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Elektrischer Zweipunktregler mit einem Schaltglied Die Erfindung betrifft
einen elektrischen Zweipunktregler mit einem Schaltglied, bei dem dem Eingang des
Schaltgliedes die Regelabweichung und die Änderung des Istwertes zugeführt wird.
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Zweipunktregler sind z. B. als elektrische Meßwerkregler mit einem
beweglichen Organ zur Betätigung eines Grenzkontaktes bekannt. Entsprechend ihrem
Aufbau können derartige Regler der Stellgröße nur zwei bestimmte Werte erteilen.
Mit einem Zweipunktregler wird beispielsweise meinem Ofen .als Regelstrecke eine
Heizung zur Einregelung einer gewünschten Temperatur entweder ein- oder ausgeschaltet.
Es, ist bei Regelvorgängen mit Zweipunktreglern zu beobachten, daß auch in eingeschwungenem
Zustand der Regler periodisch schaltet und daß der Istwert der Regelgröße um einen
mittleren Wert schwankt. Es wird .angestrebt, die Schwankungsbreite möglichst klein
zu halten. Die Schwankungsbreite, die von der Schaltdifferenz (Hysterese) des Reglers
und dem Zeitverhalten ,der Regelstrecke abhängt, kann aber beispielsweise dann unerwünscht
groß werden, wenn die Regelstrecke eine große Totzeit aufweist.
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Es ist bekannt, zur Verringerung der Istwertschwankungen Zweipunktregler
mit einer verzögerten Rückführung zu versehen. Das zusammen mit dem Stellglied geschaltete
Rückführglied gibt eine Spannung ab, die die Spannung der Regelabweichung vermindert
und bewirkt, daß bei steigendem und fallendem Istwert der Regelgröße der Schaltpunkt
des Reglers erreicht wird, bevor der Istwert selbst den entsprechenden Wert angenommen
hat. Daraus folgt eine kürzere Dauer der Schaltperiode.
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Die verzögerte Rückführung bringt aber auch Nachteile mit sich: Bei
einfachen verzögerten Rückführungen schwankt die Rückführspannung zwischen einem
Maximal- und einem Minimalwert. Der Mittelwert der Rückführgröße verursacht daher
eine Abweichung des mittleren Istwertes von dem Sollwert. Die Abweichung hängt ab
von .der Einschaltdauer des Reglers im Vergleich zu der Periodendauer (Tastverhältnis),
wobei sich das Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem größtmöglichen
Wert der Regelgröße einstellt, der sich auf Grund der Stelleistung und der Eigenschaften
der Regelstrecke ergeben kann. Die Eigenschaften der Strecke werden wiederum von
Störgrößen beeinflußt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, :daß die optimale
Einstellung der Rückführzeitkons.tante von der Hauptzeitkonstante der Regelstrecke
abhängt. Die erforderliche Rückführzeitkonstante ist oft so groß, daß eine Widerstands-Kondensator-Schaltung
zur Bildung der verzögerten Rückführspannung ungeeignet ist. Deshalb wird auf thermische
Rückführungen mit einem Heizelement und einem hiervon aufgeheizten Hilfsfühler zurückgegriffen.
Die Zeitkonstante der thermischen Rückführung kann durch wahlweise eingeschaltete
Wärmeleiter mit unterschiedlichen Materialeigenschaften eingestellt werden. Der
konstruktive Aufwand für die thermische Rückführung ist beträchtlich.
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Zum Stand der Technik gehören ferner Zweipunktregler mit einer verzögerten
Rückführung, die eine beim Schalten vorzeichenmäßig wechselnde Rückführspannung
abgibt. Durch den Vorzeichenwechsel der pulsierenden Rückführspannung läßt sich
erreichen, daß der Mittelwert -der Rückführspannung Null wird und damit keine Verfälschung
des mittleren Istwertes eintritt. Diese Kompensation kann aber nur für jeweils einen
Arbeitspunkt des Reglers (Tastverhältnis) durchgeführt werden. Außerdem bedingt
die Kompensation einen zusätzlichen Aufwand.
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Eine Fälschung des mittleren Istwertes der Regelgröße durch die Rückführgröße
wird auch bei der bekannten, nachgebend verzögerten Rückführung in Zweipunktreglern
vermieden. Durch das nachgebende Zeitglied stellt sich der Mittelwert der Rückführgröße
auf Null ein. Zweipunktregler mit nachgebend verzögerter Rückführung haben jedoch
den Nachteil, daß sie bei einer Änderung des Sollwertes oder der Störgrößen nicht
durch Dauereinschaltung bzw. Ausschaltung für eine möglichst rasche Beseitigung
der Regelabweichung sorgen, sondern unter dem Einfluß der Rückführgröße unerwünschte
Schaltspiele durchführen. Im übrigen vermindern die überflüssigen Schaltungen die
Lebensdauer des Schaltgliedes. Der Aufwand auch dieser Rückführungsanordnung ist
hoch.
Außerdem ist ein Zweipunktregler bekanntgeworden, bei dem
zur Verstellung eines Schaltgliedes neben der Regelabweichung auch der Differentialquotient
des Istwertes benutzt wird. Bei derartigen Zweipunktreglern wird zwar eine Verringerung
der Schwankungsbreite des Istwertes erreicht, sie eignen sich aber kaum für Regelaufgaben
mit einer Regelabweichung verhältnismäßig kleiner Beträge Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, einen Zweipunktregler zu schaffen, der für den Regelvorgang im
eingeschwungenen Zustand nur eine geringe Schwankungsbreite des Istwertes bewirkt
und der eine auftretende Regelabweichung, insbesondere bei kleinen Werten, unter
Vermeidung unnötiger Schaltspiele rasch beseitigt. Darüber hinaus besteht die Forderung,
beim Anfahren und beim Ausregeln großer Störungen ein Überschwingen der Regelgröße
zu vermeiden. Eine Verfälschung des mittleren Istwertes durch eine Rückführgröße
soll nicht auftreten. Ferner soll der Regler einfach .auf die Regelstrecke optimal
einstellbar sein, und schließlich soll sich der Regler mit den gewünschten Eigenschaften
durch einen möglichst geringen Bauaufwand auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Istwertspannung
einem Verstärker zugeführt ist, an dessen Ausgang ein Differenzierglied liegt, und
daß die differenzierte Istwertspannung zur getrennt gebildeten Regelabweichung hinzuaddiert
und die Summe als Eingangsspannung einem Schaltglied zugeführt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Zweipunktregler ist also dem Schaltglied
ein Netzwerk vorgeschaltet, in dem die Regelabweichung und der verstärkte differenzierte
Istwert addiert werden. Der differenzierte Istwert entspricht dabei der differenzierten
Regelabweichung. -Würde demgegenüber in einem Netzwerk mit nur passiven Gliedern
die Summe aus Regelabweichung und differenzierter Regelabweichung gebildet, so ergäben
sich bei Regelabweichungen, denen leistungsschwache Signale - wie z. B. bei Temperaturregelungen
- entsprechen, erhebliche Schwierigkeiten, da sich in dem Netzwerk ein weiterer
Leistungsverlust einstellt. Dieser Leistungsverlust ist insbesondere durch die Bildung
der differenzierten Größe bedingt. - Diese vorstehend dargelegten Schwierigkeiten
werden auf besonders zweckmäßige Weise durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines
Verstärkers überwunden, ohne daß dabei Schwierigkeiten infolge eines störenden Drifteinflusses
in Kauf genommen werden müssen. Bei dem erfindungsgemäßen Zweipunktregler wird nämlich
die Istwertspannung auf den Eingang eines Verstärkers gegeben. An den Ausgang des.
Verstärkers ist dann erst ein Differenzierglied geschaltet, das beispielsweise aus
-der Parallelschaltung eines Widerstandes mit einem Kondensator und einem anderen
dazu in Reihe geschalteten Widerstand gebildet wird. An der Reihenschaltung liegt
die Regelabweichung an, die entsprechend dem Verhältnis der Widerstände geteilt
wird, wobei zu der stationären Teilspannung an dem anderen Widerstand ein dem Ladestrom
des Kondensators und damit der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung proportionaler
Spannungsteil hinzukommt. Das Widerstands-Kondensator-Netzwerk hat also PD-Zeitverhalten.
Die an dem Netzwerk abgegriffene Spannung mit verstärktem D-Anteil beaufschlagt
einen Verstärker mit einem Schaltglied zum unstetigen Regeln einer Größe. Diese
Ausführungsform wird an Hand einer Zeichnung in zwei Figuren im folgenden näher
erläutert.
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F i g. 1 stellt ein Netzwerk mit Widerstandsthermometer zur Bildung
der Regelabweichung und ein differenzierendes Zeitglied mit einem Verstärker für
einen elektronischen Zweipunktregler dar, und F i g. 2 ist ein die Regelabweichung
bildendes Netzwerk mit Thermoelement zum Anschluß an die übrige Schaltungsanordnung.
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In F i g. 1 sind mit a, b, e, d Punkte einer Brückenschaltung
mit den Widerständen 1 bis 5 bezeichnet, die den Eingang des Reglers darstellt.
In einem Zweig der Brücke sitzt das Widerstandsthermometer 1 als Meßwertgeber, während
in einem anderen Zweig das Potentiometer 4 eingeschaltet ist. Die Punkte a, c ,der
Brücke sind mit einer Stromquelle mit den Klemmen x, y verbunden, während an den
Punkten b, d die Ausgangsspannung der Brücke ansteht. In der Schaltungsanordnung
ist ferner ein Transistor 12 vorgesehen, der über .einen Widerstand 10 sowie einen
Trimmer 11 in der Emitterleitung und einen Widerstand 13 in der Kollektorleitung
ebenfalls an die Stromquelle angeschlossen ist. Die Basis des Transistors liegt
über dem Widerstand 8 an dem Punkt b der Brückenausgangsdiagonale, während ein Kondensator
die Basis zum Brückenpunkt c überbrückt. Von dem Kollektor führt eine Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung
6, 7 zu dem Punkt d der Brückenausgangsdiagonale. Ein Verstärker 14 mit Schaltstufe
ist .einerseits mit dem Brückenpunkt b und andererseits mit dem einstellbaren Widerstand
6 der Reihenschaltung verbunden.
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An den Ausgangsklemmen b, d der Brücke steht eine Spannung,
die der Regelabweichung entspricht. Die Regelabweichung wird gebildet aus dem Istwert
der Regelgröße nach Maßgabe einer die Leitfähigkeit .des Thermowiderstandes beeinflussenden
Temperatur und aus dem Sollwert gemäß der Einstellung des Potentiometers 4. Zwischen
den Punkten b, c der Brücke liegt die Spannung,des Istwertes. Der Istwert wird mit
dem Transistor 12 verstärkt. Die verstärkte Istwertspannung verursacht an dem einstellbaren
Widerstand 6 der Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung 6, 7 einen .der Änderungsgeschwindigkeit
proportionalen Spannungsabfall. Die differenzierte Istwertspannung :addiert sich
mit der in Reihe liegenden Ausgangsspannung der Brücke, die der Regelabweichung
entspricht. Die Summe bildet die Eingangsspannung u, des Verstärkers 14 mit dem
Schaltglied. Die Eingangsspannung u, besteht also aus einem mit proportionalem Verhalten
gebildeten Anteil (P-Anteil) und einem mit :differentialem Verhalten gebildeten
Anteil (D-Anteil). Der D-Anteil wird durch die Verstärkung des Transistors und die
Zeitkonstante des differenzierenden Gliedes bestimmt. Zur Vorgabedes D-Anteils ist
in dem Ausführungsbeispiel die Zeitkonstante stetig .einstellbar. Ebenso könnten
Mittel zur Einstellung der Verstärkung vorgesehen sein.
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In diesem Ausführungsbeispiel steht am Ausgang des Zeitgliedes die
volle Höhe der Regelabweichung zur weiteren Verarbeitung bereit. Der nachfolgende
Verstärker kann mit einem niedrigeren Verstärkungsfaktor ausgelegt werden und die
Drift hat keinen störenden Einfluß. Der D-Anteil wird in dem Zeitglied durch Differenzieren
des verstärkten Istwertes gebildet und zu dem durch die Regelabweichung dargestellten
P-Anteil addiert. Die langsame Drift des
Transistors 12 zum Verstärken
des Istwertes ist .nicht störend, da die differenzierte Ausgangsspannung des Transistors
der Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung proportional ist. Ein Siebglied
8, 9 an der Basis des Transistors beseitigt den Einfluß von Störsignalen verhältnismäßig
hoher Frequenz.
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Das beschriebene Zeitglied ist zweckmäßig an einen Verstärker mit
hohem Eingangswiderstand angeschlossen. Es kann dazu beispielsweise ein selbstschwingender
Verstärker mit einer Eingangsbrücke vorgesehen werden, die spannungsabhängige Kondensatoren
enthält. Auf den Verstärker folgt eine Kippstufe zum Schalten eines Relais, das
auf die Stellgröße einwirkt.
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Das Zeitglied kann auch mit einem anderen Netzwerk zur Bildung der
Regelabweichung gekoppelt sein. Gibt beispielsweise nach F i g. 2 der Meßwertgeber
in Form eines Thermoelementes den Istwert unmittelbar als Spannung ab, so kann der
Geber in der Ausgangsdiagonaleneiner Brücke liegen, die mit den Klemmen
e bis h an die übrige Schaltungsanordnung gemäß Fi g. 1 angeschlossen
ist. Zur Temperaturkompensation der Vergleichsstelle des Thermoelementes ist ein
Widerstand 21 der Brücke ,als Kupferwiderstand ausgebildet. Der Abgriff eines einstellbaren
Brückenwiderstandes 24 dient zur Sollwerteinstellung.
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Mit dem Einsatz eines differenzierenden Zeitgliedes, das dem Schaltglied
eines Zweipunktreglers erfindungsgemäß vorgeschaltet wird, stellen sich folgende
Vorteile ein: Die Schwankungsbreite des Istwertes wird verringert, wenn sich .auf
Grund großer Totzeiten der Strecke ohne besondere Maßnahmen lange Schaltperioden
im eingeschwungenen Zustand ergeben würden. Die Abhängigkeit des mittleren Istwertes
von dem Tastverhältnis wird beseitigt. Es tritt für alle Arbeitspunkte keine Verfälschung
des mittleren Istwertes durch eine Rückführgröße auf, und es entfallen Maßnahmen
zur Kompensation der Rückführgröße. Während eine Rückführgröße aus der getasteten,
zwischen zwei konstanten Werten schwankenden Ausgangsgröße des Zweipunktreglers
gebildet wird, differenziert ein Zeitglied .am Eingang des Zweipunktreglers kontinuierlich
die jeweilige Regelgröße. Die Optimierung des Regelvorganges wird bei dem differenzierenden
Zeitglied .am Reglereingang durch Einstellen des Vorhaltgliedes auf die Totzeit
der Regelstrecke vorgenommen, während die Einstellung der bekannten Rückführungen
entsprechend der Hauptzeitkonstanten (Verzögerung) der Strecke erfolgen soll, um
unnötige Schaltspiele zu vermeiden. Die gegenüber der Hauptzeitkonstanten verhältnismäßig
kleine Totzeit bedingt nur kleine Speicherelemente (Kondensatoren und Widerstände)
in dem Zeitglied. Da der Einfluß von Störgrößen auf die Totzeit verhältnismäßig
gering ist, bleibt eine einmalig vorgenommene Optimierung weitgehend erhalten. Schließlich
werden durch das differenzierende Zeitglied am Reglereingang Überschwingungen beim
Anfahren und bei größeren Störungen unterdrückt. Überflüssige Schaltungen treten
bei Änderungen des Sollwertes und der Störgrößen nicht auf.