E D U A R D K R O C H M A N N1
AEG, Institut fiir Automation, Berlin, Deutschland
Wenn wir die Entwicklung der Regelungstechnik in den letzten Jahren verfolgen, beobachten wir einen zunehmenden Anteil der Elektronik. Der Umfang der Anlagen wachst und der Einsatz informations-bzw. daten- verarbeitender Mittel in Regelungen wird in Zukunft noch weiter an Bedeutung gewinnen. Unter diesem Gesichtspunkt ist bei der Entwicklung von Anlagen der Steuer- und Regelungstechnik besonderer Wert auf weit- gehende Anwendung von Bausteinen zu legen.
Die Fortschritte in der Elektronik, die wir beobachten, beruhen zum groBen Teil auf weitgehender Anwendung der Halbleitertechnik. Versuche und Erprobungen haben uberzeugt, daB der Halbleiter als Diode oder Transistor den hohen Anforderungen an seine Zuverlassigkeit genugt — auch unter den rauhen Bedingungen in der Industrie. Voraussetzung dafiir ist allerdings, daB sein Verhalten wahrend der Prufung im AnschluB an seine Fertigung in einem AlterungsprozeB bei erhohten Temperaturen (70°C bei Germanium) und bei Feuchte getestet wird und daB unsichere Stiicke aussortiert werden.
Aus den verschiedenen Bezirken der Regelungstechnik seinen im f olgenden typische Komponenten herausgegriffen und ihr Einsatz an einigen Beispielen erlautert.
F U H L E R U N D D E T E K T O R E N
Aus der Vielzahl von Fuhlern und Detektoren seien zwei representative Vertreter beschrieben:
Radioaktive Fullstandskontrolle
Die radioaktive Fullstandskontrolle mit Hilfe von Gammastrahlen ist uberall da angebracht, w o die Funktionsfahigkeit von Lichtschranken durch Verschmutzung beeintrachtigt wird oder zusatzliche Offnungen in der Behalterwand nicht tragbar sind. M i t Hilfe der Gammastrahlen ist es moglich, Wandstarken b i s z u 2 χ 100 mm Eisen zu durchdringen, wenn man die Praparatstarke nur entsprechend bemiBt. Die Bunkerfiillstande von Kalk, Koks, Erz, Zement und Schmelzen sowie Flussigkeiten, die feuer-
1 Adresse: A E G , Institut fur Automation, Berlin N65, Brunnenstrasse 107a.
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Β Bild 1.—Schematische Dar- stellung einer Fiillstanduber- wachungsanlage. A, Prapa- rat; B, Gammafuhler; C, Abschirmkorper; spezi- fisches Gewicht desFiillgutes.
gefahrlich, giftig oder hochexplosibel sind oder unter hohem Druck stehen, konnen auf diese Weise erfaBt werden und bei Bedarf in einer Regelung oder Steuerung zur Fiillstandskontrolle oder Dosierung verwandt werden [8].
Der Aufwand ist relativ gering (Bild 1). Er besteht aus dem z.B. auBerhalb der Gehausewandung angeordneten radioaktiven Praparat und dem dia
metral an der entgegengesetzten Gehausewandung angeordneten Gamma
fiihler. Die technische Ausfiihrung eines solchen Fuhlers zeigt Bild 2 zu- sammen mit einem dazu passenden Fallbugelregler mit Anzeige [8]. Die zum Impulszahlrohr gehorige Elektronik, bestehend aus Impulsformerstufe und Zahlratenmesser, ist voll transistorisiert und im Schaft des Gehauses der Zahlrohreinheit untergebracht [2]. Die Regelergebnisse mit derartigen Fiillstandsregelungen sind unabhangig von dem stark statistischen Charakter des MeBverfahrens und durchaus befriedigend, da die statistischen Schwan-
Bild 2.—Zahlrohreinheit mit Netzgerat und Fallbugelregler.
kungen im anschlieBenden integrierenden Verhalten des Reglers praktisch untergehen.
Als Strahler kommt Kobalt 60 in Frage, fur Sonderfalle — insbesondere bei schwachen Kontrasten zwischen gef ulltem und leerem Zustand oder bei Dichtemessungen — auch das Praparat Casium-137, das allerdings auch kostspieliger ist. Das Zahlrohr im Geiger-Miiller-Zahler ist ein Halogenzahl- rohr. Die Zahlrate ohne das Fiillgut liegt zwischen 25 und 150 Imp./sec.
Ein interessanter Fuhler zur Erfassung der Lage von Kanten, insbesondere von gliihenden oder angestrahlten Kanten, ist der fotoelektrische Dreh- strahl-Kantenerfasser, dessen Prinzip Bild 3 zeigt. Die gliihende Kante des Materials wird iiber Optik und Drehspiegel in der Ebene der angedeuteten Fotodiode abgebildet.
In Abhangigkeit von der jeweiligen Stellung des rotierenden Spiegelrades und der Lage der Kante erfolgt ein Durchgang dieser Abbildung durch die Fotodiode und erzeugt dort einen plotzlichen Anstieg des Fotostromes.
Dieser wird durch Differentiation in einen Impuls umgeformt. Bei seitlichen Anderungen der Lage der Bandkante andert sich die Phasenlage dieses Impulses relativ zur Umdrehung des Spiegelrades. Die Phasenlage des Spiegelrades wird dabei durch einen Induktionsimpuls in der links ange
deuteten Magnetspule gegeben. In der anschlieBenden Elektronik dann er
folgt ein Vergleich der Phasenlage des so gebildeten Impulspaares. Das Ergebnis ist ein Gleichstromsignal, das der Bandkantenabweichung von der Normallage proportional ist. Dieses kann zur genauen Lagenanzeige oder fiir Regelzwecke ausgenutzt werden. ErfaBbar sind alle Arten von gliihenden oder angestrahlten Kanten. Bild 4 zeigt den Priiffeldaufbau einer Band- breitenerfassung fiir ein Warmbandwalzwerk, bei der die beiden Bandkanten erfaBt werden. Oben auf der Biihne sind im Abstand 3 m von den hier nach- gebildeten Bandkanten zwei Abtastkopfe durch Spindel verschiebbar an-
Fotoelektrischer Drehstrahl-Kantenerfasser
linse
Bild 3.—Fotoelektrische Drehstrahl- Kantenerfassung.
ο
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Bild 4.—Versuchsaufbau einer Bandbreitenerfassung.
geordnet, die jeweils fest auf die Sollbreite des durchlaufenden Blechbandes einzustellen sind. Das Anzeige- oder Regelsignal wird durch Differenz- bildung der beiden Abtastkopfen zugeordneten AusgangsgroBen gebildet.
Das seitliche Schwarmen des Bandes einschlieBlich der Schwankungen der Gesamtbreite muB fiir jede Kante innerhalb von 300 mm liegen. Das zugehorige Anzeigeinstrument zeight neben der durch Tasten einstellbaren Sollbreite die Abweichung vom Sollwert an. Die erzielbare Genauigkeit liegt in der GroBenordnung von 1 mm und hangt im wesentlichen von der Stabilitat des mechanischen Aufbaues ab. Die hohe Infrarotempfindlichkeit der Fotodiode bringt hohe Empfindlichkeit auch bei tiefen Temperaturen mit sich.
Der Temperaturbereich kann durch Verwendung von Indium-, Antimon- oder Bleisulfid-Fotozellen noch weiter ins Infrarote ausgedehnt werden.
Die gute Infrarotempfindlichkeit bringt auch weitgehende Unempfindlich- keit gegen im Strahlengang auftretende Wasserdampfe mit sich. Bei kalten Bandern ist ein Strahler unterhalb des Bandes anzubringen, der je nach Breite des Bandes mehr oder weniger abgedeckt wird.
B A U S T E I N E D E R I N D U S T R I E L L E N A N A L O G R E C H E N T E C H N I K Die Funktion einer Regeleinrichtung ist im allgemeinen Sinne eine Informa- tionsverarbeitung. In Erweiterung der klassischen Betrachtungsweise ist
Bild 5.—Transistor-Gegentaktverstarker. Vorverstarker.
der Regler als Rechengerat aufzufassen, das die Eingangs- und Ausgangs- groBen nach vorgegebenen Rechenoperationen verkniipft. Daraus resultiert insbesondere fur komplizierte Steuer- und Regelsysteme eine weitgehende Annaherung an die Rechenmaschinentechnik, sowohl hinsichtlich ihrer Systemstruktur als auch beziiglich ihrer geratemaBigen Gliederung.
Wir befassen uns in diesem Teil unserer Betrachtung mit der Verarbeitung analoger Signale. Ein universelles elektronisches Analogrechensystem ent- halt als wesentliche aktive Elemente Gleichstromverstarker und Multiplika- toren. Funktionserzeuger fiir die Herstellung von Nichtlinearitaten werden dagegen in industriellen Anlagen in der universellen Form, wie wir sie aus der Technik der Analogrechner kennen, nur selten zur Anwendung kom- men. Man wird hier von Fall zu Fall speziellen Nichtlinearitaten den Vorzug geben.
Ausgehend von den Betriebsbedingungen in Industrieanlagen haben die Gerate folgenden Bedingungen zu geniigen: Betriebssicherheit unter er- schwerten Bedingungen hinsichtlich Temperaturschwankungen, sonstigen Klima- und Atmosphareeinflussen, Storpegel und mechanischer Bean- spruchung bei weitgehender Wartungsfreihet. Weiter spielt die Frage des wirtschaftlichen Aufwandes, der Stromversorgung und der vielseitigen Einbaumoglichkeit eine Rolle. I m folgenden werden zwei Gruppen von Komponenten beschrieben, die den gestellten Anforderungen geniigen.
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Gleichstromverstarker fiir Regelzwecke
Bei der Verstarkung von Gleichstromsignalen der Regelungstechnik haben wir es mit zwei Problemen zu tun:
Einmal handelt es sich um die Vorverstarkung schwacher Signale. In diesem Teil des Verstarkers erfolgt auch die gewollte Signalumformung (z.B. JP, JPD) durch Riickfuhrnetzwerke. Zum anderen handelt es sich um die Leistungsverstarkung in den Endstufen.
Vorverstarker mit Transistoren
Das Hauptproblem der Vorverstarkung ist die Kleinhaltung der Drift.
In den Anlagen der industriellen Regelungstechnik werden meist so geringe Bandbreiten des Frequenzgangs erfordert, daB das thermische Rauschen bei Transistoren neben der Drift ganz zuriicktritt. Auch der EinfluB auBerer Storungen kann durch zweckentsprechenden Auf bau gering gehalten werden*
Je nach Ursache der Zustandsanderungen sind folgende Driftarten zu unterscheiden:
Temperaturdrift als Folge von Anderungen der Umgebungstemperatur.
Diese kann durch Kompensationsschaltungen bis auf Exemplar streuungen der Transistoren herabgesetzt werden (z.B. in Gegentaktschaltungen).
Speisespannungsdrift als Folge von Speisespannungsanderungen. Diese kann durch Konstanthaltung der Speisespannungen oder Gegentaktschal
tungen meist verschwindend gering gehalten werden.
Einschaltdrift als Folge von Zustandsanderungen, die durch Inbetrieb- nahme der Schaltung verursacht werden (Erwarmung auf Betriebstemperatur evtl. Formierungseffekte).
Aussteuerungsdrift als Folge von Aussteuerungsanderungen (Anderung der arbeitspunktsabhangigen Verlustleistung in den Schaltelementen, insbesondere in den Transistoren, und damit verbunden innere Temperatur- anderungen).
Langzeitdrift als Folge von langsamen Anderungen der Schaltelemente (zeitliche Instabilitat, Alterung).
Bei Verstarkern mit nicht vernachlassigbaren Eingangswiderstanden bzw.
Eingangsleitwerten, wie dies bei Transistorverstarkern der Fall ist, muB zwischen Spannungsdriften ΔϋΏ und Stromdriften Δ/^ unterschieden werden. Bei KurzschluB oder niederohmigem AbschluB des Verstarkerein- gangs — z.B. durch ein Thermoelement — wird die Stromdrift beispiels- weise kurzgeschlossen, und allein die Spannungsdrift ist in ihrer vollen GroBe wirksam. Bei relativ hohem Eingangswiderstand dagegen (z.B. bei eingepragtem Strom in Verstarkereingang) wird die Auswirkung der Spannungsdrift unwesentlich, so daB lediglich die Drifteinstromung zu berucksichtigen ist. Bei einer als Gegentaktverstarker ausgefiihrten techni-
schen Anordnung des Vorverstarkers mit Transistoren (Bild 5) ergaben sich uber eine groBere Stuckzahl im Bereich von - 20°C bis -f 55°C Umge- bungstemperatur als Temperaturdriften Spannungsdriften in der GroBen- ordnung von 1 m V und Stromdriften in der GroBenordnung von 0,5 μ A je
10°C. Bei 1 k Q Eingangswiderstand bedeutet dieses eine resultierende Drift von 1,5 mV, bezogen auf 10 k Ω Eingangswiderstand jedoch eine resultierende Drift von 6 m V je 10°C.
Dazu noch als weitere Driftwerte: Die Speisespannungsdrift bei 1%
Anderung: A /D = 0,05 μ Α, AUD = 0,2 mV. Die Aussteuerungsdrift (ab- geklungen nach 10 sec): AJD = 5 · 10"2, AUD = 5 · 10~2. Die Einschaltdrift (abgeklungen nach 15 min): AJD = 1 μ A , AUD = 2 mV. Der Verstarker besitzt Gegentakteingange und Gegentaktausgange, die beide nach Belieben auch einseitig betrieben werden konnen. Die relative Gleichtaktunterdriik- kung betragt 1:1000. Der Verstarkungsgrad betragt:
R 15 V Ausgangsspannung ^ 2Q Μ Ω
a 0.75 μ A Eingangsnennstrom die Ausgangsleistung: 2 χ 25 M W .
Die angegebenen Driftwerte sind fur MeB- und Regelzwecke in vielen Fallen nicht tragbar. Wesentliche Verbesserungen werden durch eine Schaltung mit Transistor-Chopper im Eingang erzielt. Zur Anwendung gelangen Schalttransistoren, die in einer speziellen Schaltung im Schalt- betrieb zwischen Kollektor und Basis gesteuert werden [3, 4] und dadurch die zu messende Spannung im Takte einiger kHz modulieren. Die eigent- liche Verstarkung erfolgt in einem anschliefienden Wechselstromverstarker.
I m Ausgang dieses Verstarkers erfolgt die Gleichrichtung des verstarkten Signals in einem richtungsabhangigen Gleichrichter; die resultierende Ver
starkung ist also eine reine Gleichstromverstarkung. Der Frequenzbereich eines nach diesem Prinzip arbeitenden Zerhackerverstarkers erstreckt sich bis zu Grenzfrequenzen von einigen 100 Hz. Er wird im Bedarfsfalle durch Zuschaltung des vorher beschriebenen Gleichstromverstarkers bis auf einige k H z erweitert. In den meisten Fallen kommt die industrielle Regelungs
technik bereits ohne diese MaBnahme aus.
Die Driftverminderung durch Anwendung eines Transistorzerhackers liegt in der GroBenordnung 1:20 bis 1:50. Spannungsdriften von 50 μΥ je 10°C sind einzuhalten, so daB die Anpassung an den Spannungspegel von Thermoelementen mit einer fur viele Zwecke hinreichenden Genauig- keit gegeben ist.
Der Aufwand beim Transistorverstarker mit Zerhacker liegt etwa beim Doppelten des Transistor-Gegentakt-Gleichstromverstarkers. Die durch Zerhackerverstarker erzielbare Driftminderung fiihrt dabei zu wesentlichen Einsparungen an Kapazitaten in Ruckfuhrnetzwerken bzw. zu entsprechen-
3-60143045 I & Μ
34 Automatic process control · E. KROCHMANN
Schutzgleichrkhter
~T^Fe/dwick/ung Richfung
Richfung ζ
Richfung f Leistungsstufe fur eine Stromrkhfung Richfung 2
Richfung 1 Richfung Ζ Spannungsfunktion uber der Zeif
leistungsstufe fur Zweirichtungsbetrieb Bild 6.—Schaltregler 500 W mit Transistoren.
der Erhohung des erzielbaren Zeitkonstanten. Gerade hier lag bisher ein lastiges Hindernis bei der Anwendung von Transistorverstarkern, dessen Beseitigung den Mehraufwand fiir den Chopperverstarker lohnt.
Transistor-Leistungsverstarker
Der maximale wirtschaftliche Ausgangspegel kontinuierlicher Transistor- verstarker mit Leistungstransistoren von ca 25 W Verlustleistung (Typ OD651, A E G ) liegt in der GroBenordnung von 50 bis 100 W . Er wird durch im Schaltbetrieb arbeitende Transistorverstarker auf Leistungen von 500 bis 1000 W erweitert, deren prinzipiellen Aufbau Bild 6 zeigt. Die Taktfre- quenz fiir den Schaltbetrieb wird im Multivibrator des Steuergerates er- zeugt. Eine Briickenschaltung ergibt die Moglichkeit fiir einen Zweirich
tungsbetrieb. Bei Ankerspannungsregelungen von Gleichstrom-Neben-
Bild 7.—Transistor-Schaltverstarker fur Umkehrbetrieb, 0,5 kW.
schluBmotoren wird zusatzliche Strombegrenzung eingefuhrt. Bild 7 zeigt die Innenansicht des Schaltverstarkers fiir 0,5 k W Ausgangsleistung. Der anschlieBenden Leistungsbereich wird z.Z. von gesteuerten Vierschichten- Siliziumtriodenz.Z. bis zu Leistungen von 10 k W bestrichen. Dieser Bereich gehorte bisher ausschlieBlich den Gleichstromverstarkermaschinen (Leo- nardgeneratoren und Amplidynen), und es ist abzusehen, daB diese durch das Vordringen der Halbleitertechnik aus dem erwahnten Leistungs- bereich verdrangt werden.
Rechenaufgaben, die Multiplikationen und Divisionen enthalten, sind mit normalen Verstarkern nicht durchfuhrbar, wenn beide Signale in Form von elektrischen Stromen oder Spannungen zur Verfugung stehen. In den Bil- dern 8 und 9 wird ein Baustein gezeigt, der, nach dem Impulsverhalt- nisverfahren arbeitend, die Multiplikation zweier veranderlicher Regel- signale und in einem beschrankten Bereich die gleichzeitige Division durch ein weiteres Regelsignal gestattet. Die fur das Impulsverhaltnisverfahren erforderliche Rechteck-Taktspannung wird in einem Multivibrator erzeugt, der einen hochpermeablen Ringkern als Integrator enthalt. Das eine zu multiplizierende Signal (wx) bewirkt iiber die Multivibratorstufe eine An- derung des Impulsverhaltnisses des periodisch mit wechselnder Polaritat geschalteten Ausgangssignals, wahrend das zweite Multiplikatorsignal u2 dessen Amplitude bestimmt. Der arithmetische Mittelwert der Ausgangs- spannung ist eine Gleichspannung, die dem Produkt ux x w2 entspricht.
Die Auswirkung der Amplitude wx auf das Impulsverhaltnis ist dabei noch durch deren Verhaltnis zur Spannung w3 des Multivibrators bedingt, deren Amplitude etwa im Bereich von 30 bis 100% reziprok auf das Impulsver- haltnis einwirkt.
Der beschriebene Multiplikator verkniipft also seine 3 Eingangssignale ul9 u2, uz und das Ausgangssignal w4 durch die Beziehung: uA = k {ux u2juz).
Multiplikator
Bild 8.—Schaltbild des Mul- tiplikators fur Zweiquadran- tenbetrieb.
36 Automatic process control · E. KROCHMANN
Bild 9.—Multiplikator fur Gleichstromsignale.
Die Spannung wx darf dabei ihr Vorzeichen andern, wahrend die Spannungen w2 und w3 auf eine einzige Polaritat beschrankt sind. Der beschriebene Multi- plikator-Baustein bestreicht infolgedessen nur zwei Quadranten der u^u^
Ebene. Die Anordnung ist auf den Vierquadrantenbetrieb zu erweitern [1].
Die erreichbare Genauigkeit betragt bei entsprechenden Abschlussen ein- gangs- und ausgangsseitig 1 % des Maximalwertes. Die Driftwerte liegen im Temperaturbereich von 0 bis 50°C bei ± 1 % des Ausgangsnennwertes.
Das Gerat geniigt damit vielen industriellen Anforderungen [7].
D I G I T A L E M I T T E L D E R I N F O R M A T I O N S V E R A R B E I T U N G I N R E G E L K R E I S E N
Der Ubergang zu digitalen Systemen erwiest sich uberall da als vorteilhaft, w o erhohte Genauigkeiten verlangt werden oder w o die Regelsignale kom- plizierten Umformungen unterworfen werden miissen, wie z.B. bei Opti- mierungsproblemen [5, 6]. Zusammenwirken von analoger und digitaler Informationsverarbeitung kann sich als vorteilhaft erweisen [9]. Hochgenaue Erfassung der RegelgroBe ergibt sich durch die Anwendung der elektro- nischen Zahltechnik bei der Regelung von Drehzahlen z.B. fiir Prufstande, bei genauen Positionierungen, z.B. fiir Werkzeugmaschinen oder bei der ge- nauen Einregelung von Mischungsverhaltnissen und Dosierungen.
Bild 10.—Zahldekade mit Transi- storen Grenzfrequenz 1 MHz.
Grundelemente der Digitaltechnik sind Kippstufen (Flip-Flop) und Elemente der logischen Verkniipfung ( U N D - , ODER-Elemente). Eine aus vier Transistorkippstufen aufgebaute Zahldekade (Bild 10) nutzt von ihren moglichen 16 Kombinationen des binaren Systems 10 Kombinationen fiir das dekadische System. Jedes Flip-Flop der Dekade besitzt einen Be- wertungswiderstand fiir einen analogen — quantisierten — Gleichstrom- ausgang fiir Anzeige durch ein Drehpulsinstrument oder fiir Verwendung als Gleichstrom-Regelsignal.
Digitale Drehzahlregelung
Die Anwendung der Zahlbausteine in einer digitalen Drehzahlregelung zeigt das Prinzipbild (Bild 11). Die Drehzahl des zu regelnden Motors wird hier durch Auszahlen der vom fotoelektrischen Impulsgeber S2 erzeugten Impulse erfafit. Diese Impulse gelangen iiber das T o r T, das jeweils fiir eine bestimmte Zeit aufgehalten wird, auf das Zahlgerat mit den Dekaden 1 bis 4, w o sie wahrend einer Zahlperiode aufsummiert werden. Die Zahl- zeit wird durch den angedeuteten Quarzgenerator (QG) bestimmt, dessen Frequenz /x durch den anschlieBenden Frequenzteiler Z1 so weit herunter- geteilt wird. daB die Impulsabstande // der gewiinschten Zahlzeit ent- sprechen. Jeweils nach Ablauf der Zahlzeit wird das T o r von Signal //
geschlossen. Gleichzeitig damit erfolgt eine Einwirkung der Impulse //
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Bild 11.—Digitale Drehzahlregelung mit Bausteinen der Zahltechnik, Prinzipbild.
auf den angedeuteten Speicher, wodurch die Umspeicherung der auf dem Zahler aufgelaufenen Impulse veranlaBt wird. Dieser Speicher enthalt gleichfalls 4 Flip-Flops je Dekade, die bei der Ubertragung des Zahlket- teninhalts jeweils die gleichen Stellungen annehmen wie die entsprechenden Flip-Flops des Zahlgerats.
Die beiden letzten Dekaden des Speichers besitzen einen Gleichstrom- ausgang uber Bewertungswiderstande. Die Anordnung ist derart getroffen, daB sich in Abhangigkeit von der eingespeicherten Schrittzahl ein im Blockbild angedeuteter Verlauf der — sehr fein — gestuften Ausgangs- gleichspannung ergibt, der durch die folgenden Kennlinienpunkte gekenn- zeichnet ist:
Von 0 bis 7900 Schritten — der untere Grenzwert, Bei 8000 Schritten — null,
Oberhalb 8000 Schritten — der obere Grenzwert.
Durch diese mit digitaler Genauigkeit vor sich gehende Unterdruckung der Stellen hoher Wertigkeit ergibt sich die hohe Genauigkeit des der Dreh- zahlabweichung proportionalen analogen Ausgangssignals des Speichers Diese Genauigkeit kann mit tragbarem Aufwand uber jede mit Tachometer- maschinen erzielbare Genauigkeit hinaus gesteigert werden.
Der Regelkreis der Drehzahlregelung schlieBt sich vom analogen Aus- gang des Speichers iiber den integral wirkenden Regelverstarker und den Leonardgenerator. Die EMK-Gegenkopplung bildet dabei den ungenauen Proportional-Anteil der Drehzahlregelung.
Bei der geschilderten Anordnung stellt sich zwangslaufig eine Drehzahl ein, die der wahrend der Zahlzeit Tz aufgelaufenen Impulszahl 8000 ent- spricht
* 8000 _!
WSoll — rjT See ,
wobei sz die Zahl der Schlitze des Impulsgebers darstellt. Soil nun ein anderer Sollwert eingestellt werden, so muB anstelle einer Ruckstellung des Zahlers auf Null die angedeutete Voreinstellung auf eine Anfangsschrittzahl zv eingestellt werden, auf die der Zahler nach jeder Zahlperiode zuriickgestellt wird. Damit ergibt sich dann ein eingestellter Drehzahlsollwert von
8000-
r'soll • szT2
Zv - 1
— sec .
Auf diese weise kann iiber die Voreinstellung jeder beliebige Sollwert der Drehzahlregelung eingestellt werden. Die Voreinstellung ist gleichzeitig Sollwerteinsteller.
Will man das Fiihrungsverhalten der Anordnung verbessern, so empfiehlt sich die Einfiihrung einer mit der Voreinstellung gekoppelten analogen Sollwertspannung Uv.
Quarzgesteuerter Frequenzgeber
Eine weitere Anwendung der digitalen Regelung bildet ein quarzgesteuerter Frequenzgeber fiir Eichzwecke, wie er in seinem grundsatzlichen Aufbau in Bild 12 gezeigt ist.
Aufgabe dieser Anordnung ist die Herstellung aller Oberwellen der Grundwelle 0,1 H z im Bereich von 40 bis 70 Hz. Die Frequenz f0 eines Quarzfrequenzgebers 1 wird durch den Frequenzteiler 2 auf die Frequenz f0f = 100 H z heruntergesetzt und wirkt auf den einen Eingang eines Dif-
ferenzzahlers 4 mit Analogausgang. Der Gleichstromausgang dieses Zahlers Bild 12.—Quarzfrequenzgeber 40-70
Hz, Grundsatzlicher Aufbau.
1, Quarzfrequenzgeber;
2, Frequenzteiler;
4, Differenzzahler mit Analogaus- gang;
6, steuerbarer Frequenzgeber;
7, Frequenzteiler;
8, Sollwertaufschaltung;
und 9, Frequenzteiler.
(*0>
40 Automatic process control · E. KROCHMANN
Bild 13.—Spannungs-Frequenzumformer, Ansicht.
steuert den steuerbaren Frequenzgeber 6, dessen Ausgangsfrequenz fx = 40 ... 70 kHz iiber einen Frequenzteiler 9 im Verhaltnis 1: Zx (Zx = 400 ...
700) geteilt und auf den 2. Eingang des Differenzzahlers geschaltet ist. In- folge der integrierenden Wirkung des Differenzzahlers 4 bildet sich Gleich- heit der Frequenzen // und f0' aus, so daB die Beziehung fx =Z1f0' ein- geregelt wird. Durch anschlieBenden Frequenzteilung 1:1000 in Block 7 wird der verlangte Bereich der Ausgangsfrequenz^ hergestellt. Das Prinzip eignet sich auf diese Weise zur Herstellung einer beliebigen Anzahl von Oberwellen einer festen quarzgesteuerten Frequenz, bis hinauf zu einigen M H z bedingt durch die Grenzfrequenz der Zahlgerate.
Bild 13 zeigt den eingebauten steuerbaren Frequenzgeber, dessen Schal
tung auf Bild 14 angedeutet ist. Die Gesamtanordnung des Quarzfrequenz-
Steuergleich- φ spannung
9
ό Spe/'se-
spannung 90
Aus gang 6 6 Bild 14.—Spannungs-Frequenzumformer, Prinzipbild.
Bild 15.—Frequenzgeber fiir 4 0 - 7 0 Hz.
gebers zeigt Bild 15. M i t den gleichen Bausteinen der Zahltechnik lassen sich frequenz- und gegebenenfalls phasengetreue elektronische Getriebe aufbauen, basierend auf der Moglichkeit der Herstellung exakter Frequenz- verhaltnisse.
Z U S A M M E N F A S S U N G
Es wurde ein kurzer Uberblick iiber eine Reihe von analogen und digitalen elektronischen Bausteinen gegeben. Zum Nachweis der Einsatzfahigkeit wurden einige Beispiele — insbesondere aus dem Bereich der digitalen bzw. kombiniert analog-digitalen Regelungen — geschildert.
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