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PI-Regler mit unabhängig voneinander in parallelen Kanälen erzeugtem
P-Anteil und I-Anteil Bei der Regelung mancher technischer Prozesse soll die Stellgröße
nicht in beliebig kurzer Zeit verstellt werden, vielmehr darf eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit,
welche von den physikalischen Grenzwerten der Prozeßstrecke abhängt, nicht überschritten
werden. Es sei hier z. B. auf die Leistungsregelung bei Dampfturbinen hingewiesen.
Da sich bei Leistungsänderungen zwangläufig der Dampftemperaturverlauf und damit
die thermischen Beanspruchungen der Turbine ändern, sollen mit Rücksicht auf die
Lebensdauer der Turbine die Temperaturänderungen in bestimmten Grenzen gehalten
werden. Es ist hierzu eine Leistungsbegrenzungsanordnung bekannt, bei welchen für
die einzelnen Leistungsbereiche verschiedene mittlere, zulässige Laständerungsgeschwindigkeiten
durch ein Programmiergerät vorgegeben und mit dem mittleren Leistungsistwert verglichen
werden, wobei nach jeweiliger Überschreitung der zulässigen mittleren Änderungsgeschwindigkeit
der Leistung die Begrenzung wirksam wird. Diese Anordnung erfordert jedoch einen
ziemlich großen Aufwand, welcher hauptsächlich durch das Programmiergerät sowie
durch den Meßumformer zur Erfassung der Turbinenleistung bedingt ist.
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Es erscheint demgegenüber auch zweckmäßiger, das Auftreten des Überschreitens
der mittleren Laständerungsgeschwindigkeit der Turbine nicht erst abzuwarten, sondern
die von den Turbinenherstellern in Form des sogenannten »Scherendiagramms« angegebenen
Maximalbelastungsvorschriften von vornherein zu geeigneten, den Leistungsstellern
zugeordneten Sollwertbefehlen umzuformen, welche das obenerwähnte Überschreiten
zulässiger Leistungsgrenzen gar nicht erst aufkommen lassen.
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F i g. 1 zeigt ein Beispiel für ein derartiges Scherendiagramm, welches
die zulässige Laständerung einer Turbine als Funktion der Zeit darstellt. Die mit
1 bezeichnete Kurve stellt den Verlauf einer Lastvergrößerung dar, die durch eine
Aufsteuerung des Stellgliedes erfolgt, und die mit 2 bezeichnete Kurve den Verlauf
bei einer Absteuerung des Stellgliedes. Innerhalb der beiden Grenzkurven 1 und 2
kann die Abgabeleistung PL der Turbine beliebig schnell geändert werden, während
größere Lastsprünge zum Schutz der Turbine dann den Grenzkurven folgen müssen. Ähnliche
Verhältnisse liegen allgemein dort vor, wo beim Durchsatz von Energie bei stoßartiger
Beaufschlagung infolge von Trägheiten die Gefahr besteht, daß der Abfluß der Energiemenge
an einer Stelle des Energieleistungssystems vorübergehend langsamer erfolgt als
die Energiezufuhr. Bei derartigen Regelungen stellt sich also allgemein die Aufgabe,
plötzlich auftretende Sollwertbefehle, welche die zulässigen Grenzen übersteigen,
nicht den Verstelleinrichtungen direkt zuzuführen, sondern durch ein geeignet bemessenes
Zwischenglied umzuformen, etwa nach Art des in F i g. 1 dargestellten Diagramms.
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Man könnte nun zunächst daran denken, den Leistungssollwertstoß mittels
Zeitkonstantenglieder abzuschwächen. Damit der zeitliche Verlauf des umgeformten
Signals derart unabhängig wird von der Größe des eingangsseitig anliegenden Sollwertbefehls,
daß bei großen und kleinen Sollwertänderungen die Ausgangsgröße stets nach derselben
Grenzlinie ansteigt und abfällt, rnüßten sich die maßgeblichen Zeitkonstanten mit
wechselndem Eingangssignal entsprechend ändern, was schwer zu realisieren ist.
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Auch der bekannte PI-Regler, bei dem der P-Anteil und der 1-Anteil
unabhängig voneinander in parallelen Kanälen des Reglers erzeugt werden und danach
vor ihrer Addition über je einen Begrenzer geführt werden, kann die vorgenannte
Aufgabe nicht lösen. Einerseits ist der Anstieg der Regelausgangsspannung bei konstantem
Sollwertbefehl stets zeitlinear und daher von Hause aus nicht geeignet zur Nachbildung
der im Diagramm der F i g. 1 dargestellten gekrümmten Laständerungskennlinien, zum
zweiten ist der zeitliche Anstieg der Reglerausgangsspannung abhängig vom jeweiligen
Betrag der Sollwertänderung, so daß ein Verlauf nach vorgegebenen Grenzlinien in
der Regel nicht erreichbar ist.
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Die vorliegende Erfindung geht zwar auch von einem PI-Regler aus,
bei dem der P-Anteil und der 1-Anteil unabhängig voneinander in parallelen Kanälen
des Reglers erzeugt und von Begrenzungsgliedern beeinflußt werden. Sie ist jedoch
dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zur zeitabhängigen Signalumformung mit
einer von den physikalischen Grenzwerten
der Regelstrecke abhängigen
Änderungsgeschwindigkeit das Ausgangssignal des Reglers zur Bildung der Regelabweichung
auf den Reglereingang rückgeführt ist und daß die beiden Kanäle je aus einem Proportionalverstärker
und einem Integralverstärker mit vorgeschalteten Begrenzern bestehen, deren Eingänge
von der verstärkten Regelabweichung gespeist sind und deren Begrenzungsschwellen
von der Differenz einer konstanten Größe und der Ausgangsgröße des Integralverstärkers
steuerbar sind, wobei die Begrenzungsschwelle des dem Proportionalverstärker zugeordneten
Begrenzers stets größer ist als die des dem Integralverstärker zugeordneten Begrenzers.
Es wird daher der als PI-Regler ausgebildeten Signalumformungseinrichtung bis zur
praktisch vollständigen Annäherung des umgeformten Signals an das vorgegebene Sollwertsignal
vorgetäuscht, daß nicht das vorgegebene Signal eingangsseitig als Sollwert liegt,
sondern eine konstante Größe, so daß die zeitabhängige Annäherung an den jeweils
vorgesehenen Sollwert unabhängig von dessen Größe stets nach der gleichen Charakteristik
erfolgen kann.
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An Hand der im folgenden erläuterten Figuren soll das Wesen der Erfindung
näher beschrieben werden. In dem Blockschaltbild der F i g. 3 ist die prinzipielle
Anordnung nach der Erfindung dargestellt. An der Klemme 4 wird das Sollwertsignal
S angelegt, das entsprechend der Erfindung in ein an der Klemme 11
erscheinendes
Signal S' zeitabhängig umgeformt werden soll, welches dann als änderungsgeschwindigkeitsbegrenzter
Sollwert z. B. in einem Leistungsregelkreis bei Dampfturbinen Verwendung finden
kann. Es ist auch möglich, die zwischen den Klemmen 4 und 11 dargestellte Einrichtung
zwischen Regelverstärker und Stellglied des Leistungsregelkreises anzuordnen und
so dem Stellglied unmittelbar seine zulässigen Stellgrößenänderungen vorzuschreiben.
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Die Umformung erfolgt unter Verwendung eines elektrischen Regelkreises,
in dem das umgeformte Signal S' auf den Eingang des Regelkreises rückgeführt und
vom Signal S in dem Differenzbildner 3 subtrahiert wird. Die Abweichung d S zwischen
dem Signal S und dem Signal S' bewirkt wie bei jedem Regelkreis nun
so lange eine Änderung der Ausgangsgröße S', bis Übereinstimmung herrscht zwischen
dem Sollwert S und dem »Istwert<c S'.
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Die Regelabweichung d S beaufschlagt einen Proportionalverstärker
5 mit dem relativ hohen Verstärkungsgrad V, Das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers
5 wird über je ein Begrenzungsglied 6 bzw. 7 an die Eingänge eines Proportionalverstärkers
8 und eines Integrierverstärkers 9 geführt, deren Ausgänge Sp' und Si' in dem Summierpunkt
10 addiert und so das umgeformte Signal S' bilden. Das Ausgangssignal Si' des Integrierverstärkers
9 wird von einer konstanten Größe in einem weiteren Differenzbildner 12 subtrahiert.
Die davon herrührende Differenzspannung A,, bestimmt die Grenzen des Begrenzungsgliedes
6 und ist gleichzeitig über ein Potentiometer 13 an Masse gelegt. Am fest eingestellten
Abgriff' 14 des Potentiometers 13 wird eine Spannung entnommen, welche
in einem bestimmten Verhältnis n zu der Spannung Al steht und ihrerseits die Grenzen
des Begrenzungsgliedes 7 bestimmt.
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In den mit 6 und 7 bezeichneten Blocksymbolen ist jeweils der prinzipielle
Verlauf der Ausgangsgröße der Begrenzungsglieder in Abhängigkeit von der Eingangsgröße
und der einstellbaren Begrenzung gezeigt. Danach entspricht beim Begrenzungsglied
6 die Ausgangsgröße x der Eingangsgröße s so lange, bis erstere die durch die Spannung
A1 bestimmte Grenze erreicht. Das Entsprechende gilt für die Ausgangsgröße des Begrenzungsgliedes
7 und die entsprechende Begrenzungsspannung . Es hat sich als zweckmäßig erwiesen,
das Verhältnis
n der Grenzen beim Begrenzungsglied größer oder gleich Fünf zu wählen.
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Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung arbeitet nun folgendermaßen,
wobei in nachstehenden Ausführungen auch auf das Diagramm der F i g. 2 bezuggenommen
ist: Es sei davon ausgegangen, daß das Signal S' und das Signal S Null sind und
die Einrichtung vom Ruhezustand aus aufgesteuert werden soll. Bei einem sprungartig
auftretenden Signal S an der Klemme 4 entsteht ebenso plötzlich eine Regelabweichung
d S. Die große Verstärkung des Proportionalverstärkers 5 bewirkt, daß bei einer
nennenswerten Regelabweichung die Begrenzungseinrichtungen 6 und 7 übersteuert und
auf die Werte A,, bzw.
begrenzt sind, welche sich ihrerseits aus der Differenz der konstanten Größe K und
dem umgeformten Signal Si' ergeben. Die Umformung steht also zunächst unabhängig
von dem angelegten Signal S ausschließlich unter dem Einfluß der zuletzt genannten
Differenz. Es ergibt sich der etwa nach Art einer Exponentialfunktion dem Endwert
K zustrebende Anteil Si', der von dem Integrator 9 herrührt, dem sich ein stetig
kleiner werdender, vom Proportionalverstärker 6 stammender Anteil Sp' überlagert.
Wenn zur Zeit t,, die um den Faktor V1 verstärkte Regelabweichung d S"."
f kleiner ist als die durch Al festgelegte Grenze, bestimmt die Regelabweichung
d S den Proportionalanteil. Während also beim Proportionalverstärker 8 die
Regelabweichung d S bereits dessen Aussteuerung übernommen hat, steht der
Integrator 9, dessen vorgeschaltete Begrenzungseinrichtung 7 ja wesentlich engere
Grenzen aufweist, weiterhin unter dem Einfluß der Spannung K - Si', er läuft also
unverändert weiter hoch, bis schließlich die Regelabweichung d Sauf so klein
geworden ist, daß sie nun auch auf den Eingang des Integrators 9 durchzugreifen
vermag, worauf das Signal S' dann zum Zeitpunkt t2 auf den vorgegebenen Wert S einläuft.
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Im Diagramm nach der F i g. 2 sind im Interesse einer besseren Anschaulichkeit
die bisher beschriebenen Vorgänge etwa für einen Verstärkungsfaktor V1 = 7 und für
V2 = 1 dargestellt. Im allgemeinen wird jedoch V2 kleiner als Eins gewählt und V,
eine beträchtliche Verstärkung aufweisen, z. B. 50 oder mehr. Zweckmäßigerweise
wird der Verstärkungsgrad V1 des Proportionalverstärkers 5 möglichst groß gewählt,
so daß der vorgegebene Sollwert S zur Zeit t1 praktisch erreicht ist.
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Die geschilderten Vorgänge gelten sinngemäß für alle möglichen Sollwertstöße,
die zu beliebigen Zeiten auftreten können, also z. B. auch zwischen den Zeiten t,
und t2. Stets wird die umgeformte Größe bis kurz vor dem Erreichen des Eingangssignals
S bei Aufwärtssteuerung der Grenzkurve 1 und bei Abwärtssteuerung der Grenzkurve
2 folgen und dann in der in F i g. 3 dargestellten Weise auf den vorgegebenen Endwert
S bzw. Null einlaufen. Es ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung also z. B. prinzipiell
möglieh,
die durch das Scherendiagramm geforderte Laständerungsbegrenzung
zu realisieren. Durch Verändern der Parameter K, V1, V2, n und Ti
(Integrierzeit des Integrators 9) läßt sich das gewünschte Verhalten quantitativ
modifizieren.
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In F i g. 4 ist eine mehr ins einzelne gehende Verwirklichung des
Erfindungsgedankens dargestellt, wobei für Elemente, die mit denen in F i g. 2 einstimmen
bzw. diesen äquivalent sind, dieselben Bezugszeichen beibehalten wurden. Die Übereinstimmung
mit der Anordnung nach F i g. 2 ergibt sich sofort, wenn man berücksichtigt, daß
die Mischstellen 3, 10 und 12 in F i g. 2 mit entsprechend bezeichneten Summen-bzw.
Differenzverstärkern realisiert sind. Zusätzlich ist in F i g. 4 noch ein Entkopplungsverstärker
15 sowie ein Signalumkehrverstärker 16 eingeführt, welche beide den Verstärkungsfaktor
1 aufweisen. Die Begrenzungsglieder bestehen aus zwei in Serie mit je einer Vorspannung
antiparallel angeordneten Dioden. Sollte sich eine große Integrierzeit T1 als erforderlich
erweisen, so kann es zweckmäßig sein, den Integrierverstärker nicht als kapazitiv
rückgekoppelten elektronischen Verstärker auszuführen, sondern als motorisch angetriebenes
Potentiometer etwa in der aus F i g. 5 ersichtlichen Art. Das Ausgangssignal des
Begrenzungsgliedes wird dann - wie in F i g. 4 - an die Klemme 17 gelegt und bildet
die Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrommotors 19, der z. B. über ein
Zahnstangengetriebe mit geeignet gewählter Untersetzung einen Potentiometerabgriff
verstellt. Die an der Klemme 18 auftretende Spannung entspricht dann dem Zeitintegral
der an der Eingangsklemme 17 liegenden Spannung.
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Es ist noch nachzutragen, daß dafür gesorgt werden muß, daß die Regelabweichung
d S auch bei Vorgabe des maximalen Sollwertes Smax noch auf die Verstärker 8 und
9 durchzugreifen vermag. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Spannung A, nie
zu Null werden darf. Dies läßt sich, wie in F i g. 3 angedeutet, in der Weise bewirken,
daß K stets größer als S"z.ax gewählt wird, oder aber bei einer Anordnung entsprechend
der F i g. 4 dadurch, daß man im Differenzverstärker 12 die konstante Größe K und
das Signal Si' mit verschiedenen Faktoren verstärkt. Beispielsweise kann man die
Spannung K über einen doppelt so großen Eingangswiderstand wie das Signal Si' auf
den Eingang des Differenzierverstärkers 12 schalten. Dann ist bei Übereinstimmung
der beiden Eingangsgrößen des Verstärkers 12 immer noch ein Verstärkerausgangssignal
gewährleistet und damit eine von Null verschiedene Begrenzung.