Elektrisches Regelverfahren Die Erfindung betrifft ein elektrisches Regelver fahren mit impulsbreiten-modulierter Steuerung eines Motors, bei welchem ein stetiges elektrisches Regel signal einer Regeleinrichtung zugeführt wird, die aus einem elektronischen Verstärker samt einer Schalt einrichtung mit zwei stabilen Zuständen besteht, wel che Regeleinrichtung einerseits im Sinne einer Ein- Aus-Regelung periodisch einen Stellantrieb steuert und andererseits im gleichen Rhythmus eine verzö gerte Rückführung beaufschlagt,
derart, dass das stetige Regelsignal in ein entsprechendes zeitmodu liertes Impulssignal umgewandelt wird.
Regler dieser Art sind an sich bekannt. Beispiels weise sind Regler bekannt, bei welchen das Stell glied im wesentlichen nur eine von zwei diskreten Stellungen einnehmen kann (Auf-Zu-Regelung), wobei der Regler nach Massgabe der jeweiligen Regelab weichung und seiner Übertragungsfunktion die zeit liche Umschaltung zwischen den diskreten Stellungen des Regelorgans (Stellglieds) beeinflusst. Hierbei wird also nicht, wie bei dem Prinzip der Stellungsmodu lation, das Stellglied nach Massgabe der jeweiligen Regelabweichung und der Übertragungsfunktion des Reglers innerhalb eines kontinuierlichen Stellbereichs verstellt, sondern. lediglich zwischen seinen stabilen Zuständen in zeitmodulierter Weise umgeschaltet.
Diese Regeleinrichtungen haben aber den Nach teil, dass der Stellmotor unausgesetzt in zwei Extrem stellungen gebracht wird, und sich daher rasch ab nützt, ganz abgesehen von der unvermeidlichen Ge räuschbildung dieser Regelart.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein verbes serter, in seinem Aufbau einfacher und störsicherer Regler dieser Art geschaffen werden, der insbeson dere auch als PI-Regler ausgebildet werden kann, und zwar erforderlichenfalls auch für lange Zeit konstanten.
Das elektrische Regelverfahren gemäss der Er findung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Steuerstrom synchron beaufschlagte Rückführung wenigstens eine Verstärkerstufe ganz überbrückt und die Rückführungsgrösse der betreffenden Verstärker stufe zusammen mit dem Regelsignal zugeführt wird. Auf diese Weise werden die Vorteile einer Stellungs modulation des Motors mit einer Zeitmodulation des Regelsignales verbunden, und es wird möglich, viel einfachere und billigere Stellmotoren als bisher, z.B. Elektromagnete, für Stellungsmodulation zu ver wenden.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild eines Reglers gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ein Schaltbild einer abgewandelten Aus führungsform, wobei jedoch der Verstärker der er sten Ausführungsform weggelassen wurde.
Fig. 1 zeigt einen Regler der aus drei Teilen A, B und C besteht. Der erste Teil A ist eine Mess- brücke, mit dem Widerstandsthermometer 1 und einem festen Widerstand 4, die mit einem Einstell- potentiometer 160 in ein Gehäuse zusammengebaut sind welches beispielsweise einer zu regelnden Raum temperatur ausgesetzt ist. Dieser Teil der Messbrücke ist mit dem eigentlichen Regler durch Fernleitungen verbunden, die durch drei strichlierte Linien darge stellt sind.
Im Regler selbst ist der zweite Teil der Messbrücke enthalten, der aus den festen Widerstän den 2 und 3 und einem weiteren Einstellpotentiometer 161 besteht. Die Messbrücke A wird von der Se kundärwindung 6 des Transformators 7 gespeist. Ein Vorwiderstand 162 begrenzt den Kurzschlusstrom und ein Glied 164 erleichtert die Abgleichung während des Betriebes.
Der Ausgang der Brücke A ist mit dem Eingang des Messwerttransformators 163 verbunden, dessen Ausgang seinerseits mit der Röhre 23, die als Phasen- diskriminator dient, und den Widerständen 28 und 166 verbunden ist.
Die beiden Anoden der Röhre 23 werden mit Wechselstrom der um 180 Grad gegeneinander phase- verschoben ist von den Windungen 24 und 25 des Transformators 7 gespeist. Diese Windungen 24 und 25 sind über zwei Widerstände 26 und 27 und dem Einstellpotentiometer 167 mit den beiden Kathoden der Röhre 23 verbunden.
Wenn den Gittern dieser Röhre kein Wechselstrom zugeleitet wird, so ist das Potentiometer 167 derart abzugleichen, dass gleiche Anodenströme auftreten und daher auch keinerlei Spannung an den Enden der Widerstände 26 und 27 erscheint, da die Spannungen an diesen Widerständen entgegengesetzt gleich sind. Die Kondensatoren 30 und 31 glätten die Spannung. Die Phase der Span nung welche dem Gitter der Röhre 23 zugeführt wird hängt davon ab ob die Temperatur des Widerstands thermometers 1 grösser oder kleiner als der einge stellte Regelwert ist.
Bei entsprechender Verbindung der Wicklung 6 mit der Messbrücke kann die Span nung, welche an den Widerständen 26 und 27 erzeugt wird, so gewählt werden, dass das obere Ende der Widerstände 26 und 27 positiv ist, wenn die gere gelte Temperatur zu hoch ist.
Wenn das obere Ende der Widerstände 26 und 27 negativ ist, dann wird der Istwert der geregelten Temperatur unter dem Sollwert liegen. Der Mess wert an den Widerständen 26 und 27 ist daher pro portional der Abweichung der Temperaturen vom Sollwert. Der Proportionalanteil des Reglers kann durch ein Potentiometer erhalten werden, das nicht dargestellt ist aber z.B. der Sekundärwicklung des Transformators 163 parallelgeschaltet ist. Wenn keine Abweichung vom eingestellten Sollwert auftritt, dann ist die Summe der Spannungen und den Widerständen 26 und 27 gleich Null. Das proportionale Signal der Sektion B des Reglers wird der Sektion C zugeführt.
Der Spannungsabfall an den Widerständen 26 und 27 liegt direkt im Gitterkreis der Pentodenröhre-44, in Reihe mit den Widerständen 54, 53, über welche eine Rückführspannung in den Gitterkreis eingespeist wird, wie weiter unten noch beschrieben wird. In Reihe mit der Kathode ist noch ein Gegenkopplungs- widerstand 51 vorgesehen.
Die Anodenspannung der Pentodenröhre 44 wird aus der Wicklung 170 des Transformators 7 durch die als Gleichrichter betriebene linke Hälfte der Triode<B>171</B> erzeugt; zur Glättung ist ein Kondensator 172 vorgesehen. Die negative Seite dieses Konden- sators <B>172</B> ist über den Kathodenwiderstand 51 mit der Kathode der Röhre 44 verbunden, die positive Seite des Kondensators liegt über einen Lastwider stand 173 und der Anode der Röhre 44.
Des weiteren liegt über dem Kondensator 172 ein Spannungsteiler aus Widerständen 174, 175 u. dem bereits erwähnten Kathodenwiderstand 51; dieser Spannungsteiler dient zur Vorspannung der Gitter der Röhre 44; der durch den Kathodenwiderstand 51 fliessende Strom erzeugt eine Vorspannung für das Steuergitter der Röhre 44; an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 174 und 175 wird die Schirmgittervorspannung ab genommen.
Die rechte Seite der Doppelröhre 171 wird aus einer Transformatorwicklung 178 gespeist und be tätigt die Erregerwicklung eines Relais 260 mit zwei Schaltarmen 261, 262. Der Anodenstromkreis der rechten Röhrenhälfte 171 wird durch einen Kathoden widerstand 181 geschlossen, der eine Gegenkopplung ergibt. Die am Gitter dieser Triodenröhre liegende Spannung entspricht der Differenz des Spannungs abfalls am oberen Teil des Potentiometers 174 und des Spannungsabfalls des Anodenwiderstandes 173 der Pentodenröhre 44.
Der Kontaktarm 261 des Relais 260 schaltet den (nicht dargestellten) Stellantrieb des ebenfalls nicht dargestellten Stellgliedes im Sinne eines Zweipunkt reglers ein und aus. Ein, weiterer Kontaktarm 262 des Relais 260 schaltet, im gleichen Rhythmus wie diese Stellgliedbetätigung, eine von einer Netztransfor- matorwicklung 57 über einen Gleichrichter 265 ge- Jieferte konstante Gleichspannung an den Rückführ- kreis des Reglers an bzw. von ihm ab.
Dieser Rückführkreis weist ein verzögerndes RC-Glied mit einem Kondensator 263 und einem Widerstand 264 auf, das die Umschaltung gemäss dem impulsartigen Betrieb des Reglers bewirkt und die Frequenz dieser Umschaltungen bestimmt. Aus- serdem weist der Rückführzweig ein nachgebendes RC-Glied mit einem Kondensator 52 und dem akti ven Teil der Widerstände 53 und 54 auf;
dieses nach gebende (differenzierende) Rückführglied führt einen Integralterm in die Übertragungsfunktion des Reglers ein, wodurch dieser ein PI-Verhalten erhält.
Die im Kathoden-Gitterkreis der Röhre 44 lie genden Widerstände 53, 54 dienen gleichzeitig zur Einspeisung der Rückführgrösse in den Eingangs kreis der Röhre 44. Die sich mit diesem Rück führzweig ergebende Wirkungsweise des Reglers ist wie folgt: Wenn die Kontakte 262 den Rück führkreis an den Gleichrichter 265 anschalten, so er höht sich die Ladung des Kondensators 263 und damit die Spannung an den Widerständen 53 und 54, der art, dass schliesslich das Relais 260 durch die Regel verstärkerstufen 44, 171 betätigt und der Kontakt arm 262 auf den unteren Kontakt umgeschaltet wird, wodurch der Rückführzweig von der Gleichstrom quelle 265, 57 abgeschaltet wird.
Der Kondensator 263, der wesentlich kleiner als der Kondensator 52 ist, entlädt sich langsam. Dieser Zyklus ergibt eine Ein- und Ausschaltung von gleicher Dauer, wenn am wirksamen Teil der Widerstände 53 und 54 eine Spannung besteht, die halb so gross ist wie die Span nung am Gleichrichter 265.
Sobald an den Widerständen 26 und 27 infolge einer Regelabweichung eine Zusatzspannung auftritt, kommt diese im Gitterkreis der Röhre zur Auswir kung, so dass die Kontakte länger als die halbe Zeit offen oder geschlossen gehalten werden. Ausserdem wird die Ladung am Kondensator 52 falls dieser vor handen ist (unnötig für Proportionalregler) all mählich wegintegriert und auf diese Weise die sonst unvermeidliche Verschiebung des Regelpunktes ver hindert.
Man erkennt, dass die beschriebene Regeleinrich- tung nur zwei stabile Zustände besitzt und nach Massgabe der jeweiligen Regelabweichung und seiner Übertragungsfunktion die zeitliche Umschaltung zwi schen den diskreten Stellungen des Regelorgans be einflusst. Die beschriebene Einrichtung oszilliert mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen den beiden Stellungen der Schalteinrichtung, wobei der relative Anteil der beiden Perioden durch den Regelvorgang verändert wird, während die Frequenz des aus beiden Perioden zusammen gebildeten Arbeitszyklus im we sentlichen unverändert bleibt.
An die beschriebene Einrichtung kann jeder be liebige Stellmotor, z.B. ein Elektromagnet, ange schlossen werden, und es ist anderseits offensichtlich möglich, die Frequenz des Arbeitszyklus so hoch zu wählen, dass der Stellmotor einer stetigen Modulation der Stellung unterzogen wird und zufolge seiner Masse und Dämpfung selber nicht mehr oszilliert. Ein solcher Regler vereint die Vorteile der Lage- und Zeitmodulation.
Insbesondere ist es für die Stabilität des Regelkreises wichtig, dass ein solches Regelver fahren keine tote Regelzone in der Nähe des einge stellten Regelwertes besitzt und daher eine unbe grenzte Empfindlichkeit besitzt, was bei der normalen Umsteuerung von Elektromotoren unmöglich ist.
Fig. 2 zeigt eine geringfügig abgewandelte Aus führungsform eines derartigen Reglers, unter Ein beziehung des der Bildung des Regelabweichungs- signals dienenden Teils der Schaltung.
Das Regelabweichungssignal wird in einer Gleich strombrücke 200 erzeugt, welche in ihrem einen Arm einen Thermistor 201 als Messwertfühler und -wandler aufweist. Die Brücke 200 wird aus einer Netztransformatorwicklung <B>101</B> über eine Gleichrich- terbrücke 103 mit Gleichstrom gespeist.
Die an den Diagonalpunkten 202 und 203 der Messbrücke auf tretende Ausgangsspannung ist der jeweiligen Regel abweichung nach Grösse und Vorzeichen proportio nal und wird einem Potentiometer 236 zugeführt, des sen Abgriff mit dem Eingang des Regelverstärkers verbunden ist. Die an dem Potentiometer 236 in Fig. 2 abgegriffene Spannung entspricht der den Widerständen 26, 27 bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 zugeführten Spannung und stellt den Proportionalanteil dar.
Der Regelverstärker mit der von dem kombi nierten Regelabweich- und Rückführsignal gesteuer ten Pentode 44 und der Doppeltriode 171 ist bis auf die weiter unten erläuterte abgewandelte Ausbildung des Gitterkreises der Röhre 44 in gleicher Weise auf gebaut wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Wie dort ist im Ausgangskreis des Regelverstärkers die Erregerwicklung 260 eines Relais angeordnet, dessen einer Kontaktarm 261 die Ein- bzw.
Abschal tung des Stehantriebs und dessen anderer Kontakt arm 262 wiederum die periodische Auf- und Ab schaltung der von dem Schaltungsteil 157, 265 ge lieferten konstanten Gleichspannung an den Rück führkreis bewirkt.
Der Rückführkreis besteht wiederum, wie in Fig. 1, im wesentlichen aus zwei RC-Rückführgliedern, näm lich einem verzögernden Rückführglied aus dem Kondensator 263 und dem Widerstand 264, das im wesentlichen die Frequenz der Umschaltung des puls- förmig betriebenen, grundsätzlich als Proportional regler arbeitenden Auf-Zu-Reglers bestimmt, und wenn zusätzlich erwünscht einem nachgebenden (dif ferenzierenden) Rückführglied aus dem Kondensator 52 und dem aktiven Teil der Widerstände 55, 56 bzw.
54, 53, das wiederum der Einführung eines Inte- gral-Terms in die Reglerfunktion dient und diesem ein PI-Verhalten verleiht.
Das Netzwerk zur Einspeisung der Rückführ- spannung in den Gitterkreis und zur Konbination der Rückführspannung mit dem Proportionalelement ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ge ringfügig abgewandelt. Dieser Gitterkreis weist ein Widerstandsnetzwerk 53 bis 56 auf, in welchem das an dem Potentiometer 236 abgegriffene Proportional element aufgeteilt und mit dem Rückführsignal kom biniert wird.
Die Widerstände 54 und 55 sind zweck- mässig gleich gross und die veränderbaren Wider stände 53 und 56 zur gemeinsamen Verstellung me chanisch gekuppelt, derart, dass immer der gleiche Anteil dieser beiden Widerstände stromdurchflossen ist;
hierdurch wird erreicht, dass jeweils stets die Hälfte der Proportionalelementspannung an den Widerständen 53 und 54 abfällt und in Kombination mit dem über die Widerstände 56, 55 eingespeisten Rückführsignal die Gitterspannung der Pentoden- röhre 44 beeinflusst. Wie in Fig. 1 ist ein fester Ka thodenwiderstand 51 zur Gittervorspannung vorge sehen;
die Schirmgitterspannung wird an dem Span- nungsteiler 174, 175, abgeriffen.
Hinsichtlich der Wirkungsweise stimmt das in Fig. 2 beschriebene Ausführungsbeispiel mit dem nach Fig. 1 im wesentlichen überein.