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Regleranordnung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regleranordnung mit einem Proportionalanteil
und einem Integralanteil, sowie mit einem Sollwertgeber zur Bildung der Führungsgröße
und einem Meßwandler zur Bildung der Regelgröße eines Regelkreises.
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Es besteht die Aufgabe, eine Regleranordnung zum schnellen Ausregeln
von Störungen zu schaffen, die ein gutes Führungsverhalten aufweist und die insbesondere
ein überschwingungsfreies Verhalten des Regellreises bei kleinen und großen Sprüngen
der Führungsgröße ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Schaltungsanordnung
zur Bildung eines Schätzsignals aus der Führungsgröße vorgesehen ist, daß der Integralanteil
der Regleranordnung zur Bildung eines sxorrelLtursignals mit einem aus der Differenz
von Schätzsignal und Regelgröße abgeleiteten Eingangssignal ausgesteuert wird, und
daß der Proportionalanteil der Regleranordnung von einem Eingangssignal ausgesteuert
wird, das aus der Differenz von Führungsgröße und Regelgröße und aus dem Ausgangssignal
des Integralanteiles abgeleitet ist.
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Die erfindungsgemSBe Regleranordnung geht aus von einem Regler ohne
Integralanteil, der beispielsweise als Zustandsregler zur Regelung eines Prozesses
oder eines Antriebes verwendet wird.
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Reine Proportionalregler sind zwar dynamisch vorteilhaft, sie
können
jedoch keine bleibenden Regelabweichungen und keine Störgrößen ausregeln. Es wird
daher ein zweiter Kanal mit einem Integrator aufgebaut, der jedoch nur dann korrigierend
eingreift, wenn Störgrößen bzw. bleibende Regelabweichungen auszuregeln sind. Hierzu
wird ein Schotzsignal der Regelgröße gebildet. Der zum Proportionalanteil parallel
geschaltete Integralanteil der Regleranordnung wird mit der Differenz aus der Regelgröße
und dem Schatzsignal beaufschlagt. Im stationären Zustand entspricht das Schätzsignal
der Regelgröße und diese wiederum der Führungsgröße, so daß am Eingang des Integralanteils
kein Eingangssignal ansteht. Der Integralanteil wird nur beim Auftreten von StörgröPen
oder bleibenden Regelabweichungen ausgesteuert, die die Regelgröße beeinflussen,
nicht aber das Schätzsignal.
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Die erfindungsgemäße Regleranordnung weist ein ausgezeichnetes Führungsverhalten
des Regelkreises auf. Die Anregelzeiten eines mit einer erfindungsgemäßen Regleranordnung
geretiten Kreises sind größenordnungsmäßig nur halb so groß wie bei einem Regelkreis,
der mit einem irblichen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) geregelt wird.
Das Störverhalten der erfindungsgemäßen Regleranordnung ist wesentlich besser als
bei einem PI-Regler.
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Bei großen Sprüngen der Fuhrungsgröße und beim Erreichen von Reglerbegrenzungen
erreicht eine erfindungsgemäße Regleranordnung schnell und iiberschwingungsfrei
ihren Endwert. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere beim Einsatz einer erfindungsgemäßen
Regleranordnung in einer Kaskadenregelung vorteilhaft aus.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein Strukturschaltbild
einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgem;aßen Regleranordnung, Figur 2 ein
Strukturschaltbild einer zweiten AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen Regleranordnung,
Figur 3 ein Strukturschaltbild einer dritten AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen
Regleranordnung, Figur 4 ein Strukturschaltbild einer vierten Ausftthrungsform einer
erfindungsgemäßen Regleranordnung,
Figur 5 ein Schaltbild eines
Integrators, der auf eine Arlfangsbedingung gesetzt werden kann, Figur 6 ein Strukturschaltbild
einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regleranordnung, Figur 7 ein
Strukturschaltbild einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regleranordnung,
Figur 8 ein Schaltbild der in Figur 7 dargestellten Reglerstruktur, Figur 9 ein
Schaltbild einer gegenüber Figur 8 abgewandelten Regleranordnung, Figur 10 ein Strukturschaltbild
einer veiteren Ausführungsform der Erfindung, Figur 11 ein Strukturschaltbild einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung, Figur 12 ein Schaltbild der in Figur 11
dargestellten Reglerstruktur, Figur 13 ein Strukturschaltbild einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, Figur 14 ein Strukturschaltbild einer Kaskadenregelung mit erfindungsgemäßen
flegleranordnun£en.
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Figur 1 zeigt ein Strukturschalbild eines Regelkreises, bei den eine
nicht in Einzelheiten dargestellte Strecke 1 von eine-Regleranordnung geregelt wird,
die einem ersten Kanal mit einem Proportionalanteil 2 und einem vorgeschalteten
Differenzglied 3 zur Bildung der Regeldifferenz u*, einen zweiten kanal mit einem
Integralanteil 4 und einem vorgeschalteten Differenzglied 5, sowie eine Schaltungsanordnung
6 zur Bildung eines Schätzsignals a1 aus der Führungsgröße w unfaßt. Die Führungsgröße
w wird von einen Soilwertgeber 7 vorgegeb eben, der in beliebiger bel;annter Weise
ausgeführt sein kann. Insbesondere kann die Führungsgröße w von einem weiteren Regler
oder einer Steuereinrichtung vorgegeben werden. Der Proportionalanteil 2 der Regleranordnung
ist beispielsweise als Zustandsregler ausgebilde-t und wird über eine Zustandsrückführung
7 nit den Zustand x der Regelgröße beaufschlagt, z.B. mit der Regelgröße x sowie
deren erster zeitlichter Ableitung un& gegebenenfalls auch deren zweiter zeitlicher
Ableitung. Die Reglerausgangs spannung bildet das Stellsignal u für in nicht dargestelltes
Stellglied
in der Strecke 1. Auf die Strecke 1 wirken .Störgrö2en z ein.
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Als Schaltungsanordnung 6 zur Bildung des Schatzsignals al ist ein
vollständiges Iiodell des proportional geregelten Kreises vorgesehen, also ohne
Berücksichtigung des integralen Verhaltens des Reglers. Die von der Schaltungsanordnung
6 aus der Führungsgröße w gebildete Schätzgröße a1 wird im Differenzglied 5 mit
der Regelgröße x verglichen. Die Differenz steuert den Integralanteil 4 aus, der
ein Korrektursignal b für den Proportionalanteil 2 bildet. Im stationaren Zustand
der Regelung greift der Integralanteil 4 nicht ein, da das Schätzsignal al der Regelgröße
c entspricht. Bei der Einwirkung von Störgrößen z auf die Strecke 1 verändert sich
die Regelgröße x, nicht jedoch das Schätzsignal al. Die Differenz zwischen dem Schätzsignal
al und ~ der verillderten Regelgröße x steuert den Integralanteil 4 aus.
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Die Ausgangs spannung des Integr&lanteils 4 wird im Differenzglied
3 als Korrektursignal b zu der Regeldifferenz hinzugefügt, die aus der Führungsgröße
w und der Regelgröße x gebildet wird.
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Der Proportionalanteil 2 wird somit mit einer um die Ausgangsspannung
des Integralreglers 4 korrigierten Regeldifferenz ausgesteuert.
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Figur 2 zeigt ein Struktursc1naltbild einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Regleranordnung. Als Schaltungsanordnung zur Bildung eines
Schätzsignals a2 ist ein Zeitglied vorgesehen, dessen Zeitkonstante der ERsatzzeitkonstante
des proportional geregelten Kreises entspricht. Das Zeitglied 8 Kann insbesondere
von 1. Ordnung sein. Ein derartiges Ersatzzeitglied ist schaltungstechnisch wesentlich
einfacher zu realisieren als das in Figur 1 vorgesehene Modell des proportional
geregelten Kreises. Es hat sich gezeigt, daß es in vielen Fällen genügt, lediglich
die Ersatzzeit des Regelkreises nachzubilden. Zur Verbesserung des Regelverhaltens
ist ein Proportionalglied 9 vorgesehen, das die Führungsgröße w mit einem Verstärkungsfaktor
α wichtet, dessen Wert zweckmäßigerweise zwischen 0,6 und 1 eingestellt wird.
Hierdurch wird ein überschwingungsfreies Ver halten der Regelung bei Sollwertsprüngen
erreicht. Die Regeldifferenz für den Proportionalanteil 2 wird sorbit im Differenz-
glied
3 aus der Regelgröße x, , der nit dein Verstärkungsfaktor gewichteten Führungsgröße
w und den Korrektursignal des Integralanteils 4 gebildet. Der Integralanteil 4 wird
von der Differenz aus der Regelgröße x und deren Schätzsignal a2 ausgesteuert.
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Figur 3 zeigt das Struliturschaltbild einer Regleranordnung, bei welcher
der Integralanteil einen zusätzlichen Proportionalanteil aufweist und als Pl-Regler
10 ausgebildet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein handelsüblicher PI-Regler
10 verwendet werden kann. Wenn als Schaltungsanordnung zur Bildung des Schätzsignals
ein tIodell des proportional geregelten preises vorgesenen ist, so stimnt die Funktionsweise
der Regleranordnung nach Figur 3 mit der Funktionsweise der Regleranordnung nach
Figur 1 überein. Ist jedoch - wie in Figur 3 dargestellt - als Schaltungsanordnung
zur Bildung des Schätzsignals ein Zeitglied 8 erster Ordnung vorgesehen, so erweist
es sich als vorteilhaft, den Proprotionalanteil 2 mit einer Regeldifferenz auszusteuern,
die aus dem Ausgangssignal des PI-Reglers 10 und aus der mit einem Verringerungsfactor
ß gewichteten Differenz der Führungsgröße w und des Schätzsignals a2 gebildet wird.
Der Verringerungsfaktor ß kann im Proportionalglied 11 im Bereich zwischen 0,6-fachen
und dem 1-fachen Verstärkungsfaktor des PI-Reglers 10 eingestellt werden. Dem Proportionalglied
11 wird eingangsseitig die im Differenzglied 12 gebildete Differenz aus der Führungsgröße
w und des Schätzsignal a2 zugeführt. Diese Regleranordnung bietet den Vorteil, daß
durch Veränderung des Verringerungsfaktors ß ein kontinuierlicher Übergang zwischen
den Verhalten eines üblichen PI-Reglers und einer erfindungsgenäß verbesserten Regleranordnung
vorgenommen werden kann.
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Wenn bei den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Regelkreisen Begrenzungen
auftreten, insbesondere Reglerbegrenzungen, so müssen diese auch von der jeweiligen
Schaltungsanordnung zur 3ildung des Schätzsignals berücksichtigt werdan. Die Verwendung
eines Zeitgliedes mit der Ersatzzeitkonstanten des Regelkreises ist dann allein
nicht ausreichend. Vielmehr sind iTodelle des proportional geregelten Kreises erforderlich,
bei denen auch die Begrenzungen berücksichtigt sind. Derartige Modelle sind schaltungsmäßig
sehr aufwendig zu realisieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung für Regelkreise mit
Begrenzungen, insbesondere Reglerbegrenzungen, sieht vor, daß als Schaltungsanorc1nun*,
zur Bildung des SchEtzsignals aus der FUirungsgröße ein Ilodell mit linearem Arbeitsbereich
vorgesehen ist, und daß beim Erreichen einer Begrenzung er Integralanteil der Regleranordnung
im Sinne eines stabilen und überschwingungsfreien Regelvorganges auch im nichtlinearen
Arbeitsbereich beeinflußt wird. Ein Modell für den linearen Arbeitsbereich ohne
Begrenzungen ist einfacher aufgebaut und kann schalt'ungsmäßig leichter realisiert
werden.
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Eine Möglichkeit zur Beeinflussung des Integralanteils besteht in
der Abschaltung seiner Eingangs spannung beim Erreichen einer Begrenzung des Regelkreises,
insbesondere der Begrenzung des jProportionalanteils. Der Integralanteil bleibt
solange auf dem ereichten Wert liegen, wie sich der Regelkreis in der Begrenzung
befindet. Der Integralanteil der Regleranordnung wird wieder zugeschaltet, wenn
der Regelkreis wieder in den linearen Bereich eintritt. Beim Wiedereintritt des
Regelkreises in den linearen Bereich liefert jedoch das lineare Modell einen Schätzwert,
der dem Zustand der Strecke nicht mehr entspricht, da das lineare Modell die Begrenzung
nicht berücksichtigen konnte. Hierdurch wird der Integralanteil der Regleranordnung
beim Wiedereintritt in den linearen Arbeitsbereich mit einem Eingangssignal bezu»-schlagt,
das beim Erreichen des Sollwertes u.U. zu einem Überschwingen der Regelgröße fUllren
kann. 3ei einer Veränderung der Störgröße in der Zeit, in der sich der Regelkreis
in der Begrenzung befindet, steht der Integralanteil beim Wiedereintritt des Kreises
in den linearen Bereich unverändert auf dem alten Wert.
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Hierdurch ist ebenfalls ein Überschwingen der Regelgröße möglich.
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Bei Integratoren, die mit analogen Schaltungselementen realisiert
werden, ist außerdem zu berücksichtigen, daß analoge Integratoren im abgeschalteten
Zustand driften.
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Eine beYrorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht zur Behebung dieser
Mängel vor, daß die Eingangsspannung des Integralanteils der Regleranordnung beil
Erreichen einer Begrenzung im Regelkreis abgeschaltet und der Integralanteil beim
Wiedereintritt in den linearen Bereich auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wirdk
Das
Setzen des Integralanteils der Regleranordnung kann über seinen IC-Eingang erfolgen
(vgl. Georg Hannauer "Grundlagen des hybriden Analogrechners", 1973, Seite 44).
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Figur 4 zeigt das Strukturschaltbild eines Regelkreises, dessen Regleranordnung
einen Integrator 14 mit einem Integrationseingang E aufweist, der über einen weiteren
Eingang IC auf einen Anfangswert gesetzt werden kann. Durch einen Begrenzungsblock
13 ist die Reglerbegrenzung des Proportionalanteils 2 zwischen einer negativen Begrenzung
B- und einer positiven Begrenzung B+ symbolisch dargestellt. Die Regeldifferenz
u wird über ein Verstärkungsglied 17, das den gleichen Verstärkungsfaktor wie der
Proportionalanteil 2 der Regleranordnung aufweist, auf einen Begrenzungsdetektor
15 gegeben. Der Begrenzungsdetektor 15 ist beispielsweise in Art eines Grenzwertmelders
aufgebaut, dessen negativer Ansprechschwellenwert der negativen Reglerbegrenzung
B- und dessen positiver Ansprechschwellenwert der positiven Reglerbegrenzung B+
entspricht. Der Begrenzungsdetektor 15 ändert sein Ausgangssignal sprunghaft je
nachdem, ob sich der ?roportionalanteil 2 im linearen Arbeitsbereich oder in der
Begrenzung befindet. Der Begrenzungsdetektor 15 steuert elektronische Schalter in
einem speziell ausgebildeten Integrator 14 (siehe Fig. 5) und bestimmt damit, ob
dessen Eingang E oder dessen eingang IC angesteuert wird. Der Integrationseingang
E des Integrators 14 ist über ein Proportionalglied 13 mit dem Differenzglied 5
verbunden, das aus der Schätzgröße des Zeitgliedes 8 erster Ordnung und aus der
Regelgröße x die Korrekturgröße e bildet. Das Zeltglied t3 erster Ordnung weist
wiederum eine der Ersatzzeitkonstante des proportional geregelten Regelkreises entsprechende
Zeitkonstante auf. Es ist für einen linearen Arbeitsbereich ohne Begrenzungen ausgelegt.
Den Differenzglied 7 wird die vom Dfferenzglied 12 gebildete Differenz aus der Führungsgröße
w und de Schatzsignal mit der im Proportionalglied 11 einstellbaren Verst-rkung
E , das Korrektursignal e mit der Vers-tarkung des Prcportionalgliedes 13 und das
Ausgangssignal des Integrators 14 zugeiührt.
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Der IC-Eingang des Integrators 14 ist mit einer Recheneinrichtung
16 verbunden, welcher der Zustand x der Rege' strecke, der
Zustand
z der auf die Regelstrecke einwirkenden Störgrößen, das Stellsignal u und die Reglerbegrenzungen
B-, B+ zugeführt sind.
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Die Recheneinrichtun 16 ermittelt die Anfangsbedingung für den Integrator
14, auf die dieser beim Wiedereintritt in den linearen Arbeitsbereich gesetzt wird.
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Figur 5 zeig-t ein schematisches Schaltbild des Ausführungsbeispieles
eines geeigneten Integrators 14. Der Integrator 14 enthält einen Operationsverstärker
14a und einen Rückkopplungskondensator 14b. Der invertierende Eingang des Operationsvers
tarl-ers 14a ist über einen schematisch dargestellten elektronischen Schalter 14c
entweder mit Masse oder iiber einen Eingangswiderstand 14e mit dem Eingang E verbunden.
Der Mittelpunkt zwiscnen dem Eingangswiderstand 14e und dem Rückkopplungskondensator
14b ist über einen weiteren elel-tronischen Schalter 14d und einen Ein gangswiderstand
14f mit dem Eingang IC verbunden. Außerdem ist ein Rückführungswiderstand 14g vorgesehen,
der parallel zum Rückkopplungskondensator 1 4b liegt. Die beiden elektronischen
Schalter 14c und 14d werden jeweils alternierend gesteuert.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltstellung ist der invertierende
Eingan0 des Operationsverstärkers 14a über den Singangswiderstand 14e mit dem Integrationseingang
E verbunden.
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Der IC-Eingang und der Rückführungswiderstand 14g sind abgekoppelt.
Der Integrator 14 arbeitet iii der üblichen Weise mit integralem Verhalten.
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Wenn die beiden elektronoschen Schalter 14c und 14d umgesteuert werden,
so wird der Integrationseingang E auf Masse geschaltet und wird damit unwirksem.
Statt dessen wird die am Eingang IC anstehonde Spannung an die Parallelschaltung
des Rückführungswiderstandes und des Integrationskondensator 14b geschaltet. Die
Ausgangsspannung des Integrators 14 nimmt mit der Zeitkonstante, die aus dem Widerstandswert
des Widerstandes 14g und der Kapazität des Kondensators 14b ergibt, die am IC-Eingang
von der Recheneinrichtung 16 anstehende Spannung an. Dies ist der Fall, wenn sich
der Proportionalauteil 2 in der Regleranordnung in der Begrenzung befindet. Beim
Wiedereintritt in den linearen Arbeitsbereich werden die elektronischen Schalter
14c und 14d er-
neut umgesteuert. Der Integrator 14 beginnt mit
der Ausgangsspannung zu arbeiten, die zuvor von der Recheneinrichtung 16 an den
IC-Eingang angelegt worden war.
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Eine schaltungstechnisch einfachere Lösung zur Beeinflussung des Integralanteils
sieht gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung vor, daß während des Begrenzungsvorganges
auf den Eingang des Integralanteils eine kleine Signalspannung mit den umgekehrten
Vorzeichen der Regeldifferenz rückgekoppelt wird.
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Binde derartige Regleranordnung läßt sich mit analogen Bauelementen
gut realisieren. t(enn während der Begrenzung an den Eingang des Integralanteils
eine kleine Signalspannung mit dem umgekehrten Vorzeichen der Regeldifferenz und
damit auch der Reglerausgangsspannung gelegt wird, so lauft dadurch die Ausg nZsspannung
des Integralanteils in eine Richtung, aus der die vorgegebene Führungsgröße mit
Sicherheit stabil und überschwirgungsfrei erreicht wird.
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Figur 6 zeigt das Strukturschaltbild eines Regelkreises mit einer
derart ausgefürten Regleranordnung. Der Begrenzungsblock 18 mit der negativen Begrenzung
B- und der positiven Begrenzung B+ ist wiederum symbolisch dargestellt. Im Eingang
des Integralanteils 20 ist eine elektronische Umschalteinrichtung 19 angeordnet,
die vom Begrenzungsdetektor 15 gesteuert wird. Die dargestellte Schaltstellung der
Umschalteinrichtung 19 ist den linearen B2-triebszustand zugeordnet. Die flegeldifferenz
wird im Differenzglied 3 aus der im Differenzglied 5 gebildeten und im Proportionalglied
13 gewicliten Differenz aus der Regelgröße x und dem Schätzsignal, aus der im Differenzglied
12 gebildeten und im Proportionalglied 11 gewichteten Differenz aus der Führungsgröße
w und dem Schätzsignal, sowie aus den Ausgangssignal des Integralanteils 20 gebildet.
Die im Differenzglied 3 gebildete Regeldifferent wird in einem Verstärker 17 mit
dem Verstärkungsfaktor des Proportional anteils 2 verstärkt und dem Begrenzungsdetektor
15 zugeführt. Wenn der Begrenzungsdetektor 15 feststellt, daß der Proportionalantell
2 der Regleranordnung in die Begrenzung geht' so steuert er die Umschalteinrichtung
19 um. Am Eingang des Integralanteils 20 liegt dann ein Signal, das dem jeweiligen
Begrenzungswert proportional ist. hierzu wird die Spannung 2 silber
ein
Proportional glied 21 nit einem negativem Verringerungsfaktor - geführt. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß bei kleinen Begrenzungswerten der Integralanteil 20 unabhängig
von Begrenzungswert immer um den gleichen Spannungsbetrag in die Gegenrichtung läuft.
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Bei einen weiteren in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Regleranordnung wird nicht ein der Begrenzungsgröße B proportionales
Signal an den Eingang des Integralanteils gelegt, sondern ein Signal, das der Differenz
aus der Regeldifferenz und der durch die Reglerverstärkung dividierten Begrenzungsgröße
proportional ist. Diese Anofdnung bietet den Vorteil einer einfachen und preisgünstigen
Realisierung ohne Benutzung von Komperatoren und eines speziellen Integrators.
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Der Begrenzungsblock 21 ist als Begrenzungsregler mit a ctive-Rückführung
dargestellt. Einem Proportionalglied 25 ist ein Dreipun'tschalter 22 nachgeordnet,
der bei Unterschreitung eines negativen Begrenzungswertes B- bzw. bei Überschreitung
aines po sitiven Begrenzungswertes B+ ein Gegenkopplungssignal erzeugt, das von
einem Proportionalglied 23 verstärkt wird und in einem weiteren Differenzglied 24
gegen die Regelabweichung uO derart geschaltet wird, daß die Ausgangsspannung des
Proportionalglied des 25 aul dem Begrenzungswert verharrt. Das Ausgangssignal des
Dreipunktschaltere 22, das bei einem derart ausgebildeten Regler verfügbar ist,
wird im Begrenzungsfalle über eine Umschalteinrichtung 23 auf den Eingang eines
Integralanteils 27 gegeben.
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Die Umschalteinrichtung 23 wird von einem Schwellenwertglied 26 gesteuert,
das Schaltvorg nge der Umschaltvorrichtung 28 bei Störungen und nur kurzzeitigen
Begrenzungsvorgängen verhindert.
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Die dargestellte Schaltstellung der Umschalteinrichtung 28 entspricht
dem linearen Betriebsfall. Im Differenzglied 3 wird eine Differenz gebildet aus
der im Proportionalglied 11 gewichteten Differenz aus der Führungsgroße w und dem
Schätzsignal, aus der im Proportionalglied 13 gewichteten Differenz von Regelgröße
x und dem Schätzsignal, sowie aus den Ausgangssignal des Integra'-anteils 27. Beim
Eintritt in die Begrenzung wird die Umschalteinrichtung 28 umgesteuert. Am Eingang
des Integralanteils 27 liegt jetzt das von Proportionalglied 29 gewichete Ausgangs-
signal
des Dreipunktschalters 22 an. Das Ausgangssignal des Integralanteils 27 laufs daher
in Begrenzungsfalle immer in die Gegenrichtung.
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Figur 8 zeigt eine Möglichkeit zur schaltungstechnischen Realisiebung
der Regleranordnung nach Figur 7. Die entsprechenden Blöcke sind mit den gleichen
Bezugszeichen wie in Figur 7 bezeichnet. der Begrenzungsblock 21 enthält den Dreipunktschalter
22, der aus zwei Verstärken 30 und 31 aufgebaut ist, wobei in den Rückführungen
dieser Verstärker jeweils gegeneinander geschaltete Zenerdioden angeordnet sind.
Den Verstärkern 30 bzw. 31 werden einstellbare Spannungen für den negativen Begrenzungswert
B- und für den positiven Begrenzungswert B+ zugeführt. Die Begrenzungswerte B- und
B+ werden in zwei weiteren Verstärkern 32 und 33 mit der vom Differenzglied 3 gebildeten
Spannung u0 verglichen. Wenn die Spannung u0 einen der Begrenzungswerte übersteigt,
so wird eine der Dioden D, bzw. D4 leitend. Die Ausgangsspannung u* wird auf dem
jeweiligen Begrenzungswert gehalten. Die Dioden D1 und D2, die dem Dreipunktschalter
22 nachgeschaltet sind, erfüllen die Aufgabe des Schwellenwertgliedes 26. Je nachdem,
welche der Dioden D1 bzw. D2 geflutet ist, wird eine zusätzliche Spannung auf den
Eingang des Integrators 27 gebracht. Wenn eine der Dioden D1 oder D2 geflutet ist,
so wind die Ausgangsspannung des Proportionalverstärkers 13 abgesenkt, im allgemeinen
bis auf Nullpotential. Im Differnzglied 34 dominiert die über die geflutete Diode
zur Wirkung gebrachte Ausgangsspannung des Dreipunktschalters 22. Die Dioden 31
und D2 und das Differenzglied 34 erfüllen somit näherungsweise die Funktion des
Schalters 28.
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In der Schaltungsanordnung nach Figur ? wird durch den Geradeausbegrenzer
mit den Verstärkers 32 und 33 und den DioCon D3 und D4 eine Entkopplung der Begrenzungsschaltung
von der Rückführschaltung erreicht.
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Figur 9 zeigt ein Schaltungsbeispiel, bei dem nur eine Begrenzerschaltung
22 sowohl für das Rücksteuern des Integrators 27 als auch für die Begrnzung des
Proportionalreglers 24 dient. Da es sich bei den Dioden D5 und D6 in der Praxis
nicht un ideale Dioden handeln wird, ist die Kopplung bei unterschiodlicher Belastung
dieser
beiden Dioden nicht ganz vermeidbar . Die Dioden D5 und D6 erfitllen die Aufgabe
des Schwellenwertgliedes 26. Die Schaltung entspricht im übrigen dem Strukturschaltbild
der Figur 7. Ihr Vorteil besteht darin, daß weniger Verstärker benötigt werden.
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Figur 10 zeigt das Strukturschaltbild einer Regleranordnung, bei der
die Begrenzung und die Rücksteuerung des Integralanteils in: Be grenzungsfall durch
einen additiven Rückkopplungseingriff entkoppelt wird. Der grundsätzliche Aufbau
dieser Regleranordnung entspricht der Regleranordnung nach Figur 7. Abweichend ist
jedoch dem Integralanteil 27 eingangsseitig keine Umschalteinrichtung zugeordnet.
Der Integralanteil 27 wird vielinehr im lineare Arbeitsbereich von der im Proportionalglied
13 13 gewichteten Differenz e hlls dein Schätzsignal a2 und der Regelgröße x bzw.
im Begrenzungszustand von der im Differenzglied 34 gebildeten Differenz aus dem
Ausgangssignal des Proportionalgliedes 13 und einer kleinen Gegenspannung ausgesteuert.
Die kleine Gegenspannung entspricht dem im "erstärker 29 vorstärken Gegenkopplungssignals
des Begrenzungsreglers mit aktiver Rückführung im begrenzungsblocl; 21. Damit die
Gegenspannung in allen rallen das entgegengesetzte Vorzeichen der Regeldifferenz
des Proportionalanteils 2 aufweist. wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
29 bzw. die Größe u0 aus Sicherheitsgründen groß gewählt. Die Größe u0 läßt sich
ciurck einen entsprechenden Verstärkungsfaktor des Verstärkers 35 vergrößern. Anstalle
des Verstärkers 29 kann auch ein Verzögerungsglied vorgesehen sein.
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Bei der in Figur 11 dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt
der additive Rückkopplungseingriff nur auf den Integralanteil 27. Hierbei ist ein
zusätzlicher Geradeausbegrenzer 36 vorgesehen. Anstelle des Verstärkers 29 kann
wiederum ein Verzögerungsglied vorgeschen sein.
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Figur 12 zeigt das Schaltbild der in Figur 11 dargestellten Regleranordnung.
Gleichwirkende Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 8 bezeichnet.
Der Unterschied zur Figur 8 liegt in der Eingangsbeschaltung des Integrators 27.
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Figur 13 zeigt eine erfindungsgemäße Regleranordnung, bei der die
Rücksteuerung des Integralanteils 27 in Begrenzungsfall des Proportionalanteils
2 über ein Verzögerungsglied 40 erster Ordnung erfolgt, das die Schaltungsanorrdnung
zur Bildung eines Schätzsignals darstellt. Im Eingang des Verzögerungsgliedes AO
ist ein Differenzglied 38 angeordnet, dem die Führungsgröße w vom Sollwertgeber
7 und das Gegenkopplungssignal des als Begrenzungsregler mit aktiver Rückführung
ausgeführten Begrenzungsblocks 21 zugeführt wird. Das Gegenkopplungssignal wird
dem Differenzglied 38 über ein Proportionalglied 39 zugeführt. Das Ausgangssignal
des Verzögerungsgliedes 40 wird im Differenzglied 5 mit der regelgröße x verglichen.
Das Ausgangssignal des Differenzgliedes 5 wird über ein Proportionalglied 13 gefihrt,
dessen Ausgangssignal einerseits über ein weiteres Proportionalglied 35 und andererseits
über den Integralanteil 27 der Regleranordnung auf das Differenzglied 3 gegeben
wird. Dem Differenzglied 3 wi weiterhin die im Differenzglied 12 gebildete Differenz
aus der Führungsgröße w und dem Schätzsignal vom Verzögerungsglied 40 zugeführt,
die in Proportionalglied 11 ni t den Verstäkrungsfaktor des Proportionalanteils
2 verstärkt wird.
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Figur 14 zeigt die Anwendung von erfindungsgemäßen Regleranordnungen
in einer kaskadenregelung. Die kaskade besteht aus einze nen Regleranordnung 41,
42, 43, die jeweils beispielsweise die in Figur 10 dargestelle Regleranordung aufgebaut
sind. Zu besseren Übersicht sind nur die Regleranordnungen 42 und 43 im Detail ausgeführt.
Die Elemente de. Regleranordnung 42 sind ist den Bezugszeichen aus Figur 10 und
dem Index a und eie Elemente der Regelanordnung 43 mit dem Index b bezeichnet.
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Die Regleranordnung 41 liefert eine Führungsgröße w2 für di Regleranordnung
42, der außerdem die Regelgröße .42 zugeführt wird. Die Regleranordnung 42 liefert
eine Führungsgröße w3 für die Regleranordnung 43, der außerdem die Regelgröße x43
zugefü iL wird. Die Regelranordnung 43 liefert die Regeldifferenz u* für den nicht
dargestellten Proportionalanteil, der seinerseits die Stellgröße u für das Stellglied
in der Strecke 1 erzeugt. Bei einer derartigen Kaskadenregelung ist es gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zweckmaßig, daß Integral-
anteile
in den äußeren Regelanordnungen im Sinne eines stabilen und überschingungsfreinen
Regelvorganges beeinflußt werden, wenn einer der inneren Regler in die Begrenzung
geht. Wenn beispielsweise der Begrenzungsblock 21b in der Regleranordnung 43 anspricht,
so wird sein Genekopplungssignal auf den eigenen Integralanteil 27b sowie über ein
Proportionalglied 44 auf ein Summierglied 46 rückgekoppelt, das dem Begrenzungsblock
21a in der Regleranordnung 42 nachgeschaltet ist. Wenn der Begrenzungsblock 21a
in der Regleranordnung 42 anspricht, so wird sein Cegenkopplungssignal auf den eigenen
Integralanteil 27a sowie über ein Proportionalglied 45 in analoger Weise 2u2 die
Regleranordnung 41 rücl gel;oppelt.
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Im Strukturbild der Figur 14 sind zusätzliche Rückführungsmöglichkeiten
für die Zustände der einzelnen Regelgrößen vorgesehen, die über die Proportionalglieder
47, 48 und 49 in die Rege'..anordnungen eingeführt werden können.
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In der bisherigen Beschreibung wurden zum besseren Verständnis lediglich
schaltungsmäßige Realisierungsmöglichkeiten in analoger Technik erläutert. Die erfindungsgemäße
Regleranordnung ann jedoch auch in digitaler Technik ausgeführt werden. Digitale
Realisierungen sind insbesondere bei Registerregelungen von Rotationsdruckmaschinen
vorteilhaft.
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14 Figuren 12 Patentansprüche
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