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Elektrischer Regler für Verarbeitungsmas chinen bedruckter ablaufender
Bahnen Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Regler für Verarheitungsmaschinen
bedruckter ablaufender Bahnen mit Regeistrecken großer Anlaufzeit, insbesondere
Mehrfarbenrotationsdruckmaschinen und Querschneider, bei dem eine der Regelabweichung
proportionale Größe die Stellgröße für den eine bleibende Änderung der Regelgröße
bewirkenden Stellmotor, die die Ein- und Ausschaltung und die Drehrichtung des mit
konstanter Winkelgeschwindigkeit laufenden Stellmotors bestimmt, derart beeinflußt,
daß sich eine Überregelung ergibt, und dem Regler eine Hilfsgröße aufgeschaltet
ist, die zeitlich verzögert auf die Steligröfle für den Stellmotor so einwirkt,
daß sie den Teil des Stellvorganges, der zu einer Überregelung führt, rückgängig
macht. Bei der Regelung von Mehrfarbendruckern und Querschneidern beispielsweise
ist es bekannt, eine bleibende Verstellung auf die ablaufende Bahn zwischen zwei
in ihrer Phasenlage aufeinander abzustimmenden Arbeitsvorgänge zu geben, die durch
ein Meßwerk ausgelöst wird, welches den Registerfehler, d. h. die Abweichung der
Phasenlage der beiden Arbeitsvorgänge voneinander, mißt. Diese können zwei zeitlich
nacheinander erfolgende Drucke verschiedener Farbe, die genau aufeinanderliegen
sollen, oder ein Schneidevorgang (Querschnitt) an bestimmten Stellen einer bedruckten
Bahn sein. Beides sind Ausführungsformen der sogenannten Lageregelung. Der Sollwert
ist durch die Lage eines Druckbildes auf der Bahn gegeben. Der nächste Arbeitsvorgang
muß auf dieses Bild abgestimmt werden. Seine Lage bildet daher den Istwert bei einem
etwa auszulösenden Regelvorgang.
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Bei einer am Meßort, also hinter der Stelle, an der der zu regelnde
Arbeitsvorgang stattfindet, auftretenden plötzlichen Abweichung wird auf Grund der
großen Totzeit und Anlaufzeit der Bahn, d. h. der Regelstrecke, auch ein praktisch
trägheitslos einsetzender I(orrekturvorgang erst nach einer langen Zeit wirksam.
Diese Wirkung ist außerdem nicht eindeutig, weil die Messung unstetig ist. Fig.
1 zeigt ungefähr den Mittelwert des Verhaltens der Bahn. In dieser Figur ist über
der Zeit auf der Abszisse die unter dem Einfluß des Stellvorganges auftretende Änderung
der Regelgröße in Ordinatenrichtung aufgetragen. Bei derartigen Lageregelungen hat
das Stellorgan meistens eine konstante Arbeitsgeschwindigkeit, deren Richtung umgesteuert
werden kann. Der Stellvorgang bewirkt dabei eine bleibende Änderung der Regelgröße.
Für die Registerregelung sind auch Anordnungen bekannt, die mit einem nur von Zeit
zu Zeit an die Regelstrecke geschalteten Regler arbeiten. Diese haben den Nachteil,
daß zum unstetigen Messen noch ein unstetiges Arbeiten des Reglers an der Regel-
strecke
kommt. Dadurch wird der Regelvorgang zwar stabil, aber unerwünscht langsam.
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Zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Regelvorganges sind auch Verfahren
mit Vorrichtungen bekannt, die bei Feststellung einer Abweichung zwischen Ist- und
Sollwert der Betriebsgröße zunächst einen Regelstoß von zur Beseitigung der Abweichung
mehr als ausreichender Größe geben, bei denen im Augenblick des Durchganges der
Betriebsgröße durch den Sollwert ein Gegenregelstoß von einer solchen Größe gegeben
wird, daß die durch den ersten Regelstoß hedingten, über den Sollwert hinausgehenden
Änderungen der Betriebsgröße aufgehoben werden. Außer einer überhöhten Stellgröße
tritt bei diesen bekannten Verfahren auch eine Überregelung auf, die sich bei Regelstrecken
mit großer Totzeit ungünstig auf die Stabilität auswirkt und dadurch nicht zu einer
nutzbaren Abkürzung des Regelvorganges führt. Die Ursache dafür liegt darin, daß
der Gegenregelstoß erst ausgelöst wird, wenn die Regelabweichung gerade Null ist.
Um in solchen Fällen eine ausreichende Stabilität zu erreichen, müßten besondere
Rückführungen vorgesehen werden. Eine derartige bekannte Rückführung besteht darin,
daß der Steuerimpuls direkt oder unter Zwischenschaltung eines Relais bzw. eines
Verstärkers auf ein elektrisches Speicherglied, vorzugsweise einen Kondensator,
geleitet und. zur Herstellung des Rückführeinflusses verwendet wird und Amplitude
und Zeitkonstante des Rückführeinflusses durch getrennte Potentiometer bzw. Verstellwiderstände
eingestellt
werden. Diese bekannte Rückfüh rung führt aber auch zu keiner ausreichenden Be schleunigung
des Regelvorganges bei großen Totzeiten der Regelstrecke.
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Zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit wurde nun vorgeschlagen, beim
Auftreten einer Regelabweichung einen größeren Stellvorgang als benötigt auszulösen,
und diesen Stellvorgang erst kurze Zeit danach derart teilweise rückgängig zu machen,
daß der verbleibende Stellwert dem zur Korrektur notwendigen Stellwert entspricht.
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Die Erfindung knüpft an diesen allgemeinen Gedanken an und führt
zu einer Vereinfachung gegenüber dem älteren Vorschlag. Der elektrische Regler nach
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgröße so bemessen ist, daß
ihre Einwirkung auf die Stellgröße die von der Regelabweichung ausgehende Beeinflussung
der Stellgröße gerade dann aufhebt, wenn der ausgelöste Stellvorgang um ein gefordertes
Vielfaches größer ist, als zur Beseitigung der Regelabweichung erforderlich, ohne
daß diese bereits Null geworden ist, und einen Rückstellvorgang durch Umschaltung
der Drehrichtung des Stellmotors einleitet.
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Eine Weiterbildung des elektrischen Reglers besteht darin, daß mit
der Umschaltung der Drehrichtung des Stellmotors entsprechend der Abhängigkeit der
Stellgröße von der Hilfsgröße eine Verminderung der Hilfsgröße und gegebenenfalls
der Aufbau einer zweiten Hilfsgröße entgegengesetzten Vorzeichens eingeleitet wird,
bis die durch sie hervorgerufene Beeinflussung der Stellgröße kleiner ist als die
durch die Regelabweichung hervorgerufene Beeinflussung und eine neue Umschaltung
der Drehrichtung des Stellmotors erfolgt. Der Aufbau ist auch in der Weise möglich,
daß mit der Umschaltung der Drehrichtung des Stellmotors entsprechend der Abhängigkeit
der Stellgröße von der Regelabweichung eine Zunahme der Hilfsgröße und die Abnahme
einer gegebenenfalls vorhandenen zweiten Hilfsgröß e eingeleitet wird, bis die durch
sie hervorgerufene Beeinflussung der Stellgröße kleiner ist als die durch die Hilfsgrößen
hervorgerufene Beeinflussung und eine neue Umschaltung der Drehrichtung des Stellmotors
erfolgt. Zweckmäßig erfolgt die Abschaltung des Stellmotors dann, wenn Hilfsgrößen
in den einzelnen Umschaltphasen im Gleichgewicht miteinander stehen und die Regelabweichung
identisch Null ist.
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Dadurch, daß man das Anwachsen und Abnehmen der Hilfsgröße durch
den jeweils nächsten Umschaltvorgang beenden kann, hat man es in der Hand, die oszillatorischen
Ausgleichsvorgänge so klein zu halten, daß sämtliche Überschreitungen nach beiden
Richtungen, gemessen von der ersten Richtungsumkehr des Registerfehlers an, nicht
mehr als störende Abweichung zu hetrachten sind und unter der kleinsten noch zu
korrigierenden Regelabweichung bleiben.
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Die Erfindung sei an Hand der Fig. 2 näher erläutert. Durch die Steuerwicklung
1 des magnetischen Nullstromverstärkers 2 fließt ein Strom, welcher dem Registerfehler
proportional ist. An sich erfolgt die Messung des Registerfehlers diskontinuierlich,
bei Mehrfarbendruckern beispielsweise einmal je Zylinderumdrehung. Es sind jedoch
Meßanordnungen bekanntgeworden, die derart wirken, daß auf ihrer Ausgangsseite ein
Strom entsteht, dessen Mittelwert dem Registerfehler proportional ist und dessen
Scheitelwert den weiteren Regelverlauf nicht beeinflußt. Der magnetische Nullstromverstärker
2 der nur schematisch angedeutet ist, steuert ein Drehspulinstrument 3
dessen Tastfahne
3' entsprechend dem Zeigerausschlag eine der beiden Fotozellen 4 und 5 abdeckt.
Welche Fotozelle (man kann auch Fotowiderstände, Fototransistoren u. ä. verwenden)
abgedeckt wird, hängt vom Vorzeichen des Registerfehlers, d. h. also von der Richtung
des Zeigerausschlages des Drehspulinstrumentes 3 und damit von der Richtung des
Stromes in der Steuerwicklung 1 ab. Mit 6 und 7 sind die Verstärker bezeichnet.
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Die Anordnung mit den Gliedern 4 und 6 bzw. 5 und 7 arbeitet als
Zweipunktstellglied, d. h., es wird nur erfaßt, ob ein Ausschlag aufgetreten ist
oder nicht.
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Je nachdem, welcher der Verstärker 6 und 7 arbeitet, wird eines der
Relais 8 und 9 eingeschaltet. Dadurch wird über die Kontakte 10 bzw. 11 der Motor
12 mit der Wechselspannungsquelle 13 iiber eines der Ventile 14 bzw. 15 für Rechts-
oder Linkslauf verbunden. Der Motor 12 würde ohne die Maßnahmen nach der Erfindung
so lange laufen, bis der Strom in der Steuerwicklung 1 auf Null zurückgegangen ist,
da dann das Drehspulinstrument 3 die Tastfahne 3' zurückstellt.
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In dieser Nullage fällt das jeweils eingeschaltete Relais ab und schaltet
den Motor 12 aus.
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Die integrale Verstellung durch den Motor 12 einerseits und das träge
Verhalten der Papierbahn andererseits haben aber zur Folge, daß sich nach dem Abschalten
des Stellmotors der Strom in der Steuerwicklung 1 umkehrt, da im Augenblick des
Verschwindens der Regelabweichung bereits eine Verstellung erfolgte, die größer
ist, als zu ihrer Beseitigung erforderlich. Die Verstellung führte also zu einem
Registerfehler umgekehrten Vorzeichens. Der Strom in dem Drehspulinstrument 3 bewirkt
nun einen entgegengesetzten Ausschlag des Tasters 3'. Dadurch läuft der Motor 12
in der entgegengesetzten Richtung an und arbeitet nun in Richtung auf eine Verminderung
der neuen Regelabweichung. Je nachdem, wie groß die Totzeit der Regelstrecke und
die Geschwindigkeit des Motors 12 ist, die am Widerstand 16 einstellbar ist, tritt
eine mehr und weniger große Überregelung auf. Es kann der Fall auftreten, daß die
Überregelung, d. h. die durch den Stelleingriff bewirkte Regelabweichung in der
Gegenrichtung, betragsmäßig größer wird, als es die ursprüngliche Regelabweichung
in der anderen Richtung war.
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Dadurch kann sich die Regelabweichung immer weiter aufschaukeln und
immer größere Werte annehmen.
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Andererseits erfolgt aber bei einer großen Geschwindigkeit des Motors
12 auch der erste Nulldurchgang des Stromes in der Steuerwicklung 1, d. h. das erstmalige
Verschwinden der Regelabweichung schon nach kurzer Zeit. Man erkennt, daß dieser
Zeitpunkt um so eher erfolgt, je stärker überregelt wird.
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Die Maßnahme der Erfindung ermöglicht es nun, die durch den Stelleingriff
hervorgerufene Regelabweichung entgegengesetzter Richtung so klein zu halten, daß
für die praktischen Bedürfnisse die Regelabweichung mit dem ersten Nulldurchgang
des Drehspulinstrumentes 3 als korrigiert anzusehen ist. Zu diesem Zweck wird nach
der Erfindung mit der Erregung des Relais 8 ein weiterer Kontakt 17 geschlossen,
welcher die Spannung einer Spannungsquelle 18 über einen Widerstand 19 an einen
Kondensator 20 legt. Dieser Kondensator 20 beginnt sich aufzuladen, wobei die Ladegeschwindigkeit
von der Stellung des Ahgriffes am Widerstand 19 abhängt. Die Kondensatorspannung
wird einer Wicklung 21 des Nullstromverstärkers 2 zugeführt und bewirkt in dieser
einen zum Strom in der Steuerwicklung 1 entgegengesetzten Strom. Das Drehspulinstrument
3 wird somit nunmehr
von der Differenz der beiden Ströme, also
von der Differenz des der Regelabweichung proportionalen Stromes und des Stromes
in der Wicklung 21, beeinflußt. Dadurch, daß dieser letztgenannte Strom anwächst,
wird der Taster 3' schneller zunickgeführt.
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Fig. 3 zeigt in der ausgezogenen Kurve den Strom in der Steuerwicklung
1 in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die Zeit t=0 dem sprunghaften Auftreten eines
Registerfehlers bestimmter Abweichung entspricht. Ohne die Hilfsgröße entsprechend
der Kondensatorspannung würde der Motor 12 bis zum Zeitpunkt t, laufen, da man gegenüber
dem Zeitverhalten der Regelstrecke die Schaltvorgänge in der Regleranordnung als
praktisch trägheitslos ansehen kann.
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Der Strom in der Wicklung21, der in der Fig. 3 gestrichelt gezeichnet
ist, bedingt jedoch ein früheres Abschalten. In dem Drehspulinstrument 3 ist die
Differenz der beiden Ströme wirksam, die in Fig. 3 strichpunktiert dargestellt ist.
Der Schnittpunkt der gestrichelten Kurve mit der ausgezogenen Kurve entspricht dem
Nulldurchgang der strichpunktierten Kurve und damit dem Nulldurchgang des Tasters
3'.
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Dieser zum Zeitpunkt t2 erfolgende Nulldurchgang des Tasters 3'. Dieser
zum Zeitpunkt t erfolgende Nulldurchgang bedingt ein früheres Abschalten des Äiotors
12. Dadurch wird auch ein weiteres Ansteigen des Stromes in der Wicklung 21 gebremst.
Durch Entladung des Kondensators 20 iiber den einstellbaren Widerstand22 wird der
Strom in der Wicklung21 langsam zurückgenommen. Der Strom in der Steuerwicklung
1 kehrt aber später seine Richtung um. Die Verminderung des Stromes in der Wicklung
21 muß nun so schnell erfolgen, daß der Taster 3' auf jeden Fall schon vom Zeitpunkt
t2 an entgegengesetzt ausschlägt. Nunmehr schaltet das Relais 9 über den Kontakt
11 den Motor 12 in entgegengesetzter Drehrichtung ein. Gleichzeitig aber wird auch
der Kontakt 23 geschlossen. Das hat zur Folge, daß der EXondensator 24 über den
Widerstand 25 aufgeladen wird. An der Wicklung 21 wird also nun die sich vermindernde
Spannung am Kondensator 20 und die sich aufbauende Spannung am Kondensator 24 wirksam.
Die Ströme in der Steuerwicklung 1 und in der Wicklung 21 werden nach kurzer Zeit
entgegengesetzt gleich sein, so daß der Motor 12 gleichfalls nach relativ kurzer
Zeit erneut umgeschaltet wird.
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Die Bemessung der ganzen Anordnung läßt sich so auslegen, daß die
Regelabweichung entsprechend dem in Fig. 3 ausgezogen gezeichneten Meßstrom den
Verlauf erhält, wie er über den Zeitpunkt tl hinausgehend dargestellt ist. Die resultierende
Durchflutung aus den Strömen in der Wicklung 21 und der Steuerwicklung 1 muß durch
Einstellung der Widerstände 19, 22, 25 und 26 in entsprechender Weise in ihrem Verlauf
vorgegeben werden. Wählt man den Ladewiderstand 19 bzw. 25 zu klein, so daß der
Strom in der Wicklung 21 schnell ansteigt bzw. abfällt, so wird eine große Geschwindigkeit
des Stellmotors durch zu kurze Einschaltzeiten wieder kompensiert. Es würde zwar
nicht oder nur wenig überregelt werden. Die Regelabweichung würde sich aber nur
sehr träge ausgleichen.
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Wird der Ladewiderstand 19 bzw. 25 zu hoch gewählt, so tritt zwar
ein rascher erster Nulldurchgang des Drehspulinstrumentes 3 auf; es wird aber sehr
stark überregdt. Im Grenzfall des unendlich hohen Ladewiderstandes, also bei verschwindendem
Strom in der Wicklung 21, erfolgt wegen der großen Geschwindigkeit des Stellmotors
ein Aufschaukeln der Regelabweichung. Zwischen diesen beiden Fällen gibt es einen
stetigen Übergang mit einer günstigen Einstel-
lung, die sich durch einen schnellen
ersten Nulldurchgang des Drehspulinstrumentes und ein schwaches, noch vertretbares
Überregeln auszeichnet.
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Diese Wirkung kann unterstützt werden durch entsprechende Einstellung
der Entladewiderstände. Zu hohe Entladewiderstände bedeuten zu langes Einschalten
der Hilfsgröße, also ein zu langes Andauern der Einschaltzeit des Motors nach seiner
ersten Richtungsumkehr. Das würde das starke Überregeln bei gleichzeitigem Hinauszögern
der Beseitigung der Regelabweichung unterstützen. Die Überregelung ist durch lange
Schwingungen und großen Ausschlag, also großes Fehlerverharren in einer Richtung,
ausgezeichnet. Sofortige Rücknahme des Stromes in der Wicklung21, also eine schlagartige
Entladung eines der Kondensatoren 20 bzw. 24, hätte ein Wiedereinschalten des Motors
in der gleichen Richtung zur Folge, da mit dem Verschwinden des Stromes in der Wicklung
21 durch diesen Entladestoß der Strom in der Steuerwicklung 1 in der gleichen Richtung
wirksam bleiben würde. Damit würde ein kurzes, starkes Überregeln wechselnder Richtung
auftreten. Ein zu kleiner Entladewiderstand führt also entweder zu einem Hinauszögern
des Umschaltzeitpunktes für den Motor 12 oder zu einer Abkürzung der Einwirkung
der Hilfsgröße nach der Umschaltung. Auch hierbei gibt es ein Optimum. Die Verkettung
der Stromkreise 19, 20, 22 und 24, 25, 26 miteinander erlaubt durch geeignete Einstellung,
die dem jeweils vorhandenen Trägheitsverhalten der Regelstrecke angepaßt werden
muß, eine bestmögliche Regelung.
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Es ist weiterhin zu berücksichtigen, daß es sich bei der angenommenen
schlagartig auftretenden Regelabweichung (ausgezogene Kurve in Fig. 3 zum Zeitpunkt
t=0) um einen theoretischen Fall handelt. In Wirklichkeit baut sich eine Regelabweichung
nahezu genauso träge auf, wie die Korrektur bei schlagartig auftretenden Fehlern
ohne Wicklung 21 erfolgen würde. Die Regelabweichung hätte demnach einen Verlauf,
der dem der Kurve in Fig. 1 sehr ähnlich ist.
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Die Maßnahmen nach der Erfindung gestatten es nun, durch den sofort
einsetzenden Regeleingriff die Regelabweichung von vornherein so klein zu halten,
daß sie über einen noch zumutbaren Toleranzbereich gar nicht hinausgelangen kann.
Bei der Regelung von Mehrfarbendruckern hat sich gezeigt, daß der Regler gemäß der
Erfindung die Regelabweichung unter etwa 1/10 mm halten kann. Das bedeutet praktisch,
daß eine sich infolge einer Störung aufbauende Regelabweichung sich optisch nicht
auswirkt, da der Registerfehler unter dem optisch wahrnehmbaren Bereich bleibt,
so daß ein durchweg befriedigender Druck auf der Bahn vorhanden ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 gestattet verschiedene Modifikationen.
In die Steuerwicklung 1 kann beispielsweise noch zusätzlich ein D-Einfluß eingeführt
werden. Das bedeutet, daß der Strom in der Steuerwicklung 1 proportional einer Linearkombination
aus Regelabweichung und Änderung der Regelabweichung pro Zeiteinheit ist. Diese
Maßnahme unterstützt eine Schnellregelung. Statt des Nullstromverstärkers 2 kann
auch das Drehspulinstrument direkt mit Steuer- und Zusatzwicklungen versehen werden.
Man ist auch nicht an die Verwendung eines Tastsystems entsprechend den Gliedern
3, 3', 4 und 5 gebunden. Es ist nur wesentlich, ein System zu haben, das anspricht,
solange die Differenz der Ströme in den Wicklungen 1 und 21 bzw. allgemein die Differenz
aus Regelabweichungsmeßgröße und Hilfsgröße ein bestimmtes Vorzeichen haben.