DE2726112B2

DE2726112B2 - Regeleinrichtung mit einem integral wirkenden Stellantrieb

Info

Publication number: DE2726112B2
Application number: DE2726112A
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: 1980-06-26
Also published as: ATA361778A; JPS547077A; US4210853A; FR2394123A1; DE2726112C3; AT364986B; FR2394123B3; DE2726112A1

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 y_s 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 y_s 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 y_t 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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 (y_s) 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.