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Unstetig arbeitender elektrischer Regler für Regelstrecken mit großen
Zeitkonstanten Die Erfindung betrifft einen unstetig arbeitenden elektrischen Regler
mit PI-Verhalten, und zwar im besonderen einen Regler dieser Art, bei welchem das
PI-Veffialten durch Verwendung einer nachgebenden Rückführung erzielt wird.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen Regler dieser Art
für Regelstrecken mit großen Zeitkonstanten, wie sie beispielsweise in Verbindung
mit Aufgaben der Verfahrensregelung oder Temperaturregelung auftreten, zu schaffen.
Die Erzielung ausreichend langer Zeitkonstanten stellt bei Verwendung elektrischer
Regler bekanntlich vor erhebliche Probleme, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen
Nullpunktstabilität. Dieses Problem ist besonders akut bei Reglern der genannten
Gattung, bei welchen das PI-Verhalten durch eine nachgebende Rückführung erzielt
wird. Um unter diesen Umständen ausreichende, der Regelstrecke angepaßte Zeitkonstanten
bei elektrischer Konstanz des Reglers zu erzielen, wurde bisher im allgemeinen eine
gleichstrommäßige Unterbrechung im Vorwärtszweig des Reglers für unerläßlich erachtet,
beispielsweise unter Verwendung von Vibratoren. Derartige mit Vibratoren arbeitende
Regler sind verhältnismäßig aufwendig und zudem besonders störanfällig. Durch die
Erfindung soll ein elektrischer Regler mit PI-Verhalten für Regelstrecken mit großen
Zeitkonstanten geschaffen werden, der ohne die Verwendung aufwendiger und störanfälliger
Vibratoren u. dgl. die Erzielung langer Zeitkonstanten bei guter Nullpunktstabilität
ermöglicht.
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Es ist in diesem Zusammenhang bereits bekannt, in Verbindung mit einem
Zweipunktregler eine thermische Rückführung zu verwenden, wodurch bei genügend träger
Regelstrecke der unstetige Regelvorgang zu einem stetig ähnlichen gemacht wird.
Es ist dabei auch bereits bekannt, durch geeignete Ausbildung des thermischen Rückführkreises
ein PI-Verhalten des Reglers zu erzielen. Bei der bekannten Ausführung ist der Rückführkreis
dabei als Zweikanal-Rückführung mit je zwei thermischen Verzögerungsgliedern
ausgebildet.
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Ein derart unter Verwendung einer thermischen Rückführung aufgebauter
Regler ist in mehrfacher Hinsicht unbefriedigend. Im Hinblick auf die der vorliegenden
Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung der Erzielung langer Zeitkonstanten
ist vor allem festzuhalten, daß sich mit derartigen thermischen Rückführungen bisher
Regler nur mit einer Zeitkonstante von höchstens bis zu 6 Minuten erzielen
ließen, während für viele Fälle der Verfahrens- und Temperaturregelung Zeitkonstanten
bis zu einer Größenordnung von 1 bis 2 Stunden erforderlich wären. Ein weiterer
Nachteil besteht in der Notwendigkeit, mehrere therinische Rückführglieder zu verwenden;
es bereitet Schwierigkeiten, sicherzustellen, daß alle einzelnen thermischen Rückführglieder
auf der gleichen Temperaturbasis arbeiten, jede Abweichung von dieser Bedingung
führt zu zusätzlichen erheblichen Fehlern. Die Verwendung von durch Widerstände
geheizten Thermoelementen als thermische Rückführglieder bei der bekannten Anordnung
besitzt zudem den Nachteil, daß die Kennlinien der verwendeten Heizwiderstände Effekte
zweiter Ordnung aufweisen, wodurch ebenfalls zusätzliche Fehler eingeführt werden.
Außerdem kann die Verwendung einer Zweikanal-Rückführung, wie sie bei der bekannten
Anordnung zur Erzielung des PI-Verhaltens mittels der thermischen Rückführung erforderlich
ist, unter bestimmten Bedingungen zur Instabilität des Regelkreises führen. Schließlich
wird ein derartiger Regler mit einem eine Vielzahl von thermischen Rückführgliedern
aufweisenden Rückführkreis aufwendig und kostspielig.
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Die Erfindung betrifft somit einen unstetig arbeitenden elektrischen
Regler für Reglerstrecken mit großen Zeitkonstanten, bei welchem durch eine nachgebende
Langzeitrückführung ein PI-Verhalten erzielt wird. Durch die Erfindung sollen die
geschilderten
Nachteile der mit einer thermischen Rückführung arbeitenden
bekannten Anordnung vermieden werden und ein PI-Regler geschaffen werden, der bei
einfachem Aufbau und bei Verwendung einer elektrischen Rückführung die Erzielung
von Zeitkonstanten bis zu einer Größenordnung von 1 bis 2 Stunden bei guter
elektrischer Konstanz gestattet.
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Zu diesem Zweck ist gemäß der ETfindung die Verwendung einer bei PI-Reglern
an sich bekannten RC-Rückführung vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Stellgröße
ein Rückführsignal erzeugt, das zusammen mit dem vorverstärkten Fehlersignal
dem hochohinigen Eingang eines Gleichstromverstärkers zugeführt wird.
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Nachgebende RC-Rückführung sind bei stetigen PI-Reglem an sich bekannt.
Eine bekannte Vorrichtung dieser Art betrifft speziell eine Flugregelanlage, insbesondere
zur Anwendung in Verbindung mit einem Selbststeuergerät; hierbei handelt es sich
wie. gesagt, nicht um einen unstetig arbeitenden Regler wie bei der vorliegenden
Erfindung, sondern um einen stetigen Regler; entsprechend dem Anwendungsgebiet der
bekannten Anordnung besitzt diese lediglich Zeitkonstanten von einigen Sekunden,
d. h. also in einer ganz anderen Größenordnung als bei der vorliegenden Erfindung,
welcher gerade die Erzielung möglichst langer Zeitkonstanten als Aufgabe zugrunde
liegt; des weiteren wirkt bei der bekannten Ausführung die Rückführung auf den Eingang
eines Vorverstärkers zurück. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip, bei einem
unstetig arbeitenden PI-Regler durch Verwendung einer nachgebenden RC-Rückführung,
welche zusammen mit dem vorverstärkten Fehlersignal auf den hochohmigen Eingang
eines Gleichstromverstärkers arbeitet, lange Zeitkonstanten in der Größenordnung
bis zu Stunden bei guter elektrischer Konstanz des Reglers zu erzielen, ist bei
der bekannten Ausführung nicht verwirklicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dei Erfindung ist vorgesehen,
daß die Rückführung mit einer Spannung beaufschlagt wird, deren Wert von der Stellung
des vom Reglerausga-ng über ein Relais gesteuerten Stellmotors abhängt; zweckmäßig
dient dabei als Rückführspannungsquelle ein aus einer isolierten Spannungsquelle
gespeistes Potentiometer, dessen Abgriff vom Stellmotor gesteuert wird.
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Die Erfindung ist mit Vorteil insbesondere auch bei einem Zweipunkt-Regler
mit Impulsbreitenmodulation anwendbar; gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß die in an sich bekannter Weise durch eine
RC-KurzzeitrückfÜhrung - erzeugte Impulsbreitenmodulation durch die RC-LangzeitrückfÜhrung
im Sinne eines I-Verhaltens beeinflußt wird; die Beaufschlagung der RC-Langzeitrückführung
mit einer konstanten Spannung erfolgt dabei zweckmäßig zugleich mit der Betätigung
eines als Stellglied dienenden Relais; der Widerstand der RC-Langzeitrückführung
kann durch den Kondensator der Kurzzeitrückführung überbrückt sein.
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Die Art der Meßwertumformung und der Bildung des Regelabweichsignals
sowie die Vorverstärkung können in beliebiger, an sich bekannter Weise erfolgen;
so kann beispielsweise als Vorverstärker ein Wechselstroniverstärker Anwendung finden,
der in Abhängigkeit von dem von der Meß- und Vergleichsvorrichtung gelieferten Regelabweichsignal
gesteuert wird; der Wechselstromverstärker kann einen Phasendiskriminator aufweisen.
Des weiteren kann in an sich bekannter Weise im Hauptkreis oder im Rückführkreis
der Regeleinrichtung ein D-Glied vorgesehen sein, um dem Regler zusätzlich ein D-Verhalten
zu verleihen.
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,Schließlich sei noch auf -.eine vorteilhafte Eigenscha.ft der gemäß
der Erfindung ausgebildeten Regler hingewiesen; diese besteht darin, daß der Kondensator
der RC.7Langzeitrückführung im wesentlichen nur in einer vorbestimmten Richtung
aufgeladen wird, derart, daß im Falle eines vorübergehenden Netzspannungsausfalls
und einer damit verbundenen Kondensatorentladung der Stellmotor beim Wiedereifisetzen
der Netzspannung - in eine vorgegebene Stellung gebracht wird; durch diese
asymmetrische Anordnung wird erreicht, daß die Regeleinrichtung bzw. der Stellmotor
nach einem deratigen vorübergehenden Netzspannungsausfall unabhängig davon, in welchem
Zustand sich der Stellmotor bei Ausfall der Netzspannung befand, stets in einer
bestimmtenvorgegebenen Richtung anspricht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen; in
diesen zeigt Fig. 1 ein Schaltschema eines PI-Regleis gemäß einer Ausführungsfonn
der Erfindung mit einer einen Phasendiskriminator aufweisenden Wechselstromvorverstärkerstufe,
F i g. 2 ein Schaltschema eines Reglers gemäß einer abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung mit einer als Magnetverstärker ausgebildeten Vorverstärkerstufe, F
i g. 3 das Schaltschema, eines Reglers gemäß einer weiteren . Ausführungsform
unter - Einschluß einer Begrenzungseinrichtung, F i g. 4 ein Teilschaltbild
eines als Zweipunkt-Regler mit Impulsbreitenmodulation ausgebildeten Reglers gemäß
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den einzelnen Figuren sind entsprechende Teile jeweils mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Ferner sind die Schaltbilder in den einzelnen Figuren in
Abschnitte A, B, C und D eingeteilt, wobei diese Abschnitte
jeweils folgende Teile der Gesamtanordnung umfassen: Abschnitt A umfaßt den
Meßwertwandler und die Schaltung zur Bildung des die Abweichung der Regelgröße von
dem Sollwert wiedergebenden Fehler- bzw. Regblabweichungssignals; in den dargestellten
Ausführungsbeispielen enthält dieser Abschnitt als wesentlichen Teil jeweils eine
Brückenschaltung.
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Abschnitt B umfaßt die der Vorverstärkung dienenden Teile, gegebenenfalls
mit Phasend-iskriminator.
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Abschnitt C umfaßt jeweils die Endstufe des. Regelverstärkers
einschließlich der 'Steuerung des Stellmotors und der Rückführung zur Erzielung
des 1-Verhaltens.
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Abschnitt D (nur in F i g. 3) umfaßt eine spezielle
Begrenzungseinrichtung.
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In F i g. 4 ist nur der Abschnitt C des Gesamtschaltbildes
wiedergegeben.
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Im folgenden wird die Schaltung nach F i g. 1 be#-schrieben:
Abschnitt A. Ein als Widerstandsthermometer zur Temperaturmessung dienender
Widerstand 1 ist mit den Widerständen 2, 3, 4 und 5 in einer
als Meßwertwandler
und Vergleichsvorrichtung dienender Brückenschaltung
geschaltet; der veränderliche Widerstand 5 dient zur Sollwerteinstellung.
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Die Brückenschaltung wird aus einer Wicklung 6
des Transformators
7 mit Wechselstrom gespeist. Die dieRegelabweichung darstellendeAusgangsspannung
der Brücke wird über einen Kondensator 8
dem Gitter der einen Hälfte einer
Doppeltriode 9
zugeführt.
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Abschnitt B. Der Anodenstromkreis der Röhre 9
wird aus der Wicklung
10 des Transformators 7 über einen Gleichrichter 11 mit Kondensator
12 gespeist. Die Anodenspannung wird der zweiten Anode der Röhre 9 über einen
Widerstand 13, der ersten Anode über Widerstände 14 und 15 und den
Entkoppelungskondensator 16 zugeführt. An dem Kathodenwiderstand
17, der durch einen parallelgeschalteten Elektrolyt-Kondensator
18 überbrückt ist, wird eine Gittervorspannung erzeugt. Das dem Gitter der
ersten Hälfte der Röhre 9 zugeführte, der Regelabweichung entsprechende Wechselstromsignal
wird verstärkt und dem Gitter der zweiten Röhrenhälfte über einen Kondensator
19 und ein Potentiometer 20 zugeführt, das zur Einstellung der Verstärkung
bzw. zur Einstellung des Proportionalbereiches des Reglers dient. Von der zweiten
Hälfte der Röhre 9 wird die (Wechselstrom-) Ausgangsgröße über einen Kondensator
21 und einen Widerstand 22 den beiden Gittern einer Doppeltriode 23 zugeleitet.
Diese Röhre dient als Phasendiskriminator; zu diesem Zweck werden ihre beiden Anodenkreise
mit um 180' gegeneinander phasenverschobenem Wechselstrom von Wicklungen
24 und 25 des Transformators 7 gespeist. Diese Wicklungen 24 und
25 sind über Widerstände 26, 27
und 28 sowie ein Potentiometer
29 mit den beiden Kathoden der Röhre 23 verbunden. Das Potentiometer
29 ist dabei derart abzugleichen, daß kein Anodenstrom fließt und daher auch
keine Spannung an den Enden der Widerstände 26 und 27 auftritt, wenn
den Gittern dieser Röhre kein Wechselstromsignal zugeführt wird, da in diesem Fall
die Spannungen an den Widerständen 26 und 27 gleich und entgegengesetzt
gerichtet sind. Mittels Kondensatoren 30 und 31 wird die Spannung
geglättet. Die Phase der dem Gitter der Röhre 23 zugeführten Spannung hängt
davon ab, ob der als Meßwertwandler dienende Widerstand 1 größer oder kleiner
ist als die Summe der Widerstände 4 und 5. Durch entsprechende Verbindung
der Wicklung 6 mit der Brücke kann erreicht werden, daß die an den Widerständen
26 und 27 erzeugte Spannung so gepolt ist, daß das obere Ende der
Widerstände 26 und 27 positiv ist, wenn die geregelte Temperatur zu
hoch ist. Entsprechend ist dann das obere Ende der Widerstände 26 und
27
negativ, wenn der Istwert der geregelten Temperatur unter dem Sollwert
liegt. Der Meßwert an den Widerständen 26 und 27 ist daher proportional
der Abweichung der Regelgröße (Temperatur) vom Sollwert, und die Verstärkung hängt
von der Einstellung des Potentiometers 20 ab. Liegt keine Regelabweichung vor, so
ist die Summe der Spannungen an den Widerständen 26 und 27 gleich
Null.
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Abschnitt C. Das am Ausgang des Abschnitts B auftretende, der
Regelabweichung proportionaleSignal wird dem Abschnitt C zugeführt. Dieser
weist unter anderem ein polarisiertes Relais 33-35 zur Steuerung eines Stellmotors
38 über einen Schalter 32, 36, 37
auf. Die beiden Relaiswicklungen
34 und 35 werden im Ruhezustand von einem Nennstrom von 5 mA durchflossen;
solange diese Erregerströme in den Wicklungen 34 und 35 gleich groß sind,
bleibt der Kontaktarm 32 in der Mittelstellung. Steigt der Strom in der Spule
34 an, so wird der Mittelkontakt 32 mit Kontakt 36 schließen, bei
einem Absinken wird der Mittelkontakt 32 den Kontakt 37 schließen.
Diese beiden Kontakte 36 und 37 schließen jeweils eine von zwei Statorwicklungen
eines Spaltphasen-Induktionsmotors 38 an die Wicklung 58 des Transformators
7 an, derart, daß der Motor 38 entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
angetrieben wird. Der Motor 38 ist über ein Untersetzungsgetriebe
39 mit dem (nicht dargestellten) Regelorgan verbunden.
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Der Motor treibt nicht nur das Regelorgan an, sondern auch den Arm
eines Potentiometers 40, das zur Beaufschlagung der Rückführung gemäß der Erfindung
dient.
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Zur Gleichstromspeisung der Endstufe 44 des Reglers, welcher die erlindungsgemäße
Rückführung aufweist, ist eine von einer Wicklung 42 des Transformators
7 gespeiste Gleichrichtbrücke 41 mit Glättungskondensator 43 vorgesehen.
Die von der Gleichrichtschaltung 41, 43 erzeugte Gleichspannung speist die Anode
der Pentodenröhre 44 über die eine Wicklung 34 des polarisierten Relais
33. Außerdem speist der Gleichrichter 41, 43 über einen Widerstand 45 den
Spannungskonstanthalter 46, dessen konstante Spannung an dem Schirmgitter der Pentodenröhre
44 liegt. Der Konstanthalter 46 gibt außerdem einen praktisch konstanten Strom an
die andere Wicklung 35 des polarisierten Relais 33 ab; dieser im wesentlichen
konstante Strom durchfließt außerdem den Widerstand 47, das Rückführpotentiometer
40, einen Widerstand 48 und Widerstände 49 und 50, welch letztere eine Gittervorspannung
erzeugen. Das Schirmgitter der Pentodenröhre 44 wird, wie erwähnt, mit einer konstant
gehaltenen Spannung gespeist, so daß plötzliche Änderungen der Netzspannung keine
vorübergehenden Abweichungen des Anodenstromes in der Wicklung 34 des. pol
arisierten Relais 33 verursachen.
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Wenn keine Regelabweichung vorliegt, d. h. wenn zwischen den
Enden der Widerstände 26 und 27 die Potentialdifferenz Null beträgt,
so ist der Strom durch die Pentodenröhre 44 immer konstant, z. B. 5 mA, und
hält dadurch das Relais 33 in seiner Nullstellung, so daß der Stellmotor
38 in Ruhe bleibt. Der Widerstand 49 ist einstellbar, und das polarisierte
Relais 33 kann so auf Nullstellung abgeglichen werden.
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Beim Auftreten einer Regelabweichung wird an den Widerständen
26 und 27 eine Spannung erzeugt, deren Betrag außer von der Regelabweichung
von dem an dem Potentiometer 20 einstellbaren Verstärkungsfaktor abhängt. Diese
Spannung wird in dem Widerstandsnetzwerk 53 bis 56 aufgeteilt und
mit einer Rückführspannung kombiniert, welche an dem vom Stellmotor 38 verstellbaren
Abgriff des Potentiometers 40 abgegriffen und über das das 1-Verhalten des Reglers
erzeugende nachgebende Rückführglied aus Kondensator 52 und Widerstand
56 gemeinsam mit dem Proportionalanteil dem Steuergitter der Endröhre 44
zugeführt wird. Die Widerstände 54 und 55
des Kombinationsnetzwerks sind gleich
groß, und die Widerstände 53 und 56 sind gemeinsam so verstellbar,
daß immer derselbe Anteil in beiden Widerständen
stromdurchflossen
ist; hierdurch wird er, reicht, daß jeweils 5tets die Hälfte, der Proportionalanteilspannung
an den Widerständen 53 und 54 abfällt und die Gitterspannung der Pentodenröhre
44 beeinflußt.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des PI-Reglers beschrieben. Das
Steuergitter der Endröhre 44 wird zuzüglich zu der bei 49, 50 erzeugten konstanten
Gittervorspannung mit der in dem Netzwerk 52 bis 56 aus P-Anteil und
I-Anteil kombinierten Regelspannung beaufschlagt. Hierdurch wird der Strom durch
die Wicklung 34 des Relais 33 verändert und ein Kontaktschluß zwischen
32 und 36 bzw. 37 ver, ursacht. Dadurch wird der Motor in Bewegung
gesetzt und der Abgriff des Potentiometers 40 so verstellt, daß die Spannung dieses
Potentiometers die Spannung der Widerstände 53 und 54 auszugleichen sucht.
Sobald sich der Potentiometer-Abgriff bewegt, verändert er jedoch das Spannungsgleichgewicht
des Kondensators 52 und der Spannung an dem Widerstand 48 und dem Potentionieter
40 und vergrößert dadurch die Spannung, welche entsprechend dem Wert des Proportionalanteils
an den Widerständen 26 und 27 auftritt, der Abgriff wird sich weiterbewegen,
bis die Spannung am Widerstand 48 und dem aktiven Teil des Potentiometers 40 der
Spannung am Kondensator 52 und der Summe der Spannungen an den Widerständen
55 und 56 das Gleichgewicht hält. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht
ist, ist der zusätzliche Spannungsabfall am Potentiometer 40 genau gleich der Spannungsänderung
an den Widerständen 26 und 27, und auch die Summe der Spannungen an
den Widerständen 55 und 56 ist diesem Wert gleich.
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Durch den Strom, der durch die Widerstände 53,
54,
55 und 56 fließt, wird sich die Ladung des Kondensators
52 allmählich verändern. Das Spannungsgleichgewicht am Gitter der Röhre 44
wird gestört, das Relais 33 betätigt, der Motor 38 beginnt zu laufen
und verstellt das Potentiometer 40, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. Dies
ist ein langsamer Prozeß und eine Folge der Änderung der Ladung des Kondensators
52, der auf diese Weise in die Regelung einen Integralanteil einführt, dessen
Größe durch eine gemeinsame Änderung der Wider4 stände 53 und 56 verstellt
werden kann. Gleichzeitig wird bei einer Betätigung des Motors 38 das (nicht
dargestelltem Stellglied verstellt, wodurch z. B. die Wärmezufuhr zu dem Gebäude
oder dem geheizten Raum so gesteuert wird, daß die Temperatur als Regelgröße auf
den Sollwert zurückgeführt und so die Brücke (Abschnitt A) durch Änderung
des Widerstandswertes des Widerstandsthermometers 1
wieder in den abgeglichenen
Zustand- gelangt, in dem kein Regelabweichungssignal an ihrem Ausgang auftritt.
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F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reglers
gemäß der Erfindung; diese Ausführungsform stimmt in ihrem grundsätzlichen Aufbau
weitgehend mit dem Regler gemäß F i g. 1 überein; die Ab-
weichungen
bestehen im wesentlichen darin, daß in Abschnitt B des Reglers zur Vorverstärkung
ein Magnetverstärker statt einer Röhrenstufe vorgesehen ist und daß des weiteren
im Vorwärtszweig des Reglers ein Differenzierglied vorgesehen ist, wodurch der Regler
ein PID-Verhalten erhält.
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Im Hinblick auf die, Verwendung eines Magnet, verstärkers zur Vorverstärkung
desRegelabweichungssignals ist es erwünscht, das Regelabweichungssignal als Gleichstromsignal
zu erhalten. Zu diesem Zweck wird die als Meßwertwandler und Vergleichsvorrichtung
dienende Widerstandsbrücke mit Gleichstrom betrieben. Diese, Gleichstromspeisung
erfolgt . aus einer Wicklung 101 des Transformators 102 über eine
Gleichrichtbrücke 103 mit Glättungskondensator 104 und einen Stellwiderstand
124.
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Die Brücke zur Bildung des Regelabweichungssignals weist zwei Zweige
mit Festwiderständen 105
bzw. 106 auf; der dritte Brückenzweig wird
von einem als Meßwertwandler wirkenden WiderstandsthermQme , ter 1L07 gebildet,
der vierte Brückonzweig duxcJi einen als Sollwertgeber dienenden einstellbaren Widerstand
108,
Zur Vorve.rst4rkung des als Gleichstromsignal am Brückenausgang gewonnenen
Regelabweichungssignals dient, wie bereits erwähnt, ein Magnetverstärker mit Eis.enkernen
109 und 110. Diese tragen Eingangswicklungen 111 bzw. 112,
die aus einer Wicktung 113 des Transformators 102 mit Wechselstrom gespeist
werden. F-in Widerstand 114 dient zur Strombegrenzung bei Sättigung der Keine, Des
weiteren weisen die beiden Keine je eine Steuerwicklung 115 bzw-
116 auf, welche den Primärwicklungen 111 bzw. 112 entgegengeschaltet
sind. Die beiden Steuerwicklungen gind über eine Drossel 117
mit dem Ausgang
der Widerstandsbrücke 105 bis 108
verbunden und werden mit dem Regelabweichungssignal
beaufschla,-t- Des weiteren sind die Magnetverstärkerkerne 109 bzw.
110 mit je einer Ausgangswicklung 118 bzw, 119 versehen,
die in gleicher Art wie die Steuerwicklungen 115 und 116 gepolt sind.
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Solange keine. Regelabweichung vorliegt und die Steuerwicklungen
115 bzw, 116 somit strowlos sind, bleiben auch die Ausgangswicklungen
118 bzw. 119
stromlos, da sie so abgeglichen sind, daß die Wirkungen,
der ErregerwiOdungen 111 bzw, 112 sich gerade aufheben. Der Magnetverstärker ist
ferner so ausgelegt, daß die Erregerwicklungen die Eisenkerne über einen Großteil
jeder Wechselstromperiode sättigen. Fließt in den Steuerwicklungen 115 und
116
ein Strom, so wird der eine Teil des Magnetverstärkers innerhalb des Periodeazyklus
etwas früher als der andere Verstärkerteil gesättigt sein, Dies verursacht einen
asymmetrischen, Fluß, in den Kernen und kommt als zweite Harmonische in den Ausgangswicklungen
118 und 119 zum Ausdruck, Die, beiden Ausgangswicklungen
118 bzw. 119 sind über zwei antiparallelgeschaltete Gleichrichter
122, 123 mit einem Widerstand 120 verbunden ' welcher durch
einen parallelgeschalteten Kondensator 121 überbrückt ist. An dem Widerstand 120
tritt eine der Regelabweichung proportionale verstärkte Spannung auL Infolge der
nichtlinearen Charakteristik der Gleichrichter 122, 123 bewirken die Spannungsimpulse,
der Ausgangswicklungen 118, 119 des Magnetverstärkers eine Aufladung des
X-ondensators 121 über den Gleichrichter 123, wobei sich der Kondensator
über den Gleichrichter 122 nicht völlig entladen kann, da die Kondensatorspannung
klemi gegenüber der Spannung an den Wicklungen ist. Der Widerstand des Gleichrichters
122 während des Eutladeintervalls wird daher größer sein als der Widerstand des
Gleichrichters 123 während des Aufladeintervalls. Bei umgekehrter Richtung
des Stromflusses in den Steuerwickhingen 115 und 116 (d. h. bei entgegengesetzter
Regelabweichung)
wird sich die Wirkungsweise der Gleichrichter 122, 123 ebenfalls umkehren
und der Kondensator 121 somit mit umgekehrter Polarität aufgeladen werden. Diese
spezIelle Schaltung des Magnetverstärkers und seines Ausgangskreises wurde wegen
der besonders hohen Nullpunktstabilität gewählt ; selbstverständlich kann
jedoch jeder beliebige Magnetverstärker Anwendung finden.
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Die Spannung an dem Widerstand 120 ist, wie bereits erwähnt, der Regelabweichung
proportional, wobei der Verstärkungsgrad von der Einstellung des Widerstandes 124
im Speisekreis der Widerstandsbrücke abhängt. Liegt keine Regelabweichung vor, so
tritt an dem Widerstand 120 keine Spannung auf.
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Der übrige Teil der Schaltung des Reglers nach Fig. 2 entspricht weitgehend
der Schaltung gemäß F i g. 1, mit dem Unterschied, daß im Gitterkreis der
Endstufenröhre 44 - zusätzlich ein Differenzierglied vorgesehen ist, das
aus einem Kondensator.125 und dem aktiven Teil eines Potentiometers 126 besteht
und einen der Ableitung der Regelabweichung entsprechenden D-Anteil in die übergangsfunktion
des Reglers einführt, so daß dieser ein PID-Verhalten erhält. Des weiteren ist in
Abänderung gegenüber Fig. 1 das den Stellmotor 38 steuernde Relais
mit einer mechanischen Federvorspannung 127 ausgebildet, so daß nur eine
Relaiswicklung 34 benötigt wird, welche im Anodenstromkreis der Röhre 44 liegt.
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F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Reglers gemäß
der Eifindung. Der hauptsächliche Unterschied gegenüber der Ausführungsform nach
F i g. 1 besteht in der Einfügung einer Begrenzungseinrichtung (Abschnitt
D); diese Einrichtung dient für den Fall, daß eine Temperatur, die von der
zu regelnden Temperatur zwar verschieden ist, aber zu ihr in Beziehung steht, oberhalb
oder unterhalb einen bestimmten Wert gehalten werden soll. Gegenüber Fig.
1 sind gewisse Änderungen getroffen.
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Die Meßbrücke (Abschnitt A) ist mit einem Spezialpotentiometer
161 sowie mit einem weiteren Potentiometer 160 versehen. Zur Begrenzung
des Kurzschlußstroms der Meßbrücke ist ein Widerstand 162 und zur Unterbrechung
der Brücke während des Nullabgleichs des Reglers (am Potentiometer 167
oder
174) ein Glied 164 vorgesehen.
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Der Vorverstärker (Abschnitt B) wurde vereinfacht, indem an Stelle
der Doppelröhre 9 ein Spannungs-Transformator 163 vorgesehen ist.
Dies hat zwei Vorteile. Erstens ist es dadurch möglich, eine Seite der Meßbrücke
wegen der Isolation des Transformators an Masse zu legen, und zweitens wird hierdurch
gegenüber Fig. 1 eine Sekundärwicklun (nämlich die Wicklung 10 in
F i 1-. 1) am Netztransformator 7 eingespart. Der Phasendiskriminator
23
ist wie in Fig. 1 ausgebildet und arbeitet wie dort ZD beschrieben.
Ein in der Kathodenleitung der Röhre 23 vorgesehener Widerstand
166 dient zum Abgleich der Verstärkung bzw. zur Einstellung des Proportionalbereiches.
Der Verstärkungsfaktor kann auf verschiedene an sich bekannte Weise verändert werden,
die hier jedoch nicht weiter dargestellt ist. Die Ausgangsgröße der phasenempfindlichen
Röhre 23 wird wie in Fig. 1 den Widerständen 26 und
27 zugeführt. Zusätzlich ist ein Einstellpotentiometer 167 vorgesehen.
An Stelle dieses Einstellpotentiometers ist es jedoch auch möglich, die Widerstände
26 und 27
C
gleich groß zu wählen und eine etwa notwendige Abgleichung
an dem schon erwähnten Potentiometer 174 (in der Endverstärkerstufe 44,
171; Abschnitt D
in F i g. 3) vorzunehmen. Der Proportionalanteil
des Reglers kann an einem den Widerständen 26 und 27
parallelgeschalteten
Abgriffpotentiometer erhalten werden.
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Die Reglerschaltung gemäß F i g. 3 weist zusätzlich den Abschnitt
D auf, der die erwähnte Begrenzungsregelung umfaßt. Diese wird weiter unten
eingehend erläutert; zunächst sei angenommen, daß Klemme 1.68 direkt mit
Klemme 169 verbunden ist. Der Spannungsabfall an den Widerständen
26 und 27
und 167 liegt dann direkt im Gitterkreis der Pentodenröhre
44; die Widerstände 53, 54 haben eine ähnliche Funktion wie
in F i g. 1; in Serie mit der Kathode ist ein Rückführwiderstand
51 angeschlossen.
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Das PI-Verhalten des Reglers wird gemäß der Erfindung wiederum durch
eine nachgiebige Rückführung erzielt, welche den Kondensator 52 und den aktiven
Teil des Widerstands 53 umfaßt. Die Rückführung wird mit einer am Potentiometer
je nach der Stellung des vom Stellmotor 38 betätigten Schleifarms
abgegriffenen Gleichspannung beaufschlagt. Die Gleichspannung am Potentiometer 40
wird von einer Gleichrichterbrücke 59 mit Glättkondensator geliefert, die
ihrerseits von einer Wicklung 57 des Netztransfolmators 7 gespeist
wird.
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Die Anodenspannung der Pentodenröhre 44 wird aus der Wicklung
1.70 des Transformators 7 durch die als Gleichrichter beschriebene
linke Hälfte der Doppeltriode 171 erzeugt; zur Glättung ist ein Kondensator
172 vorgesehen. Die negative Seite dieses Kondensators 172 ist über
den Kathodenwiderstand 51 mit der, Kathode der Röhre 44 verbunden, die positive
Seite liegt über den Lastwiderstand 1173 an der Anode der Röhre 44. Des weiteren
liegt über dem Kondensator 172 ein Spannungsteiler, bestehend aus dem schon
vorhererwähnten Potentiometer 174 und Widerständen 1,75, 176 und
51. Der durch diesen Spannungsteiler zusätzlich durch den Kathodenwiderstand
51 fließende Strom erzeugt eine Gittervorspannung der Röhre 44. Eine entsprechende
Schirmgittervorspannung wird an der Verbindung der Widerstände 174 und
175 abgenommen; schließlich wird zwischen den Widerständen 175 und
176
eine weitere Spannung über einen sehr großen Widerstand 177 für
die erwähnte Grenzwertregelung abgenommen.
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Die rechte Seite der Doppelröhre 171 wird von der Wicklung
178 mit Wechselstrom gespeist und betätigt zwei Relais 179 und 180,- der
Stromkreis dieser Röhre wird durch einen Kathodenwiderstand 181 geschlossen,
der eine Gegenkopplung erzeugt. Die am Gitter dieser Triodenröhre liegende Spannung
entspricht der Differenz der Spannung am oberen Teil des PotentioinelLers 117,1
und dem Spannungsabfall des Anodenwiderstandes 173 der Pentodenröhre
44. Diese Spannungen sind so gewählt, daß be; einer Zunahme des Stroms in der Röhre
44 der Glechstrorn in der rechten Triode der Röhre 171 ansteigt. Ein gewisser
Ausgleich von Netzspannungsschwankungen wird dadurch erreicht, daß dies praktisch
ein Brückenk-#eis ist. De.- Strom durch die Relaiswicklungen 179 und
180 ist so ab-eg ichen, daß im Ruhezustand bei Feh-C #ni len einer Regelibweichung
das Relais 179 gescblos-C C sen und das Relais 1.80 offen ist. Bei
einem Ansteigen des Stromes in der Röhre 171 wird das Relais
180
geschlossen und der Motor 38 das Rückführpotentiometer (sowie das nicht dargestellte
Stellglied) in der einen Richtung antreiben; entsprechend wird bei einem Rückgang
des Stromes das Relais 179 öffnen und der Motor in der entgegengesetzten
Drehrichtung arbeiten. Die beiden Relais sind verriegelt, um eine gleichzeitige
Erregung beider Motorwicklungen unmöglich zu machen. Man erkennt, daß hinsichtlich
der Stellmotorsteuerung der Hauptunterschied gegenüber F i g. 1 in der Verwendung
einer Röhre mit zwei gewöhnlichen Relais an Stelle eines empfindlichen polarisierten
Relais in Fig. 1 besteht.
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Im folgenden wird der Zweck der in F i g. 3 zusätzlich vorgesehenen
Begrenzungsregelung D an einem Beispiel beschrieben, der die.Regelung einer
Heißluftheizung für einen Raum betrifft. Bei einier solchen Anlage ist es erwünscht,
die Temperatur der in den Raum hineingepumpten Luft nicht unter einen gewissen Wert
absinken zu lassen. In F i g. 3 stellt die Vorrichtung 165 einen Thermostaten
in der Luftleitung dar. Solange die Temperatur in der Zuluftleitung über dem eingestellten
Grenzwert liegt, sind die Kontakte 182 geschlossen und schließen die Klemmen
168 und 169 über den verhältnismäßig kleinen Widerstand
183 kurz und bewirken eine Entladung des Kondensators 184. Der Regler arbeitet
wie bereits beschrieben. Wenn die untere Temperaturgrenze erreicht wird, öffnen
die Kontakte 182, und die Kontakte 185 schließen. Der Kondensator 184 wird
dann über die Widerstände 177 und 186 lancysam geladen, und die Klemme
168 wird positiv. Ein Widerstand 187, der dem Kondensator 184 parallel
geschaltet ist, begrenzt die Maximalspannung und beginnt den Kondensator zu entladen,
wenn der Thermostat in einer solchen Lage ist, daß weder die Kontakte 182 noch
185 geschlossen sind. Die langsam ansteigende Spannung an diesem Kondensator
wirkt wie eine zusätzliche Fehlerspannung, was zur Folge hat, daß die Temperatur
in der Zuluftleitung erhöht wird. Genügt dieser Effekt nicht und fällt die Zulufttemperatur
weiter ab, so schließen die Kontakte 188 den Widerstand 186 kurz und
vergrößern auf diese Weise den Ladestrom. Wenn die Zulufttemperatur genügend ansteigt,
wird dieser Vorgang umgekehrt, der Kondensator 184 entlädt sich erst über den Widerstand
187 und schließlich über den Widerstand 183. Wenn der Allgemeinzustand
der Anlage sich nicht ändert, wird die Temperatur langsam hinauf- und heruntergehen
in dem Maße, wie sich der Kondensator 184 auflädt oder entlädt.
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Durch Umkehrung der Richtung des Fehlerwertes an den Widerständen
26, 27 und 167 und durch einen entsprechenden Anschluß der Relais
179 und 180
kann die vorstehend beschriebene Begrenzungsregelung zur
Einhaltung einer oberen Grenze, d. 1.i. einer Maximaltemperatur in der Zuluftleitung,
dienen.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele betrafen Regler, die
nach dem Prinzip der Stellungsmodulation arbeiten, bei welcher also das Stellglied
nach Maßgabe der jeweiligen Regelabweichung und der übertragungsfunktion des Reglers
jeweils innerhalb eines kontinuierlichen Stellbereichs verstellt wird. Die Erfindung
ist jedoch ebensogut auch bei Reglern anwendbar, bei welchen das Stellglied im wesentlichen
nur eine von zwei diskreten Stellungen einnehmen kann (»Auf-Zu-Regelung«), wobei
der Regler nach Maßgabe der jeweiligen Regelabweichung und seiner übertragungsfunktion
die zeitliche Umschaltung zwischen den diskreten Stellungen des Regelorgans (SteRglieds)
beeinflußt, Bei diesem Reg-t>
lerprinzip mit Impulsbreitenmodulation oszilliert
der Regler mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen der voll geöffneten und der
voll geschlossenen Stellung, wobei der relative Anteil von öffnungsperiode und Schließperiode
durch den Regelvorgang verändert wird, während die Frequenz des aus Öffnungs-und
Schließperiode zusammen gebildeten Arbeitszyklus unverändert bleibt.
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F i g. 4 zeigt eine derartige Ausführungsform, bei welcher
die Erfindung auf einen als Zweipunktregler mit Irapulsbreitenmodulation ausgebildeten
Regler an-ewandt ist. In F i g. 4 ist dabei mir der dem Abschnitt
C entsprechende Teil der Schaltung dargestellt, welcher die Endstufe mit
der Stellinotorsteuerung und die Rückführung gemäß der Erfindung umfaßt. Die Abschnitte
A und B können beispielsweise wie in F i g. 1 ausgebildet sein, derart,
daß an den Widerstäfiden 26, 27 das der Regelabweichung proportionale Gleichspannungssianal
vom Ausgang der Vorverstärkung (Abschnitt B) zugeführt zu denken ist. Der in F i
g. 4 dargestellte Abschnitt C der Schaltung ist weitgehend analog
dem Abschnitt C von F i g. 3 aufgebaut, mit dem Unterschied, daß der
Ausgangsstrom der rechten Triodenhälfte der Röhre 171 nur durch ein einzelnes
Relais 260 fließt. Die Relaiskontakte 261 schalten die (nicht dargestellte)
Stelleinrichtung ein und aus. über weitere Relaiskontakte 262 des gleichen
Relais 260 wird im gleichen Rhythmus der Rückführzweig an eine konstaute
Gleichspannung, welche von der Netztransformatorwicklung 57 über einen Gleichrichter
265
a - bzw. von ihr abgeschaltet.
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geliefert wird, an Die Frequenz der Umschaltungen ist durch den Kondensator
263 und den Widerstand 264 gegeben, die zusätzlich zu dem Rückführkreis gemäß
der Erfindung vorgesehen sind. Dieser Rückführkreis wird von dem Kondensator
52 und den Widerständen 53
und 54 gebildet, die die gleiche Funktion
wie in den früher beschriebenen Ausführungsbeispielen besitzen; der Kondensator
52 mit dem aktiven Teil des Widerstandes 53 bildet das nachgebende
Rücl<fiihrglied, mittels dessen gemäß der Erfindung das I-Verhalten des Reglers
erzielt wird.
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Wenn die Kontakte 262 den Gleichrichter 265
einschalten,
so erhöht sich die Ladung des Kondensators 263 und damit die Spannung an
den Widerständen 53 und 54 derart, daß das Relais 260 durch die Pentodenröhre
44 betätigt und der untere Kontakt des Schalters 262 geschlossen wird. Der
Kondensator 263, der wesentlich kleiner ist als der Kondensator
52, wird langsam entladen. Dieser Zyklus ergibt eine Ein- und Ausschaltung
von gleicher Dauer, wenn der Kondensator 52 eine Ladung besitzt, die halb
so groß ist wie die Spannung am Gleichrichter 265.
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Sobald an den Widerständen 26 und 27 infolge einer Regelabweichung
eine Zusatzspannung auftritt, wird diese im Gitterkreis der Röhre zur Auswirkung
kornmen und die Kontakte für längere Zeit als die Hälfte offen oder geschlossen
halten. Außerdem wird die Ladung am Kondensator allmählich wegintegriert und auf
diese Weise die sonst unvermeidliche Verschiebung des Regelpunktes verhindert.
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An dieser Stelle sei gesondert auf eine vorteilhafte Eigenschaft der
beschriebenen Ausführungen von
Reglern gemäß der Erfindung hingewiesen.
Diese ermöglichen es nämlich, die jeweilige Richtung der Regelabweichung und die
Bewegung des Stellmotors so aufeinander abzustimmen, daß der Kondensator
52 entladen ist, wenn das Stellglied entweder völlig offen oder völlig geschlossen
ist. Die zur Erzielung des 1-Verhaltens gemäß der Erfindung vorgesehene nachgebende
Rückführung ermöglicht es daher, das Stellglied zu öffnen oder zu schließen, wenn
die Versorgungsspannung nach einer Unterbrechung zurückkehrt. Diese für die praktische
Anwendung der Regler äußerst bedeutsame Eigenschaft beruht darauf, daß der Kondensator
52 der nachgebenden Rückfüh-
rung so geschaltet ist, daß er im wesentlichen
nur einseitig, d. h. nur in einer vorgegebenen Richtung, aufgeladen wird.
Bei einem Netzspannungsausfall wird der Kondensator daher unabhängig von der Stellung
des Potentiometerabgriffs 40 und damit unabhängig von der jeweiligen letzten Stellung
des Stellmotors vor Ausfall der Netzspannung entladen, so daß sichergestellt ist,
daß sich der Stellmotor bei Rückkehr der Netzspannung in einer vorgegebenen Richtung
bewegt.
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Zum besseren Verständnis sei dieses Verhalten der beschriebenen Regler
an einem konkreten Beispiel beschrieben. Es sei angenommen, daß die Regler zur Regelung
der Temperatur eines Siemens-Martin-Ofens dienen sollen, die sehr nahe der Gefahrengrenze,
gehalten werden muß. Bei einem Netzausfall würde der Stellmotor das Ventil der Brennstoffzufuhr
in seiner jeweiligen Stellung belassen, es würde weiterhin Brennstoff zugeführt
werden und die Temperatur daher ungefähr konstant bleiben. Allen beschriebenen Ausführungen
von Reglern gemäß der Erfindung ist nun gemeinsam, daß der Kondensator der nachgebenden
Rückführung sich über den RC-Kreis entladen würde, derart, daß während eines solchen
vorübergehenden Netzausfalls gewissermaßen eine Regelabweichung vorgetäuscht würde,
die in Wirklichkeit nicht vorhanden ist. Durch die erwähnten Mittel kann nun sichergestellt
werden, daß nach dem Wiedereinsetzen der Netzspannung der (trotz Fehlens eines Regelabweichung)
dann auftretende Ladestrom des Kondensators das Brennstoffventil nicht öffnet und
somit eine überhitzung des Ofens vermieden wird. Welche Stellung das Rückführpotentiometer
(entsprechend der jeweiligen Stellmotorstellung) im Augenblick des Netzspannungsausfalls
auch einnehmen mag, der Regler kann stets so ausgelegt werden, daß das Stellglied
(Brennstoffventil) vorübergehend geschlossen und eine Gefährdung der Anlage vermieden
wird.
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Es sei noch erwähnt, daß die Erfindung vorstehend an Hand von Beispielen
beschrieben wurde, welche Temperaturregelungen betrafen. Selbstverständlich ist
die Erfindung jedoch nicht auf Fälle beschränkt, in welchen die Regelgröße eine
Temperatur ist, sondern ist bei Regelstrecken beliebiger Art anwendbar, welche große
Zeitkonstanten besitzen.
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Des weiteren sei betont, daß die Art der Meßwertumformung und der
Bildung des Regelabweichungssignals sowie die Art und Weise der Vorverstärkung in
beliebiger Weise erfolgen können, insbesondere können diese Stufen entweder mit
Gleichstrom oder mit Wechselstrom betrieben werden. Wesentlich für die vorliegende
Erfindung ist, daß der von der nachgebenden Rückführung gemäß der Erfindung überbrückte
Teil des Regelverstärkers, welchem das vorverstärkte Regelsignal zusammen mit dem
Rückführsignal zugeführt wird, als Gleichstromverstärker ausgebildet ist.