Digitaler Regler Es gibt digitale Regler, bei denen die Stellgrösse in Abhängigkeit von den Resultaten ständig (z. B. bis 500 mal in der Sekunde) wiederholter digitaler Mes sungen der Regelgrösse verändert wird.
Wäre die je Messung eingezählte Zahl genügend gross und wären die Resultate digitaler Messungen bei gleichbleibendem Wert der zu messenden Regel- grösse stets genau dieselben, so liesse sich mit einem solchen Regler, der z.
B. als Zweipunktregler ausge führt sein kann ein einer ganzen Zahl digitaler Ein heiten entsprechender Sollwert ohne weiteres mit grösster Genauigkeit einhalten. Schon bei der gering sten über- oder Unterschreitung des Sollwertes wür den sich ja dann die Messresultate um eine digitale Einheit verändern und dies könnte dazu benutzt wer den, das Stellglied nach dem Prinzip des Zweipunkt reglers zu beaufschlagen und die Abweichung vom Sollwert genauest auszuregeln.
In Wirklichkeit ist aber das Resultat der digitalen Messung der Regelgrösse auch bei gleichbleibendem Wert der letzteren gewissen statistischen Schwankun gen unterworfen, die auf Ungenauigkeiten des Impulsgebers bzw. auch schon allein auf die Einzähl- fehler zurückzuführen sind, die sich durch die Ganz- zahligkeit des Resultates jeder Zählung von Impulsen ergaben. Diese Schwankungen setzen die Genauigkeit der Regelung herab und ergeben eine Art Statik. Der Mittelwert der Resultate aufeinanderfolgender digi taler Messungen der Regelgrösse ändert sich nämlich bei einer kleinen Änderung der letzteren niemals sprunghaft um eine digitale Einheit, sondern mehr oder weniger stetig mit der Regelgrösse.
Um den gan zen Bereich des Mittelwertes der digitalen Messungen von 0 auf 100 % zu überstreichen, muss die Regel- grösse eine oft beträchtliche Abweichung vom Soll- wert aufweisen, ein Nachteil, der durch die Erfindung behoben werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein digitaler Regler, der gekennzeichnet ist durch eine seinen statischen Fehler verkleinernde Mitkopplung.
Durch eine solche Mitkopplung lässt sich, wie bis her nur bei analog arbeitenden Reglern bekannt und auch vielfach verwirklicht, eine verstärkte Aenderung der Regelgrösse vortäuschen, derart, dass sich schon bei entsprechend kleinerer tatsächlicher Regelgrös- senänderung die erforderliche Aenderung der Stell- grösse ergibt. Die Erfindung kann u. a. in der Weise verwirklicht werden, dass die durch die Mitkopplung gelieferte Grösse in die Form eines Zeitintervalles gebracht wird. Letzteres kann dann z.
B. an das Zählketteneinzählintervall des digitalen Reglers addi tiv oder subtraktiv angefügt werden.
Die Impulsfrequenz, als welche die Regelgrösse bei einem digitalen Regler gawöhnlich dargestellt wird, muss aber nicht unbedingt während eines kon stanten oder vorherbestimmten Zeitintervalles in eine Zählkette einzählen, sondern die durch die Impuls frequenz gegebene Regelgrösse kann, wie noch erläu tert werden wird, selbst durch Einzählen der Impulse in eine vorgeschaltete Zählkette in ein Zeitintervall verwandelt werden. Die Vortäuschung einer ver stärkten Änderung der Regelgrösse kann dann u. a.
so erfolgen dass die von der Mitkopplung gelieferte Grösse in ein Zeitintervall verwandelt und letzteres an das Zeitintervall additiv oder subtraktiv angefügt wird, in welches die Regelgrösse verwandelt wurde. Dieses Zeitintervall, bzw. bei Mitkopplung das resul tierende, entsprechend stärkere Schwankungen auf weisende Zeitintervall kann dann die Einzähldauer darstellen, während welcher eine andere, z.
B. feste Impulsfrequenz in eine (zweite) Zählkette einzählt, und auf diese Weise die Stellgrösse bestimmen, und zwar entweder in Abhängigkeit davon, ob dabei die Zählkette volläuft oder nicht (Zweipunktregler) oder aber in Abhängigkeit davon, wie weit sie dabei sich füllt bzw. leerbleibt (Mehrpunkt- bzw. stetigähnlicher Regler).
Je ein die eine bzw. die andere dieser beiden letzteren Möglichkeiten verkörperndes Ausführungs- beispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. 1 und 2 bzw. der Fig. 1 und 3 der Zeichnungen eingehend beschrieben.
Die Einzählung in die Zählkette 10 erfolgt, wie bereits angedeutet und an sich bekannt, bei beiden Beispielen auf indirektem Weg. Das heisst, dass jene Frequenz, in die die Regelgrösse umgesetzt wird (z. B. Drehzahlregelung - optischer oder magneti scher Drehzahlgeber), nur zur Steuerung des Begin- nes und des Endes des Einzählens in die Zählkette 10 herangezogen wird, die Einzählung selbst jedoch nicht von der genannten Frequenz, sondern von einer fremden Leitfrequenz besorgt wird.
Es wird ferner bei allen Sollwerten (Führungswerten) mit konstanter Zählkettenlänge (die Zählkettenlänge kann - ausge drückt in den speicherfähigen Impulsen - jede ganze Zahl betragen) gearbeitet, der Sollwert also durch Variation der Leitfrequenz eingestellt. Diese gleich falls schon bekannte Massnahme entlastet somit die Zählkette von der Eingabe des Sollwertes. Durch die Veränderung der Einzählfrequenz wird ein weiterer Freiheitsgrad für die Messung bzw. Dimensionierung der Bauelemente ausgenützt.
Der Verzicht auf abso lute Genauigkeit der Leitfrequenz (z. B. quarzstabili- sierte Frequenz) und somit der Regelgrösse ist für manche Regelungen (z. B. Gleichlaufregelungen) ohne Belang. Durch die Vorgabe des Sollwertes in Form einer verstellbaren Frequenz anstelle einer variablen Kettenlänge ergibt sich eine weit einfachere Sollwertverteilung zu mehreren Regelungen mit glei chem Sollwert (z. B. Gleichlaufregelung) als bei Ver teilung des Sollwertes in codierter Form.
Durch die konstante Kettenlänge ist weiter Pro portionalität zwischen Leitfrequenz und Regelgrös- sensollwert gegeben. Dies ermöglicht eine einfache Ausführung einer überlagerten Integralregelung (z. B. Winkelregelung bei Drehzahl-Proportional-Rege- lung).
Durch Konstanthaltung der Kettenlänge ist es ferner möglich, unmittelbar die Abweichung anstelle der Regelgrösse in digitaler Form zu berechnen.
Da die Frequenz des Gebers nur den Zeitpunkt des Beginnes und das Ende der Einzählung der Leit- frequenz bestimmt, gibt die Regelgrösse über die zu ihr proportionale Ist-Frequenz also ein ihrem Wert verkehrt proportionales Zeitintervall. Die Regel grösse ist daher entweder in eine ihr proportionale Frequenz oder in ein ihr verkehrt proportionales Zeitintervall umzuformen.
Die Höhe der Frequenz des Gebers, der Ist-Fre- quenz, hat somit keine unmittelbare Bedeutung für die Genauigkeit der Regelung, sie kann in jenen Grössen gewählt werden, für die der Geber oder die Umwandlungseinrichtung am sichersten und einfach sten gebaut werden kann.
In Fig. 1 ist als Blockschaltbild ein Ausführungs- beispiel für eine Schaltung zur Auswahl des Zeitin tervalls gezeigt, das der Regelgrösse umgekehrt pro- portiolial ist, wenn die Regelgrösse in eine Frequenz umgewandelt vorliegt. Die Fig.2 gibt das Block schaltbild für einen proportional wirkenden digitalen Zweipunktregler wieder. In Fig. 3 ist die Schaltung für proportional wirkende digitale Mehrpunkt- oder stetigähnliche Regler dargestellt.
Fig. 1 gibt die Auswahl des Zeitintervalls an, das seiner Länge nach der Geberfrequenz (Ist-Frequenz) umgekehrt proportional ist, und trägt der Forderung nach möglichst kleiner Zugriffszeit Rechnung. Unter Zugriffszeit ist jene Totzeit zu verstehen, die ver streicht von dem Befehl zur Einzählung (der bei spielsweise in zeitlichem Zusammenhang mit einer zeitlich unstetigen, z. B. durch einen Stromrichter erzeugten Stehgrösse gebracht wird) bis zur tatsächli chen Freigabe der Einzählung durch den nächstfol genden Impuls der Ist-Frequenz.
Der Speicher 1 (Flip-flop, bistabiler Multivibrator mit getrennten Eingängen) erhält über Leitung 5 den Befehl, ab dem nächsten Impuls der Regelgrössen-Frequenz (Ist-Fre- quenz), die am Eingang 6 des Und-Gatters 2 anliegt, in die Zählkette 3 einzuzählen. Mit dem ersten Impuls, der von Leitung 6 durch das Und-Gatter 2 auf die Zählkette 3 gelangt, wird auch der Speicher 4 beaufschlagt. Das Fassungsvermögen der Zählkette 3 wird der Istfrequenz so angepasst,
dass sich ein Messintervall geeigneter Länge ergibt. Durch das Vollaufen der Zählkette 3 wird einerseits der Spei cher 1 rückgestellt und demzufolge die Einzählung vom Und-Gatter 2 unterbrochen, anderseits auch der Speicher 4 rückgestellt. An Punkt 7, dem Ausgang des Speichers 4, wird das gewünschte Zeitintervall abgegriffen. Die Aufeinanderfolge dieser Einzählin- tervalle kann dabei durch eine beliebige externe Impulsfolge (an Leitung 5) festgelegt sein.
Fig. 2 gibt eine digitale Zweipunktregelung wie der. Ohne die Elemente 11 und 8 wird für die Dauer des Zeitintervalls, in das die Regelgrösse über die Ist-Frequenz verwandelt wurde (Spannungsverlauf an Punkt 7), über das Und-Gatter 9 die Einzählung von der Leitfrequenz an Punkt 12 in die Zählkette 10 freigegeben. In Abhängigkeit von Vorzeichen der Regelabweichung erscheint am Ausgang 15 ein Sig nal. Bei geschlossenem Regelkreis (Anschluss eines Stellgliedes an Punkt 15) sind Leitfrequenz (an Punkt 12) und Ist-Frequenz (an Punkt 6) - abgesehen von kleinen bleibenden Abweichungen - einander pro portional.
Die Genauigkeit jeder einzelnen Zwei punkt-Entscheidung an Punkt 15 wird vom Einzähl- fehler (Zählkette 10) und von der Genauigkeit der vorangegangenen Umwandlung bestimmt. Somit zeigt bei geschlossenem Regelkreis die Regelgrösse (zu nächst noch ohne die Glieder 11 und 8) im Wir- kungsbereich des Zweipunktreglers jene Statik (blei bende Regelabweichung) und somit jene Genauigkeit die durch den Einzählfehler und die Ungenauigkeiten der Umsetzung Regelgrösse - Ist-Frequenz gegeben ist. Sie liegt in der Grössenordnung von 2.10-3.
Die nahezu vollkommene Ausgleichung (bis auf Fehler in der Grössenordnung 10-n dieser blei benden Regelabweichung, die sich über den gesamten Fehlerbereich erstreckt, erfolgt - bei gleichen Ein zählfrequenzen, Einzählintervallen und Kettenlängen - hier durch eine Mitkopplungsschleife, bestehend aus dem Glied 11 und dem Summierelement 8, bei kaum erhöhtem Aufwand. Im Fall der periodischen Abtastung gleicher Geber-Marken (z. B. Drehzahlge ber bei Drehzahlregelungen) werden in diesen Aus gleich auch die Fehler des Gebers einbezogen.
Der Gedanke, den ursprünglichen, wenigstens zu einem beträchtlichen Teil durch statistische Ursachen bedingten Fehler durch eine Mitkopplung stark zu verkleinern ist samt seinen aus dem Nachstehenden sich ergebenden Ausgestaltungen auch bei digitalen Reglern anderer als der vorbeschriebenen Art an wendbar. Im Element 11 wird zunächst mit einem Inte- grierglied auf bekannte Art und Weise der (arithmeti sche) Mittelwert der Ausgangsgrösse an Punkt 15, die eine Spannung mit rechteckigem Verlauf darstellt, gebildet. Der so erhaltene Mittelwert wird des weite ren im Element 11 nach einem bekannten Verfahren (z.
B. indirekte Zeitbasisumsetzung einer A-D-Um- setzung) in ein proportionales Zeitintervall verwan delt. Letzteres wird im Summierelement 8 an das In tervall von Punkt 7 angefügt. Die Mitkopplungs- schleife bestehend aus dem Element 11, enthält nor malerweise lineare Elemente, doch kann die Umset zung im Element 11 auch unter Zwischenschaltung von Funktionsgeneratoren zur besseren Anpassung und zu noch höherer Genauigkeit erfolgen.
Die Mit kopplungsschleife dient zur Erhöhung der Verstär kung, indem sie den Einzählfehler in Zählkette 10 und den Fehler des Regelgrössengebers weitgehend ausgleicht.
Der arithmetische Mittelwert der Ausgangsgrösse an Punkt 15 ist im statistischen Mittel von Störgrös- sen (Temperatur, Alterung etc.) unabhängig. Die Ge nauigkeit der Regelung wird also nur mehr durch das Element 11 vorgegeben. Die Genauigkeitsschwan kungen im Element 11 (zeitliche Inkonstanz etc.) wir ken sich aber auf die Genauigkeit der Regelung erst in Kleinheiten zweiter Ordnung aus. Da der Aufwand für das Element 11 sehr klein (im Vergleich zu dem ohnhein schon geringen Gesamtaufwand daher ver schwindend klein) ist, können überdies schwach stromtechnische Bauelemente höherer Konstanz zur Anwendung gelangen.
In ähnlicher Weise kann durch das Element 11 statt der Freigabe einer weiteren Einzählung von der Leitfrequenz an Eingang 12 eine Einzählung einer konstanten oder von Störgrössen beeinflussbaren Frequenz an Eingang 17 erfolgen.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass die Mit kopplungsschleife an den Ausgang der Zählkette 10 angeschlossen ist. Sie könnte vielmehr z. B. auch von einer Stellgrösse, etwa vom Anker- oder Feldkreis einer elektrischen Maschine gespeist werden.
Nach Beendigung des Rechenprogrammes wird die Zählkette 10 über Anschluss 13 rückgestellt (ge löscht). Die Eingänge 14 (unmittelbare Eingänge an die Zählkettenelemente) sind vorgesehen für die Paralleleingabe einer (codierten) Zahl im Anschluss an die Löschung der Zählkette 10. Diese Eingabe kann in jedes oder nur in jedes n-te Rechenpro gramm (bei entsprechend feiner gewünschter Einstel lung) erfolgen.
Durch diese Massnahme ist die Mög lichkeit einer Beaufschlagung der Proportional-Rege- lung gegeben und zwar durch Resultate einer Inte- gral-Messung oder -Regelung (z.
B. einer solchen ge- mäss Schweizer Patent Nr. 425 962 (unsere Schwei zer Anmeldung 4127;63 Digitaler Integral-Reg- ler gleichen Datums 2. 4. 1963 und gleicher Priori tät [3.4. 62]) weiter die Möglichkeit für eine Er fassung von Walzgutschlingen, für Uebersetzungsver- hältnis- oder Uebersetzungsunterschi; dseinstellung unabhängig vom Sollwert (z. B. für Gleichlaufrege- lungen) sowie für vorübergehende Justierung oder Kor rektur der Phasenlage.
Die P-Regelung kann gege benenfalls auch durch schwache Verlängerung oder Verkürzung der Oeffnungszeit der Einzähldauer in Kette 10 über Eingang 16 beeinflusst werden.
Diese Anordnungen von Zweipunktreglern erzie len durch ihre rasche Schaltfolge trotz unstetiger Arbeitsweise nahezu stetige Regelvorgänge. Schwan kungen der Regelgrösse zufolge der starken Arbeits bewegung des Reglers treten auch bei kleinen Zeit konstanten der Regelstrecke nicht auf.
Fig. 3 veranschaulicht als weiteres Ausführungs beispiel der Erfindung einen digitalen Mehrpunkt oder stetigähnlichen Regler. Während in Schaltung nach Fig. 2 nur der Eintritt d s Erreichens der vollen Kettenlänge in jedem Einzählintervall festgestellt und nach dem Zweipunktprinzip weiter verarbeitet wird, erfolgt in der Schaltung nach Fig. 3 nicht nur die digitale Berechnung der jeweiligen Grösse der Ab weichung, sondern auch die digitale Bewertung.
Der Gedanke, die Abweichung nicht analog son dern digital zu bewerten bzw. weiterzuverarbeiten, ist samt seinen sich aus dem Nachstehenden ergebenden Ausgestaltungen nicht nur bei digitalen Proportional- reglern, sondern auch bei digitalen Reglern anderer Art, z. B. auch bei digitalen Integralreglern, anwend bar.
Nach vollendeter Messeinzählung mit der Leit- frequenz von Punkt 12 in die Zählkette 10 (siehe Fig. 3), deren Dauer von Leitung 7 wie in Fig. 2 be stimmt ist, verbleibt darin eine Zahl, die der Regel abweichung proportional ist. Anstelle der Löschung der Zählkette 10 durch Löschimpulse nach vollende- ter Einzählung mit der Leitfrequenz von Punkt 12 wird nun mit einer fremden Hilfsfrequenz von Punkt 23 bis zum Vollaufen der Zählkette 10 weitergezählt. Das Zeitintervall für dieses Vollaufen ist somit pro portional der Regelabweichung.
Der Beginn des Zeit intervalls zum Vollaufen wird von Punkt 26 aus ge geben (z. B. synchron zur Netz- bzw. Speisespannung bei Verwendung von Stromrichtern oder Schaltver- stärkern anderer Art als Stellglied). Das Zeitintervall zum Vollzählen, das Mass für die Regelabweichung, erscheint an dem Ausgang 25 des Speichers 24 und wird dem Stellglied (z. B. einem Stromrichter unmit telbar zur Zündpunktverschiebung oder etwa einem Schaltverstärker zur Schaltphasenverschiebung) zu geführt.
(Es wird also eine Digital-Analog-Umsetzung vermieden, wie sie sonst z. B. bei Beeinflussung eines Gittersteuersatzes vorgenommen wurde.) Eine zu kleine Regelgrösse bedingt (über Leitung 7) eine ver längerte Einzählung, die verbleibende Zahl in der Zählkette 10 wird kleiner und somit die Dauer zum Vollaufen (und z. B. die Zündverzögerung bei Strom richtern) kürzer.
In Zählkette 10 wird also nicht nur die Regelabweichung, sondern auch die Stellgrösse (in Form des Zeitintervalls zum Vollaufen) auf digi taler Basis ermittelt. über die Mitkopplungsschleife (Element 18 entsprechend 11 in Fig. 2) wird die Ver stärkung dieses Proportionalreglers erhöht. Ähnlich wie schon zu Fig. 2 erklärt, wird bei kleiner werden dem Intervall am Ausgang 25 und daher (die beiden Ausgänge des Speichers 24 sind zueinander komple mentär, siehe z.
B. bistabiler Multivibrator) grösser werdendem Intervall an dem zweiten Ausgang des Speichers 24 (gleich dem Eingang zu Element 18) die Einzähldauer im Summierglied 8 zur Verkleinerung der Statik des Reglers erhöht.
Der Vorgang des Vollaufens kann auch in einer getrennten Hilfszählkette mit passendem (z. B. glei chem) Fassungsvermögen wie Zählkette 10 stattfin den, wenn nach beendeter Mess-Einzählung die in Zählkette 10 verbleibende Zahl in die leere Hilfs- zählkette parallel übertragen wird und die Frequenz von Punkt 23 diese Hilfszählkette vollzählt.
Sämtliche angegebene Reglertypen können in Überlagerung zu (z. B. analogen) Grundregelungen verwendet werden. Das heisst, dass eine stetige Grundregelung im Stationärbetrieb in Hinblick auf möglichst gleichförmige Stehgrösse einen Grossteil der Stellenergie zugeordnet erhält, der digitale Regler nur über den verbleibenden Rest in unstetiger bis stetigähnlicher Art verfügt. Eine Bereichsumschal tung für die Stehenergie kann zusätzlich in Abhän gigkeit von der Proportional-Abweichung oder von höheren Abweichungen erfolgen.
Übersetzungsunterschiede können, abgesehen von der Möglichkeit, die Umsetzung der Regelgrösse in die Istfrequenz zu variieren im Zuge der Verteilung des Sollwertes (z. B. bei Gleichlaufregelungen) durch Frequenzteiler oder -vervielfacher eingestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich natürlich nicht nur mit binären Zähleinrichtungen verwirklichen, sondern auch in dekadischen oder an deren Zählsystemen beliebiger Codierung. Als Zähle lemente können - ebenso wie bistabile Speicher auch Zählrohre (Dekatrons, Trochotrons etc.) Ver wendung finden.
Durch Anwendung von Zeitbündelung (Multi plexsystem) ist es möglich, einen einzigen erfindungs gemässen Digitalregler mehrere Regelstrecken regeln zu lassen.