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Zweipunktregler mit RC-Rückführung Die Erfindung betrifft einen Zweipunktregler
mit RC-Rückführung, insbesondere einen Temperaturregler.
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Das Stellverhalten eines solchen Reglers ist abhängig vom Zeitverhalten
der eine Gegenkopplung des Regelverstärkers bewirkenden Rückführung. Nan unterscheidet
zwischen einem Stellverhalten mit P-Zeitverhalten (proportionales Verhalten, d.h.
jeder Eingangsgröße ist eine eigene Ausgangsgröße zugeordnet), I-Zeitverhalten (integrales
Verhalten, d.h. die Geschwindigkeit der Ausgangsgröße ist von der Eingangsgröße
abhängig) und D-Zeitverhalten (differentiales Verhalten, d.h.
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die Ausgangsgröße ist von der Geschwindigkeit der Eingangsgröße abhängig;
eine einmalige sprungförmige Änderung am Eingang ergibt am Ausgang eine "Nadelspitze"),
sowie Kombinationen dieser Zeitverhalten, nämlich
PI-Zeitverhalten,
PD-Zeitverhalten und PID-Zeitverhalten. Bei TemperaturregRern wird vorwiegend mit
dem Stellverhalten P, PD oder PID gearbeitet, wobei ein PID-Regler, besonders bei
einem niedrigen Verhältnis von Tg/Tu (Tg = Ausgleichszeit; r£u = Verzugszeit), das
optimale Regelverhalten (geringe Uberschwingweiten und geringe Einschwingzeiten)
aufweist.
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Es ist bekannt, daß während des Anfahrens eines Regelkreises ein Regler
keinen I-Anteil der Rückführung aufweisen sollte, daß aber bei der eigentlichen
Regelung des Prozesses ein Regler mit I-Anteil zweckmäßig ist.
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Daher hat man bereits die günstigen Eigenschaften des PD-Reglers während
des Anfahrvorgangs mit den günstigen Eigenschaften eines PID-Reglers während des
eigentlichen Prozeßverlaufes miteinander zu kombinieren versucht.
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Zur Realisierung eines PD-Anfahrverhaltens in Nombination mit einem
PID-Führungsverhalten sind sogenannte Anfahrschaltungen bekannt, die jedoch in der
schaltungstechnischen Ausführung aufwendig sind. Sie haben zudem den Nachteil, daß
sie keinen kontinuierlichen Übergang zwischen den beiden Zeitverhalten der Rückführung
gewährleisten. Dies ist aber erwünscht, damit man eine von Einschwingvorgängen möglichst
freie Regelung erzielt.
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Die Anfahrschaltungen, die üblicherweise für diesen Zweck verwendet
werden, sind darüber hinaus nur im Anfahrvorgang des Reglers wirksam, d.h. so lange
der Sollwert oberhalb des Proportionalbereiches liegt. Liegt der Sollwert dagegen
unterhalb des Proportionalbereiches, so wird die Anfahrschaltung nicht wirksam.
-Ferner treten bei den bekannten Anfahrschaltungen unerwünschte Hysteresis-Erscheinungen
auf.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einem Regler der
eingangs genannten Art eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die 1. einen kontinuierlichen
Übergang vom PD-Verhalten zum PID-Verhalten ergibt, 2. beidseitig des Proportionalbereiches
wirksam wird und 3. frei von Hysteresis-Erscheinungen beim dbergang vom PD- zum
PID-Verhalten ist.
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Diese Vorteile werden nach der Erfindung dadurch erzielt, daß der
differentiale Anteil der Rückführung auf den Ausgang des Differenzverstärkers bezogen
wird.
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Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführung 5-beispiel unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnun erläutert werden.
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In der Schaltungsskizze ist mit N ein Netzteil zur Bereitstellung
von Gleichspannungen bezeichnet. Eine Zenerdiode Z dient zur zusätzlichen Spannungsstabilisierung.
In der Eingangsbrückenschaltung E kann am Regelwiderstand R1 ein Sollspannungswert
eingestellt werden, der mit einem über die Leitungen 1 und 2. zugeführten Istspannungswert
verglichen wird. Bei einer Störung wird die Differenzspannung des Brückenkreises
über die Widerstände R2 und R3 dem Differenzverstärker D zugeführt, dem wiederum
ein Kippverstärker K nachgeschaltet ist. Die so verstärkte Spannung speist die Erregerwick
lung eines Relais R, dessen Wechselkontakt eine Steuerleitung 6 mit einer der Steuerleitungen
5 oder 7 verbindet. Durch den Relaiskontakt 9 wird einer der Schaltzustände des
Relais R durch die Glimmlampe 10 signalisieht Das Gleichstrom-Meßinstrument 11 zeigt
Betrag
und Richtung der verstärkten Differenzspannung am Ausgang
des Differenzverstärkers D an.
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Die durch Rf gekennzeichnete Schaltungsgruppe bewirkt die Rückführung
der proportionalen, integralen und differentialen Rückführanteile.
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Bei sprunghafter Änderung der verstärkten Spannung wirken die Kondensatoren
Cv zunächst wie ein Kurzschluß, so daß sich die Höhe des Ladestromes im ersten Augenblick
nach der Größe des Widerstandes Rv richtet, dessen Spannungsabfall als Rückführspannung
dient. Diese Schaltungsmittel verleihen der Rückführung somit ein I-Verhalten.
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Bei einer sprungweisen Änderung der verstärkten Spannung am Ausgang
des integralen Rückführanteils fließt über Rn ein Ladestrom zum Kondensator Cn,
der erst allmählich an diesem eine Spannung aufbaut. Dadurch steigt die Spannung
für Rückführspannung erst allmählich an, d.h. die verstärkungsmindernde Wirkung
der Rückführung ist im ersten Augenblick aufgehoben; die Verstärkerwirkung ist voll
wirksam. Es wird somit eine der D-Wirkung entsprechende kurzzeitige, große Änderung
der Ausgangsspannung des Kippverstärkers erreicht.
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Nach der Erfindung ist nun vorgesehen, daß der dem integralen Anteil
folgende differentiale Anteil der Rückführung nicht auf den Fußpunkt der Gesamt
schaltung bezogen ist, sondern auf den Ausgang des Differenzverstärkers D. Dazu
ist der Widerstand Rn vom Gate des Feldeffektw ransistor-Impedanzwandlers 13 mit
dem Ausgang des Differenzverstärkers D verbunden. Ferner ist der Kondensator Cn
vom Gate des Impedanzwandlers 10 mit dem Ausgang des integralen Rückführanteils
verbunden, d.h. dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand Rv und den beiden Kondensatoren
Cv
Auf diese Weise wird der differentiale Anteil der Rückführung
durch den Ausgang des Differentialverstärkers gesteuert, wird also erst dann voll
wirksam, wenn die Differenz zwischen Soll- und Istwert Null ist. Sobald eine Differenz
zwischen Soll- und Istwert eintritt (Störung), wird mit zunehmender Regelabweichung
der integrale Anteil immer stärker und der differentiale Anteil immer schwächer
wirksam. Es wird dadurch erreicht, daß der Übergang zwischen PD- und PID-Verhalten
kontinuierlich erfolgt. Da sich der Ausgang des Differenzverstärkers bezogen auf
den Gerätefußpunkt entsprechend der Richtung der Regelabweichung in der Polarität
ändert, ist auch eine entsprechende Änderung in der Polarität des differentialen
Anteils der Rückführung gegeben.
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Aus dem vorbeschriebenen Schaltungsaufbau ergibt sich ohne weiteres,
daß eine Hysteresis-Erscheinung beim Übergang vom PD- zum PID-Stellverhalten und
umgekehrt nicht mehr auftreten kann.
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Die vorbeschriebenen Schaltungseleinente werden zweckmäßig in einem
Gehäuse untergebracht, von dem ein Sammelkabel mit den Leitungen 1 - 7 (die Leitungen
3 und 4 dienen der Wechselspannungsversorgung für das itetzteil A) zu einem Anschlußelement
14 führt.