzögerung der Leistungsschalteinrichtung, der Hochlaufzeit des Motors und der Lültzeit der Bremsen.
In der Praxis beträgt die Mindestimpulslänge in etwa 200 ms.
Bei elektronischen Bremseinrichtungen und kontaktlosen Leistungsschaltern beträgt die Mindesteinschaltdauer,
abhängig von der Motorgröße, 50 bis 100 ms.
Soll ζ. B. der kleinste Stellschritt nicht größer sein alt
03% vom Stellbereich, so ergäben sich bei den
genannten Mindestemschaltdauem Stellzeiten von über 15 s für den vollen Stellbereich. Derartige Stellzeiten
sind jedoch zu groß, um Regelstrecken mit Zeitkonstanten in der Größenordnung von 1 s, beispielsweise
Durchfluß- oder Druckregelstrecken, dynamisch beherrschen zu können.
Es 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, mit jiner der
Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung und einer der Stellgeschwindigkeit proportionalen
zweiten Rückführung gesehen, die gekennzeichnet ist durch eine in dem mechanischen Übertragungsweg
des Stellantriebs konstruktiv vorgesehene Lose, die größer ist als die Summe der während des
Anlaufs des Stellmotors bis zum Erreichen seiner
Nenndrehzahl und während des Nachlaufs auftretenden Stellungsanderungen des Stellglieds, bezogen auf einen
losefreien Anstrieb und einen unstetigen oder stetig ähnlichen Regler mit Mehrpunktschaltglied, dessen
Ansprechschwelle kleiner als die der anlauf- und
nachlaufbedingten Stelhingsänderung entsprechenden Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung
eingestellt ist
Im Gegensat?; zu den sonst üblichen, z.T. recht
aufwendigen Bestrebungen, die mechanische Lose im Betrieb des Stellantriebs möglichst klein zu halten, kann
hier ei& Getriebe eingesetzt werden, in dem bereits von
vornherein eine Getriebelose vorgesehen wird, die größenordnungsmäßig etwa 2% des Stellbereichs
entspricht Die Stellwegauflösung kann beliebig hochgetrieben werden, wenn die Sehalthäufigkeit nicht
begrenzt ist
Ein besonders einfacher Aufbau der Regeleinrichtung wird durch die Verwendung der bekannten unstetigen
oder stetigähnlichen Regler (siehe A EG-Mitteilungen, Band 55, 165, Nr. 5, Seite 407-412) erreicht, deren
kleinste Ansprechschwelle kleiner als die dcv anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechenden
Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung eingestellt ist
An zwei, in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen soll das Prinzip der Erfindung sowie Weiterbildungen erläutert werden.
F i g. 1 in einem Stellungsregelkreis wird als Eingangsgröße in bekannter Weise der Stellungssollwert ys
in einer Vergleichsstelle 1 mit einer ersten Rückführgröße, nämlich einer der Stellgliedstellung entsprechenden
Größe y und einer zweiten "Rückführgröße, nämlich einer der Stellgeschwindigkeit y entsprechenden Größe
substraktiv 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 Weise 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 y
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 4' mit
Getriebelose auf, die Getriebelose dieser Stufe 4' 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 4' des Getriebes 4 zu unterbinden, ist die letzte
Getriebestufe 4" vor dem Stellglied 5 seSbsihemmeiid
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 S 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 ys kleiner als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen des
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 S 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 ys kleiner als die Summe der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderungen des
ι s Stellglieds 5, so würde der Regler bei losefreiem Antrieb
dauernd zwischen den beiden Stellrichtungen hin- und herschalten, sofern die Ansprechsdiwel'e des Dreipunktschaltglieds
2 kleiner eingestellt ist als die Summe der anlauf- und nachiaufbedingten Stellungsänderungen.
Ist die Getriebelose gemäß der ErTndung größer als
die Summe der anlauf- und nachlaüfbedinpten Steilungsänderungen,
so sind zwei Fälle zu unterscheiden. Tritt eine kleine Änderung der Eingangsgröße yt auf, die der
vorhergehenden entgegengesetzt ist so muß nach Einschalten des Stellmotors 3 die Getriebeiose 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 Stellwegauflöcung eingehen
müssen, derart daß die Auflösung des Stellwegs bei für Regelungszwecke ausreichenden Werten von 0,05
bis 0,:% des Stellbereichs liegt
Eine weitere Verbesserung des Stellverhaltens kann durch die Verwendung eines Stellantriebs mil umschaltbaren
Stellgeschwindigkeiten erreicht werden. Häufig werden zu diesem Zweck polumschaltbare Elektromotoren
eingesetzt oder die Motoren werden mit unterschiedlich großen Frequenzen gespeist
In Fig.2 ist ist eine derartige Regeleinrichtung im
Prinzip dargestellt. Die mit der bereits beschriebenen
so Schaltung identischen Teile tragen gleiche Bezugszeichen.
Anstelle der starren Rückführung im Beispiel nach F i g. 1 weist hier der dargestellte PI-Regler eine
nachgebende Rückführung mit dem einstellbaren
ss Zeitglied 9 auf. Es ist hier ein Fünfpunktschaltgticd 21 mit
den Ansprechschwellen a und b verwendet wobei die größere Ansprechrchwelle b die hohe Stellgeschwindigkeit
des polumschaltbaren Stellmotors 3', die kleinere Ansprechschwelle u die niedrige Stellgeschwindigkeit
einschaltet. Da der Nachlauf des Stellmotors im wesentlichen von seiner Rotationsenergic abhängt ist
sowohl er als auch der Anlauf in der niedrigen Stellgeschwindigkeit vergleichsweise klein. Dementsprechend
kann auch die Ansprechschwelle a des
fr1» 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 I 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.
Claims (3)
- Patentansprüche:U Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden, mit Getriebelose und Nachlauf behafteten Stellantrieb, mit einer der Stellgliedstellung entsprechenden Eingangsgröße der Rückführung und einer der Stellgeschwindigkeit proportionalen zweiten Rückführung, gekennzeichnet durch eine in dem mechanischen Übertragungsweg des Stellantriebs konstruktiv vorgesehene Lose, die größer ist als die Summe der während des Anlaufs des Stellmotors (3) bis zum Erreichen seiner Nenndrehzahl and während des Nachlaufs auftretenden Stellungsänderungen des Stellglieds (5), bezogen auf einen losefreien Antrieb, und einen unstetigen oder is stetig-ähnlichen Regler mit Mehrpunktschaltgued (2, 2% dessen Ansprechschwelle (a) kleiner als die der anlauf- und nachlaufbedingten Stellungsänderung entsprechende Änderung der Eingangsgröße (ys) der Regr'einrichtung eingestellt ist
- 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stellantrieb mit von dem Mehrpunktschaltglied (?) umschaltbaren Stellgeschwindigkeiten, wobei die für die niedrige Stellgeschwindigkeit eingestellte Ansprechschwelle (a) kleiner ist als die anlauf- und nachlaufbedingte Änderung der Eingangsgröße der Regeleinrichtung.
- 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stellmotor (3, 3') mindestens eine Lose aufweisende Getriebestufe (41) » und auf diese eine selbsthemmende Getriebestufe (4") folgt.
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