DE1156875B

DE1156875B - Control loop with integrally acting controller

Info

Publication number: DE1156875B
Application number: DER21694A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Wagner
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1957-08-14
Filing date: 1957-08-14
Publication date: 1963-11-07

Description

Regelkreis mit integral wirkendem Regler Die Erfindung bezieht sich auf einen Regelkreis mit integral wirkendem Regler, bei dem die Ein- und Ausgangsgrößen des Reglers, d. h. also die dem Regler zugeführte Regelgröße bzw. Stellgröße des Regelkreises, elektrische Spannungen bzw. Ströme sind oder in solche umgewandelt worden sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Regelkreis, wie er beispielsweise zur Amplitudenregelung von Wechselspannungsverstärkern, zur Frequenzregelung von Oszillatoren, zur Temperaturregelung u. dgl. Verwendung finden kann.Control loop with integrally acting controller The invention relates to to a control loop with an integrally acting controller, in which the input and output variables of the controller, d. H. i.e. the controlled variable or manipulated variable of the supplied to the controller Control loop, electrical voltages or currents are or converted into such have been. In particular, the invention relates to a control loop such as this for example for amplitude control of AC voltage amplifiers, for frequency control of oscillators, for temperature control and the like. Use.

Zur Amplitudenregelung von Wechselspannungsverstärkern sind bereits sogenannte Proportionalregler bekannt, bei denen die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Verstärkers als proportionale Regelgröße dem Eingang des Verstärkers zugeführt wird. Es ist bei derartigen Proportionalreglem auch bereits bekannt, zur Versteilerung der Regelempfindlichkeit in den Regelkreis einen Generator einzuschalten, dessen einen Regelwiderstand steuernde gleichgerichtete Ausgangsspannung durch Beeinflussung der Gittervorspannung des Generators gesteuert wird (deutsche Patentschrift 743 025 und österreichische Patentschrift 147 727).For the amplitude control of AC voltage amplifiers are already so-called proportional regulator known, in which the rectified output voltage of the amplifier is fed to the input of the amplifier as a proportional controlled variable will. It is already known for such proportional regulators for steepening the control sensitivity to switch on a generator in the control loop, whose Rectified output voltage controlling a variable resistor by influencing it the grid bias of the generator is controlled (German patent specification 743 025 and Austrian patent specification 147 727).

Bei derartigen Proportionalreglem besteht stets ein unmittelbarer eindeutiger Zusammenhang zwischen der Ausgangs- und Eingangsgröße des Reglers, und es ist weder eine vollständige Ausregelung noch eine Überregelung möglich. Um diese Nachteile von Proportionalreglern zu vermeiden, sind zur Amphtudenregelung von Wechselspannungsverstärkem bereits sogenannte Integralregler bekannt, bei denen die Ausgangsgröße des Verstärkers mit einer Vergleichsgröße in einer Brückenschaltung verglichen und die Differenz der beiden Spannungen zur Rechts-Links-Steuerung eines Elektromotors verwendet wird, wobei der Elektromotor seinerseits beispielsweise über ein Potentiometer zur Veränderung der Regelspannung dient. Es ist bei derartigen Integralreglern mit einem Elektromotor als Stellglied auch bereits bekannt, im eigentlichen Regelkreis vor den Elektromotor einen rückgekoppelten Verstärker anzuordnen, in welchem eine Hilfsspannung erzeugt wird, die im Zuge des Reglers gleichgerichtet und ausgesiebt wird und zur eigentlichen Steuerung des Motors dient (belgische Patentschrift 526 949). Derartige bekannte Integralregler mit Elektromotoren als Stellglied besitzen jedoch den Nachteil, daß sie infolge der mechanisch zu bewegenden Teile sehr wartungsbedürftig sowie relativ träge sind und stets eine gewisse Ansprechschwelle besitzen.With such proportional controllers there is always a direct one clear relationship between the output and input variables of the controller, and neither a complete adjustment nor an overregulation is possible. Around The disadvantages of proportional controllers are to be avoided for amphitheater control of AC voltage amplifiers so-called integral regulators are already known, in which the output variable of the amplifier compared with a comparison variable in a bridge circuit and the difference the two voltages are used for right-left control of an electric motor, the electric motor for its part, for example via a potentiometer, for changing the control voltage is used. It is with such integral controllers with an electric motor Also known as an actuator, in the actual control loop in front of the electric motor to arrange a feedback amplifier in which an auxiliary voltage is generated which is rectified and screened out in the course of the regulator and becomes the actual Control of the engine is used (Belgian patent 526 949). Such known Integral controllers with electric motors as the actuator have the disadvantage that they require very maintenance and relatively due to the mechanically moving parts are sluggish and always have a certain response threshold.

Diese Nachteile der bekannten Integralregler werden bei einem Regelkreis mit integral wirkendem Regler, dessen Ein- und Ausgangsgrößen (Regelgröße bzw. Stellgröße) elektrische Spannungen bzw. Ströme sind, insbesondere zur Amplitudenregelung von Wechselspannungsverstärkern, Frequenzregelung von Oszillatoren u. dgl. erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß der Regler ein Gleichspannungsverstärker mit einem derart großen Mitkopplungsgrad ist, daß der Verstärker ein monoton instabiles Verhalten aufweist. Wird der erfindungsgemäße Regelkreis zur Amplitudenregelung eines Wechselspannungsverstärkers benutzt, so wird eine von dessen Ausgangsspannung abgeleitete Gleichspannung über den mitgekoppelten Gleichspannungsverstärker dem Wechselspannungsverstärker als Regelspannung zugeführt. Wird der erfindungsgemäße Regelkreis dagegen zur Frequenzregelung eines Oszillators verwendet, so kann eine der Sollfrequenz proportionale Gleichspannung über den mitgekoppelten Gleichspannungsverstärker ein frequenzbestimmendes Glied des Oszillators beeinflussen. Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Regelkreises ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß der Mitkopplungsgrad im Mitkopplungsweg des Gleichspannungsverstärkers und damit die Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers einstellbar ist, wobei vorzugsweise bei Verwendung eines Gleichspannungsverstärkers in Form eines mehrstufigen Röhrenverstärkers im Anodenkreis einer Verstärkerröhre ein einstellbarer Spannungsteiler angeordnet ist, an dessen Abgriff die Mitkopplungsspannung abgegriffen wird.These disadvantages of the known integral regulators become apparent in a control loop with integrally acting controller, its input and output variables (controlled variable or manipulated variable) electrical voltages or currents are, in particular for amplitude control of AC voltage amplifiers, frequency control of oscillators and the like according to the invention overcome by the fact that the controller is a DC voltage amplifier with such a large degree of positive feedback is that the amplifier has a monotonically unstable behavior having. If the control circuit according to the invention is used to regulate the amplitude of an AC voltage amplifier is used, a direct voltage derived from its output voltage is applied via the coupled DC voltage amplifier as the AC voltage amplifier Control voltage supplied. If, on the other hand, the control loop according to the invention is used for frequency control an oscillator is used, a DC voltage proportional to the setpoint frequency can be used A frequency-determining element via the coupled DC voltage amplifier of the oscillator. A modification of the control loop according to the invention is preferably characterized in that the degree of positive feedback is in the positive feedback path of the DC voltage amplifier and thus the gain of the DC voltage amplifier is adjustable, preferably when using a DC voltage amplifier in the form of a multi-stage tube amplifier in the anode circuit of an amplifier tube an adjustable voltage divider is arranged, at whose tap the positive feedback voltage is tapped.

Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen mitgekoppelten Gleichspannungsverstärker kann auf einfache Weise das für einen Integralregler charakteristische Verhalten gegeben werden, denn der Verlauf der Ausgangsamplitude des Wechselspannungsverstärkers kann in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude beispielsweise durch Einstellen des Reglermitkopplungsbetrages auf den Wert 1 konstant, durch Einstellen dieses Mitkopplungsbetrages. auf den Wert kleiner als 1 im Sinne einer Unterregelung steigend oder durch Einstellen des Mitkopplungsbetrages auf einen Wert größer als 1 im Sinne einer Überregelung fallend eingestellt werden. Da der erfindungsgemäße Integralregler völlig elektronisch arbeitet, besitzt er gegenüber den bekannten Integralreglern mit mechanischen Stellgliedern wie Motoren, Relais od. dgl. den Vorteil, daß er völlig trägheitslos ist, im wesentlichen keine Ansprechschwelle besitzt und vor allem stets betriebssicher und nahezu wartungsfrei arbeitet.The co-coupled DC voltage amplifier proposed according to the invention can easily show the characteristic behavior of an integral controller given, because the course of the output amplitude of the AC voltage amplifier can depending on the input amplitude, for example by setting the controller feed-in amount constant to the value 1 by setting this positive feedback amount. on the value less than 1 in the sense of an under-regulation increasing or by adjusting the positive feedback amount can be set to a value greater than 1 in the sense of overregulation falling. Since the integral regulator according to the invention works completely electronically, it has compared to the known integral controllers with mechanical actuators such as motors, Relay or the like. The advantage that it is completely inertial, essentially none Has a response threshold and, above all, is always operationally reliable and almost maintenance-free is working.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is described below with reference to schematic drawings explained in more detail using exemplary embodiments.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Regelkreis zur Amplitndenregelung eines Wechselspannungsverstärkers; Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Regelkreis zur Frequenzregelung eines Oszillators, und Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Regelkreises zur Amphtudenregelung eines Wechselspannungsverstärkers.1 shows a control circuit according to the invention for amplitude control an AC amplifier; Fig. 2 shows a corresponding control loop for frequency control of an oscillator, and FIG. 3 shows a modification of the invention Control circuit for amphtuden control of an AC voltage amplifier.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Zusammenschaltung eines mitgekoppelten Gleichspannungsverstärkers von monoton instabilem Verhalten mit einem Wechselspannungsverstärker 1. Er verstärkt die Eingangsspannung UE. Die Ausgangsspannung UA des Verstärkers 1 wird in der Diode 2 gleichgerichtet und dem aus den Röhren 3 und 4 bestehenden, nach Art einer Schmitt-Kippschaltung aufgebauten rückgekoppelten (mitgekoppelten) Gleichspannungsverstärker zugeführt. Die Ausgangsspannung der Diode 2 wird in der Röhre 3 verstärkt und dem Steuergitter der Röhre 4 zugeführt. Über den gemeinsamen Kathodenwiderstand 5 erfolgt die notwendige Rückkopplung. Die Regelspannung UR, die dem Verstärker 1 zugeführt wird, wird vom Anodenwiderstand 6 der Röhre 4 abgenommen. Die Batterie 7, die in Serie zur Regelspannung UR geschaltet wird, hat die Aufgabe, einen Ausgleich zwischen dem hohen positiven Potential der Anode der Röhre 4 und dem Nullpotential des Verstärkers 1 zu schaffen. Würde der Regelkreis bei der Batterie 7 unterbrochen, so würde der Gleichspannungsverstärker mit monoton instabilem Verhalten in eine der beiden Gleichgewichtslagen hineinlaufen, bei denen entweder die Röhre 3 Strom führt und die Röhre 4 gesperrt ist oder aber die Röhre 4 Strom führt und die Röhre 3 gesperrt ist, und zwar je nachdem, wie groß im Augenblick der Wert der gleichgerichteten Ausgangswechselspannung UA ist. Nach dem Schließen des Regelkreises (also wie angenommen wieder an der Stelle 7) wird ein Gleichgewichtszustand zwischen den beiden Extremlagen des Gleichspannungsverstärkers mit an sich monoton instabilem Verhalten herbeigeführt und aufrecht erhalten.Fig. 1 shows the inventive interconnection of a coupled DC voltage amplifier of monotonically unstable behavior with an AC voltage amplifier 1. It amplifies the input voltage UE. The output voltage UA of the amplifier 1 is rectified in diode 2 and the one consisting of tubes 3 and 4, in the manner of a Schmitt flip-flop circuit, feedback (coupled) DC voltage amplifier supplied. The output voltage of diode 2 is in the Tube 3 reinforced and fed to the control grid of tube 4. About the common Cathode resistor 5 provides the necessary feedback. The control voltage UR, which is fed to the amplifier 1 is taken from the anode resistor 6 of the tube 4. The battery 7, which is connected in series with the control voltage UR, has the task of a balance between the high positive potential of the anode of the tube 4 and to create the zero potential of the amplifier 1. Would the control loop with the battery 7 interrupted, the DC voltage amplifier with monotonically unstable behavior would be run into one of the two equilibrium positions, in which either the tube 3 carries current and the tube 4 is blocked or the tube 4 carries current and the tube 3 is blocked, depending on how large the value of the at the moment rectified AC output voltage UA is. After closing the control loop (as assumed again at point 7) there is a state of equilibrium between the two extreme positions of the DC voltage amplifier with inherently monotonically unstable Behavior induced and sustained.

Der erfindungsgemäße Integralregler mit einem rückgekoppelten Gleichspannungsverstärker kann in elektrischen Regelkreisen verschiedener Art verwendet werden. Ein dementsprechendes Anwendungsbeispiel zeigt die Fig. 2, in der die Frequenz eines Oszillators 22 über ein Frequenzregelglied 23, z. B. eine Reaktanzröhre, so gesteuert wird, daß die Oszillatorfrequenz exakt mit der Nullfrequenz Fo eines Frequenzdiskriminators 24 übereinstimmt. Auch hier wird die Ausgangsspannung des Diskriminators 24 über einen rückgekoppelten Gleichspannungsverstärstärker, der aus den Röhren 25 und 26 besteht, dem Frequenzregelglied 23 zugeführt: Auch in diesem Beispiel würde bei geöffnetem Regelrelais der rückgekoppelte Gleichspannungsverstärker aus den Röhren 25 und 26 in eine seiner Endlagen hineinlaufen und somit ein monoton instabiles Verhalten zeigen. Die Stabilisierung wird nur durch Schließen des Regelkreises erreicht.The integral regulator according to the invention with a feedback DC voltage amplifier can be used in various types of electrical control loops. A corresponding one Application example is shown in FIG. 2, in which the frequency of an oscillator 22 is above a frequency control member 23, e.g. B. a reactance tube, is controlled so that the Oscillator frequency exactly with the zero frequency Fo of a frequency discriminator 24 matches. Here, too, the output voltage of the discriminator 24 is via a feedback DC voltage amplifier, which consists of tubes 25 and 26, fed to the frequency control element 23: In this example too, when the Control relay of the fed back DC voltage amplifier from tubes 25 and 26 run into one of its end positions and thus a monotonously unstable behavior demonstrate. Stabilization is only achieved by closing the control loop.

Ein weiterer Regelkreis mit einem Wechselspannungsverstärker als Regelstrecke, dessen Ausgangsamplitude in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude wahlweise konstant oder im Sinne einer überregelung absinkend oder im Sinne einer Unterregelung steigend eingestellt werden kann, ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Regelkreis ist ebenfalls mit einem rückgekoppelten Gleichspannungsverstärker ausgestattet, der sich aber nun in günstigerer Weise den Potentialverhältnissen im Regelkreis anpaßt. Dieser Regler hat wahlweise proportionales oder auch proportional-integrales Verhalten, wobei im allgemeinen die Regelschärfe des proportionalen Reglers so groß ist, daß der integrale Anteil nur zur Beseitigung eines Regelrestfehlers oder zur überregelung verwendet wird.Another control loop with an AC voltage amplifier as a controlled system, whose output amplitude is optionally constant as a function of the input amplitude or decreasing in the sense of an overregulation or increasing in the sense of an underregulation can be set is shown in FIG. This control loop is also equipped with a feedback DC voltage amplifier, which however now adapts to the potential conditions in the control loop in a more favorable manner. This Controller has either proportional or proportional-integral behavior, where in general the sharpness of control of the proportional controller is so great that the integral part only for the elimination of a residual control error or for overregulation is used.

In Fig. 3 wird der Wechselspannungsverstärker für die Eingangsspannung UZ, der die Regelstrecke darstellt, durch die Röhre 8 gebildet. Die Ausgangsspannung, die den gewünschten Verlauf nehmen soll, ist UA'. Die Ausgangsspannung wird in der Diode 9 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung erscheint an der Widerstandskondensatorkombination 10. An den Kathodenwiderständen 11 und 12 der ersten Röhre 13 fällt durch den Strom, der durch diese Röhre fließt, eine Spannung ab. Diese Spannung wird der gleichgerichteten Ausgangsspannung UA' entgegengeschaltet. Ihre Summe bildet die Regelspannung UR, die über die Diode 14 am Widerstand 15 abfällt und dem Wechselspannungsverstärker 8 zugeführt wird. Die Regelspannung UR wird nun zusätzlich über den Widerstand 16 dem Gitter der Röhre 13 zugeführt. Dieses Gitter wird aber auch weiterhin von der Anode der zweiten Verstärkerröhre 17 her über den Widerstand 18 gesteuert, wobei diese Röhre selbst von einem Teil des Spannungsteilers 11 und 12 in der Kathode der Röhre 13 gesteuert wird.In FIG. 3, the AC voltage amplifier for the input voltage UZ, which represents the controlled system, is formed by the tube 8. The output voltage that should take the desired course is UA '. The output voltage is rectified in the diode 9. The rectified voltage appears across the resistor-capacitor combination 10. A voltage drops across the cathode resistors 11 and 12 of the first tube 13 due to the current flowing through this tube. This voltage is switched in opposition to the rectified output voltage UA '. Their sum forms the control voltage UR, which drops across the resistor 15 via the diode 14 and is fed to the AC voltage amplifier 8. The control voltage UR is now additionally fed to the grid of the tube 13 via the resistor 16. However, this grid is also still controlled from the anode of the second amplifier tube 17 via the resistor 18, this tube itself being controlled by a part of the voltage divider 11 and 12 in the cathode of the tube 13.

Die Wirksamkeit der Röhre 17 kann durch Einstellen des Potentiometers 19 vom Wert 0 auf einen Maximalwert eingestellt werden. Wird der Abgriff des Potentiometers 19 unmittelbar an die Plusspannung gelegt, so hat die Steuerwirkung der Röhre 17 keinen Einfluß auf das Gitter der Röhre 13. Die Röhre 13 wirkt dann als rein proportionaler Verstärker, der die Gegenspannung beeinflußt, die in Serie zur gleichgerichteten Ausgangsspannung UÄ zur Bildung der eigentlichen Regelspannung UR geschaltet ist. In diesem Falle liegt ein rein proportionaler Regler vor. Wird nun das Potentiometer 19 mit seinem Abgriff an die Anode gelegt, was den anderen Extremfall darstellt, so arbeiten die Röhren 13 und 17 wieder als stark rückgekoppelter Gleichspannungsverstärker, und das Verhalten des Reglers wird entsprechend Fig.1. Es tritt dann ein gemischt proportional-integrales Verhalten auf. Je nach der Stellung des Potentiometers ist es daher möglich, eine Unterregelung entsprechend dem rein proportionalen Verhalten bzw. eine Aus- oder Überregelung bei proportional-integralem Verhalten zu erzielen. Mit Hilfe des Kondensators 20 kann die Regelgeschwindigkeit des proportionalen Anteiles und mit Hilfe des Kondensators 21 die Regelgeschwindigkeit des integralen Anteiles verändert werden: Dies kann von Bedeutung sein, wenn man das dynamische Verhalten des Reglers beim Übergang von einem Wert der Eingangsspannung des Wechselspannungsverstärkers auf einen anderen Eingangsspannungswert beeinflussen will.The effectiveness of the tube 17 can be adjusted by adjusting the potentiometer 19 can be set from the value 0 to a maximum value. Is the tap of the potentiometer 19 placed directly on the positive voltage, the control effect of the tube 17 has no influence on the grid of the tube 13. The tube 13 then acts as a purely proportional Amplifier that influences the counter voltage, which is in series with the rectified Output voltage UÄ is switched to form the actual control voltage UR. In this case there is a purely proportional controller. Now becomes the potentiometer 19 is placed with its tap on the anode, which represents the other extreme case, the tubes 13 and 17 work again as a strongly fed back DC voltage amplifier, and the behavior of the controller is as shown in Fig.1. It then occurs mixed proportional-integral behavior. Depending on the position of the potentiometer is it is therefore possible to under-regulate according to the purely proportional behavior or an over-regulation or over-regulation in the case of proportional-integral behavior to achieve. With the help of the capacitor 20, the control speed of the proportional Share and with the help of the capacitor 21 the control speed of the integral Proportion can be changed: This can be important when you consider the dynamic Behavior of the controller when changing from a value of the input voltage of the AC voltage amplifier wants to influence another input voltage value.

Claims

P ,, TENTANPRLUCHE: 1st control loop with integrally acting controller, at to which the input and output variables of the controller (controlled variable or manipulated variable) are electrical Voltages or currents are, in particular for the amplitude control of AC voltage amplifiers, Frequency control of oscillators and the like, characterized in that the controller is a DC voltage amplifier with such a large degree of positive feedback that the amplifier exhibits a monotonically unstable behavior.

2. Application of the control loop according to claim 1 for regulating the amplitude of an AC voltage amplifier, characterized characterized in that a direct voltage derived from its output voltage via the coupled DC voltage amplifier to the AC voltage amplifier is supplied as control voltage (Fig. 1).

3. Application of the control loop according to claim 1 for frequency control of an oscillator, characterized in that one of the setpoint frequency proportional DC voltage via the coupled DC voltage amplifier frequency-determining member of the oscillator influenced (Fig. 2).

4. Modification of the controller according to claim 2, characterized in that the DC voltage derived from the output voltage (UA) of the AC voltage amplifier (8) is fed to the grid of a tube stage (13) in an anode base circuit, that on the same grid also one from the anode resistor ( 19) a second tube stage (17) in a grid base circuit, the cathode of which is coupled to the cathode resistor (11, 12) of the first tube stage, tapped, preferably adjustable DC voltage is also coupled, and that the rectified output voltage (UA) from the cathode of the first stage (13 ) a DC voltage is connected, the difference of which is fed to the AC voltage amplifier (8) as a control voltage (Up ') (FIG. 3). Documents considered: German Patent No. 743 025; Austrian Patent No. 147 727; Belgian patent specification No. 526 949.