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Elektrischer Mehrzweckregler zur Konstanthaltung der Regelgröße auf
einem Extremwert In der Technik ist häufig die Aufgabe gestellt, eine technische
bzw. eine physikalische Größe - im folgenden Meßgröße oder Regelgröße genannt -
zu regeln, deren Verlauf in Abhängigkeit von einer zweiten Größe - im folgenden
Stellgröße genannt -einen Extremwert aufweist. Die diesbezügliche Kurve zeigt somit
einen mehr oder weniger symmetrischen Verlauf, bezogen auf den Extremwert.
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Eine Regelung mit den bekannten Methoden, bei der die Abweichung der
Regelgröße von einem Sollwert allein die Verstellung bestimmt, läßt sich bei einem
derartigen Zusammenhang zwischen Meßgröße und Stehgröße nicht ohne weiteres durchführen,
da für einen gemessenen Wert der Meßgröße zwei Werte der Stehgröße in Betracht kommen.
Handelt es sich z. B. um eine Maximalwert- bzw. eine Minimalwertregelung, d. h.
um eine Regelung, bei der die Stehgröße selbsttätig so geändert werden soll, daß
sich jeweils der größte bzw. der kleinste Wert der Meßgröße einstellt, so genügt
das Erfassen einer Abweichung gegenüber einem diesem Wert entsprechenden Sollwert
allein nicht, um zu wissen, auf welchem Teil der Kurve man sich befindet, d. h.
in welcher Weise die Stehgröße zii ändern ist, da bei einem Meßgrößenwert, der links
des Extremwertes liegt, die Stellgröße zu erhöhen und bei einem Meßgrößenwert, der
rechts des Extremwertes liegt, zu verkleinern wäre. Mit den bekannten Methoden würde
jedoch auch im ersten Fall die Stehgröße verkleinert werden und damit die Regelung
versagen.
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Es ist ein elektrischer Mehrzweckregler zur Konstanthaltung der Regelgröße
auf einem Extremwert bekannt, bei dem die Stellgröße mit einem vorgegebenen Zeitabstand
nacheinander in entgegengesetzten Richtungen um einen vorgegebenen Betrag probeweise
geändert und danach die Stehgröße in Abhängigkeit von der erzielten, nach Betrag
und Vorzeichen erfaßten Änderung der Meßgröße eingestellt wird. Es ist dabei ein
Meßwertumformer zur Umformung der Meßgröße in eine elektrische Größe vorgesehen.
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Die bekannten nach vorstehendem Verfahren arbeitenden Anordnungen
weisen den Nachteil eines komplizierten und infolge der Vielfalt der verwendeten
mechanischen Mittel auch störanfälligen Aufbau auf.
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Der erfindungsgemäße elektrische Mehrzweckregler zur Konstanthaltung
der Regelgröße auf einem Extremwert, bei dem die Stellgröße mit einem vorgegebenen
Zeitabstand nacheinander in entgegengesetzten Richtungen um einen vorgegebenen Betrag
probeweise geändert und danach die Stellgröße in Abhängigkeit von der erzielten
Änderung der Meßgröße eingestellt wird, mit einem Meßwertumformer zur Umformung
der Meßgröße in eine elektrische Größe vermeidet diese Nachteile. Dies gelingt gemäß
der Erfindung dadurch, daß zwei Speicheranordnungen vorgesehen sind, die durch Schaltanordnungen
abwechselnd im Takt der Änderung der Stellgröße mit dem Meßwertumformer verbunden
werden und deren gespeicherte Signale eine Vergleichseinrichtung beaufschlagen,
die über eine Verstelleinrichtung ein mit einer Spannung beaufschlagtes Potentiometer
nachstellt, dessen Schleiferstellung den Wert der Stellgröße darstellt und dem jeweils
ein Widerstand vor- bzw. nachgeschaltet ist, die abwechselnd mit einer bestimmten
Frequenz durch Schaltanordnungen zugeschaltet bzw. kurzgeschlossen werden.
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An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher beschrieben
werden: Darin zeigen F i g. 1 a und 1 b zwei Diagramme, bei denen der Verlauf einer
Meßgröße C in Abhängigkeit von der Stellgröße k einen Extremwert C"i" bzw.
C"", aufweist, F i g. 2 das Prinzipbild einer Verfahrensregelung, bei der der erfindungsgemäße
Mehrzweckregler angewendet wird, F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Mehrzweckreglers bei einer Minimalwertregelung, F i g. 4 ein bezüglich der Speicherung
der Werte der Meßgröße geändertes Ausführungsbeispiel nach F i g. 3.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein verfahrenstechnisches
Anwendungsbeispiel, bei dem die Meßgröße eine Konzentration C und die Stellgröße
das Verhältnis k zweier Größen A
und B, die beispielsweise
Stoffmengen sein können, darstellt. Der Verlauf der Konzentration in Abhängigkeit
von dem Verhältnis k soll dabei etwa so sein, wie er in F i g. 1 a bzw. 1 b dargestellt
ist. Die Aufgabe soll beispielsweise darin bestehen, jeweils einen solchen Wert
k einzustellen, daß die Konzentration ein Minimum bzw. ein Maximum wird.
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Eine verfahrenstechnische Anlage, bei der diese Aufgabe z. B. auftreten
kann, ist in F i g. 2 dargestellt. In ein Reaktionsgefäß 1 werden Stoffe
A und Bin bestimmter Menge zugeführt. Das Reaktionsprodukt unterliegt
noch einer weiteren Behandlung, angedeutet durch das Reaktionsgefäß 2. Das AusgangsproduktC,
das einzuregeln ist, wird durch das Verhältnis k = AIB, aber auch von Störgrößen,
die im Bereich des Reaktionsgefäßes 2 wirken, beeinflußt. Solange man die
Störgrößen vernachlässigen kann, genügt es, den Faktor k konstant zu halten. Zu
diesem Zweck wird beispielsweise von der Größe A mittels eines Umformers 4 eine
Spannung U4 abgeleitet, die in einem Übertragungsglied 9 mit dem gewünschten
Faktor k multipliziert wird. Die Ausgangsgröße dieses Übertragungsgliedes ist der
Sollwert k - UA = UB soll. Dieser wird in einem Regler 8 mit dem durch
einen Umformer 5 von der Größe B abgeleiteten Spannungsistwert UB ist verglichen,
wobei in Abhängigkeit von der Differenz der Werte das den Wert der Größe B beeinflussende
Stellglied 7 eingestellt wird. Damit ist gewährleistet, daß die Werte
A und Bin einem bestimmten konstanten Verhältnis k zueinander stehen.
Wird jedoch die Konzentration C auch von anderen Größen als von k beeinflußt, so
wird zweckmäßig der Faktor k nachgestellt. Zu diesem Zweck ist ein Umformer 6 vorgesehen,
der die Konzentration in eine Spannung Uc abbildet. Diese Spännung wird in einer
Einrichtung 3 weiterverarbeitet, die den Faktor k am Übertragungsglied 9 in gewünschter
Weise nachstellt.
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Solange C eine monotone Abhängigkeit von k in einer Richtung zeigt,
könnte man das Übertragungsglied 3 durch eine Summierungsstelle realisieren, auf
das als Istwert der Spannung UC und als Sollwert eine Spannung geschaltet ist, die
dem gewünschten C-Wert entspricht.
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Wegen der oben geschilderten besonderen Abhängigkeit der Größe C von
dem Verhältnis k wird das Übertragungsglied 3 durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
ersetzt, von der zwei vorteilhafte Ausführungsbeispiele in F i g. 3 bzw. 4 dargestellt
sind.
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Es ist in diesen Figuren ein Potentiometer 8.1 dargestellt,
bei dem die Stellung des Abgriffes den Faktor k vorgibt. In Reihe mit dem Potentiometer
liegen zwei Vorwiderstände 8.2 und 8.3. Durch die Kontakte 9.2 bzw.
9.3 eines Relais 9, das von einem Taktgeber 10 gesteuert wird, werden
die Vorwiderstände 8.2 bzw. 8.3 abwechselnd zu- bzw. abgeschaltet. Dadurch wird
der Faktor k um ± A k verändert. Speist man die Widerstandsanordnung
8.1, 8.2, 8.3 mit einer der Größe A entsprechenden Spannung UA, so
kann man am Potentiometer 8.1 eine dem Sollwert der Größe B entsprechende Spannung
UB = (kmin bzw. k.." ± A k) UA abgreifen, die, wie in F i g. 2 dargestellt,
auf den Regler 8 geschaltet werden kann. (Das Übertragungsglied 9 der F i g. 2 wird
damit durch die obengenannte Widerstandsanordnung realisiert.) Die Frequenz des
Taktgebers wird so gewählt, daß der Ausgleichsvorgang, der durch das Zuschalten
von (±) A k bedingt ist, vor dem nächsten Umschalten abgeklungen ist und
C einen stationären Wert erreicht hat.
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Es ist weiterhin ein Meßgrößenumformer 1 dargestellt (entspricht
Position 6 der F i g. 2), der die Konzentration in eine Spannung Uc umwandelt, die
mittels eines Verstärkers 2 verstärkt wird. Im Takt der Änderung des Faktors k wird
in F i g. 1 über den Kontakt 9.1 des Relais 9 die verstärkte Spannung Uc abwechselnd
mit Hilfe von Stellmotoren 3.1, 3.2 auf den Rechenpotentiometeranordnungen
4.1 bzw. 4.3
bzw. 4.2 bzw. 4.4 gespeichert. Die Schleiferstellungen
der Potentiometeranordnungen 4 entsprechen damit dem Wertepaar der Konzentration,
das sich nach der Zuschaltung von -I- A k bzw. - A k einstellt. Ist
die Differenz der gespeicherten Werte = 0, so erkennt man aus der F i g. 1 a, daß
dann der Wert von k eingestellt ist, der dem Minimum der Konzentration entspricht.
Ist dagegen k verschieden von k"1", so führt die zwischen den Abgriffen der Potentiometer
4.3 und 4.4 auftretende Spannungsdifferenz den Abgriff des Potentiometers 8.1 und
damit den Faktor k so lange mit Hilfe des Differenzverstärkers 5, des Stellmotors
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und des Getriebes 7 nach, bis die Spannungsdifferenz zu Null geworden ist,
d. h. bis k = k"1" bzw. k,"ax ist. Das Vorzeichen der Spannungsdifferenz sagt dabei
aus, ob der dazugehörige k-Wert sich links oder rechts von k"1" bzw. k"", befindet,
so daß die Richtung der Änderung eindeutig festgelegt ist.
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Der Übergang von einer Minimalwertregelung zu einer Maximalwertregelung
und umgekehrt ist ohne weiteres möglich, indem man die Polarität der Eingangsspannung
des Differenzverstärkers wechselt.
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F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die aus den Stellmotoren
3.1 und 3.2 sowie den Potentiometern 4.1 bis 4.4 bestehenden Nachlautsysteme gemäß
F i g. 3 durch elektronische Verstärker 11.1 und 11.2 ersetzt sind, die bei
geschlossenem Kontakt 9:1 bzw. 9.2 die Ausgangsspannung des Meßverstärkers
2
proportional übertragen, die bei geöffnetem Kontakt als Integratoren die
im Öffnungszeitpunkt anliegende Spannung speichern. Diese Anordnung ist dann günstiger
als die Anordnung nach F i g. 3, wenn der Faktor k,"1" sich zeitlich relativ schnell
ändert, die Trägheit der Nachlaufsysteme also stören würde, und wenn die Übergangsfunktion
Uc = j(t) bei sprunghafter Änderung von UB nur geringe Zeitverzögerung
zeigt, die Taktfrequenz also höher ist.
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Es können auch gegebenenfalls noch andere Speicheranordnungen verwendet
werden.
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In den F i g. 3 und 4 sind Anordnungen zur Minimalwert- bzw. Maximalwertregelung
dargestellt, da der Faktor k so lange geändert wird, bis die Differenz der Konzentrationswerte
zu Null wird. Es ist natürlich auch denkbar, mittels der erfindungsgemäßen Anordnungen
einen beliebigen C-Wert einzuregeln, indem man die Differenz der Konzentrationswerte,
die bei der sprunghaften Änderung des der gewünschten Konzentration entsprechenden
Faktors k auftritt, als Sollwert eingibt. Der Faktor k soll in diesem Fall nur dann
nachgestellt werden, wenn die Differenz der Konzentrationswerte von diesem Sollwert
verschieden ist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, indem man die Differenz
der gespeicherten Werte mit einem Sollwert vergleicht und nur die Abweichung davon
auf den Differenzverstärker einwirken läßt. Es ist auch denkbar, die gespeicherten
Werte einzeln mit einem Sollwert zu vergleichen und den Differenzverstärker
mit
der Differenz der beiden Abweichungen zu beaufschlagen.
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Bezüglich der Anordnungen nach F i g. 3 und 4 ist noch zu erwähnen,
daß der Differenzverstärker zweckmäßig eine zweiseitige symmetrische Kennlinie hat.
Er kann dabei stetig oder unstetig arbeiten.
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An Stelle der dargestellten Verstelleinrichtung, bestehend aus Stellmotor
6 und Getriebe 7, kann auch ein elektrohydraulisches oder pneumatisches Stellglied
od. dgl. vorgesehen sein. Die dargestellten mechanischen Umschaltkontakte 9.1 bis
9.4 können durch kontaktlos arbeitende Schalter, z. B. Transistor- oder Diodenschalter,
ersetzt werden.
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Es ist auch denkbar, dem Differenzverstärker 5 ein bestimmtes Zeitverhalten,
z. B. ein PID-Verhalten, zu geben.
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Die dargestellte Widerstandsanordnung 8.1 bis 8.3 gilt für einen proportionalen
Zusammenhang zwischen den Größen A und B. Für andere funktionelle
Zusammenhänge lassen sich entsprechende Rechenanordnungen (Position 9, F i g. 2)
angeben.
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An Stelle des Differenzverstärkers 5 können auch andere Vergleichseinrichtungen,
z. B. eine Brückenschaltung od. dgl., vorgesehen sein. Ebenso kann je nach Anwendungsfall
das Potentiometer 8.1 durch andere Geber, z. B. durch ein Selsyn, ersetzt werden.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung auch bei anderen Regelungen
als in F i g. 2 dargestellt Anwendung finden.