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Elektrischer Regler, vorzugsweise zum Regeln der Temperatur in Heizanlagen
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Regler, vorzugsweise zum Regeln der Temperatur
in Heizanlagen, mit einem zum Messen der Regelgröße dienenden Fühler, beispielsweise
einem Thermoelement, der eine in ihrer Größe ein Maß für den Wert der Regelgröße
darstellende Meßspannung liefert, mittels der in bekannter Weise durch Vergleich
mit einer Sollwertspannung eine der Regelabweichung proportionale Fehlerspannung
abgeleitet und diese Fehlerspannung dem Eingang eines Verstärkers zugeführt wird,
mit einem diesem Verstärker parallel geschalteten Rückführungskreis, dessen an zwei
Eingangsleitungen auftretende Eingangsspannung von dem Verstärkerausgang abgenommen
und dessen an zwei Ausgangsleitungen auftretende Ausgangsspannung der Fehlerspannung
aufgeschaltet wird, wobei der Rückführungskreis eine verzögerte und eine nachgebende
Rückführung aufweist und die verzögerte Rückführung einen im Hauptschluß liegenden
Widerstand und eine im Nebenschluß liegende Kapazität und die nachgebende Rückführung
einen im Nebenschluß liegenden Widerstand und eine im Hauptschluß liegende Kapazität
aufweisen.
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Durch den dem Verstärker parallel geschalteten Rückführungskreis mit
einer verzögerten und einer nachgebenden Rückführung wird in bekannter Weise ein
PID-Verhalten des Reglers bewirkt.
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Die beschriebenen, aus Impedanzen bestehenden Rückführungskreise zeichnen
sich durch einfache Herstellung, Wartungsfreiheit und hohe Betriebssicherheit aus,
jedoch ist nicht in allen Fällen eine optimale Abgleichung auf das übergangsverhalten
der jeweiligen Regelstrecke möglich. Um in bestimmten Sonderfällen die übergangsfunktion
der genannten, aus Impedanz bestehenden Rückführungen zu verbessern, wurde schon
vorgeschlagen, mindestens eine dieser Impedanzen durch spannungsabhängige Widerstände,
beispielsweise Dioden, zu überbrücken. Derartige Schaltungen sind vor allen Dingen
dann zweckmäßig, wenn zeitweise sehr große Regelabweichungen auftreten. Das genaue
Übergangsverhalten des Reglers wird durch die Anordnung und Größe der Widerstände
und Kapazitäten der verzögerten und nachgebenden Rückführungen bestimmt. Je nach
den speziellen Eigenschaften der Regelstrecke ist es hierbei zweckmäßig, die verzögerte
und nachgebende Rückführung energetisch zu koppeln oder nicht. Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf einen Regler, in dessen Rückführungskreis die nachgebende und verzögerte
Rückführung energetisch gekoppelt sind. ; Bei bekannten Anordnungen dieser Art sind
die verzögerte und nachgebende Rückführung hintereinandergeschaltet. Diese Hintereinanderschaltung
hat bei bestimmten Aufgaben der Regelungstechnik zu keinem befriedigenden übergangsverhalten
des Reglers geführt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine bei bestimmten Aufgaben der Regelungstechnik,
vorzugsweise bei der Regelung der Temperatur von Heizöfen, besonders zweckmäßige
Ausbildung eines verzögerten und nachgebenden, aus Impedanzen aufgebauten Rückführungskreises.
Dieser Rückführungskreis ist dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der verzögerten
Rückführung und die Kapazität der nachgebenden Rückführung in unterschiedlichen
Leitungszügen der beiden Hauptschlußleitungen des Rückführungskreises angeordnet
sind, daß die den Widerstand der nachgebenden Rückführung und die die Kapazität
der verzögerten Rückführung aufweisenden Nebenschlußleitungen jeweils einen Eingang
bzw. Ausgang des Widerstandes mit einem Ausgang bzw. Eingang der Kapazität verbinden
und daß parallel zu dem Widerstand der verzögerten Rückführung und parallel zu der
Kapazität der nachgebenden Rückführung je ein Paar von in Serie gegeneinandergeschalteten
Dioden in an sich bekannter Weise vorgesehen sind.
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Dabei kann die Schaltung so getroffen sein, daß die beiden zusammengeschalteten
Enden der Widerstände
an den Eingang der einen Hauptschlußleitung
und die beiden zusammengeschalteten Enden der Kapazitäten an den Eingang der anderen
Hauptschlußleitung angeschlossen sind.
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Von besonders großer Bedeutung ist das Stabilitätsverhalten des Reglers.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird eine besonders gute Stabilität dadurch
erreicht, daß die Zeitkonstante der nachgebenden Rückführung nennenswert größer
als die Zeitkonstante der verzögerten Rückführung ist.
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Der vorliegende Regler erlaubt eine außerordentlich empfindliche Regelung
ohne mittlere Nullabweichung. Diese erwünschte hohe Empfindlichkeit bringt es jedoch
mit sich, daß unter Umständen bereits ein Brummen oder Rauschen des Verstärkers
sich störend bemerkbar macht. Derartige Störungen lassen sich zweckmäßig dadurch
vermeiden, daß die verzögerte Rückführung einen mit der Kapazität in Reihe geschalteten
Widerstand aufweist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung an Hand eines Schaltschemas dargestellt.
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Bei der Vorrichtung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt
es sich um einen elektrischen Regler, der zum Regeln der Temperatur in Heizanlagen
dient. Der Erfindungsgegenstand kann jedoch selbstverständlich auch für andere Regelungen
verwendet werden. Das Gleichstrombezugspotential VR wird von einem Potentiometer
1 abgegriffen und einer auf Temperaturänderungen ansprechenden Vorrichtung 2 zugeführt,
die z: B. als Thermoelement ausgebildet sein kann und als ein zum Messen der Regelgröße
dienender Fühler wirkt, der eine in ihrer Große ein Maß für den Wert der Regelgröße
darstellende, einer vorzugsweise einstellbaren Vergleichsspannung entgegengeschaltete
elektrische Meßspannung liefert. Mit den Klemmen 3 ist eine Wechsel stromquelle
verbunden. Sie liefert Energie an ein Heizelement 4, z. B. an das Heizelement eines
technischen Schmelzofens, eines Herdes, eines kleinen metallurgischen Ofens usw.
Ein Leistungsrelais 5 steuert den Betrieb des Heizelementes. Die Heizenergie kann
hierbei entweder in Form einer Stufenfunktion zugeführt werden, oder es kann auch
eine in anderer Weise veränderliche Energiemenge ständig an das Heizelement abgegeben
werden. Das Gleichstrombezugspotential VR hat einen solchen Wert, daß bei Übereinstimmung
mit dem vom Thermoelement 2 erzeugten Potential die Ofentemperatur den gewünschten
Wert angenommen hat. Wenn die Ofen- ; temperatur einen bestimmten Betrag übersteigt,
wird eine Fehlerspannung als Differenz zwischen der Thermoelementspannung und der
Bezugsspannung erzeugt, die dem Eingang eines Gleichstromverstärkers 6 zugeführt
wird, an dessen Eingang eine aus Meßspannung, Vergleichsspannung und der an einem
Rückführungswiderstand 9 liegenden Spannung bestehende Summerspannung gelegt ist.
Zwischen dem Ausgangskreis des Verstärkers und dem Rückführungswiderstand 9 ist
ein Rückführungskreis angeordnet, der eine aus dem Widerstand 14 und der Kapazität
13 bestehende verzögerte Rückführung und eine aus dem Widerstand 16 und der Kapazität
15 bestehende nachgebende Rückführung aufweist.
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Von der Ausgangsklemme 7 des Gleichstromverstärkers 6 geht die Hauptrückführungsschleife
ab, die mit einem gemeinsamenWiderstand9 so inVerbindung steht, daß der Hauptrückführungsstrom
durch den gemeinsamen Widerstand 9 zur Rückführungsleitung 10 fließt. Die sekundäre
Rückführungsschleife schließt die Arbeitsspule des Leistungsrelais 5 ein und ist
mit der Rückführungseingangsleitung10 über ein Anzeigeinstrument 12 verbunden. Die
Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Relaiskontakte des Relais 5 mittels des
durch die Relaisspule 5 fließenden Ausgangsstroms 1 in Arbeitsstellung gebracht
werden, wenn die Temperatur unter der Bezugstemperatur liegt, so daß dem Heizelement
4 dann Energie zufließt. Dagegen wird die Energiezufuhr zum Heizelement abgeschaltet,
wenn die Temperatur höher als die Bezugstemperatur ist.
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Das den Strom I anzeigende Instrument 12 kann als Anzeigeinstrument
für den Regelfehler des Systems betrachtet werden und in Einheiten der Temperaturabweichung
kalibriert sein, so daß der Regelfehler unmittelbar in Temperatureinheiten angezeigt
wird: Die nachgebende und die verzögerte Rückführung sind in bekannter Weise durch
Kapazitäten und Widerstände gebildet: Insgesamt ergibt sich grundsätzlich bei derartigen
Anordnungen ein PID-Verhalten des Reglers. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen
sind jedoch bei dem erfindungsgemäßen Regler die nachgebende und die verzögerte
Rückführung nicht hintereinandergeschaltet, vielmehr findet hier eine Schaltung
Anwendung, bei der die im Nebenschluß liegenden Kapazitäten und Widerstände über
Kreuz geschaltet sind.
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Die nachgebende Rückführung wird durch die im Hauptschluß der primären
Rückführungsschleife angeordnete Kapazität 15 und den im Nebenschluß angeordneten
Widerstand 16, die verzögerte Rückführung durch den im Hauptschluß der sekundären
Rückführungsschleife angeordneten Widerstand 14
und die im Nebenschluß angeordnete
Kapazität 13 gebildet. Damit sind der Widerstand 14 der verzögerten und die Kapazität
15 der nachgebenden Rückführung in unterschiedlichen Hauptschlußleitungen des Rückführungskreises
angeordnet, wobei die den Widerstand 16 der nachgebenden Rückführung und die die
Kapazität 13 der verzögerten Rückführung aufweisenden Nebenschlußleitungen jeweils
einen Eingang bzw. Ausgang des Widerstandes 14 mit einem Ausgang bzw. Eingang der
Kapazität 15 verbinden. Hierdurch wird eine für das vorliegende Regelungsproblem
besonders günstige energetische Kopplung zwischen der verzögerten und der nachgebenden
Rückführung erreicht.
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Aus Stabilitätsgründen muß die Zeitkonstante der nachgebenden Rückführung
größer als die Zeitkonstante der verzögerten Rückführung sein. Es ist zweckmäßig,
daß sich diese Zeitkonstanten mindestens um den Faktor 5 unterscheiden. Es sei darauf
hingewiesen, daß der Rückführungskreis eine im Gleichgewicht befindliche Brücke
bildet und sich daher keine Rückführungsspannung ergibt, wenn die Impedanzen der
nachgebenden und verzögerten Rückführung gleich sind.
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Die Übergangsempfindlichkeit eines praktischen Systems muß für einen
ausreichenden Kaltstart und/ oder hinsichtlich der Reaktion auf thermische Belastungen
und den Soliwerteinstellungen entsprechend bemessen sein. Vor allen Dingen verträgt
die volle Rückführungsfunktion nicht einmal sehr kleine Eingangsstörungen wie Brummen
oder Rauschen. Derartige Störpotentiale haben hohe zeitliche Ableitungen,
welche
den Steuervorgang überdecken können. In der Praxis ist es deshalb notwendig, zusätzlich
einige Rückführungen erster Ordnung vorzusehen. In besonders geeigneter Weise können
diese in Form eines kleinen Widerstandes 17, der in Reihe mit der Kapazität 13 angeordnet
ist, geschehen. Außerdem kann während der langen Aufwärm- und Abkühlzeiten, die
in bezug auf die Rückführzeitkonstante groß sind, die Kapazität 15 aufgeladen und
der Verstärker mit einer Spannung belastet werden. Dies erfordert eine zusätzliche
Form einer Rückführung erster Ordnung, die parallel zur Kapazität 15 angeordnet
ist und die vor der Sättigung des Verstärkers in Wirkung tritt, jedoch im Dauerzustand
unwirksam ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Kapazität 15 und dem Widerstand
14 vorgespannte Dioden 18 und 19 parallel geschaltet werden, welche bei einer Spannung
leitend werden, die oberhalb der bei den Abweichungen im Dauerzustand auftretenden
Spannung, jedoch unterhalb der Sättigungsspannung des Verstärkers liegt.
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Die vorgespannten Dioden sind als in Reihe entgegengeschaltete Siliziumdioden
ausgebildet, welche Zenerspannungen entsprechend der gewünschten Vorspannung aufweisen.
Die Dioden weisen bei einer vorbestimmten Spannung einen ausgeprägten Knick in ihrer
Spannungscharakteristik auf, wobei die Impedanz der Dioden oberhalb dieser Spannung
klein und im wesentlichen konstant ist. Der wirksame Effekt besteht darin, die Kapazität
15 und den Widerstand 14 nur dann zu überbrücken, wenn die Spannung an diesen Elementen
gleich der Zenerspannung der Dioden wird.
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Die Zenerdioden ergeben auch einen wirksamen Schutz der Kapazitäten
gegen Überspannung.
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Die Kapazitäten sollen Eigenzeitkonstanten haben, welche wesentlich
größer sind als die Stromkreiszeitkonstanten. Andernfalls verursacht der Nebenschlußstrom
einen mittleren Fehler. Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren werden hierbei als die praktisch
geeignetsten Typen vorgeschlagen.