DE1120554B

DE1120554B - Two-point controller with electromechanical deflection measuring mechanism

Info

Publication number: DE1120554B
Application number: DEJ17761A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Franz Raufenbarth
Original assignee: Joens & Co W H GmbH; WH Joens and Co GmbH
Current assignee: Joens & Co W H GmbH; WH Joens and Co GmbH
Priority date: 1960-02-27
Filing date: 1960-02-27
Publication date: 1961-12-28

Description

Zweipunktregler mit elektromechanischem Ausschlag-Meßwerk Die Erfindung betrifft einen Zweipunktregler mit elektromechanischemAusschlag-Meßwerk zur Durchführung des Sollwert-Istwert-Vergleichs und mit nachgebend und/oder verzögert wirkender Gegenkopplung. Ein solcher Zweipunktregler hat zwei Zustände, beispielsweise einen Zustand »Ein« und einen Zustand »Aus«. Es sei zum besseren Verständnis einmal angenommen, daß die Regelgröße eine Temperatur sei und daß der Regler eine Heizung in Abhängigkeit von dieser Temperatur ein- und ausschaltet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Bei einem solchen Zweipunktregler besteht nun ein Unterschied zwischen Einschalttemperatur und Ausschalttemperatur. Wenn in einem bestimmten Zeitpunkt die zu regelnde Temperatur um einen bestimmten Betrag unter den Sollwert absinkt, so wird die Heizung eingeschaltet. Die Temperatur steigt dann an, die Heizung wird erst abgeschaltet, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert oberhalb des Sollwertes erreicht hat. Erfolgt nun infolge dieser Ab- schaltung eine Abkühlung, so wird die Heizung eingeschaltet, wenn die Temperatur unter den Sollwert abgesunken ist und die vorerwähnte Einschalttemperatur erreicht ist. Das Verhalten des Zweipunktreglers zeigt also eine Hysterese, im Verlauf derer die Regelgröße (die Temperatur in dem gewählten Beispiel) zwischen einem unteren und einem oberen Ansprechwert hin- und herpendelt. Um bei einem bestimmten Zustand der Regelstrecke einen vorgegebenen Sollwert der Regelgröße aufrechtzuerhalten, ist ein ganz bestimmtes Verhältnis der Dauer des einen Schaltzustandes zur Dauer des anderen Schaltzustandes erforderlich, welches sich am Zweipunktregler einstellt.Two-point controller with electromechanical deflection measuring mechanism The invention relates to a two-point controller with electromechanical deflection measuring mechanism for carrying out the setpoint-actual value comparison and with yielding and / or delayed negative feedback. Such a two-position controller has two states, for example an »On« state and an »Off« state. For a better understanding, let us assume that the controlled variable is a temperature and that the controller switches a heater on and off as a function of this temperature. Of course, the invention is not restricted to this. With such a two-point controller, there is now a difference between the switch-on temperature and the switch-off temperature. If at a certain point in time the temperature to be controlled falls by a certain amount below the setpoint, the heating is switched on. The temperature then rises and the heating is only switched off when the temperature has reached a certain value above the setpoint. If cooling occurs as a result of this shutdown , the heating is switched on when the temperature has fallen below the setpoint and the aforementioned switch-on temperature has been reached. The behavior of the two-point controller shows a hysteresis, in the course of which the controlled variable (the temperature in the selected example) oscillates back and forth between a lower and an upper response value. In order to maintain a specified setpoint value of the controlled variable in a certain state of the controlled system, a very specific ratio of the duration of one switching state to the duration of the other switching state is required, which is set on the two-position controller.

Eine solche Hysterese begrenzt somit die Genauigkeit der Regelung. Sie ist aber erforderlich; denn es ist leicht einzusehen, daß die Umschaltfrequenz des Reglers um so größer wird, je näher die beiden Ansprechwerte- aneinanderrücken, je schmaler also die »Hystereseschleife« Wird. Wenn bei einem üblichen Zweipunktregler die beiden Ansprechwerte seht eng beieinandergelegt werden, so erfolgt z. B. M -dem erwähnten Beispiel der Temperaturregelung, -bei - der geringsten Unterschreitung des Sollwertes eine Einschaltung der Heizung..Darauf würde sofort die Ausschalttemperatür "e'-rrei#lit -we'iden-,- so,7daß die Heizung unmittelbar nach der Einschaltung wieder ausgeschaltet wird. Die nun erfolgende Abkühlung würde sofort wiede%, eine Einschaltung bewirken und so fort. --drdte in verstärktem Maße auftreten, wenn eine Rückführung vorgesehen wird, welche die auf die Regelstrecke ausgeübte Wirkung des Schaltvorganges (Temperaturerhöhung, Abkühlung) schon vorwegnimmt. Auch werden bei Zweipunktreglem mit einem elektromechanischen Meßwerk durch mechanische Erschütterungen kleine, kurzzeitige Abweichungen des Meßwerkzeigers von der Sollage hervorgerufen und Regelabweichungen vorgetäuscht, welche bei zu kleiner Hysterese schon zum Umschaltung des Reglers führen. Das würde eine unzuträgliche Beanspruchung der Schaltorgane zur Folge haben.Such a hysteresis thus limits the accuracy of the regulation. But it is necessary; because it is easy to see that the switching frequency of the regulator is greater, the closer the two Ansprechwerte- another move, the narrower so the "hysteresis loop" is. If the two response values are placed very closely together in a conventional two-position controller, then z. B. M -the mentioned example of the temperature control, - at - the slightest fall below the setpoint the heating would be switched on. Then the switch-off temperature would immediately "e'-rrei # lit -we'iden -, - so, 7that the heating immediately after The cooling that now takes place would immediately cause a switch-on and so on. Even with two-point controllers with an electromechanical measuring mechanism, mechanical vibrations cause small, brief deviations of the measuring mechanism pointer from the set position and simulate control deviations which, if the hysteresis is too small, lead to the controller switching .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und einen Zweipunktregler der erwähnten Art zu schaffen, bei welchem die Hysterese klein gehalten werden kann, so daß sich eine hohe Regelgenauigkeit ergibt, ohne daß dadurch die Schaltfrequenz unzuträglich erhöht wird.The invention is based on the described disadvantages to avoid and to create a two-position controller of the type mentioned, in which the hysteresis can be kept small, so that there is a high level of control accuracy results without the switching frequency being increased in an unacceptable manner.

Erfindungsgemäß wird das erreicht durch eine nachgebend wirkende Mitkopplung, deren Zeitkonstante größer als die Dauer solcher Störung ist, welche nicht zur Auslösung eines Regelbefehls führen sollen, jedoch kleiner als die Zeitkonstante der Gegenkopplungsglieder. Das Prinzip der Erfindung ist also einfach folgendes: Bei Einschalten des Reglers schiebt man den Istwertzeiger durch eine zusätzliche Spannung im Meßkreis erst recht unterhalb des Einschaltpunktes. Wird der Sollwert nun überschritten, so wird im Moment des,Ausschaltens des Reglers der Istwertzeiger -erst recht über den Aussehaltpunkt bewegt. Die zusätz-,P.c4eil Bewegungen sowohl unter den Einschalt- wie u6er'#d'e-n'i"#Äusschaltpunkt müssen möglichst sofort nach dem Einschalten bzw. Ausschalten erfolgen. Die normale Rückführung hat somit, da der Istwertzeiger weit unterhalb des Einschaltpunktes oder weit oberhalb des Ausschaltpunktes liegt, mehr Zeit aufzuwenden, um den Zeiger wieder in die entgegengesetzte Schaltstellung zu bringen. Diese Maßnahme der zusätzlichen Zeigerbeeinflussung wirkt also zum Rückführeinfluß gegensinnig. Es handelt sich also um eine Mitkopplung.According to the invention this is achieved by a yielding positive feedback, whose time constant is greater than the duration of the disturbance that is not triggered of a control command, but smaller than the time constant of the negative feedback elements. The principle of the invention is simply the following: When the controller is switched on the actual value pointer is pushed even more by an additional voltage in the measuring circuit below the switch-on point. If the setpoint is now exceeded, the The moment the controller is switched off, the actual value pointer is right above the display point emotional. The additional, P.c4eil movements both below the switch-on and u6er '# d'e-n'i "# switch-off point must be done as soon as possible after switching on or off. The normal one There is therefore feedback because the actual value pointer far below the switch-on point or is far above the switch-off point, spend more time around the pointer to bring it back into the opposite switching position. This measure the additional Pointer influence therefore works in the opposite direction to the feedback influence. It is about thus a positive feedback.

Macht man nun diese Mitkopplung nachgebend, d. h. mit anderen Worten, läßt man diesen zusätzlichen Einfluß der Mitkopplung mit der Zeit verschwinden, so wird durch sie die ursprüngliche Hysterese des Reglers nicht vergrößert. Sie würde nur vergrößert werden, wenn die Mitkopplung nicht nachgebend wäre.If one now makes this positive feedback yielding, d. H. in other words, if this additional influence of positive feedback is allowed to disappear over time, it does not increase the controller's original hysteresis. It would only be increased if the positive feedback did not give way.

Nimmt man an, daß zur Einhaltung des Sollwertes ein ganz bestimmtes Schaltzeitverhältnis notwendig ist, und daß der Regler bereits längere Zeit den Sollwert eingeregelt hatte, so läßt sich leicht zeigen, daß der Mittelwert der Mitkopplung um den Wert Null schwankt.If one assumes that a very specific Switching time ratio is necessary, and that the controller has been the long time Had adjusted the setpoint, it can easily be shown that the mean value of the positive feedback fluctuates around the value zero.

Durch die Einführung einer Mitkopplung hat man also die Möglichkeit, die Schaltfrequenz des Reglers zu erniedrigen, die ohne ein Mitkopplungsglied infolge mechanischer Erschütterungen des Meßwerkes und infolge der durch Einführung einer Rückführung erhöhten Schaltfrequenz zu hoch sein kann.By introducing positive feedback, one has the opportunity to to lower the switching frequency of the controller without a positive feedback element as a result mechanical vibrations of the measuring mechanism and as a result of the introduction of a Feedback increased switching frequency can be too high.

Es ist an sich ein Zweipunktregler mit trägheitsbehafteter Gegenkopplung und einer nachgiebigen Mitkopplung bekannt. Dabei handelt es sich um einen an sich stetigen Verstärker, welcher durch statische, überkritische (mehr als 1009/oige) Mitkopplung eine Kippkennlinie erhält. Durch die trägheitsbehaftete Gegenkopplung werden die stabilen Arbeitspunkte der Kippkennlinie abwechselnd periodisch aufgehoben, so daß die Ausgangsgröße dauernd mit von der Eingangsgröße abhängigem Tastverhältnis zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert kippt. Es soll dort also eine stetig veränderliche Eingangsgröße des Reglers mit einer bestimmten übergangsfunktion in eine unstetige Ausgangsgröße mit einem von der Regelgröße abhängigen Tastzeitverhältnis umgesetzt werden, damit Transistoren zur Erzielung einer größeren Schaltleistung als Schalter gesteuert werden können. Die nachgiebige Mitkopplung hat dort den Zweck, den Kippvorgang zu beschleunigen.It is in itself a two-point controller with inertial negative feedback and a resilient positive feedback known. This is one in itself constant amplifier, which is caused by static, supercritical (more than 1009 / oige) Positive feedback receives a breakover characteristic. Due to the inertial negative feedback the stable working points of the breakdown characteristic are alternately canceled periodically, so that the output variable has a duty cycle that is dependent on the input variable toggles between a minimum and a maximum value. So there should be a continuously changing input variable of the controller with a certain transition function into a discontinuous output variable with a duty cycle dependent on the controlled variable be implemented to allow transistors to achieve a greater switching capacity can be controlled as a switch. The resilient positive feedback there has the purpose to accelerate the tipping process.

Bei der Erfindung wird demgegenüber nicht das Ziel verfolgt, die Kippeigenschaften des Reglers (Verhalten beim übergang von einem Schaltzustand zum anderen) zu beeinflussen, sondern die jeweilige Einschaltdauer der beiden Zustände, d. h. den zeitlichen Verlauf der mittleren Energiedosierung des Reglers. Und zwar sind die Maßnahmen der vorliegenden Erflndung ganz speziell auf eine Beeinflussung des Verlaufes der Energiedosierung in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Dauer einfallender Störgrößen gerichtet, woraus sich eigentümliche, im wesentlichen durch die Eigenschaften des gesamten Regelkreises bestimmte Dimensionierungsvorschriften ergeben.In contrast, the aim of the invention is not to influence the tilting properties of the controller (behavior during the transition from one switching state to the other), but rather the respective duty cycle of the two states, ie. H. the time course of the average energy dosage of the controller. The measures of the present invention are specifically aimed at influencing the course of the energy metering as a function of the different duration of incident disturbance variables, which results in peculiar dimensioning rules determined essentially by the properties of the entire control loop.

Ein Zweipunktregler mit nachgebender Mitkopplung nach der Erfindung ist im Prinzip in Abb. 1 der Zeichnung angedeutet. Hierin stellt 1 einen bistabilen Verstärker dar, dessen Ausgang 2 beispielsweise über einen Trennverstärker 4 sowie erfindungsgmäß über ein nachgebendes Zeitglied (Differenzierglied) auf den Eingang zurückwirkt. Das Zeitglied umfaßt im vorliegenden Beispiel einen Kondensator 3 sowie Einstellwiderstände 5 bzw. 7 zur Veränderung von Mitkopplungsgrad bzw. Zeitkonstante. Im Eingangskreis liegt als Meßwertgeber ein Thermoelement 6. A two-point controller with yielding positive feedback according to the invention is indicated in principle in Fig. 1 of the drawing. 1 represents a bistable amplifier, the output 2 of which acts back on the input, for example via an isolating amplifier 4 and, according to the invention, via a yielding timing element (differentiating element). In the present example, the timing element comprises a capacitor 3 and setting resistors 5 and 7 for changing the degree of positive feedback or the time constant. A thermocouple 6 is located in the input circuit as a transducer.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung wird an Hand des Diagramms gemäß Abb. 2 erläutert. Dort sind die im Eingangskreis des Reglers auftretenden Größen sowie die Stellgröße am Ausgang des Reglers für einen vereinfacht angenornmenen Störungsfall über die Zeit aufgetragen. Die gleichen Größen sind mit den entsprechenden Zahlpfeilen auch in das Schaltbild der Abb. 1 eingetragen.The mode of operation of the arrangement according to the invention is explained using the diagram in FIG. 2. There the variables occurring in the input circuit of the controller as well as the manipulated variable at the output of the controller for a simplified assumed fault case are plotted over time. The same sizes are also entered in the circuit diagram in Fig. 1 with the corresponding number arrows.

Die zeitabhängigen Gegenkopplungen sind nicht dargestellt. Ihre Zeitkonstanten sind groß gegenüber dem betrachteten Zeitabschnitt.The time-dependent negative feedback is not shown. Your time constants are large compared to the period in question.

Im Ausschaltzustand liegt die Regelgröße X vor, die zum Zeitpunkt t. mit einer z. B. negativen Störgröße Z überlagert wird. Mit Unterschreiten des unteren Schaltpunktes x" gelangt der bistabile Verstärker 1 vom Zustand »Aus« in den Zustand »Ein«, d. h. die Stellgröße springt vom Wert Null auf den Wert Y. Gleichzeitig überträgt der im Ausschaltzustand vollständig entladene Kondensator 3 die verstärkte Stellgröße in voller Höhe als Mitkopplungsgröße M, gleichsinnig mit der Störgröße Z in den Eingangskreis.In the switched-off state, the controlled variable X is present, which at time t. with a z. B. negative disturbance variable Z is superimposed. With falls below the lower switching point "x bistable amplifier 1 goes" on the state from "to the state" A ", i. E., The manipulated variable jumps from the value zero to the value Y. At the same time the fully discharged in the off capacitor 3 transmits the amplified Correcting variable in full as positive feedback variable M, in the same direction as the disturbance variable Z in the input circuit.

Ohne die Mitkopplungsgröße M würden nun die kurzzeitigen und für den Regelvorgang belanglosen, positiven Störimpulse I den oberen Schaltpunkt x. überschreiten und zum Umschalten des Reglers, d. h. zur Überlagerung der Impulse I' zur Stellgröße Y führen, woraus sich eine unnötig hohe Schaltfrequenz ergäbe.Without the positive feedback variable M, the short-term and unimportant, positive interference pulses I would now be the upper switching point x. exceed and to switch the controller, d. H. lead to the superposition of the pulses I 'on the manipulated variable Y, which would result in an unnecessarily high switching frequency.

Im Gegensatz hierzu liegt bei der erfindungsgemäßen Schaltung eine nach der Linie Z+M abklingende Mitkopplung im Eingangskreis. Diese verhindert das Umschalten bei einfallenden Störimpulsen geringerer Höhe. Andererseits ist die Abklingzeitkonstante der Mitkopplung derart gewählt, daß die Beendigung der auszuregelnden Störung Z zur Zeit t, ohne Verzögerung zum Zustand »Aus« des Reglers führt.In contrast to this, there is one in the circuit according to the invention after the line Z + M decaying positive feedback in the input circuit. This prevents that Switching over in the event of incident interference pulses of a lower magnitude. On the other hand is the decay time constant the positive feedback chosen so that the termination of the disturbance Z to be regulated at time t, leads to the "Off" state of the controller without delay.

Claims

PATENTANSPRUCI-1: Two-point controller with electromechanical deflection measuring mechanism for carrying out the setpoint-actual value comparison and with yielding and / or delayed negative feedback, characterized by a yielding positive feedback, the time constant of which is greater than the duration of such a disturbance which does not trigger a Control command should lead, but is smaller than the time constants of the negative feedback elements. Considered publications: German Patent Specifications No. 860 427, 966 809; German Auslegeschrift No. 1 074 127; "Siemens-Zeitschrift", year 1957, pp. 505 to 509.