DE1078363B - Regler mit einem auf sprunghafte Regelabweichungen ansprechenden zusaetzlichen Messwerk - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei Regelstrecken mit mehreren Speichern, d. h. mehreren trägheitsbehafteten Gliedern, ist es im allgemeinen trotz Anwendung eines IPD-Reglers nicht möglich, eine plötzliche Störung so schnell auszuregeln, wie dies an sich durch die Leistungsfähigkeit des Stellgliedes möglich wäre. Dies beruht darauf, daß das Stellglied noch während des Regelvorganges durch den Regler zurückgeholt wird, um Schwingungen zu vermeiden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler, der langsame Regelabweichungen stetig ausregelt, mit einem auf sprunghafte Regelabweichungen ansprechenden zusätzlichen Meßwerk. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler zu schaffen, der bei gegebener Äusregelzeit mit knappster Bemessung des Stellgliedes auskommt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das zusätzliche Meßwerk in Verbindung mit einem Begrenzer integrierend wirkt, so· daß eine konstante Hilfsstellgröße erzeugt wird, die das Stellglied in der betreffenden Endlage für eine Zeitdauer hält, die der Größe der den Bereich stetiger Regelung überschreitenden Regelabweichung proportional ist.

Durch die Erfindung werden plötzliche Änderungen von Störgrößen bzw. die durch sie hervorgerufene dynamische Regelabweichung dahingehend ausgewertet, wieviel Zeitintegral des Hilfsstellimpulses notwendig ist, um die Störungen schnellstens zu beseitigen. Dementsprechend wird das Stellglied gesteuert.

Hierbei wird neben der normalen, durch eine stetige Grundregelung gegebenen Verstellung des Stellgliedes eine zusätzliche Verstellung erzeugt. Diese wird auch bei verhältnismäßig kleinen Störungen das Stellglied in die zugeordnete Endlage bringen. Gleichzeitig wird die Dauer des Hilfsstellimpulses so bemessen, daß sie der Größe der Störung oder der durch die Störung bedingten Regelabweichung entspricht. Dadurch werden kürzeste Ausregelzeiten ermöglicht. Der stationäre Ausgleich von Störgrößen durch die stetige Regelung kann durch an sich beliebige bekannte Regeleinflüsse erreicht sein, etwa durch einen P- und/oder einen I-Einfluß. Hierdurch wird das Stellglied nur so weit verstellt, wie zum Ausgleich der jeweiligen Störgrößen im stationären Zustand erforderlich ist.

Der Regler nach der Erfindung unterscheidet sich trotz gewisser Ähnlichkeit in der Wirkungsweise grundsätzlich von dem bekannten D-Regler, bei dem der Regeleinfmß der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung proportional ist. Die Hilfsstellgröße beim Erfindungsgegenstand ist jedoch von dieser Änderungsgeschwindigkeit unabhängig, seine Dauer ist eine Funktion der Größe des Regelabweichungssprunges.

Regler mit einem auf sprunghafte

Regelabweichungen ansprechenden

zusätzlichen Meßwerk

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Wilhelm Kafka,

Tennenlohe-Turmberg bei Erlangen,

und Dr.-Ing. Georg Sichling, Erlangen,

sind als Erfinder genannt worden

Es ist ein Regler bekannt, bei dem zwischen dem Meßwerk und dem Stellglied eine Übersetzung angeordnet ist. Sie wird vom Meßwerk aus derart ge-

a5 steuert, daß der Ausschlag des Meßwerkes im mittleren Teil des Ausschliagbereiches mit einer kleineren Übersetzung auf das Stellglied übertragen wird als an den Enden dieses Bereiches. Beim Regler nach der Erfindung wird jedoch keine veränderliche Über-Setzung angewandt, sondern unabhängig vom Ausschlag des Meß werkes bei plötzlichen Regelabweichungen das Stellglied bis in die Endlage geführt. Zum stationären Ausgleich von Störeinflüssen kann beim Erfindungsgegenstand ein von der Hilfsregelung unabhängiger labiler Stelleinfluß verwendet werden. Als Beispiel sei die Regelung eines elektrischen Generators genannt, dessen Erregerwicklung von einer Nebenschluß erregermaschine gespeist wird. In diesem Fall läßt man die Kennlinie Erregerstrom—Erregerspannung der Erregermaschine mit der Widerstandsgeraden ihres Erregerkreises zusammenfallen. Dadurch kann sich die Erregermaschine in jedem Punkt des geradlinigen Kennlinienteiles selbst erregen. Durch den Hilfsstellimpuls nach der Erfindung wird dann jeweils der richtige Arbeitspunkt eingestellt, der dann so lange gehalten wird, bis durch eine neue Regelabweichung ein neuer Punkt bestimmt wird.

Bevor auf Beispiele und Möglichkeiten zur näheren Erläuterung der Erfindung eingegangen wird, sei ein

Vergleich mit den bekannten Tirrillreglern angestellt. Bei diesen werden auch Stellimpulse gegeben, deren Zeitdauer von der Regelabweichung abhängt. Jedoch wird hier durch beständiges Abwechseln zwischen Plus- und Minuisimpulsen ein Mittelwert zur Steue-

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rung des Stellgliedes gebildet, der der Regelabweichung entspricht. Demgegenüber verwendet das durch die Erfindung vorgeschlagene Regelprinzip bei einer Störung bestimmter Richtung nur Impulse einer Richtung. Bei Störungen in anderer Richtung werden Hilfsstellimpulse in anderer Richtung erzeugt. Ein weiterer Unterschied liegt darin, daß der Tirrillregler, wenn eine Regelabweichung _t nicht vorliegt, beständig arbeitet, jedoch diesen Arbeitsvorgang unterbricht, wenn ein großer Störimpuls* vorliegt. Dagegen wirkt der Hilfsstellimpuls nach der Erfindung so, daß nicht gearbeitet wird, d. h. kein Stellimpuls erzeugt wird, wenn keine plötzliche Störung bzw. keine über die stationäre Grenze hinausgehende Regelabweichung vorliegt, daß jedoch gearbeitet wird, wenn eine solche Störung vorliegt.

Die Hilfsstellimpulse nach der Erfindung können als Rechteckimpulse entsprechend Fig. 1 a durch Ein- und Ausschalten eines Stromkreises mit Hilfe von Schaltern oder Relais gewonnen werden. Sie können aber auch mit Hilfe von stetig arbeitenden Verstärkern, z. B. mit Hilfe von Magnetverstärkern, erzeugt werden. Die Impulse brauchen an sich nicht rechteckig sein, sondern können abgeschrägte Flanken aufweisen, wie Fig. 1 b zeigt, oder ein aperiodisches Ausklingen aufweisen gemäß Fig. 1 c. Mit H ist die Impulshöhe und mit At die wirksame Impulszeit bezeichnet, die der Größe der Regelabweichung proportional ist.

Ein Beispiel für eine kontaktlose Schaltung zur Gewinnung eines Hilfsstellimpulses, der seiner Dauer nach der Regelabweichung einer Regeleinrichtung entspricht, ist in Fig. 2 dargestellt. Diese zeigt einen elektrischen Zeitkreis, der an den Klemmen 1 und 2 von einer der Regelabweichung x-x₀ proportionalen Spannung u gespeist wird. Der Zeitkreis enthält einen Kondensator 3 und zwei Widerstände 4 und 5, von denen der erste einstellbar ist und der zweite ein Konstantstromglied darstellt, durch den der Ladestrom i des Kreises konstant gehalten wird. Der Widerstand 5 kann beispielsweise ein Eisemvasserstoffwiderstand sein oder eine gittergesteuerte Hochvakuumröhre, ein Transistor oder ein Widerstand mit positivem Temperaturbeiwert und kleiner Erwärmungszeit. In vorliegendem Fall ist ein Halbleiterkörper hoher Trägerbeweglichkeit benutzt. Der Widerstand 5 wird durch das Magnetfeld einer Wicklung 6, die von der an dem Widerstand 5 abfallenden Spannung gespeist wird, selbst gesteuert, so daß ein konstanter Ladestrom i erzeugt wird. Konstantstromeinrichtungen, die auf der Ausnutzung des Effektes der magnetfeldabhängigen Widerstandsänderung von Halbleiterkörpern hoher Trägerbeweglichkeit (größer als 6000 Cm²V-¹SCk"¹) beruhen, sind an anderer Stelle vorgeschlagen, worden, so daß sich ein näheres Eingehen darauf hier erübrigt, zumal auch das Mittel und die Art und Weise, durch die der Ladestrom i konstant gehalten wird, für die Erfindung an sich weniger wichtig ist. Jedoch ergibt sich durch die Anwendung halbleitender Widerstandskörper im vorliegenden Fall eine verhältnismäßig einfache und zugleich robuste Schaltung gegenüber den vorgenannten Mitteln zur Erzeugung des konstanten Ladestromes. Die Steuerung des halbleitenden Widerstandskörpers 5 kann außerdem oder zusätzlich durch den Ladestrom i des Kondensators 3 oder durch Störgrößen oder Störgrößenänderungen erfolgen.

Bei der Schaltung nach Fig. 2 ergibt es sich, daß die Dauer des Ladestromes i der Spannung u proportional ist und somit der Größe der Regelabweichung -T-X₀. Die Spannung am Widerstand 5 ist dem Steuereingang eines mit 7 bezeichneten Verstärkers zugeführt, der beispielsweise ein Magnetverstärker ist und deshalb schematisch mit einer Steuerwicklung 8 dargestellt ist. An den Ausgangsklemmen 9, 10 des Verstärkers 7 entsteht der Hilfsstellimpuls 3». Die Eingangsamperewindungszahl des Magnetverstärkers ist so bemessen, daß dieser bei Erreichen der Stromgrenze des Widerstandes 5 stets bis an die Grenze seines Bereiches ausgesteuert wird.

Gemäß einem Ausbildungsmerkmal der Erfindung kann zur Erzielung von rechteckförmigen Hilfsstellimpulsen, insbesondere im Falle eines Magnetverstärkers zur Lieferung der Hilfsstellimpulse, der Verstärker mit einer Kennlinie I gemäß Fig. 3 ausgerüstet werden.

In Fig. 3 zeigt I die Kennlinie eines Gegentaktmagnetverstärkers, also eines Magnetverstärker, bei dem die Augangsgröße der steuernden Eingangsgröße nach Größe und Richtung proportional ist. Als Be-Sonderheit gegenüber den normalen Kennlinien bei Gegentaktmagnetverstärkern ist hier ein (normalerweise unerwünschter) Unempfindlichkeitsbereich in der Nähe des Nullpunktes vorhanden. Dieser ist in bekannter Weise durch eine Vormagnetisierung der beiden Hälften des Gegentaktmagnetverstärkers in entgegengesetzter Richtung erreicht. Der Unempfindlichkeitsbereich ist gleich 2 /_{s 0}. Ein diesen Bereich nicht überschreitender Steuerwert kann nicht wirksam werden. Für den Hilfsstellimpuls y ist dies ohne Belang, da die zu seiner Bildung erforderliche Steuergröße, wie aus Vorstehendem hervorgeht, in jedem P'all größer ist als /_s0 entspricht. Der Vorteil des Unempfindlichkeitsbereiches besteht darin, daß irgendwelche im Ladekreis der Fig. 2 durch den Ladekreis selbst bedingte Störeinflüsse, beispielsweise infolge von Restladungen des Kondensators 3, nicht wirksam werden können. Will man dem Hilfsstellimpuls eine Form nach Fig. 1 c geben, so wird man /_{s 0} wesentlich kleiner wählen, als dem durch den Widerstand 5 be-

<to stimmten Ladestromgrenzwert entspricht. Mit Hilfe des Widerstandes 11 kann die Abklingzeit des Impulses eingestellt werden.

In Fig. 3 ist noch eine weitere, gestrichelt ausgeführte Kennlinie II vorhanden, die lediglich in ihrem oberen und unteren Teil gleichartig wie die Kennlinie I verläuft. Diese Kennlinie weist im Bereich des Nullpunktes einen Bereich geringer Steigung auf. Nachdem etwa der Bereich /_so überschritten ist, steigt die Kennlinie fast senkrecht an und weist anschließend wie die Kennlinie I einen ausgeprägten Sättigungsbereich auf. Eine solche Kennlinie ist für den Fall vorteilhaft, daß zum Erzeugen von Hilfsstellimpuls und zusätzlichem Regeleinfluß gemeinsame Meß- und Steuermittel vorhanden sind. Die Kennlinien kann durch Wahl der Eisensorte des Kernes des Magnetverstärkers sowie Wahl der Speisewechselspannung erzielt werden, ferner in Verbindung mit einer entsprechenden. Rückkopplungsbemessung und der oben bereits erwähnten Kennlinienverschiebung durch Vormagnetisierung.

Fig. 4 zeigt die der Regelabweichung x-x_n entsprechende Spannung u sowie den Steuerstrom i des Magnetverstärkers 7 und den Stellimpuls y in Abhängigkeit von der Zeit t, und zwar für zwei verschiedene Regelfälle. Im oberen Teil α der Fig. 4 ist eine kleine Regelabweichung, im unteren Falle b eine
Regelabweichung angenommen. Die Darstellungen für i_s und y zeigen in jedem Falle gleiche Ordinatenwerte, jedoch sind die Abszissenwerte, also die Dauer

von i_s und y, entsprechend der Größe der Spannung u

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jeweils verschieden. Die Darstellungen für i_s zeigen außerdem nach Beendigung des Impulses konstanter Höhe jeweils kleine positive und negative Nachimpulse, die dadurch bedingt sind, daß sich der Kondensator 3 in Fig. 2 während der Übergangszeit Z über den Widerstand 5 entladen kann. Diese Störimpulse können jedoch durch die Kennlinie I gemäß Fig. 3, wie oben erklärt, nicht zur Wirkung gelangen, da die Ansprechschwelle/_so des Verstärkers 7 (Fig. 2) nicht erreicht wird. Die der Regelabweichung entsprechende Spannung u verschwindet nach der sogenannten Verzugszeit T_n plus Anlaufzeit T_a der Regelstrecke.

Die störenden Nachimpulse (s. die Darstellungen i_s in Fig. 4), können vermindert bzw. verhindert werden, wenn dem in Fig. 2 parallel zum Ladekondensator 3 geschalteten Widerstand 11 eine Entladezeitkonstante — entsprechend dem Produkt aus dem Ohmwert des Widerstandes 11 und der Kapazität des Kondensators 3 — in der Größenordnung der Summe von Laufzeit T_u und Übergangszeit T₀ gegeben wird. Der Kondensator 3 entlädt sich alsdann gleichzeitig mit dem Zurückgehen der Spannung«.

Die Erzeugung des der Regelabweichung lediglich der Dauer nach proportionalen Hilfssteliimpulses gemäß der Erfindung ist nicht nur durch die vorbeschriebene Zeitkreisanordnung nach Fig. 2 möglich. Diese Anordnung ist vielmehr lediglich als Beispiel anzusehen. Des weiteren sind an Stelle eines Magnetverstärkers zur Verstärkung des Hilfsstellimpulses auch andere Verstärkerarten verwendbar. Ein Verstärker, mit dem sich die hinsichtlich der Kennlinie gestellten Forderungen in besonders vorteilhafter Weise verwirklichen lassen, ist der Transistor. Der erforderliche sprunghafte Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße läßt sich durch Rückkopplungseinflüsse leicht erzeugen. Außerdem kann auch als Konstantstromglied (Widerstand 5 in Fig. 2) vorteilhaft ein Transistor verwendet werden. Diesem wird man durch die Steuerelektrode eine bestimmte Stromgrenze vorschreiben, was z. B. in der emittergeerdeten Schaltung durch einen bestimmten Basisstrom möglich ist. Zum Erfassen der Richtung der Störung wird man Gegentaktschaltungen mit mindestens zwei Transistoren benutzen. Die Anwendung von Transistoren ermöglicht es außerdem, die Konstantstromgrenze in einem Ladekreis von der Größe der Störung abhängig zu machen, so daß die Dauer des Hilfsstellimpulses gleichzeitig von der Regelabweichung und der Größe der Störung beeinflußt wird. Aus diesen Gründen werden für die Zwecke der vorliegenden Erfindung Schaltungen mit Transistoren bevorzugt. Im Falle einer Kombination der Regelmaßnahmen nach, der Erfindung mit einer P-Regelung kann der P-Einftuß auf die erste Stufe, die Impuls regelung auf eine folgende von mehreren in Kaskade geschalteten Stufen des Regelverstärkers einwirken.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Regler, der langsame Regelabweichungen stetig ausregelt, mit einem auf sprunghafte Regelabweichungen ansprechenden zusätzlichen Meßwerk, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Meßwerk (3, 4) in Verbindung mit einem Begrenzer (5, 6) integrierend wirkt, so daß eine konstante Hilfsstellgröße erzeugt wird, die das Stellglied in der betreffenden Endlage für eine Zeitdauer hält, die der Größe der den Bereich stetiger Regelung überschreitenden Regelabweichung proportional ist.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anordnung zur Gewinnung des in seiner Dauer der Regelabweichung entsprechenden Hilfsstellimpulses ein elektrischer Zeitkreis mit einem elektrischen Speicherglied, z. B. einem Ladekondensator (3), verwendet ist, der über ein Konstantstromglied (5, 6) von einer der Regelabweichung proportionalen Spannung gespeist wird, und daß der Ladestrom des Zeitkreises direkt oder ίο indirekt das Stellglied der Regeleinrichtung steuert.

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ladekondensator (3) ein Widerstand (11) parallel geschaltet ist, der eine Entladungszeitkonstante entsprechend etwa der Summe von Verzugszeit (T₁₁) und Anlaufzeit (T_a) der Regelstrecke hat, so· daß die Ladung des Speichergliedes zumindest annähernd gleichzeitig mit der den Ladestromkreis speisenden Spannung abnimmt.

4. Regler nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge-

ao kennzeichnet, daß das Konstantstromglied aus einem vom Ladestrom des Zeitkreises direkt oder indirekt beeinflußten magnetfeldabhängigen halbleitenden Widerstandskörper (5) hoher Trägerbeweglichkeit besteht.

5. Regler nach Anspruch 2 oder 3 mit einem Magnetverstärker in Gegentaktschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch Vormagnetisierung der beiden Verstärkerhälften in der Nähe des Nullpunktes einen Unempfindlichkeitsbereich" aufweist, so daß nur Steuerwerte von einem Mindestwert ab zur Wirkung gelangen.

6. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetverstärker durch Wahl der Eisensorte für dessen Kern und der Speisewechselspannung eine Verstärkerkennlinie (II in Fig. 3) aufweist, die in der Nähe des Nullpunktes einen Bereich geringer Steigung, danach einen Bereich mit fast senkrechter Steigung und anschließend einen ausgeprägten Sättigungsbereich aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Hilfsstellgröße liefernde Verstärker ein Transistorverstärker ist, der infolge von Rückkopplungseinflüssen einen sprunghaften Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstantstromglied aus einem Transistor besteht, dem durch die Steuerelektrode eine bestimmte Stromgrenze vorgeschrieben wird, z. B. in der emittergeerdeten Schaltung durch einen bestimmten Basisstrom.

9. Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des A^orzeichens der Regelabweichung eine Gegentaktschaltung von mindestens zwei Transistoren benutzt ist.

10. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Störeinflüssen ein von der Hilfsstellgröße unabhängiger labiler Stelleinfluß an sich bekannter Art vorhanden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 905 208; Engel, Oldenbourg, Mittelbare Regler und Regelanlagen, Berlin (VDI), 1944, S. 152.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen