Elektrische Einrichtung zur digitalen Steuerung oder Regelung Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf digitale Steuer- oder Regeleinrichtungen, ins besondere auf Einrichtungen zur Programmsteuerung ge eines beweglichen Organs, beispielsweise der Lag eines Maschinenteiles, wie dies beim Betrieb mancher Maschinen erwünscht ist. Beispielsweise sei hier die glichen Organs relativ<B>zu</B> Steuerung eines ersten beweg einer vorbestimmten Lage und die automatische Kor rektur der Lagedieses Organs relativ zur festen Lage eines zweiten Organs, insbesondere zur Einhaltung eines bestimmten Abstandes, erwähnt.
Zur digitalen Steuerung wird ein Steuersignal in digitaler Form erzeugt, das dem Unterschied zwi schen der tatsächlichen Lage des Organs und der ge wünschten Lage entspricht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine digitale St-euer- oder Regeleinrichtung zu schaffen, bei der ein erstes Steuersignal entsprechend einer vorbestimmten Differenz zwischen einem zweiten Steuersignal, das sich auf eine vorbestimmte gewünschte Lage des Or gans bezieht (Sollwert), und einem dritten Steuer signal, das der tatsächlichen Lage dieses Organs (Ist- wert) entspricht, erzeugt wird. Das erste Steuersignal (Regelabweichung) soll hierbei Richtung, Grösse und Geschwindigkeit der Verstellbewegung beeinflussen.
Dabei kann dieses Signal in Beziehung mit einem wei teren Steuersignal (Trä 'gersignal) gesetzt werden, das die Richtung der Korrekturbewegung bestimmt. Die Erfindung hat das Ziel, eine rasche und genaue Aus- regelung der Lagefehler zu erreichen. Hierzu ist vor allem die Ausbildung der Subtrahiereinrichtung zur Gewinnung des Steuersignals oder der Regelabwei chung von Bedeutung.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet<B>'</B> dass die Subtraktion Stelle für Stelle durch Addition- von<B>-</B> Grundsignalen und komplementären Signalen mit Hilfe von Gattern erfolgt.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungs beispiel der Erfindung schematischdargestellt ist.
Zunächst zeigt Fig. <B>1</B> den grundsätzlichen Auf bau einerdigitalen Lagesteuerung, wie er bereits an anderer Stelle vorgeschlagen wurde. Die Fig. <B>1 be-</B> zieht sich auf die Einstellung d-er Dicke eines Metall streifens<B>16</B> in Walzwerken. Der MetalIstreifen läuft zwischen einer oberen Rolle 12 -und einer unteren Rolle 14 eines Walzgerästes <B>10</B> hindurch.
Die Dicke des Streifens kann dadurch beeinflusst werden, dass cin Anstellmotor <B>30</B> über einen Spindeltrieb <B>32</B> die Walze 12 mehr oder weniger in Richtung auf die Walze 14 verstellt. Zur Stromversorgung des Motors <B>30</B> ist ein Leonardgenerator <B>58</B> vorgesehen.
Der Sollwert der Stellung der Walze 12 und damit der Dicke des Streifens<B>16</B> wird mittels einer Loch karte<B>18</B> oder eines ähnlichen Inforinationsträgers vorgegeben, der in eine Auswerteinrichfung 20 ein gesetzt wird. Die Auswerteinrichtung liefert ein bi näres Steuersignal (X) mit einer beliebigen Anzahl von Stellen, wobei jede Stelle entweder den Wert<B>0</B> oder<B>1</B> hat, entsprechend den in der Lochkarte aus gestanzten oder nicht ausgestanzten Feldem. Das digitale Signal wird einer Speichereinrichtung 22<B>zu-</B> geführt, an deren Ausgang das Signal als Sollwert dauernd zur Verfügung steht. Der Sollwert wird einer digitalen Subtrahiereinrichtung <B>26</B> zugeführt.
Der zweite Eingang dieser Einrichtung erhält ein aus der Iststellung der Walze 12 abgeleitetes digitales Signal (Y), das die gleiche Stellenzahl wie das Soll- wertsignal aufweist. Zu diesem Zweck ist ein Analog- Digital-Umsetzer <B>28</B> vorgesehen, an dessen Eingang das analoge Stellungssignal eingespeist wird, und an dessen Ausgang das digitale Signal erscheint. Es ist möglich, in der Verbindung zwischen dem Motor<B>30</B> und dem Umsetzer eine Kupplung 34 einzusetzen.
Die Subtrahiereinrichtung bildet die digitale Dif ferenz zwischen dem Sollwertsignal. und dem Istwert- signal und liefert am Ausgang ein digitales Steuer signal (X-Y) an den Digital-Analog-Umsetzer 42. Für nähere Einzelheiten, bezüglich des Grundaufbaues der Programmsteuereinrichtung sei auf die Schweizer Patentschrift Nr. <B>360715</B> verwiesen.
Das am Ausgang des Dio"ital-Analog-Umsetzers 42 erscheinende, stetig veränderbare Abweichungs- signal dient zur Aussteuerung eines Verstärkers 44, beispielsweise eines Magnetverstärkers, der einen Regler 48 zur Steuerung der Erregerwicklungen<B>56</B> und<B>57</B> des Generators <B>58</B> beeinflusst. Es ist möglich, eine Rückführung über eine Tachometermaschine <B>50</B> vorzusehen. Einzelheiten sind aus der oben genannten Patentschrift zu entnehmen.
Nähere Angaben über einen vorgeschlagenen Aufbau des Digital-Analog- Umsetzers 42 sind in der Schweizer Patentschrift Nr. <B>360,518</B> enthalten,.
In Fig. 2 istdie Ausbildung der digitalen Subtra- h#iereinrichtung <B>26</B> schematisch angedeutet. Sie be steht aus drei Stufen<B>91, 93, 95</B> für drei Stellen des digitalen Soll- und Istwertsignals. Selbstverständ lich kann die Stufenzahl beliebig erhöht werden. Sie hängt im wesentlichen von der verlangten Genauig keit ab.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wer-den die komplemen- tären Stellen und " aus der Speichereinrich- tung 22 entnommen und<B>je</B> einem Eingang der Stufen in der entsprechenden, Reihenfolge zugeführt.
Das gleiche geschieht bei den Stellen Yl, <I>Y2,</I> Y" und den komplementären Stellen Y" <I><U>Y,</U></I> und f. des Istwert- signals ausdem Analog-Digital-Umsetzer <B>28.</B> An den Ausgängen Dj, D2> <B><I>D</I> 3</B> der Stufen erscheint für jede Stelle ein sogenanntes Differenzsignal, aus dem durch Zusammenfassung aller Stufen das Regelabweichungs- signal entsteht.
Die Signale werden dem Digital,-Ana- log-Umsetzer 42 zur Verarbeitung zugeführt.
Zusätzlich erhält die erste Stufe 21 ein Träger- eingangssignal <B>C.,</B> das dem negativen Bezugspotential BB- der Speisespannungsquelle entspricht. Die erste Stufe91 lieferteinTrägerausgangssigna1C1,das seiner seits dem Eingang der zweiten Stufe zugeführt wird'. Das Trägerausgangssignal <B>C,</B> dieser Stufe wird in die dritte, Stufe<B>95</B> eingespeist, deren Trägersignal<B>C,</B> dem Digital-Analog-Umsetzer 42 zur Festlegung der Rich- tun- der Korrekturbewegung zugeführt wird.
Figr. <B>3</B> zeigt eine binäre Tabelle, in der die mög lichen Betriebszustände jeder Stufe in der Subtrahier- einrichtung <B>26</B> dargestellt sind, und zwar bezogen auf die verschiedenen Möglichkeiten der Kombination von Eingangssignalen. Die dritte und fünfte Spalte der Tabelle gibt den binären Wert des Trägerein- gangssignals und des Trägerausgangssignals jeder ein zelnen Stufe an, während die vierte Spalte das Aus- gangsdifferenzsignal <B>D</B> der Stufe zeigt. Die Tabelle gilt für jede beliebige Stufe der Subtrahiereinrichtung.
Fig. 4 zeigt ein Schema einer Einrichtung, die ge mäss der Tabelle nach FinG. <B>3</B> arbeitet. Man erkennt ein erstes Undgatter <B>110</B> mit zwei Eingängen und einem Ausgang, wobei der eine Eingang Signal über ein Odergatter 114 erhält, dessen Eingänge von dem komplementären Signal<B>1</B> und vom Signal Y besetzt werden. Hat entweder das Signal Yoder das Signal Y den Wert<B>1,</B> so wird der erste Eingang 112 des Und- gatters <B>110</B> besetzt. Dem zweiten Eingang<B>118</B> ist ein Odergatter 120 zugeordnet, dessen Eingänge die Signale Y und X zugeführt werden.
Das Ausgangs signal des Undgatters <B>1, 10</B> wird über ein Odergatter 122 dem ersten Eingang 124 eines weiteren Undgat- ters <B>126</B> zugeführt, das ein Ausgangssignal ii liefert, wenn beide Eingänge besetzt sind. Das Signal<B>D</B> kann <B>.</B> urch ein Nichtgatter in das Signal<B>D</B> umgewandelt werden. Das Odergatter 122 erhält überdies an sei nem zweiten Eingang das Trägersignal C"1".
Analoge Gatterkombinationen sind dem zweiten Eingang<B>128</B> des Undgatters <B>126</B> zugeordnet, beste hend aus den beiden Odergattern 140, 142, die die Eingänge<B>136</B> und<B>138</B> eines Undgatters 134 beset zen, und dem Odergatter<B>132</B> mit einem zweiten Ein gang, das das komplementäre Trägersignal i#U, er hält. Die Odergatter 140 bzw. 142 geben ein Signal ab, wenn die Eingangssignale X<I>oder</I> Y bzw. <B>2</B> oder <I>Y</I> den Wert<B>1</B> haben. Eine nach dem Schema der Fig. 4 aufgebaute Schaltung ist in jeder einzelnen Stufe der Subtrahiereinrichtung enthalten.
Fig. <B>5</B> zeigt schematisch eine Schaltung zur Bil dung des Trägersignals, die jeder einzelnen Stufe zu geordnet ist. Sie enthält ein Undgatter <B>150,</B> dessen Eingänge von den Signalen X<I>und</I> Y besetzt werden, und das an ein Odergatter<B>152</B> einAusgangssignal lie fern kann. Ein zweiter Eingang des Odergatters wird vom Trägereingangssignal <B>C</B> besetzt. Die Signale X und Y werden darüber hinaus einem weiteren Oder gatter<B>160</B> zugeführt.
Die beiden Odergatter<B>152</B> und <B>160</B> sind an Eingänge 154 und<B>158</B> eines Undgatters <B>156</B> geführt, das an seinem Ausgang das Trägeraus- gangssignal abgibt und der nächsten Stufe der Sub- trahiereinrichtung zuführt. In der letzten Stufe<B>(95</B> in Fig. 2) wird das Trägerausgangssignal dem Digital- Analog-Umsetzer 42 zugeführt.
Fig. <B>6</B> zeigt ein Beispiel für einen Schaltungsauf bau zur Verwirklichung der schematischen Schaltung nach Fig. 4 und Fig. <B>5,</B> mit anderen Worten die In nenschaltung einer beliebigen Stufe der Subtrahierein- richtung <B>26.</B> Dabei sind gleichartige Schaltungsele mente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 4 und<B>5</B> versehen. Es sei angenommen, dass es sich um die zweite Stufe<B>93</B> in Fig. 2 handelt.
Jeder Transistor arbeitet als Nichtgatter und ist gesperrt, wenn kein Eingangssignal angelegt wird. Um die Sperrung sicherzustellen, ist eine Vorspannung über die Klemme BB+ vorgesehen. Sobald die Basis eines Transistors negatives Signal erhält, wird- er durchlässig und hat praktisch den Widerstand Null.
Das komplementäre Signal Y, ist der Basis eines Transistors<B>180</B> zugeführt, dessen Ausgangssignal (Kollektorspannung) das Signal X, darstellt. Um gekehrt entspricht das, Kollektorpotential des Tran sistors<B>182</B> wieder dem komplementären Signal y2- Die zweite Stelle Y, des Istwertsignals wird dem Transistor 184 und die komplementäre Stelle Y, dem Transistor<B>186</B> zugeführt. Das Kollektorpotential des Transistors 184 entspricht dem Signal F., das Kollek- torpotential des Transistors<B>186</B> dem Signal Y..
Eine solche Anordnung ist möglich, wenn der Analog- Digital-Umsetzer <B>28</B> nach Wunsch sowohl das. Stel lensignal als auch das komplementäre Stellensignal abgibt. Ist dies nicht der Fall, so kann die Basiselek trode des Transistors<B>186</B> auch an die Kollektorelek- trode des Transistors 184 angeschlossen werden, ähn lich wie dies bei den Transistoren<B>180, 182</B> geschieht. <B>Z></B> Das Trägersignal Ci wird der Basiselektrode des Transistors<B>188</B> zugeführt, so dass dessen Kollektor- potential dem komplementären Signal<B>E,</B> entspricht.
Das Kollektorpotential des Transistors<B>190</B> stellt wie der das Signal C, dar. In ähnlicher Weise kann<B>je</B> nach den verfügbaren Eingangssignalen durch wei tere Transistorstufen nach Belieben eine Signal umkehrung vorgenommen werden.
Das Undgatter <B>110</B> besteht aus einem Netzwerk aus Widerständen und Dioden, dessen erster Eingang von einem ersten Odergatter 114 mit zwei Dioden, besetzt wird. Den beiden Eingängen des Odergatters 114 wird, das Signal 7, vom Kollektor des Transistors <B>182</B> bzw. das Signal Y2 vom Kollektor des Transi stors<B>186</B> zugeführt. Der zweite Eingang des Undgat- ters <B>110</B> wird vom Odergatter 120 besetzt,<U>dessen</U> Eingänge an den Kollektor des Transistors 184 (Y2) und an den Kollektor des Transistors<B>180</B> (X2) an geschlossen sind.
Das Ausgangssignal des Undgatters <B>110</B> wird mit dem Signal C, über ein Odergatter in Form eines Ventils 122 zusammengesetzt, dessen Ausgangssignal dem einen Eingang<B>135</B> des Undgat- ters <B>126</B> zugeführt wird.
Das zweite Undgatter 134 ist mit seinen beiden Eingängen an die Ausgänge zweier Odergatter 140 und 142 angeschlossen, die ihrerseits durch geeignete Verbindung mit den Transistoren<B>180, 182,</B> 184 und <B>186</B> die in Fig. 4 angedeuteten Eingangssignale erhal ten. Das Ausgangssignal des Undgatters 134 wird mit dem komplementären Trägersignal -Ü, über ein Oder gatter<B>132</B> zusammengesetzt und dem zweiten Ein gang<B>125</B> des Undgatters <B>126</B> zugeführt. Das Aus gangssignal des Undgatters <B>126</B> steuert den Transistor <B>192</B> aus, der wieder als Nichtgatter arbeitet.
Die Kol- lektorspannung des Transistors<B>192</B> stellt das Diffe renzsignal<B>D,</B> dar, das an der Klemme<B>195</B> abgenom men werden kann. Ein nachfolgendes Nichtgatter 194 liefert das komplementäre Differenzsignal 42. Das Trägersignal<B>C,</B> für die nächste Stufe wird mit Hilfe eines Undgatters <B>150</B> erzeugt, dessen beide Eingänge über Dioden<B>196, 198</B> mit den Signalen X, und Y, besetzt werden.
Das Ausgangssignal des Undu gatters wird in einem Odergatter<B>152</B> mit dem Trä- gereingangssignal Ci zusammengesetzt und dem einen Eingang 154 des Undgatters <B>156</B> zugeführt. Der zweite Eingang<B>157</B> dieses Undgatters wird über ein Odergatter<B>160</B> besetzt, an dessen Eingänge ebenfalls die Signale<I>X2, Y2</I> angelegt werden. Am Ausgang des Undgatters <B>156</B> entsteht das Trägersignal<B>C,</B> das an der Klemme<B>197</B> abgenommen werden kann.
Fig. <B>7</B> zeigt ein Gesamtschema der Schaltung nach Fig. <B>6,</B> aus dem die, einzelnen Wirkverbindungen deut licher hervorgehen. Die Nichtgatter sind dabei durch Rechtecke veranschaulicht.
In Fig. <B>8</B> ist die bewegliche obere Walze 12 rela tiv zur festen unteren Walze 14 angedeutet. Das Aus gangssignal an der Klemme<B>195</B> bestimmt die digitale Differenz für eine bestimmte Stelle des gesamten Ab- weichungssignals und damit den zum Ausgleich der Abweichung erforderlichen Betrag. Das Trägersignal <B>C2</B> an der Klemme<B>197</B> bestimmt die Richtung der Korrekturbewegung der Walze 12 gegenüber der Walze 14. Nähere Einzelheiten hierilber können der bereits genannten Patentschrift Nr. <B>360518</B> entnom men werden.
Der Erfindungsgegenstand beruht auf der Ver- wend,ung von Transistoren in Verbindung mit Ven tilen und Widerständen zur Subtraktion zweier binärer Zahlen. Die Differenz wird als Steuer- oder Regel- abweichungssignal herangezogen. Die digitale Subtra- hiereinrichtung <B>26</B> bildet den Unterschied zwischen dem Istwertsignal (Y) und dem Sollwertsignal (X) als Differenzsignal<B>D</B> für die digitale Regelung.
Die Sub- trahiereinrichtung arbeitet irn Grunde als Addiereinrich- tung, da die Wirkungsweise der Subtraktion darauf be ruht, dass das Komplernentder einen binären Zahlzuder anderen binären. Zahl addiert wird. Wer-den zwei iden tische Zahlen auf,diese Weise addiert, so entsteht nicht Null, sondern eine Zahl, die der Steuereinrichtung als Nulläquivalent vorgeschrieben werden kann.
Wenn .nun die eingegebenen Zahlen X und Y in beliebiger Richtung um einen gewissen Betrag auseinander- gehen, entfernt sich die Differenz<B>D</B> um den gleichen Betrag von der Zahl, die als Nulläquivalent angenom men wäre.
Eine binäre Zahl mit einer Stelle kann nur zwei Werte haben, entweder den, Wert<B>0</B> oder den Wert<B>1.</B> Eine binäre Addition zweier einstelliger Zahlen X und Y liefert daher eine Zahl, die ebenfalls entweder den Wert<B>0</B> oder<B>1</B> haben kann. Darüber hinaus wird ein weiterer Eingang und Ausgang benötigt, -um ein Trägereingangssignal einzuspeisen, das aus einer vor hergehenden Addition<U>bestimmt</U> wird, und um ein Trägerausgangssignal zu liefern, das die nachfolgende Addition modifiziert. Die binäre.
Addition von zwei mehrstelligen Zahlen<I>X" X2</I><B>...</B><I>X"</I> und YI, <I>Y2</I><B>...</B> Y" geht daher so vor sich, dass der Prozess für jede- entsprechende Stelle der gleiche bleibt, solange das Trägereingangssignal aus der vorhergehenden Stelle geliefert wird und an die nachfolgenden Stellen Wel- tergegeben werden kann. In der entsprechenden elek trischen Einrichtung wird für jede Stelle eine Stufe benötigt, so dass die Addition zweier Signale mit n Stellen entsprechend n Stufen erforderlich macht.
Die nähere Erläuterung einer Stufe anhand der Fig. <B>6</B> trifft gleichermassen auch für die übrigen Stufen der gesamten Einrichtung zu.
Im Ausführungsbeispiel wurde angenommen, dass die Speichereinrichtung 22 die komplementären Signale 2 liefert. Statt dessen können aus der Stufe auch die Grundsignale entnommen und mittels Nicht- gattem in die komplementären Signale umgeformt werden.
Statt der im Ausführungsbeispiel verwendeten Halbleitergatter können auch Gatter beliebigen ande ren Aufbaues, beispielsweise auf Transduktorgrund- lage, verwendet werden.