DE2310892A1 - Elektronischer integrator - Google Patents

Description

PATCNTANn¹'. LIE HENKEL— KERN — FEILER HÄNZEL— MÜLLER

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- 5. MRZ. 1973

THE FOXBORO COMPANY, Foxboro, Mass., V.St.A.

"Elektronischer Integrator"

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Schaltungen zur Erzeugung eines Ausgangssignals als Integral eines Eingangssignals und betrifft insbesondere elektronische Verfahrensregler mit derartigen Schaltungen, v/obei der Regler in der Rückkopplungsschleife eines Prozesses liegt und ein Regelsignal in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Istwertsignal und einem Sollwertsignal erzeugt. Die Erfindung betrifft dabei speziell Regler, bei denen das Regelsignal proportional zum Regelabweichsignal ist und Tenne enthält, die in Beziehung zum Integral sowie zur Ableitung des Istwertsignals stehen. "Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Regler, bei denen der Verstärkungsgrad der Proportionaischaltung (P-Kreis) und die Zeitkonstanten

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des Integrals sowie die Differenzierglieder einstellbar sind. Schließlich umfaßt die Erfindung auch Schaltungen zur Erzeugung anderer dynamischer Funktionen, beispielsweise Führungsfolge- oder Duoschaltungen.

Bei herkömmlichen Verfahren zur Einstellung der Zeitkonstante eines Integrators v/ird entweder eine Widerstands- oder eine Kapazitätskomponente verändert. Bei Regelanlagen wird üblicherweise der Eingangswiderstand zum Integrator mittels eines Potentiometers oder über eine Reihe von Schaltern verändert, die mit getrennten Festwert-Widerständen verbunden sind. Die diesen Verfahren anhaftenden Hauptschwierigkeiten bestehen darin, daß die für die erforderlichen Zeitkonstanten nötigen hohen Impedanzen Leckströme infolge von Alterung oder Verschlechterungen durch Umgebungseinflüsse so groß werden lassen, daß sie die Regelfunktion beeinträchtigen. Ausserdem verhindern mechanische Potentiometer oder Schalter die vollständige Kapselung der Geräte, durch die sich solche Umgebungseinflüsse unter Umständen vermeiden ließen. Drittens verhindert die mechanische Anordnung die Einstellung der Regelparameter von einer entfernt gelegenen Stelle aus oder sogar eine automatische Einstellung der Parameter durch den Regler selbst.

Bei dynamischen Kompensatoren oder Duo schaltungen wurden bisher dieselben Verfahren zur Einstellung ihrer Parameter angewandt.

Der Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Integrator mit fernveränderbarer Zeitkonstante sov/ie einen elektronischen Regler zu entwickeln, bei dem ein derartiger Integrator zur Erzeugung der Integral- und Differentialglieder verwendbar ist. Ss soll also ein Regler geschaffen werden, bei dem die Pro-

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portional-, Integral- und Differentialglieder durch elektrische Signale ferneinstellbar sind. Dieser Regler soll sich vor allen zum Einsatz in verschmutzten Atmosphären eignen und ausserdem mit Digitalreglern kompatibel sein·

Diese Aufgabe -wird erfindungsgemäß durch einen elektronischen Regler gelöst, bei dem die Integral- und Differentialglieder elektrisch durch getrennte elektronische Integratoren erzeugt v/erden, deren Zeitkonstanten durch eine Reihe von Impulsen änderbar sind, die lokal oder an entfernter Stelle erzeugt v/erden können und deren Proportionalterm durch eine elektronische Schaltung mit fernveränderbarem Verstärkungsgrad erzeugt v/ird. Genauer gesagt, ist in den Eingängen der Integratoren sowie im Eingang und Ausgang der Proportionsstufe ein irapulsgesteuerter Schalter vorgesehen. Ein Impulsgenerator, der Impulse konstanter Impulsbreite und mit veränderbarem Impulsabstand abgibt, dient zur Steuerung der Integratoren, während ein Konstantfrequenz-Generator mit variablem Arbeitszyklus zur Steuerung der Proportionalstufe dient. Die gleichen Schaltungen sind zur Erzeugung einer Führungsfolge-Punktion bzw, einer Duofunktion vorgesehen.

Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil auf Regelanlagen mit mehr als einer Schleife anwendbar, bei denen es nötig, oder wünschenswert ist, die Einstellungen der Regler in einer zentralen Schalttafel oder einer Anzeigefläche zu gruppieren, die möglicherweise vom Verfahren und selbst von den Reglern entfernt angeordnet ist. Die Erfindung eignet sich auch für Mehrschleifen-Regelanlagen, bei denen die Regelparameter durch eine getrennte Einheit, etwa einen Digitalrechner eingestellt werden sollen. Insbesondere ist die Erfindung für adaptive Regelsysteme vorteilhaft, bei denen die Regelparaneter automatisch auf vorbestimmte V/eise

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entsprechend der Form des augenblicklichen Reglersignals in Abhängigkeit von einer Störung einstellbar sind. Weiter eignet sich die Erfindung auch für Regler mit einstellbaren Parametern etv/a zur Verwendung -in Bereichen, in denen Umgebungsbedingungen, wie Luftfeuchtigkeit oder Staub erfaßt werden sollen, die elektronische Geräte ungünstig beeinflussen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Integrators mit Merkmalen nach der Erfindung, der an einen elektronischen Impulsgenerator zur Änderung der Zeitkonstante des Integrators in Abhängigkeit von einer angelegten Stellspannung angekoppelt ist,

Fig. 2 eine Reihe von graphischen Darstellungen, in denen die Spannung auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist und welche den Signalverlauf an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1 wiedergeben,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines an einen Impulsgenerator zur Regelung des Verstärkungsgrads angeschlossenen Verstärkers mit variablem Verstärkungsgrad,

Fig. 4 eine Reihe von graphischen Darstellungen zur Verdeutlichung von Signalen an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 3,

-ι

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines elektronischen Verfahrensreglers mit Merkmalen nach der Erfindung unter Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 1 und 3,

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Fig· 6 eine scheiaatische Darstellung einer speziellen Ausführungsform des Reglers gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Duoschaltung.

Fig. 1 zeigt einen durch einen Block 10 umrissenen Integrator mit variabler Zeitkonstante. Der Integrator besteht aus einem Verstärker 11, einer Gegenkopplungs-Kapazität 12, einem Eingangs-Widerstand 13 und einem mit dem Widerstand in Reihe geschalteten Feldeffekttransistor-Schalter 14. Mt dem zu integrierenden Signal wird eine Leitung 16 beaufschlagt, während das Integral dieses Signals auf einer Leitung 24 ansteht.

Die effektive Zeitkonstante der dargestellten Schaltung läßt sich durch folgende Gleichung v/iedergeben:

Dabei ist mit K eine von den Werten der eingesetzten Komponenten abhängige Konstante, mit T^ die Durchschaltzeit des Transistors 14 und mit Tp seine Sperrzeit bezeichnet. Diese Zeiten sind in Fig. 2B veranschaulicht. R^ ist der Effektivwiderstand der Eingangssignalquelle, R₂ der Durchschaltwiderstand des Transistors 14, R, der Widerstandswert des Eingangs-Widerstands 13 und C die Kapazität des Gegenkopplungs-Kondensators 12. Die restlichen Schaltkreise gemäß Fig. 1 dienen zur Erzeugung von Impulsen fester Breite und variablen !Abstands zur Steuerung des FET-Schalters 14. Diese Impulse v/erden dem Schalter 14 über eine Leitung 15

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zugeführt, die mit der Gate-Elektrode des FET-Schalters verbunden ist.

Die Breite der erzeugten Inipulse wird durch die I'erte der Einzelelemente bestimmt. Der Abstand zwischen den Impulsen hängt von der Größe der an die Eingangsklemmen 17 angelegten Gleichspannung ab. Diese wird als Steuerspannung einem Differentialverstärker 18 zugeführt. Am Ausgang des Verstärkers 18 erscheint eine der Differentialeingangsspannung proportionale Spannung, die zusammen mit einer durch ein Vorspann-Netzwerk 25 entwickelten Vorspannung an den Integrator 10 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Integrators 19 wird mit einer Bezugsspannung verglichen, die über einen Spannungsteiler 20 in einem Komparator 21 erzeugt wird. Die einem Kondensator 23 aufgedrückte Spannung wird durch eine Klemindiode 72 zwischen bestimmten Grenzen gehalten. Y/enn das Ausgangssignal des Integrators negativer ist als die Bezugsspannung, erreicht das Ausgangssignal des Komparators 21 seinen positiven End- oder Sättigungswert, der dazu dient, den Integrator mittels eines im Nebenschluß liegenden Schalttransistors 22 rückzustellen. Das Ausgangssignal des Komparators 21 wird durch den Kondensator 23 der Singangsbezugsspannung aufgeschaltet. Das Ausgangssignal des Komparators 21 besteht daher aus einer Reihe von Impulsen, deren Breite durch die Zeitspanne bestimmt ist, die zum ausreichenden Entladen des Kondensators 23 über den Spannungsteiler 20 erforderlich ist, so daß der Komparator 21 seinen Zustand ändern kann. Der Impulsabstand wird durch die Zeitspanne bestimmt, die der Integrator 19 benötigt, um ein negativeres Ausgangssignal als die Bezugsspannung zu erzeugen. Diese Zeitspanne wird durch die feste Zeitkonstante des Integrators 19 und die Eingangsspannung am Integrator 19 bestimmt, die mit dem an die Klemmen 17 angelegten Stellsignal in Beziehung steht.

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Die Funktion dieser Schaltung v/ird in Verbindung mit Fig.2 noch näher erläutert.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, können die den im Block 10 dargestellten Integrator bildenden Bauteile durch ein herkömmliches Kapselungsverfahren, etwa durch Vergießen oder hermetische Einkapselung, vollständig gegen Umgebungseinflüsse geschützt v/erden. Ein derartiger Schutz durch Kapselung ist möglich, da bei dieser Schaltungsanordnung keine mechanisch einstellbaren Bauteile zur Änderung der Zeitkonstante erforderlich sind. Ein derartiger Schutz ist aber speziell bezüglich des Eingangssignals zum Integrator kritisch, wenn vergleichsweise lange Zeitkonstanten erforderlich sind.

Fig. 2 zeigt eine Reihe von drei Spannungssignalverlaufen an bestimmten Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1. Eine genauere Betrachtung dieser Signale ermöglicht ein besseres Verständnis des neuartigen Integrators mit variabler Zeitkonstante.

Fig. 2A veranschaulicht ein an den Eingangsklemmen 17 anliegendes Signal, das die variable Zeitkonstante bestimmt. Dabei steht eine niedrige Spannung einer Größe A während einer Zeitspanne T^, und eine höhere Spannung einer Größe B während einer Zeitspanne Ί\ an. Fig.- 2B veranschaulicht die resultierenden, am Ausgang des Komparators 21, welcher den Ausgang des Impulsgenerators darstellt, erzeugten Impulse. Die Impulse sind mit konstanter Impulsbreite T^ und variablem Impulsabstand Tp dargestellt. Dabei ist zu beachten, daß die Impulsbreite durchv/egs konstant ist, während der Impulsabstand während der Zeitspanne T-,, wenn ein niedriges Stellsignal angelegt wird, größer ist als während der Zeitspanne T, , wenn eine höhere Spannung anliegt.

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Fig. 2C zeigt das auf der Leitung 24 erscheinende Ausgangssignal des Integrators 10. \Ienn auf der Leitung 15 Impulse vorhanden sind, schaltet der Transistor 14 durch und integriert der Integrator 10. Das resultierende Signal gemäß Fig. 2C gibt die variable, effektive Zeitkonstante wieder. Während der Zeitspanne T^ hat der Integrator eine Integration von Null auf die relative Größe 1 durchgeführt. Mährend der Zeitspanne IV, deren Länge derjenigen der Periode T, entspricht, ist der Integrator von der Größe 1 auf die Größe 4 übergegangen. Die Zeitkonstante hat sich daher infolge der erhöhten Stellspannung um den Faktor 3 verkürzt.

Die in Fig. 2 dargestellten Relativgrößen und Zeiten sollen keineswegs repräsentativ für alle Betriebsbedingungen des Integrators sein. Beispielsweise hat es sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen, Impulse von 60 MikrοSekunden Breite mit einem von der Impulsbreite Jbis zu 1 Sekunde variablen Abstand zu erzeugen. Die Bedeutung des erfindungsgemäßen Integrationsverfahrens ist besonders bei größeren Impulsabständen offensichtlich.

Herkömmlicherweise wurde die bei elektronischen industriellen Verfahrensreglern benötigte Zeitkonstante von 30 Minuten durch einen Integrator mit einem Kondensator von 18/uf und einem Potentiometer von 100 II JTt erzeugt. Bei der Erfindung kann eine Zeitkonstante von 60 Min. mit einem Kondensator von 1/Uf und einem Reihenwiderstand von 100 k -TI erreicht werden.

Bei jeder Schaltungskonfiguration ist es erforderlich, den Eingangsknotenpunkt des Verstärkers gegenüber Kriechströmen von nur einigen Pikoampere zu isolieren. Der Kriechstromschutz ist bei diesen Werten praktisch unmöglich, wenn mechanisch einstellbare Bauteile benötigt werden. Eine Isolierung dieser Art ist mittels zahlreicher bekannter Techni-

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ken möglich, z.B. durch Einkapselung, sofern - wie bei der Erfindung - keine bev/eglichen Teile vorhanden sind.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Verstärkerstufe mit variablem Verstärkungsgrad, die durch einen Impulsgenerator konstanter Frequenz angesteuert wird. Genauer gesagt, weist die Verstärkerstufe 25 einen Verstärker 26 üblichen Aufbaus auf, der um einen Transistorschalter 27 ergänzt ist, der so geschaltet ist, daß er das Rückkopplungssignal des Verstärkers auf Null bringt, und weiterhin ist ein Transistorschalter 28 vorgesehen, der im Durchschaltzustand den Eingang zur Verstärkerstufe an Masse legt. Das Eingangssignal wird auf einer Leitung 29 angelegt, während das Ausgangssignal auf einer Leitung 30 erscheint. Die Transistor-Schalter sind über Eingangswiderstände an eine Leitung 31 angeschlossen.

Die Transistoren 27 und 28 bilden ein komplementäres Paar, so daß dann, wenn über die Leitung 31 ein positiver Impuls angelegt wird, der Transistor 28 durchschaltet und der Transistor 27 sperrt. Wenn ein negativer Impuls über die Leitung 31 zugeführt v/ird, sperrt der Transistor 28 und schaltet der Transistor 27 durch.

Der Verstärkungsgrad der Stufe 25 is.t gleich dem Rückkopplungswider stand dividiert durch den Eingangswiderstand. Der Schaltungsaufbau zeigt, daß der Transistor 28 im Durchschaltzustand den effektiven Eingangswiderstand erhöht und den Verstärkungsgrad verringert. Uenn der Transistor 27 leitet, erhöht er den effektiven Rückkopplungswiderstand und auch den Verstärkungsgrad. Aus den Signalformen gemäß Fig. k geht mithin hervor, daß die relative Dauer des positiven Impulses gegenüber dem negativen Impuls den Verstärkungsgrad steuert, wenn auf der Leitung 31 eine Impulsreihe konstanter Frequenz ansteht. Je langer der positive Impuls ist, um so nied-

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riger ist der Verstärkuiigsgrad; je langer der negative Impuls ist, desto höher ist der Verstärkungsgrad zwischen den Leitungen 29 und 30.

Der Verstärkungsgrad läßt sich daher durch die Formel

T8
= K- —

T9

ausdrucken, in welcher K eine vom Verstärkungsgrad des Verstärkers, den dieser bei nicht vorhandenen Transistorschaltern besitzen würde, abhängige Konstante, T8 die Dauer des positiven Teils eines Zyklus der Impulskette und T9 die Dauer des negativen Teils bedeuten. Im folgenden ist eine genauere Beschreibung dieser Signalformen und der Taktsteuerung anhand der Fig. 4 angegeben.

Die restliche Schaltung gemäß Fig. 3 bildet einen Impulsgenerator konstanter Frequenz. Das Eingangssignal zu diesem Impulsgenerator v/ird auf Leitungen 32 einem Differentialverstärker 33 zugeführt, dessen Ausgangssignal in einem Komparator 35 mit dem Ausgangssignal der Konstantfrequenz-Sägezahnwelle des Generators 34 verglichen wird. Das auf der Leitung 31 erscheinende Ausgangssignal dieser Schaltung ist daher eine Impulsfolge konstanter Frequenz, die der Frequenz des Sägezahngenerators 34 entspricht, dessen Folgefrequenz mit der an die Klemmen 32 angelegten Spannung verknüpft ist.

Fig. 4 enthält eine Reihe von graphischen Darstellungen von Signalformen, die an speziellen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 3 erzeugt werden. Fig. 4A zeigt eine an die Eingangs-

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klemmen 32 angelegte Signalform zur Regelung des Verstärkungsgrads des Verstärkers 25. Während der Zeitspanne T₁-v;ird keine Spannung angelegt. Während der Zeitspanne T^- liegt eine Spannung der Größe C an. Während der Zeitspanne T₇ v/ird eine Spannung der Größe D an die Singangsklemaen angelegt. Fig. 4B zeigt die auf der Ausgangsleitung 31 des Impulsgenerator erscheinende Signalform, wenn das Signal gemäß Fig. 4A an die Eingangsleitungen 32 angelegt "wird. Das Ausgangssignal springt dabei von einer positiven Sättigungsspannung des Verstärkers 35 bis zu einer negativen Sättigungsspannung.

v/enn während der Zeitspanne T5 eine Spannung Null anliegt, erzeugt der auf den Unterschied zwischen der durch den Sägezahngenerator 34 erzeugten Signalform und einer durch ein Viderstandsnetz 36 gelieferten Vorspannung einwirkende Komparator auf der Ausgangsleitung 31 eine Impulskette konstanter Frequenz, die - wie in "der Zeitspanne T₁- von Fig. 4b gezeigt - mehr positiv als negativ ist. Während der nächsten Zeitspanne ergeben die dem Komparator 35 zugeführten Spannungen eine Impulsfolge konstanter Frequenz, mit den Pegelmittelwert Null. VJenn während der Zeitspanne oder Periode T₇ eine höhere Spannung an die Eingangsklemmen 32 angelegt wird, ist der Pegel der resultierenden Impulsfolge größtenteils negativ. Fig. 4C zeigt den Zustand bei durchschaltendem Transistor 28, der ersichtlichem/eise dann durchschaltet, wenn die auf der Leitung 31 erzeugte Impulsfolge positiv ist. Y/ährend der Zeitspanne T,- ist der Transistor 28 größtenteils durchgeschaltet, während der Zeitspanne Tg ist er etwa während der halben Zeit durchgeschaltet, und während der Zeitspanne T₇ verbleibt er meist im Sperrzustand.

Fig· 4D zeigt die entsprechenden Durchschalt- und Sperrzustände des Transistors 27. Während der ersten Zeitspanne ist

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der Transistor 27 nur während eines kleinen Teils der Zeit durchgeschaltet, während der Zeitspanne T_r leitet er ungefähr während der halben Zeit, und während der Zeitspanne Ty ist er über den größten Teil dieser Zeit hinweg durchgeschaltet.

Fig. 4Ξ veranschaulicht das auf der Leitung 30 erscheinende Ausgangs signal der Differentialverstärlcerstufe 25, das bei einer während der Zeitspannen T₁- bis T₇ an die Leitung 29 angelegten konstanten Spannung auftritt. Der an die Eingangskleinmen 32 angelegten Null-Stellspannung ist ein minimaler Verstärkungsgrad zugeordnet, während ein maximaler Verstärkungsgrad der maximalen Spannung an den Eingangski emmen 32 entspricht.

Fig, 5 zeigt das Blockschaltbild eines nach drei Betriebsarten arbeitenden elektronischen Reglers mit Merkmalen nach der Erfindung, der Teil einer Prozeßregelstrecke ist.

Das Verfahren ist als Block 37 dargestellt, bei dein ein Regel-Singangssignal C an eine zu regelnde Vorrichtung angelegt und ein Meß-Ausgangssignal bzw. Istwertsignal M dem als Block 38 dargestellten Regler eingegeben wird.

Der elektronische Regler 38 v/ird weiter mit einem von einer Spannungsquelle 39 erzeugten Sollwertsignal S gespeist. Die Regelabweichung zwischen dem Istwert- und dem Sollwertsignal wird durch einen Addierer 40 erzeugt, durch eine Stufe mit konstantem Verstärkungsgrad verarbeitet und dann der Ableitung des Istwertsignals hinzuaddiert, die durch eine Differenzierschaltung 43 im Addierer 42 erzeugt worden ist. Die resultierende Regelabweichung plus dem Ableitsignal v/ird über eine Proportional-Verstärkerstufe 44 und dann durch eine Integratorstufe 45 verarbeitet, welche das Regler-Ausgangssignal C erzeugt. Der Regler 38 v/eist ausserden einen Impulsblock 46 auf, der einen Impulsgenerator 47 ent-

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hält, der Impulse konstanter Breite und variablen Abctands an die Ableitschaltung 43 liefert. Ausserden enthält der Block 46 einen Impulsgenerator 48, der eine Impulsfolge konstanter Frequenz und variabler Impulsdauer erzeugt, die zur Veränderung des Verstärkungsgrads der Verstärkerstufe 44 dient. Ein dem Generator 47 ähnelnder Impulsgenerator 49 liefert Impulse zur Regelung der Zeitkonstante des Integrators 45.

Andere Eingangssignale zum Regler 38 sind die von Spannungsquellen 50, 51 und 52 erzeugten Signale, v/elche die Inpulsgeneratoren 47, 48 bzw, 49 steuern. An den Eingang des Reglers 33 sind weiterhin eine Spannungsquelle über einen Automatik-Hand-Umschalter 53, ein Sägezahn-Schalter 54 und eine Sägezahn-Spannungsquelle 55 angeschlossen.

Die Integratorschaltung 45 und die Differenzierschaltung 43 sind aus der Grundschaltung gemäß Fig. 1 aufgebaut, v/ährend die Proportionalstufe 44 aus der Schaltung gemäß Fig. 3 entwickelt ist. Die Impulsgeneratoren des Blocks 46 sind ebenfalls in diese Schaltung gemäß Fig. 1 und 3 einbezogen.

Die Funktionen des Integratorblocks 46 und der Proportionalstufe 44 sind bereits in Verbindung mit Fig. 1 bzw. 3 erläutert worden. Die Differenzierschaltung 43 besteht aus einer einzigen Verstärkerstufe mit einem dem Block 10 in der Rückkopplungsschleife ähnelnden Integrator. Der Hauptunterschied besteht darin, daß der Impulsgenerator 47 für die Erzeugung eines vergrößerten Impulsabstands bei Erhöhung der Stellspannung benötigt wird, während der Impulsgenerator 49 sowie der Impulsgenerator gemäß Fig. 1 zur Gewährleistung eines verkleinerten Abstands bei erhöhter Stellspannung erforderlich ist. Dies kann durch Umkehrung der Polarität des auf den Leitungen 17 gemäß Fig. 1 liegenden Eingangssignals geschehen. Darüber hinaus ist am Eingang

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des Verstärkers 13 (Fig. 1) noch ein zusätzliches Vorspa.nn-Netzwerk vorgesehen, so daß die Gtellspannung die negative Vorspannung überwinden mu.3. Diese Anordnung ist erforderlich, um die AbIeitschaltung mit einen Dauersignal des Impulsgenerators 47 zu speisen, dessen Impulsabstand minimal ist, wenn die Stellspannung infolge eines Kabelbruchs o.dgl. verloren geht, so daß dann das Differenzierglied das Regler-Ausgangs signal C nicht mehr beeinflußt. Auf ähnliche Weise, wie dargestellt, geht der Abstand der an den Integrator 45 angelegten Impulsejauf ein Ila:cimum über, v/enn die Stellspannung wegfällt, so daß die Wirkung des Integralglieds aufgehoben ist.

Die Einzelheiten der verschiedenen Zwischenverbindungen im Block 46 sind - ohne weiteren Bezug auf den Impulsgenerator - nachstehend in Verbindung mit Fig. 6 erläutert.

Es ist zu beachten, daß mit der Erfindung auch verschiedene andere Anordnungen, etwa die Anordnung der Zeitteilung des Impulsgenerators im Block 46 zwischen den Reglern gleichfalls möglich sind.

Fig. 6 zeigt die scheraatische Darstellung eines nach drei Betriebsarten arbeitenden Reglers mit Merkmalen nach der IDrfindung gemäß Fig. 5 unter Weglassung der Impulsgeneratoren. Ein Differential verstärker 56, an den die Ist- und Sollwertsignale angeschaltet sind, gewährleistet die Funktionen des Addierers 40 und des Verstärkers 41 gemäß Fig. 5. In der Rücklcopplungsschleife des Verstärkers 57 liegt ein Integrator 10 mit variabler Zeitkonstante. Das Eingangssignal zum Verstärker 57 ist ein Istwertsignal M, während das Ausgangssignal der Ableitung dieses Istwertsignals plus einer Verzögerung entspricht, deren Zeitkonstante ein Neuntel derjenigen des Differenzierglieds beträgt. Die Ausgangssignale der Verstärker 56 und 57 v/erden in einem Stromsummier-Kno-

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tenpunkt 58 summiert, welcher den Eingang zum Verstärker darstellt. Die beiden an diesem Eingangs-I'Jiotenpunkt addierten Signale können über entsprechende Schalt-Transistoren 28Λ und 28B an Hasse gelegt v/erden. Der Rückkopplungswiderstand des Verstärkers 26 kann über den Transistorschalter nach Ilasse kurzgeschlossen v/erden. Die negative Rückkopplung sschleife des Verstärkers 26 enthält v/eiterhin einen Kondensator 29, der zum Filtern des Ausgangssignals des Verstärkers 26 dient. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 26 ist mit einer Vorspannungsquelle 60 verbunden, um die am Knotenpunkt 58 vorhandene Abweichung zu kompensieren. Das Ausgangssignal des Verstärkers 26 und mithin die Proportionalstufe ist in zwei Uiderstandszweige 61 und 61A unterteilt, die beide mit einem Integratorbaustein 62 verbunden sind, welcher dem in der Differenzierschaltung verwendeten Integratorbaustein entspricht, aber weiterhin eine Reihe von Feldeffekttransistor-Schaltern und Widerständen zum Umschalten zwischen Automatik- und Hand-Betrieb des Reglers sowie einen Kondensator 65 für das Proportionalsignal enthält.

Der im Block 62 enthaltene Integrator besteht aus einem Verstärker 11, einem negativen Rückkopplungs-Kondensator 12, einem Eingangs-V.^riderstand 13 und einem Feldeffekttransistor-Eingangs schalter 14, welcher in diesem Beispiel dem Schalter in Integrator-Baustein 10 entspricht. Diese Bauteile integrieren das auf der Leitung 16 vom Widerstands zweig 61A des Proportional-Verstärkers stehende Signal. Die Integration wird durch das auf der Leitung 15 eingespeiste, mit "bezeichnete Impulssignal gesteuert.

Das Proportionalsignal, das der \7echselstromkomponente des am Ausgang des' Verstärkers 26 erzeugten Signals entspricht, wird vom Viderstandszweig 61 über eine Leitung 63 an die Ausgangsstufe 62 angelegt. Dieses Signal wird über den Kon-

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densator 65 an den Sunmierknotenpunkt am Eingang des Verstärkers angekoppelt. Der Kondensator 65 kann als wechselstrommäßige Ungehung des Schalters 14 angesehen v/erden. Infolge dieser Anordnung kann das Integralsignal, d.h. die Gleichstromkomponente des am Ausgang des Verstärkers erzeugten Signals, durch den Schalter 14 gesteuert v/erden, ohne die Verarbeitung des Proportionalbandsignals durch den gleichen Ausgangsverstärker zu behindern.

Es ist somit ersichtlich, daß der gleiche Ausgangsverstärker 11 sov/ohl als Integrator variabler Zeitkonstante für das Integralsignal als auch als Verstärker mit festem Verstärkungsgrad für das Proportionalsignal benutzt werden kann. Das in Fig." 2C dargestellte Integralsignal ist dem Wechselstrom- bzw. Proportionalsignal auf der Ausgangsleitung OUT überlagert. Der Verstärkungsgrad des Proportionalsignals wird auf die vorher in Verbindung mit dem Verstärker 26 beschriebene Weise gesteuert, wird jedoch durch das Verhältnis der Kondensatoren 65 und 12 beeinflußt.

Gemäß Fig. 5 enthält das Regelsignal C einen Wechselstromanteil,der sich aus dem Proportionalsignal, dessen relative Verstärkung durch den Impulsgenerator variiert wird, aus dem Ableitsignal, dessen Zeitkonstante durch den Impulsgenerator 47 gesteuert v/ird, und aus dem einen Gleichstromanteil des Integralsignals, dessen Zeitkonstante durch den Impulsgenerator 49 gesteuert wird, ergibt.

Der Knotenpunkt 64 am Eingang des Verstärkers 11 ist durch einen Feldeffekttransistor 66 unterteilt, v/elcher in seinem Durchschaltzustand den Verstärker 11 als Integrator und den Regler im Automatik-Betrieb arbeiten läßt. Er liegt mit einem stroinbegrenzenden Widerstand 67 in Reihe. An die Signalseite des Transistors 66 ist ein Feldeffekttransistor

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angeschlossen, der die Signalseite des Knotenpunktes 64 nach Ilasse kurzschließt, so daß sich der Kondensator "bei Hand-Betrieb auf die Abv/eichspannung auflädt und dabei den stoßfreien Übergang auf Automatik-Betrieb ermöglicht. An der Verstärkerseite des Knotenpunktes 64 liegt ein Feldeffekttransistor 60 in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand 70. Wenn der Transistor 63 durchschaltet und der Transistor 66 sperrt, befindet sich der Regler in der Hand-Betriebsart und entspricht die Ausgangsspannung der Spannung über dem Kondensator 12. Zur änderung dieser Spannung kann bei durchgeschaltetem Transistor 69 über die Leitung 71 ein Signal an die Verstärkerseite des Knotenpunkts 64 angelegt v/erden.

Vorstehend ist mithin ein nach drei Betriebsarten arbeitender elektronischer Verfahrensregler dargestellt und beschrieben, der durch elektronische- Signale fernabstimmbar ist. Die Zeitkonstanten bei I- und D-Betrieb sowie der Verstärkungsgrad der Proportionalstufe lassen sich sämtlich durch getrennte Gleichspannung-Analogsignale ein-,stellen. Ausserdem kann der Regler abgleich- und stoßfrei zwischen Automatik- und Hand-Betrieb lediglich durch Umschaltung einer konstanten Gleichspannung umgeschaltet werden. Weiterhin kann die Ausgangsspannung v/ie bei Hand-Betrieb unmittelbar durch eine Analogspannung gesteuert werden, die der Ausgangsschaltung des Reglers direkt zugeführt wird, dabei aber durch ein Gleichspannungssignal getastet wird.

Der eingangs in Verbindung mit dem Integrator 10 gemäß Fig.1 beschriebene Kapselungsschutz für den Integrator 62 ist hier besonders vorteilhaft, da es für die einwandfreie Funktion dieser Einheit wesentlich ist, den Knotenpunkt 64 vor Umwelteinflüssen und Kriechströmen zu schützen. Dieser Schutz

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ist möglich, da keine mechanischen Bauteile mehr erforderlich sind und kann durch ein zweckmäßiges Kapselungsverfahren, etwa Vergießen erreicht v/erden.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines djmamischen Kompensators bzw. einer Duoeinheit, der bzw. die aus den gleichen Schaltkreisen aufgebaut ist v.'ie der Regler gemäß Fig. 5. Eine Duoeinheit dieser Art kann als Regler angesehen v/erden, der eine andere Übergangsfunktion aufweist als der zuvor beschriebene PID-Regler.

Bei der dargestellten Duoeinheit bildet die Eingangsspannung E. das eine Eingangssignal eines Addierers 40, dessen Ausgang an eine Pufferstufe 41 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dieser Stufe wird das Eingangssignal eines Integrators 45 mit variabler Zeitkonstante. Die Impulsfolge für den Integrator 45 wird durch einen__Impulsgenerator 47 erzeugt, der durch eine Spannungsquelle 52 angesteuert wird.

Das Ausgangssignal des Integrators 45 wird an den genannten Addierer 40 und ausserdem an einen Ausgangs-*\ddierer 42 angeschaltet.

Das Ausgangssignal der Pufferstufe 41 wird ebenfalls durch einen Proportionalverstärker 44 verarbeitet, dessen Verstärkungsgrad durch eine Impulsfolge von einem Impulsgenerator 48 eingestellt wird, welcher durch die Spannungsquelle 51 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 44 wird mit dem Ausgangssignal des zuvor genannten Integrators 45 und zusammen mit einer zusätzlichen,durch einen Vorspannungs-C-enerator 72, h.d. einfach eine iJpannungsquelle gelieferten Vorspannung dem Ausgangs-Addierer 42 zugeführt. Das Ausgangssignal des Addierers 42 wird durch eine Ausgangsstufe verarbeitet, die je nach den Erfordernissen des restlichen Systems variieren kann.

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Die Ausgangsspannung E ^ ist eine Funktion der Eingangs-

spannung E multipliziert mit einer Voreil- oder ITachlaufin

funktion, die von der Einstellung K₁ der Verstärkungsgrad-Regelspannungsquelle 51 abhängt. Die Zeitkonstante T₁ der Voreil- oder Nachlauffunktion vird durch die Zeitkonstante des Integrators 45 bestimmt. Diese Zeitkonstante v/ird durch Impulse vom Impulsgenerator 47 variiert, der durch die Spannungsquelle 52 gesteuert v/ird. Das Ausgangssignal enthält auch einen Vorspannungsterin E^. Die Übergangs funktion dieser Schaltung entspricht ersichtlicherweise der Gleichung:

K₁ T₁ s + 1

Obgleich vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann zahlreiche Ergänzungen oder Änderungen der Schaltungen möglich, ohne daß vom Rahmen und vom Grundgedanken der Erfindung abgev/ichen v/ird. Insbesondere v/ird durch einfache Erdung des an Ausgang des Verstärkers 57 gemäß Fig. 6 anliegenden Signals der nach drei Betriebsarten arbeitende PID-Regler zu einen PI-Regler. Ebenso ist es dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres möglich, die 'Ausführungsform gemäß Fig. 6 zu einem Nur-Proportional- oder Hur-Integral-Regler oder in eine der üblichen Variationen umzuwandeln.

Ebenso kann der fernabstimmbare Zeitkonstanten-Integrator bei anderen elektronischen Geräten der gleichen allgemeinen Art eingesetzt werden, beispielsv/eise bei Handsteuerstationen, Chargenreglern* Selbstwählanlagen usv/., ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgev/ichen v/ird.

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Weiterhin wäre es ohne weiteres möglich, andere Arten von Impulsfolgen zur Regelung der Zeitkonstanten und der Verstärkungsgrade zu ν ei",! enden. Es ist nur wesentlich, das durchschnittliche Verhältnis zwischen den Durchschalt- und Sperrzeiten der elektronischen Schalter zu steuern.

Zusammenfassend wird es mit der Erfindung mithin möglich, die Zeitkonstante eines elektronischen Integrators dadurch variabel zu machen, daß ein impulsgesteuerter Feldeffekttransistor-Schalter zum Eingangswiderstand in Reihe geschaltet wird. Dieser Integrator dient zur Erzeugung der Integral- und Differenzierglieder bei einen elektronischen Verfahrensregler, so daß die Zeitkonstanten dieser Glieder durch eine Reihe von Impulsen oder eine Spannung fernveränderbär sind, die einen Impulsgenerator steuert. Ein Verstärker, dessen Verstärkungsgrad durch abwechselndes Kurzschließen auf Null variabel ist, mit einem durch eine Reihe von Impulsen gesteuerten Schalter dient zur Gewährleistung eines einstellbaren Verstärkungsgrads einer Proportionalschaltung im Regler. Diese Schaltungen v/erden auch in einer Duoeinheit verwendet.

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Claims (27)

1. PATE IT TA N SPRÜCHE :

   Elektronischer Integrator mit einen Eingang, an in das zu integrierende Signal anlegbar ist, und mit einem Ausgang, an dem das Integral des Eingangssignals erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Integrators (10; 25; 52) durch eine Schaltungseinheit zur Trennung des Eingangssignals vom Integrator Y/ührend ausgewählter Zeitspannen variierbar ist.
2. 2. Integrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheit eine Einrichtung zur Änderung der Relativdauer der Zeitspannen der Trennung und der Nicht-Trennung aufweist.

   ■ ι
3. 3· Integrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum unmittelbaren Ankoppeln eines zusätzlichen Eingangssignals an den Integrator vorgesehen ist.
4. 4. Elektronischer Integrator mit einem Verstärker, einem negativen Rückkopplungskondensator und einem Eingangswiderstand, gekennzeichnet durch einen mit dem Eingangs-widerstand (13) in Reihe geschalteten fernsteuerbaren Hochiiapedanz-Schalter.
5. 5. Integrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter einen Feldeffekttransistor und einen diesen ansteuernden Impulsgenerator aufweist.

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6. 6. Integrator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator Signale konstanter Impulsbreite und mit variablem, durch eine äußere Spannung steuerbaren Impulsabstand liefert.
7. 7. Integrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator dadurch zur Verarbeitung eines durch den Schalter unbeeinflußten Signals benutzbar ist, daß ein Kon densator zum Schalter parallelgeschaltet ist.
8. 8. Fernabstiinmbarer elektronischer Verfahrensregler, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Bauteile: Eine Einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignais, eine Einrichtung zur Entwicklung des Integrals des Fehlersignais und eine spannungsgesteuerte Einrichtung zur Änderung der Zeitkonstante der Integrationseinrichtung.
9. 9. Regler nach Anspruch S, gekennzeichnet durch eine Differenziereinrichtung für das Fehlersignal und eine spannungsgesteuerte Einrichtung zur Änderung der Zeitkonstante der Differenziereinrichtung.
10. 10. Regler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung ejines dem Fehlersignal proportionalen Signals und eine spannungsgesteuerte Einrichtung zur Änderung des Verstärkungsgrads der Proportionaleinrichtung vorgesehen sind.
11. 11. Elektronischer Verfahrensregler mit einem oollv/ertsignaleingang, einem Istv/ertsignaleingang, einer Subtraktionseinrichtung zur Erzeugung eines der Abv/eichung zwischen dem Istv/ert- und dem Sollwertsignal entsprechenden Fehlersignals und einem Integrator, dem das Fehlersignal als Ein-

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    gangssignal zuführbar ist und der ein vom Integral des Fehlersignals abhängiges Ausgangssignal erzeugt, gekennzeichnet durch einen Hochimpedanz-Schalter zur Trennung des Fehlersignals von Integratoreingang und durch eine Ansteuerschaltung für den Schalter zur Steuerung des Verhältnisses der Dauer von Durchschalt- zu Sperrzeit des Schalters.
12. 12. Regler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das über die Ansteuerschaltung beeinflußbare Zeitverhältnis auf die Größe einer angelegten Stellspannung bezogen ist.
13. 13. Regler nach Anspruch 12, der v/eiterhin eine Differenzierschaltung zur Erzeugung eines den Differentialquotienten nach der Zeit des Fehlersignals entsprechenden Signals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Änderung der Zeitkonstante der Differenzierschaltung vorgesehen ist.
14. 14. Regler nach Anspruch 13, mit einem Proportionalverstärker, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Änderung des Verstärkungsgrads des ProportionalVerstärkers.
15. 15. Regler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kopplungseinrichtung zur kontinuierlichen Ankopplung eines Teils des Fehlersignals an den Integrator vorgesehen ist.
16. 16. Elektronischer Verfahrensregler mit mindestens einem als Integrator geschalteten Verstärker zur Verarbeitung des Reglersignals, gekennzeichnet durch einen Hochimpedanz-Schalter zum Trennen eines "Hingangs des Inte-

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    grators von Rest der Regierschaltung und. eine Ansteuerschaltung, die das Zeitverhältnis zwischen dem Durchschalt- und den Sperrzustand des Hochimpedanzschalters bestimmt, wobei die effektive Zeitkonstante des Integrators durch Regelung des ZeitVerhältnisses einstellbar ist.
17. 17· Regler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung und damit der Regler durch ein Spannungssignal fernabstimmbar ist,
18. 18. Regler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator den Integralterm im Ausgangssignal des Reglers liefert.
19. 19· Regler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator den Differentiationsterm im Ausgangssignal des Reglers liefert.
20. 20. Regler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Transistor mit hoher Eingangsimpedanz ist, und daß die Ansteuerschaltung einen Impulsgenerator aufweist, der eine Impulsfolge zur Steuerung des Schalters liefert.
21. 21. Regler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß an Impulsgenerator das Verhältnis zwischen der Impulsbreite und dem Impulsfolgeabstand der Impulsfolge einstellbar ist.
22. 22. Regler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalverstärker und ein an dessen Eingang angeschlossener elektronischer Schalter vorgesehen sind, der den Eingang des Proportionalverstärkers vom Rest des Reglers trennt und dabei gleichzeitig den Proportional-Verstürkungs-

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    grad verringert.
23. 23. Regler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalverstärker und ein an dessen Ausgang angeschlossener elektronischer Gehälter vorgesehen sind, v/elcher diesen Ausgang vom Rest des Reglers trennt und dabei gleichzeitig den Proportionalverstärkungsgrad erhöht,
24. 24. Regler nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen Proportionalverstärker, einen mit dessen Eingang verbundenen ersten elektronischen Schalter, einen an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen, zweiten elektronischen Schalter und eine Ansteuereinrichtung zur abwechselnden Ansteuerung der Schalter.
25. 25. Regler nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinrichtung einen Impulsgenerator und eine Einrichtung zur Änderung des Verhältnisses der Dauer der Durchschaltzustände der beiden elektronischen Schalter aufweist, und daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers über einen weiten Bereich veränderbar ist.
26. 26. Regler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator zum Hochimpedanzschalter parallelgeschaltet ist und einen zweiten Eingang zum Integrator bildet.
27. 27. Regler nach Anspruch 16, bei welchem der Integrator das Integralglied im Ausgangssignal des Reglers liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalverstärker zur Lieferung des Proportionalterms in xiusgangssigiial des Reglers vorgesehen ist, und daß der Proportional term ein zusätzlicher, Eingangssignal für den Verstärker ist.

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