DK143217B - Reguleringsindretning til reguleringsstraekninger med lagerelementer - Google Patents

Description

i 143217

Opfindelsen vedrører en reguleringsindretning til reguleringsstrækninger med lagerelementer, hvilken indretning omfatter en reguleringskreds med impulsbredde-moduleret indstillingsstørrelse, og et indstillingsele-5 ment med to stillinger, hvis indstilling indvirker direkte på reguleringsstrækningen og forsinket på reguleringsstørrelsen. En reguleringsstræknings eller et reguleret anlægs lager elmenter kan oplagre reguleringsstørrelseme .Det kan eksempelvis være gas- eller væskevolumener,kinetiske svingmasser el-10 ler elektriske ladningskapaciteter, der optræder som energioplagringselementer mellem indstillingselementet og målestedet for er-værdien. Matematisk betegnes reguleringsstrækninger med lagerelementer som reguleringsstrækninger af anden eller højere orden.

15 Ved reguleringsstrækninger, ved hvilke forstyrrel sesstørrelser samlet indvirker nedsættende på værdien af reguleringsstørrelsen, er det kendt kun at indvirke på den værdiforøgende tilførsel over indstillingselementet.

Denne tilførsel holdes ved reguleringen i ligevægt med 20 de værdinedsættende forstyrrelsesstørrelser, altså behovet. Ved regulering af eksempelvis et varmeanlæg er det ofte tilstrækkeligt at styre varmetilførslen i afhængighed af reguleringsstørrelsen, som her er proportional med den virkelige temperatur, dvs. er-værdien.

25 Det er derimod ikke nødvendigt at fjerne energi, dvs. varme, fra anlægget, fordi overskudsvarme forsvinder af sig selv, når der ikke tilføres energi. En til/fra-ter-mostatregulator er et typisk eksempel på en sådan regulator, der intermitterende tilfører energi med en mid-30 delhastighed, som er tilstrækkelig til at opveje det kontinuerlige varmetab. En høj reguleringsgodhed kræver umiddelbar tilpasning af tilførslen til behovet og derfor en direkte reguleringsindretning, hvor indstillingsstørrelsen er knyttet direkte til reguleringsafvigel-35 sen, og hvor der i idealtilfældet sker en direkte og forsinkelsesfri reaktion på uønskede ændringer i det regulerede anlæg. Lagerelementerne gør det nødvendigt ved udmåling af tilførslen yderligere at tage hensyn 2 143217 til det ved reguleringsforløbet optrædende dynamiske behov eller lageroverskuddet. I denne forbindelse er forskellen mellem lagrenes tidskonstanter ved opladning (behovet) og afladning (overskuddet) af afgørende betyd-5 ning. Med tiltagende forskel får nemlig reguleringsstrækningens karakteristik et degressivt forløb, når reguleringsstørrelsen afsættes som funktion af en impuls-breddemoduleret indstillingsstørrelse, hvilket vil sige, at en aftagende værdi af indstillingsstørrelsen har en 10 mere end proportional indvirkning på reguleringsstørrelsen.

Forskelle mellem opladningstidskonstanterne og afladningstidskonstanterne opstår navnlig, når der skal ske en hurtig udregulering af de værdiformindskende for-15 styrrelsesstørrelser. Der optræder også forskelle ved sådanne reguleringsstrækninger, hvor forstyrrelsesstørrelserne ændrer afladningstiden.

Til regulering af reguleringsstrækninger med lagerelementer er navnlig reguleringskredse med impulsbredde-20 moduleret indstillingsstørrelse egnede. De muliggør anvendelse af enkle indstillingselementer med to stillinger og uden vedvarende drift, speciel karakteristik og frihed for hysterese, som det kræves ved andre reguleringskredse. Den impulsbreddemodulerede indstillings-25 størrelse har endvidere de fordele, at den til hurtig udregulering tilslutter reguleringsstrækningen direkte til kilden for reguleringsstørrelsen, og at impulspausen står til rådighed for indstillingsimpulsværdiens indvirkning på reguleringsstørrelsen. Denne indvirkning har 30 allerede indflydelse på den næste indstillingsimpulsværdi, før denne indvirker på reguleringsstrækningen. Gennem lagerelementerne og et rigtigt valgt impulsfrekvensområde opstår der trods en pulserende indstillingsstørrelse en praktisk talt kontinuerlig reguleringsstørrel-35 se.

Indstillingsværdien bestemmes, ved impulsbredde-modulation, af indstillingsimpulsens tidsvarighed. Med hver indstillingsimpuls bliver reguleringsstørrelsens 143217 3 kilde sluttet direkte til reguleringsstrækningen, og den adskilles igen fra denne ved hver impulspause. Da imidlertid kilden skal være beregnet på det største behov, og der skal ske en hurtig udregulering, er ladetids-5 konstanten tilsvarende lille. Afladetidskonstanten er derved altid større end ladetidskonstanten, så at reguleringsstrækningens karakteristik får det nævnte degressive forløb. Anvendes der til reguleringen en kendt direkte reguleringskreds med proportional regulering og 10 impulsbreddemoduleret indstillingsstørrelse, kræver den degressive reguleringsstrækningskarakteristik et stort proportionalområde eller en stærk indskrænkning af indstillingsområdet. Resultatet er utilfredsstillende, den blivende reguleringsafvigelse bliver for stor. Det er 15 kendt at afhjælpe denne mangel ved, at reguleringen vælges med et yderligere integralt indstillingsværdiforhold. Efterindstillingstiden for reguleringskredsen afstemmes med reguleringsstrækningens afladetidskonstant.

Da imidlertid indstillingsværdien derved forsinkes me-20 get, opnås der en træg regulering. Indstillingsværdien forandrer sig langsomt, og udligningen sker ikke på den hurtigst mulige tid. Vendingen af indstillingsværdien sker forsinket med reguleringsstrækningens forsinkelsestid og fører til oversving. Reguleringskredsen bevirker 25 en stadig ændring af reguleringssignalets faseforskydning og fremmer reguleringskredsens tilbøjelighed til selvsving. Indstillingen af reguleringsparametrene er kritisk og vanskelig. Den nævnte løsning kræver en stor indsats med hensyn til den rigtige konstruktion og ju-30 stering og de nødvendige indretninger. Fejlmulighederne er tilsvarende store.

Med opfindelsen tilsigtes der tilvejebragt en reguleringsindretning af den indledningsvis nævnte art, ved hvilken ulemperne ved den beskrevne reguleringskreds 35 fjernes, som reagerer særlig hurtigt og ikke har tilbøjelighed til selvsving. Dette er ifølge opfindelsen opnået ved, at der anvendes en direkte reguleringskreds med progressiv karakteristik, idet et omkoblings- 4 143217 organ, der styres med indstillingselementet af indstillingsstørrelsens polaritet og/eller en værdi af indstillingsstørrelsens amplitude, varierer ledningsevnen af den statiske del af en reguleringsforstærkers for-5 sinkede tilbageføring eller værdien af den indførte tilbageføringsstørrelse og dennes virkningsretning i forhold til reguleringsdifferensen.

Ved en progressiv karakteristik, som viser indstillingsstørrelsen som funktion af reguleringsafvigel-10 sen, tiltager indstillingsstørrelsen mere end proportionalt ved en tiltagende reguleringsafvigelse.

Opfindelsen går ud fra egenskaberne ved direkte reguleringskredse, f.eks. proportionalreguleringskredse, ved hvilke reguleringsforskellen eller regulerings-15 afvigelsen står i et direkte forhold til indstillings-størrelsens indstillingsværdi. Endvidere tages der hensyn til, at de på reguleringsstrækningen indvirkende forstyrrelsesstørrelser ved en lukket reguleringskreds kommer til udtryk i den blivende reguleringsforskel.

20 Reguleringsindretningen ifølge opfindelsen udnytter disse betragtninger og knytter hver værdi af reguleringsforskellen til en bestemt stigning af den progressive karakteristik. Indstillingsværdien af impulsbreddemodu-lationen stiger progressivt med reguleringsafvigelsen.

25 Da imidlertid indstillingsværdiens indflydelse ved voksende behov indvirker stadigt mere degressivt på reguleringsstørrelsen, opnås der næsten en linearisering af reguleringskredsens karakteristik, hvilket kræves for en stabil regulering.

30 Den med reguleringsindretningen ifølge opfindelsen realiserede progressive reguleringskarakteristik har en adaptiv reguleringskreds' fordelagtige egenskaber.

Medens der nemlig ved proportionalreguleringskredse kun er mulighed for en bestemt proportionalområdeindstil-35 ling med en bestemt karakteristikstigning, ved hvilken der må tages hensyn til de mest ugunstige reguleringsstrækningsforhold, som ellers ville føre til egensvingninger i reguleringskredsen, finder reguleringsdiffe- 143217 5 rensen ved den adaptive reguleringskreds' progressive reguleringskarakteristik automatisk karakteristikafsnittet med den endnu stabile stigning. Ved overregulering forskyder reguleringsforskellen, der herved bliver 5 mindre, reguleringsarbejdspunktet til afsnittet med mindre stigning, og ved for stor reguleringsforskel til et afsnit med større stigning. Reguleringsindstillingen bliver herved ukritisk og tillader valg af væsentligt mindre reguleringsforskelsområder.

10 Ifølge opfindelsen findes der et omkoblingsorgan, der styres med indstillingselementet af indstillingsstørrelsens polaritet og/eller en værdi af indstillingsstørrelsens amplitude. Dette omkoblingsorgan varierer ledningsevnen af den statiske del af en regulerings-15 forstærkers forsinkede tilbageføring eller værdien af den indførte tilbageføringsstørrelse og dennes virkningsretning i forhold til reguleringsdifferensen.

Som bekendt opnås impulsbreddemodulationen af den diskontinuerlige indstillingsstørrelse ved en propor-20 tionalreguleringskreds ved hjælp af en forsinket tilbageføring. Den derved opnåede reguleringskarakteristik er i vidt omfang lineær. Realiseringen af den progressive reguleringskarakteristik sker ifølge opfindelsen ved omkoblingen af den forsinkede tilbageføring. Herved op-25 nås der en ændring af reguleringsforstærkningen, og tidskonstanterne for forsinkelseselementerne bliver forskellige. Alt efter amplitudeværdien af den impuls-breddemodulerede indstillingsstørrelse bliver enten den korte tidskonstant med ringe forstærkning eller den lan-30 ge tidskonstant med stor forstærkning indkoblet. Med omkoblingen vendes virkningsretningen for reguleringsdifferensen. Tilbageføringerne efterligner det forskellige tidskonstantforhold for reguleringsstrækningen, så at der i stedet for en degressiv reguleringskarakteri-35 stik opnås en progressiv reguleringskarakteristik. For at opnå dette, er under ladeforløbet for reguleringsstrækningen tilbageføringen med den korte tidskonstant virksom og under ladepausen tilbageføringen med den lan- 6 143217 ge tidskonstant.

Ved opfindelsen udnyttes det forhold, at indstillingsværdien direkte har indflydelse på reguleringsstrækningen. Ved reguleringsstrækningen ifølge opfin-5 delsen kan der derfor uden videre anvendes et indstillingselement med to stillinger. Dette indstillingselement kan endvidere være behæftet med hysterese.

Ved omkoblingen ifølge opfindelsen af tilbageføringen opnås eliminering af hysteresen for indstillings-10 elementet med to stillinger.

En særlig enkel og sikker omkobling af tilbageføringen opnås ved en fordelagtig udførelsesform for opfindelsen ved, at der til den forsinkede tilbageføring findes flere modstande, af hvilke en del, der set 15 fra forstærkerudgangen ligger foran forsinkelseskondensatoren i en som reguleringsforstærker indsat operationsforstærker, er shuntet med en som omkoblingsorgan tjenende diode, hvis gennemgangsretning er koblet således, at den bliver ledende ved aktivering af indstillings-20 elementet til fødning af reguleringsstrækningen.

Med denne udførelsesform opnås, at omkoblingen kan gennemføres på enkel måde uden mekaniske kontakter.

Reguleringsindretningen ifølge opfindelsen har på grund af det forhold, at dens arbejdspunkt ligger inden 25 for indstillingsområdet, den fordel, at den ved direkte regulering uundgåelige blivende reguleringsafvigelse formindskes yderligere. En foretrukken udførelsesform for opfindelsen består i, at beliggenheden af regulerings-arbejdspunktet i indstillingsområdet bestemmes ved gen-30 nemgangsspændingen for dioden eller gennembrudsspændingen for en zenerdiode.

En yderligere forøgelse af progressiviteten af reguleringskarakteristikken opnås ved, at en yderligere del af tilbageføringsmodstandene, der ligger foran for-35 sinkelseskondensatoren set fra forstærkerudgangen, er shuntet med en koblingskondensator. Herved forkortes den korte tidskonstant yderligere. Dette er fremfor alt nødvendigt, når reguleringsstrækningen har lange for- 7 143217 sinkelses- eller dødtider.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et blokdiagram af en reguleringsind-5 retning ifølge opfindelsen, fig. 2 principkoblingen af en elektrisk reguleringsindretning ifølge opfindelsen, og fig. 3 et diagram, der viser indstillingssignalets afhængighed af reguleringsafvigelsen.

10 Den i blokskemaet i fig. 1 viste reguleringsindret ning omfatter en forstærker 1, en omskifter 2, et tilbageføringsnetværk 3 med en kanal 4 til realisering af en kort tidskonstant og en kanal 5 til realisering af en lang tidskonstant, et sammenligningssted 15 6 og et indstillingselement 7 med to stillinger. Endvidere viser fig. 1 reguleringsstrækningen med lagerelementer 8, med indstillingsindgangen Y, reguleringsstørrelsen X, forstyrrelsesstørrelsen Z og en energikilde Q.

20 På sammenligningsstedet 6 dannes reguleringssig nalet af reguleringsforskellen mellem bør-værdien og er-værdien for reguleringsstørrelsen X samt tilbageføringsspændingen fra kanalen 4 eller kanalen 5.

Ved 6 adderes altså tre spændinger algebraisk, nemlig 25 den fra reguleringsstrækningen 8 tilbageførte er-spæn-ding, som har en positiv polaritet og en størrelse, der er proportional med udgangssignalet fra reguleringsstrækningen 8, styrespændingen eller bør-spændingen Soli, som har en negativ polaritet og en størrelse, 30 der kan indstilles på en værdi, som er proportional med den ønskede værdi af reguleringsstrækningen 8's udgangssignal, samt den nævnte tilbageføringsspænding fra kanalen 4 eller kanalen 5.

Forskellen mellem bør-spændingen og er-spændingen 35 udgør fejlspændingen, som tydeligvis er proportional med den detekterede systemfejl, og den adderes algebraisk med den over netværket 3 tidsforsinket tilbageførte spænding til dannelse af reguleringssignalet.

8 143217

Forstærkeren 1 forstærker og inverterer reguleringssignalet til indstillingssignalet, som er et impuls-breddemoduleret signal, der tilføres indgangen på omskifteren 2 samt indstillingselementet 7, der som 5 antydet med en punkteret linie også styrer den værdiafhængigt koblende omskifter 2. Ved en positiv værdi af indstillingssignalet tilsluttes kanalen 4 til punktet 6 og samtidigt over indstillingselementet 7 energikilden Q til reguleringsstrækningen 8. Ved en 10 mindre eller en negativ værdi kobles indstillingssignalet derimod til tilbageføringskanalen 5, hvor det mindskes og føres tilbage med en sådan polaritet, jf. fig. 1, at det modvirker fejlspændingen, dvs. forskellen mellem bør-spændingen og er-spændingen, og bliver 15 virksomt i omvendt virkningsretning på sammenligningsstedet 6. Samtidig adskilles kilden Q fra reguleringsstrækningen 8. Før eller senere bliver det tilbageførte signal større eller mindre end reguleringsdifferensen mellem bør-værdien og er-værdien, så at der 20 over den inverterende forstærker 1 sker et nyt kipagtig polaritetsskift af indstillingssignalet.

Det vil ses, at da forstærkeren 1, f.eks. en operationsforstærker med differentialindgang, har et tilbageføringsnetværk med tidsforsinkelse, vil ind-25 stillingssignalet på forstærkeren l's udgang skifte frem og tilbage mellem positiv og negativ polaritet eller mellem værdier over og under en forudbestemt referenceværdi, således at indstillingssignalet på forstærkerudgangen er et impulstog, som er impulsbreddemodu-30 leret i afhængighed af den algebraiske sum af bør-spændingen og er-spændingen. Dette impulsbreddemodulerede indstillingssignal bliver i det beskrevne eksempel som vist i fig. 1 tilført indstillingselementet 7, således at det som nævnt også styrer netværket 3[s tids-3 5 konstant.

Den i principkoblingen i fig. 2 viste elektriske reguleringsindretning omfatter en operationsforstærker V, additionsmodstande Ri til bør-spændingen Soli og 143217 9 R2 til er-spændingen 1st for reguleringsstørrelsen, tilbageføringsmodstande R3, R4 og R5, en forsinkelseskondensator Cl, en koblingsdiode D, der tjener det samme formål som omskifteren 2 i fig. 1, og 5 eventuelt en tilbageføringskoblingskondensator C2. Et relæ S tjener som indstillingselement med to stillinger. Endvidere viser fig. 2 reguleringsstrækningen med lagerelementerne 8, med indstillingsindgangen Y, reguleringsstørrelsen X, forstyrrelsesstørrelsen Z 10 og energikilden Q.

Et koblingspunkt A er reguleringskredsens sammenligningssted. Ved ens bør- og er-spænding og ens additionsmodstande RI og R2 er der i punktet A mod et strømforsyningsmidterpunkt E kun tilbagefø-15 ringsspændingen, som tilføres gennem tilbageføringsmodstanden R3. Spændingen i punktet A tilføres den inverterende indgang på operationsforstærkeren V.

Vokser spændingen i punktet A som følge af en forskel mellem bør-værdi og er-værdi i positiv ret-20 ning, vil forstærkerudgangsspændingen, indstillings-signalet B, stige i negativ retning på tilsvarende måde på grund af den store forstærkning, indtil driftsspændingen U- næsten er nået. Indstillingsrelæet S er forbundet med positiv driftsspænding U+ og aktive-25 res derfor. Samtidigt ledes indstillingssignalet B over koblingsdioden D ind i tilbageføringsnetværket.

Først betragtes den statiske del af tilbageføringen med tilbageføringsmodstandene R3, R4 og R5: Disse modstande danner en modkobling og bestemmer 30 derfor i praksis forstærkningen af operationsforstærkeren V. Ved indføring af indstillingssignalet B over dioden D shuntes tilbageføringsmodstanden R5. Forstærkningen, og som følge deraf indstillingssignalet B, mindskes herved. Det herved afaktiverede indstil-35 lingsrelæ S falder i overensstemmelse med sin kob-lingshysterese ud allerede efter en til forstærkningsreduktionen svarende spændingstilbagegang i punktet B,

Dette er vist i diagrammet i fig. 3. Med denne foran- ίο 1A 3 217 staltning kan hysteresen for indstillingsrelæet S fjernes fuldstændigt, og relæet kan endog bringes til selvaktivering, for ved udfaldende relæ går indstillingssignalet B mod 0 eller videre til et positiv potential, 5 så at dioden D spærrer, og forstærkningen forøges ved den derved automatisk indtrædende virkning af tilbageføringsmodstanden R5. Genaktiveringen af indstillingsrelæet S kan principielt ske alene som følge af den automatiske forstærkningsforøgelse. (Hidtil kunne 10 man selv ved uendelig stor forstærkning kun opnå en formindskelse af hysteresen). Med dioden D's gennemgangsspænding kan reguleringsarbejdspunktet forskydes inden for indstillingsområdet. Dette betyder, at der ved udligning af reguleringsdifferensen, altså uden 15 reguleringsafvigelse, allerede indstiller sig et bestemt indstillingssignal, som udtrykkes ved et impuls-breddeforhold.

Ved indføjning af forsinkelseskondensatoren Cl får tilbageføringen en dynamisk karakter. Tilbagefø-20 ringsvirkningen på punktet A forsinkes tidsmæssigt. Forsinkelsen bestemmes af tidskonstanten for tilbageføringen. Den af indstillingssignalet afhængige omkobling af tidskonstanten sker ligeledes med kobledioden D. Ved hjælp af dioden D, der er ledende ved negativ 25 indstillingssignalværdi, hvorved indstillingselementet S tilslutter kilden Q til reguleringsstrækningen 8, bestemmes tidskonstanten ved R4 og Cl. Ved en lille eller positiv indstillingssignalværdi, ved hvilken indstillingselementet S adskiller kilden Q fra regule-30 ringsstrækningen 8, bestemmer derimod R4+R5 og Cl tidskonstanten. Dioden D er ikke mere ledende. Tilba-geføringsmodstanden R5 bliver tilkoblet og forlænger dermed tidskonstanten.

Ved den alt efter indstillingssignalværdien eller 35 indstillingssignalpolariteten forskellige tilbageføringstidskonstant er indflydelsen på impulsbredden anderledes end på impulspausen. Den er ikke lineær og bliver progressiv med tilbageføringsmodstandsforholdet

Claims (3)

143217 R5 : R4. Ved tilkobling af en koblingskondensator C2 bliver denne funktion endnu mere progressiv. Herved kan der reguleres reguleringsstrækninger med flere lagerelementer og tilsvarende forsinkelse direkte og uden 5 større reguleringsdifferens.

1. Reguleringsindretning til reguleringsstrækninger med lagerelementer (8), hvilken indretning omfatter en 10 reguleringskreds med impulsbreddemoduleret indstillingsstørrelse og et indstillingselement (7, S) med to stillinger, hvis indstilling indvirker direkte på reguleringsstrækningen (8) og forsinket på reguleringsstørrelsen, kendetegnet ved, at der anvendes 15 en direkte reguleringskreds med progressiv karakteristik, idet et omkoblingsorgan (2, D), der styres med indstillingselementet (7, S) af indstillingsstørrelsens polaritet og/eller en værdi af indstillingsstørrelsens amplitude, varierer ledningsevnen af den statiske del 20 af en reguleringsforstærkers (1, V) forsinkede tilbageføring eller værdien af den indførte tilbageføringsstørrelse og dennes virkningsretning i forhold til re-guleringsdifferensen.

2. Reguleringsindretning ifølge krav 1, kende-25 t e g n e t ved, at der til den forsinkede tilbageføring findes flere modstande (R3 - R5), af hvilke en del (R5), der set fra forstærkerudgangen ligger foran forsinkelseskondensatoren (Cl) i en som reguleringsforstærker indsat operationsforstærker (V), er shuntet med 30 en som omkoblingsorgan tjenende diode (D), hvis gennemgangsretning er koblet således, at den bliver ledende ved aktivering af indstillingselementet (S) til fødning af reguleringsstrækningen (8).

3. Reguleringsindretning ifølge krav 2, 35 kendetegnet ved, at beliggenheden af regule-ringsarbejdspunktet i indstillingsområdet bestemmes ved gennemgangsspændingen for dioden (D) eller gennembrudsspændingen for en zenerdiode.