DE2259596A1

DE2259596A1 - Stufenregler fuer zweipunktregelung mit schaltstufen

Info

Publication number: DE2259596A1
Application number: DE19722259596
Authority: DE
Inventors: Urs Winkelmann
Original assignee: Staefa Control System SCS AG
Current assignee: Staefa Control System SCS AG
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1973-06-20
Also published as: AT318082B; FR2163761A1; SE393690B; FI56454B; GB1399648A; CH545509A; NO132447C; NO132447B; FI56454C; FR2163761B1

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. Ulrich Kinkelin 9 9 ς d c q e

7032 Sindelfingen Z^gqgqg

Auf dm Goldberg - Weimarer Straße 32 und 34
Telefon 07031/86601

Stäfa-Control-System SCS AG, Stäfa,

(Schweiz)

Stufenregler für Zweipunktregelung mit Schaltstufen

Die Erfindung betrifft einen Stufenregler für Zweipunktregelung mit Schaltstufen, die für jeden Stufenwert einer RegelgrÖsse als Eingangsgrösse den entsprechenden Stufenwert einer physikalischen Ausgangsgrösse als Stellgrösse einschalten und von denen jede Schalthysterese aufweist, deren Breite durch den Unterschied der Eingangsgrössenwerte für Ein- und Ausschalten der Schaltstufe gegeben ist, wobei ein kleinster Stufenwert der Ausgangsgrösse vorhanden ist und der Ausgangs grössenwert einer folgenden Stufe jeweils um diesen kleinsten Stufenwert grosser ist als der der vorangehenden Stufe und der Gesamtwert der Ausgangsgrösse auf die Schaltstufen in solchen Teilbeträgen aufgeteilt ist, dass durch Ein- und/oder Ausschalten von Schaltstufen die einzelnen Stufenwerte der Ausgangsgrösse darstellbar sind.

Bekanntlich wird bei einer Zweipunktregelung der Sollwert der RegelgrÖsse ständig abwechselnd über- und unterschritten, so dass sich als Regelverlauf eine Dauerschwingung der zu regelnden Grosse ergibt. Für den Regler und die Rege-

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lung von Bedeutung sind hierbei die Schwingungszeit und die Amplitude der Regelschwingung. Die Schwingungszeit bestimmt die Schalthäufigkeit beim Regeln und ist deshalb für die Lebensdauer der z.B. Schütze enthaltenden Schaltstufen wesentlich. Die Amplitude ist der Unterschied zwischen dem beim Regeln auftretenden oberen und unteren Grenzwert der zu regelnden Grosse und zeigt, um wieviel der Sollwert über- bzw. unterschritten wird. Bei einem Zweipunktregler an einer Regelstrecke mit Ausgleich und Totzeit ist die Amplitude der Regelschwingung von der Hysteresebreite und über die Parameter der Regelstrecke (Totzeit, Zeitkonstante, Verstärkungsfaktor) von der Aenderungsgeschwindigkext der Regelgrösse abhängig. Je grosser die Hysteresebreite und die Aenderungsgeschwindigkext der Regelgrösse, d.h. bei einer Regelstrecke vorgegebener Totzeit die Höhe des ein- und ausgeschalteten Betrages der Ausgangsgrösse sind, um so grosser ist auch die Amplitude der Regelschwingung. Um kleine Amplituden der Regelschwingung zu erhalten, lässt man daher einen gewissen Betrag der Ausgangsgrösse als Grundlast dauernd eingeschaltet und schaltet zum Regeln jeweils immer nur einen kleinen Teil derselben ein und aus. Für solche Regelungen sind Stufenregler entwickelt worden.

Bei den bekannten dezimalen Stufenreglern ist der Gesamtbetrag der Ausgangsgrösse gleichmässig auf eine Anzahl Schaltstufen verteilt, so dass jede derselben den gleichen Stufenwert der Ausgangsgrösse ein- und ausschaltet. Ist bei konstanter Störgrösse zur Aufrechterhaltung eines durch den Sollwert der Regelgrösse bezeichneten Zustandes der Regelstrecke bei dem Stufenregler ein Ausgangsgrössenwert erforderlich, der genau gleich einer Anzahl Stufenwerte ist, so werden durch die Eingangsgrösse über ein Netzwerk nacheinander gerade soviel Schaltstufen eingeschaltet, bis sich der verlangte Ausgangsgrössenwert ergibt. Nach dieser Anlaufphase findet dann keine weitere Regelung statt. Ist bei konstanter Störgrösse zur Aufrechterhaltung des Regelstreckenzustandes ein Ausgangs-

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grössenwert erforderlich, der zwischen zwei Stufenwerten liegt, sich also aus einer Anzahl Stufenwerten und einem Bruchteil eines Stufenwertes zusammensetzt, so wird durch die Regelgrösse in der Anlaufphase die entsprechende Anzahl Schali:- stufen eingeschaltet, und der noch fehlende Bruchteil wird erhalten, indem die nächstfolgende Schaltstufe periodisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei in der Schwingungszeit der sich einstellenden Regelschwingung diese Schaltstufe je einmal ein- und ausgeschaltet wird und sich die Einschaltzeit der Schaltstufe zur Schwingungszeit verhält wie der Bruchteil zum Stufenwert der Ausgangsgrösse. Kleine Aenderungen der Störgrösse verändern lediglich die Einschaltzeit der Schaltstufe innerhalb der Schwingungszeit. Grössere Störgrössenänderungen führen zu einem Regelverhalten wie in der Anlaufphase, d.h. es werden Schaltstufen zu- bzw. abgeschaltet. In Anlehnung an einen P-Regler kann. man. daher beim Stufenregler Proportionalitätsbereiche definieren, und zwar einen statischen Proportionalitätsbereich, oder ein statisches Proportionalitätsband, dessen Breite durch den Betrag der Regelabweichung gegeben ist, der erforderlich ist, um alle Schaltstufen des Reglers aus dem Aus- in den Einzustand zu bringen, und einen dynamischen Proportionalitätsbereich, oder ein dynamisches Proportionalitätsband, dessen Breite dem durch die Einschaltpunkte (bzw. Aussehaltpunkte) für zwei aufeinanderfolgende Schaltstufen gegebenen Betrag der Regelabweichung entspricht. Die Proportionalitätsbereiche können, wie die Amplitude der Regelschwingung in Einheiten der Eingangsgrösse des Reglers angegeben werden und es ist ersichtlich, dass der dynamische Proportionalitätsbereich nicht grosser sein darf, als die Amplitude der Regelschwingung, da sonst beim Regeln mehr als eine Schaltstufe geschaltet und der Regler instabil würde. Die Breite des dynamischen Proportionalitätsbereiches ist auch von den Hysteresebreiten der zugehörigen Schaltstufen abhängig. Wegen der Toleranzen bei den Schaltstufenbauteilen sind deren Hysterese- '

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breiten praktisch niemals gleich, so dass bei dem dezimalen Stufenregler auch die dynamischen Proportionalitätsbereiche verschieden breit sind, was bei manchen Regelungen unerwünscht ist. Je kleiner die Regelbreite bei gegebenen Stellbereich, d.h. je kleiner die Breite des dynamischen Proportionalitätsbereiches bei gegebenem statischen Proportionalitätsbereich sein soll, um so mehr Schaltstufen sind erforderlich. Es kann vorkommen, dass zum Regeln mit einem dezimalen Stufenregler z.B. 30 und mehr Schaltstufen benötigt werden. Dies ist unwirtschaftlich und ein erheblicher Nachteil der dezimalen Stufenregler, umsomehr, als mit der Schaltstufenzahl auch der Aufwand beim Eingangsnetzwerk zunimmt. Da bei dem dezimalen Stufenregler der Gesamtbetrag der Ausgangsgrösse gleichmässig auf seine Schaltstufen aufgeteilt und beim Regeln immer nur eine Schaltstufe und damit nur ein entsprechend geringer Teilbetrag der Ausgangsgrösse ein- und ausgeschaltet wird, können die vielen Schaltstufen dieser Regler auch von Vorteil sein, z.B. wenn die Ausgangsgrösse eine hohe elektrische Leistung ist. So würde bei dem vorstehenden Beispiel bei einer Ausgangsgrösse von z. B. 30 kW beim Regeln über die eine Schaltstufe immer nur 1 kW ein- und ausgeschaltet und damit das Netz nur verhältnismässig wenig belastet werden.

Die Anzahl erforderlicher Schaltstufen kann reduziert werden, indem der Gesamtbetrag der Ausgangsgrösse nach einem binären Schlüssel auf die einzelnen Stufen verteilt wird. Eine solche Verteilung der Ausgangsgrösse liegt bei den bekannten binären Stufenreglern vor. Entsprechend dem gewünschten Breitenverhältnis von dynamischem zu statischem Proportionalitätsbereich oder dem gewünschten Verhältnis von Regelbreite zu Stellbereich wird bei dem binären Stufenregler der Gesamtwert der Ausgangsgrösse in 2ⁿ-l gleiche Stufenwerte unterteilt, η gibt die Anzahl der benötigten Schaltstufen an. Jeder Schaltstufe wird ein Teilbetrag der Ausgangsgrösse zugeordnet, der gleich 2 ^T P / ist, wobei n=l,2,3... die Stufennummer und P

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den Stufenwert der Ausgangsgrösse bedeuten. Bei einem gegebenen Verhältnis von Regelbreite zu Stellbereich von z.B. 1: ca. 30 werden bei einem binären Stufenregler daher 5 Schaltstufen (2 -1=31) benötigt. Der Stufenwert P der Ausgangsgrösse beträgt 1/31 ihres Gesamtwertes und den einzelnen Schaltstufen werden die-Ausgangsgrössen-Teilbeträge 1P,2P,4P,8P und 16P d.h. 1/31, 2/31,4/31,8/31 und 16/31 des Ausgangsgrössen-Gesamtwertes zugeordnet. Die Schaltstufen werden durch die "dezimal" anstehenden Eingangsgrösse über ein Eingangsnetzwerk geschaltet, das für jeden Stufenwert der Eingangsgrösse von den Schaltstufen diejenigen einschaltet, deren Ausgangsgrössen-Teilbeträge zusammen den entsprechenden Stufenbetrag ergeben. Da bei einem gegebenen Stufenwert der Eingangsgrösse meist mehrere Schaltstufen gleichzeitig (z.B. für die Eingangsstufe 7 die Schaltstufen 1/31,2/31 und 4731) geschaltet werden müssen, ist der Aufbau des Eingangsnetzwerkes komplizierter als bei dem dezimalen Stufenregler und die Schalthäufigkeit bei den einzelnen Schaltstufen höher. Die Schaltstufen selbst (motorische oder elektromagnetische Stufenschalter) des binären Stufenreglers unterscheiden sich nicht von denen des dezimalen Stufenreglers und auch der Regelverlauf bei einer Regelstrecke mit binärem Stufenregler entspricht im wesentlichen dem Regelverlauf einer solchen mit dezimalem Stufenregler. Ist für die Aufrechterhaltung eines Regelstreckenzustandes z.B. der halbe Betrag der Ausgangsgrösse erforderlich, so werden z.B. bei einem 30-stufigen dezimalen Stufenregler die ersten 15 Schaltstufen eingeschaltet, bei einem fünfstufigen binären Stufenregler hingegen werden die vier ersten Schaltstufen, die zusammen 15/31, also nicht ganz die Hälfte des Ausgangsgrössenbetrages ergeben, und die fünfte Schaltstufe, auf die mit 16/31 etwas mehr als die Hälfte der Ausgangsgrösse entfällt, über das Eingangsnetzwerk abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Bei dem binaren S/tufenregler kann nicht mehr davon gesprochen werden, dass beim Regeln eine Grundlast ständig eingeschaltet bleibt, sondern

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es werden in ungünstigen Fällen ca. 50% des Ausgangsgrössenbetrages laufend ein- und ausgeschaltet. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn z.B. die Ausgangsgrösse, wie erwähnt, eine hohe elektrische Leistung ist, da das Netz beim Regeln stark belastet würde. Zudem sind auch bei dem binären Stufenregler die dynamischen Proportionalitätsbereiche nicht von einheitlicher Breite, was ebenfalls nachteilig sein kann.

Im allgemeinen muss daher bei einem gegebenen Regelproblem vorab entschieden werden, ob vorteilhaft ein dezimaler oder ein binärer Stufenregler verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stufenregler für Zweipunktregelung mit Schaltstufen zu schaffen, der über den gesamten Stellbereich stets durch Ein- und Ausschalten immer ein und derselben Schaltstufe mit kleinstem Teilbetrag der Ausgangsgrösse regelt, wobei die Ausgangsgrössen-Teilbeträge zumindest einiger seiner Schaltstufen unterschiedliche Werte haben können.

Die Erfindung besteht darin, dass die Schaltstufen Schalthysteresen mit voneinander unterschiedlicher Hysteresebreite aufweisen und bei Einschaltwerten und Ausschaltwerten der Eingangsgrösse betätigbar sind, die für die einzelnen Schaltstufen in der Reihenfolge ihrer Hysteresebreiten zu- bzw. abnehmen, und dass die beiden ersten Schaltstufen je den kleinsten Ausgangsgrössen-Stufenwert schalten und die Ausgangsgrössen-Teilbeträge jeder weiteren Schaltstufe nicht grosser ist als die Summe der Ausgangsgrössen-Teilbeträge der jeweils in der Reihe vorangehenden Schaltstufen.

Für die zweite und jede weitere Schaltstufe kann die Hysteresebreite von Stufe zu Stufe um einen konstanten Betrag zunehmen, wobei auch die Einschaltwerte sowie die Ausschaltwerte dieser Stufen in der Reihenfolge ihrer Hysteresebreiten von Stufe zu Stufe um einen konstanten Betrag zu- bzw. abnehmen können.

Statt dessen kann für die zweite und jede wei-

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tere Schaltstufe die Hysteresebreite von Stufe zu Stufe um einen dem jeweils von der vorhergehenden Schaltstufe geschalteten Ausgangsgrössen-Teilbetrag proportionalen Betrag zunehmen, wobei auch die Einschaltwerte sowie die Ausschaltwerte dieser Stufen um einen dem jeweils von der vorhergehenden, Schaltstufe geschalteten Ausgangsgrössen-Teilbetrag proportio- . nalen Betrag zu- bzw. abnehmen können.

Jeder der auf die beiden ersten Schaltstufen, die je den kleinsten Ausgangsgrössen-Stufenwert schalten, folgenden Stufen kann ein Ausgangsgrössenr-Teilbetrag zugeordnet sein, der für jede dieser Stufen gleich der Summe der Ausgangsgrössen-Teilbeträge aller jeweils i.i der Reihe vorangehenden Schaltstufen ist, so dass sich für die einzelnen Schaltstufen des Reglers die Ausgangsgrössen-Teilbeträge 1P,1P,2P,UP,8P... ergeben, wenn mit P der kleinste Stufenwert der Ausgangsgrösse bezeichnet ist.

Die einzelnen Schaltstufen des Stufenreglers enthalten vorzugsweise je eine Schaltvorrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Teilbetrages der Ausgangsgrösse und eine auf die Eingangsgrösse ansprechende Steuereinrichtung zur Betätigung der Schaltvorrichtung mit einstellbarem Einschaltwert und einstellbarem Ausschaltwert für die Stufe, und die Steuereinrichtungen können an ein Eingangsglied angeschlossen sein, um allen Steuereinrichtungen gemeinsam die Eingangsgrösse zuzuleiten, wobei zweckmässig die Eingangsgrösse für die Regelabweichung Null, bei der der Istwert der zu regelnden Grosse gleich dem Sollwert ist, einen bestimmten mittleren Wert und für jede positive und negative Regelabweichung, bei der der Istwert grosser bzw. kleiner als der Sollwert ist, einen Wert hat, der entsprechend dem jeweiligen Betrag der Regelabweichung grosser bzw. kleiner oder kleiner bzw. grosser als der Mittelwert der Eingangsgrösse ist.

Zwischen die Steuereinrichtungen der Schaltstufen und das Eingangsglied kann ein Verzögerungsglied geschal-

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tet sein, um bei einem plötzlichen Anstieg und/oder Abfall der Eingangsgrösse am Ausgang des Eingangsgliedes die Eingangsgrösse an den Eingängen der Steuereinrichtungen mit einer zeitlichen Verzögerung zu- bzw. abnehmen zu lassen und die von der Eingangsgrössenänderung betroffenen Schaltstufen nacheinander zu betätigen.

Das Verzögerungsglied kann für eine plötzliche Eingangsgrössenänderung zum Einschalten von Schaltstufen eine grössere Verzögerung aufweisen als für eine plötzliche Eingangsgrössenänderung zum Ausschalten der Schaltstufen.

Der Stufenregler kann beliebiger Art sein, z.B. ein elektrischer Stufenregler mit einer Spannung als Eingangsgrösse und je einem durch die Hngangsspannung gesteuerten Schütz oder Relais in seinen einzelnen Schaltstufen, oder z.B. ein pneumatischer Stufenregler mit Gasdruck als Eingangsgrösse und durch den Gasdruck betätigbaren pneumatischen Schaltern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der

Zeichnung und am Beispiel einer Temperaturregelung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Stellcharakteristik eines vierstufigen Reglers nach der Erfindung«

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Regelkreises mit einem

Regler nach der Erfindung und einer Regelstrecke 1. Ordnung,

Fig. 3 die Stellcharakteristik eines beispielsweise in

dem Regelkreis der Fig. 2 zur Temperaturregelung verwendeten Reglers,

Fig. ·♦ das Diagramm für einen Regelvorgang, Fig. 5 in Form eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines Stufenreglers nach der Erfindung, mit einer Anzahl Schaltstufen, einem gemeinsamen Eingangsglied für die Schaltstufen und gegebenenfalls ein zwischen Eingangsglied und Schaltstufen geschaltetes Verzögerungsglied,

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Fig. 6 die Kennlinie eines Verzögerungsgliedes und Fig. 7 als Beispiel das Schaltbild eines.nach dem

Blockschaltbild der Fig. 5 aufgebauten elektrischen Stufenreglers mit je einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung in jeder Schaltstufe und auf eine elektrische Spannung als Eingangsgrösse ansprechenden Steuereinrichtungen für die Schaltvorrichtungen .

Das Verhalten eines Zweipunktschalters wird üblicherweise in einem dessen Stellcharakteristik darstellenden Diagramm veranschaulicht, bei dem in ein Achsenkreuz mit der Regelabweichung χ auf der Abszisse' und der Stellgrösse y auf der Ordinate die beiden Sprungfuhktionen für Ein- und Ausschalten eingezeichnet sind. Beide Sprungfunktionen zusammen ergeben die Schalthysterese des Schalters. Fig. 1 zeigt ein ähnliches Diagramm für die Stellcharakteristik eines vierstufigen Reglers nach der Erfindung, wobei vorerst die Stellgrössen nicht berücksichtigt sind. Auf der Abszisse sind Werte für die Regelabweichung χ aufgetragen, die positiv sind, wenn bei der zu

regelnden Grosse der Istwert grosser als der Sollwert ist, und negativ sind, wenn der Istwert kleiner als der Sollwert ist, und darunter entsprechende Werte für die Eingangsgrösse χ des Stufenreglers angegeben. Die Eingangsgrösse χ kann z.B. eine elektrische Gleichspannung sein; in Fig. 1 hat die Eingangsgrösse nur positive Werte für alle Regelabweichungen mit einem mittleren Wert (x=10) für die Regelabweichung 0. Ueber der Abszisse sind die Sprungfunktionen für Ein- und Ausschalten der vier Schaltstufen A,B,C,D dargestellt. Die Schaltstufen A,B,C,D haben Schalthysteresen mit voneinander unterschiedlicher Hysteresebreite Δ χ., Δ χ_β, Δ χ~, Δ Xj» und für die einzelnen Schaltstufen sind sowohl die Einschaltwerte wie auch die Ausschaltwerte in der Reihenfolge ihrer Hysteresebreiten juit vo/a der Regelabweichung C entaprechenuen i-iittelwert (x=10) der Eingangsgrösse zunehmenden Abständen gestaffelt, so dass

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alle Einschaltwerte auf der einen und alle Ausschaltwerte auf der anderen Seite vom Mittelwert der Eingangsgrösse liegen und sich imüiagramm die Sprungfunktionen nicht überschneiden. Im Diagramm der Fig. 1 hat die Schaltstufe A die geringste Hysteresebreite ( Δ x.= 2) mit dem Einschaltwert bei x=ll und dem Ausschaltwert bei x=9 und die Schaltstufe D die grösste Hysteresebreite ( Δ x„=16) mit dem Einschaltwert bei x=18 und dem Ausschaltwert bei x=2. Zudem liegen in Fig. 1 der Einschaltwert und der Ausschaltwert jeder Schaltstufe symmetrisch zum Mittelwert der Eingangsgrösse, was jedoch nicht notwendig ist.

Bei grösster negativer Regelabweichung, d.h. be'i grösstem Wert (x=18) der Eingangsgrösse werden alle vier Schaltstufen A,B,C,D eingeschaltet und demzufolge nähert sich der Istwert ziemlich schnell dem Sollwert der zu regelnden Grosse, wobei die Eingangsgrösse im Diagramm der Fig. 1 von links ihrem Mittelwert (x=10) zustrebt. Trotz abnehmender Eingangsgrösse bleiben die Schaltstufen eingeschaltet, bis der Istwert den Sollwert überschreitet und die Regelabweichung positiv wird. Nimmt der Istwert weiter zu, wobei der Wert der Eingangsgrösse χ immer kleiner wird, so schalten die Schaltstufen A,B,C,D in der Reihenfolge ihrer Hysteresenbreiten ab, also immer zuerst die Schaltstufe A(bei x=9), dann die Schaltstufe B (bei x=7,5), dann die Schaltstufe C (bei x=5) und schliesslich die Schaltstufe D (bei x=2). Nimmt die Eingangsgrösse χ ab ihrem kleinsten Wert (x=2) zu, so bleiben die Schaltstufen A,B,C,D ausgeschaltet bis die Eingangsgrösse ihren Mittelwert (x=10) überschreitet. Bei weiter zunehmender Eingangsgrösse schalten die Schaltstufen A,B,C,D wiederum in der Reihenfolge ihrer Hysteresebreite ein und zwar im gezeigten Diagramm immer zuerst die Schaltstufe A (bei x=ll), dann die Schaltstufe B (bei x=12,5), dann die Schaltstufe C (bei x=15) und schliesslich die Schaltstufe D (bei x=18). Die Verteilung der Ausgangsgrösse (Stellgrösse) y auf die einzelnen Schalt-

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stufen und die Funktionsweise des Reglers werden im folgenden am Beispiel einer Temperaturregelung erläutert, wobei auf die Fig. 2 bis 4 bezug genommen wird.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines entsprechenden Regelkreises, in welchem der Regler R durch ein dem Diagramm der Fig. 1 ähnliches Symbol als Stufenregler nach der Erfindung bezeichnet ist. Die Regelstrecke S ist von erster Ordnung mit Totzeit, was durch die eingezeichnete Uebergangsfunktion angedeutet ist. Die einzelnen Schaltstufen des Stufenreglers mögen je ein Schütz enthalten. Die Schützen schalten Heizwicklungen ein und aus, so dass die Ausgangsgrösse (Stellgrösse) y jeder Schaltstufe eine elektrische Leistung ist. Die Eingangsgrösse χ ist eine elektrische Spannung, die z.B. von einem Temperaturfühler üblicher Bauart abgegeben wird, wobei jedes Schütz bei einem anderen Spannungswert anzieht und abfällt. Ferner ist im Blockschaltbild die Regelgrösse mit x_R, der Sollwert mit w und die Regelabweichung mit χ bezeichnet.

Der Regler möge sechs Schaltstufen A...F haben, die zusammen als Ausgangsgrösse y eine Leistung von 24 kW schalten. Für den dynamischen Proportionalitätsbereich soll ein kleinster Stufenwert der Ausgangsgrösse von 1 kW vorgesehen sein. Fig. 3 zeigt für dieses Beispiel ein der Fig. 1 analoges Diagramm. Die Ein- und Ausschaltspannungen (Eingangsgrösse x) für die Schütze der Schaltstufen und damit deren Hysteresebreiten seien wie folgt festgelegt: Einspannung: A 10,4; B 10,8; C 11,5; D 12,5; E 14,5; F 18,0 V Ausspannung: A 9,6; B 9,2; C 8,5; D 7,5;E5,5;F 2,0 V Hysteresebreite:A 0,8; B 1,6; C 3,0; D 5,0; E 9,0; F 16,0 V

Die Schaltstufen haben demnach, wie für einen Stufenregler nach der Erfindung verlangt, Schalthysteresen zui nehmender Breite. Nach der Erfindung soll ferner der Gesamtwert der Ausgangsgrösse (24 kV) auf die einzelnen Schaltstufen so verteilt sein, dass die ersten beiden Schaltstufen je den kleinsten Ausgangsgrössen-Stufenwert schalten und der

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Teilbetrag jeder weiteren Stufe nicht grosser ist, als die Summe der Ausgangsgrüssen-Teilbeträge der jeweils in der Reihe vorangehenden Schaltstufen. Dementsprechend seien die 21 kW Gesamtleistung auf die sechs Schaltstufen, z.B. wie folgt aufgeteilt: Schaltstufe A 1 kW, Schaltstufe B 1 kW, Schaltstufe C 2 kW, Schaltstufe D 3 kW, Schaltstufe E 6 kW und Schaltstufe F 11 kW. Zur Erläuterung der Funktionsweise des Reglers sei beispielsweise angenommen, dass zur Aufrechterhaltung einer durch den Sollwert eingestellten Temperatur eine Leistung von 15,3 kW erforderlich ist. Im Diagramm der Fig. H ist der zeitliche Verlauf des Regelvorgangs schematisch dargestellt.

Beim Einschalten des Regelkreises hat die Eingangsgrösse χ einen hohen Wert, so dass alle sechs Schaltstufen eingeschaltet sind und mit 2t kW geheizt wird. Die Temperatur erreicht den Sollwert und überschreitet ihn, wobei die Eingangsspannung (Eingangsgrösse) abnimmt und die Schützen der·· Schaltstufen A,B,C,D abwerfen. Da die Heizleistung der beiden letzten Schaltstufen mit zusammen 17 kW immer noch zu hoch ist, fällt die Eingangsspannung weiter und bei 7,5 Volt schaltet auch noch die vorletzte Stufe E ab. Infolge der nun zu geringen Heizleistung der noch eingeschalteten letzten Schaltstufe F beginnt die Ist-Temperatur zu fallen und unterschreitet den Sollwert und von der mn zunehmenden Eingangsspannung werden die Schaltstufen A,B,C eingeschaltet. Die eingeschalteten Schaltstufen A,B,C,F ergeben zusammen eine Heizleistung von 15 kW, die jedoch noch zu gering ist, so dass die Eingangsspannung weiter ansteigt und bei 12,5 V auch die Schaltstufe D einschaltet. Dieser ein Abfallen und Ansteigen der Eingangsgrösse umfassende Abschnitt ist in Fig. Ί mit a bezeichnet. Die nun eingeschaltete Heizleistung von 18 kW ist zu hoch und die Eingangsspannung beginnt wieder abzunehmen und zwar, ohne dass die Schaltstufe E zugeschaltet worden wäre. Mit abnehmender i-ingan^sspannung werden die Schaltstufen A,B und, da die 'sich ergebende Heizleistung von 16 kW noch zu hoch ist, auch die

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Schaltstufe C abgeschaltet. Eingeschaltet sind nun die Schaltstufen D und F mit zusammen 14 kW Heizleistung, die jetzt jedoch zu gering ist, so dass die Eingangsspannung wieder zunimmt und bei 10,4 V das Schütz der Schaltstufe A anzieht. Mit dem Zuschalten der Schaltstufe A beträgt die Heizleistung 15 kW, die wegen der verlangten 15,3 kW noch nicht ausreicht, so dass bei 10,8 V auch noch die ~ Schaltstufe B zuschaltet. Dieser zweite, wiederum ein Ansteigen und Abfallen, der Eingangsgrösse umfassende Abschnitt ist in Fig. 4 mit b bezeichnet. Mit den Schaltstufen F,D,B,A sind nun 16 kW Heizleistung eingeschaltet, was zu hoch ist, so dass das Schütz der Schaltstufe A wieder abwirft. Dies ergibt eine Heizleistung von 15 kW, die nun wiederum zu niedrig ist, und mit zunehmender Eingangsspannung schaltet die Schaltstufe A wieder ein. Die in der Anlaufphase während der Abschnitte a und. b, d.h. bei zweimaligem Ab-. und Aufschwingen der Eingangsgrösse eingeschalteten Schaltstufen F,D,B mit zusammen 15 kW (Grundlast) bleiben dauernd eingeschaltet und nur die Schaltstufe A mit dem kleinsten Stufenwert der Ausgangsgrösse (1 kW) schaltet ständig aus und ein, wobei sich eine Regelschwingung ergibt, deren Schwingungszeit, wie eingangs dargelegt, von der Hysteresebreite der Schaltstufe und den Parametern der Regelstrecke abhängt (Fig. 4). In jeder Regelschwingung (Schwingungszeit T) ist bei dem vorstehenden Beispiel die Schaltstufe A während 3/10-T ein- und während 7/10 T ausgeschaltet. Der Regelvorgang für jeden beliebigen Heizleistungswert zwischen 0 und 24 kW verläuft analog. Jedesmal wird automatisch in der Anlaufphase die Grundlast eingestellt und stets erfolgt die Regelung durch Ein- und Ausschalten der Schaltstufe A, die die geringste Hysteresebreite hat.

Die Verteilung der Ausgangsgrösse (24 kW) auf die sechs Schaltstufen kann auch in anderen Teilbeträgen erfolgen, sofern nur die genannte Bedingung erfüllt ist. So könnten z.B. die Schaltstufen A 1 kW, B 1 kW, C 2 kW, D 4 kW, E 8 kW und

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F 8 kW oder A 1 kW, B 1 kW, C 1 kW, D 3 kW, E 6 kW und F 12 kirf schalten. Es ist ersichtlich, dass die geringste Stufenzahl mit einer Verteilung erreicht wird, bei der die beiden ersten Schaltstufen je den geringsten Stufenwert der Ausgangsgrösse schalten und der Teilbetrag jeder weiteren Stufe gleich der Summe der Ausgangsgrössen-Teilbeträge der jeweils in der Reihe vorangehenden Schaltstufen ist. Dies wäre eine Verteilung, die ab der zweiten Schaltstufe nach einem binären Schlüssel erfolgt. Der andere Grenzfall, d.h. die höchste Stufenzahl, wird erreicht, wenn jeder Schaltstufe der gleiche Teilbetrag der Ausgangsgrösse zugeordnet wird. Dies entspräche einem dezimalen Stufenschalter, wobei der Stufenschalter nach der Erfindung gegenüber bekannten dezimalen Stufenschaltern noch die Vorteile hätte-, dass das Eingangsnetzwerk einfacher aufgebaut sein könnte und zudem immer nur mit der ersten Schaltstufe geregelt würde. Bei vorgegebenem Gesamtwert der Ausgangsgrösse (z.B. 24 kW) und vorgegebener Stufenzahl (z.B. Schaltstufen A...F) wird bei binärer Verteilung der Ausgangsgrösse die kleinste Regelbreite (dynamischer Proportionalitätsbereich) bzw. die grösste Auflösung erhalten. Im angegebenen Beispiel könnte der niedrigste Stufenwert der Ausgangs-Grösse statt 1 kW nur 0,75 kW betragen und den einzelnen Schaltstufen würden die Teilbeträge A 0,75 kW, B 0,75 kW, C 1,5 kW, D 3,0 kW, E 6,0 kW, F 12,0 kW zugeordnet.

Bei einem Zweipunktregler ist der Regelverlauf, wie eingangs ausgeführt, eine Dauerschwingung. Schaltet im vorstehenden Regelbeispiel die Schaltstufe A ab, so nimmt die Temperatur noch bis zu einem oberen Grenzwert zu und damit die Eingangsspannung bis zu einem unteren Grenzwert ab, bevor die Umkehr erfolgt. Entsprechend ergibt sich beim Einschalten der Schaltstufe A ein unterer Grenzwert der Temperatur und ein oberer Grenzwert der Eingangsspannung. Der Unterschied dieser Eingangsspannungs-Grenzwerte (Grenzwerte der Eingangsgrösse) ergibt die Amplitude der Regelschwingung. Damit der Regler stabil arbeitet, muss der Einschalt- und Ausschaltwert der

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Eingangsspannung für die Schaltstufe B zumindest etwas höher bzw. tiefer als der zugehörige Grenzwert liegen, d.h. die Hysteresebreite der zweiten Stufe B muss zumindest etwas grosser als die Amplitude der" Regelschwingung sein. Dies gilt auch für die anderen Schaltstufen des Stufenreglers, also für die Anlaufphase. Beim Schalten der Schaltstufe E z.B. werden im vorstehend beschriebenen Regelbeispiel 6 kW ein- bzw. ausgeschaltet . Es ergibt sich ein oberer und unterer Stufen-Grenzwert der Eingangsgrösse und der Ein- und Ausschaltwert für die nächsthöhere Schaltstufe (Sehaltstufe F) muss zumindest etwas oberhalb des oberen bzw. unterhalb des unteren Stufen-Grenzwertes liegen, damit die Anlaufphase nicht instabil wird. Die jeweilige Höhe der Grenzwerte für die einzelnen Stufen oder das "Ueberschwingen" bei den Schaltstufen hängt von den Parametern der Regelstrecke (Totzeit, Zeitfaktor) und von der-Höhe des von der jeweiligen Schaltstufe geschalteten Ausgangsgrössen-Teilbetrages ab, die Amplitude der Regelschwingung zudem von der Hysteresebreite der Schaltstufe A. Im allgemeinen kann in erster Näherung die Totzeit und der Zeitfaktor bzw. die Ueberschwingzeit als für alle Stufen einer Regelanlage gleich angesehen werden, so dass die von den einzelnen Schaltstufen geschalteten Ausgangsgrössen-Teilbeträge die Ein- und Ausschaltwerte der Schaltstufen bestimmen und der Ein- und Ausschaltwert einer Schaltstufe um einen dem Ausgangsgrössen-Teilbetrag der jeweils vorhergehenden Stufe proportionalen Betrag höher bzw. tiefer liegt als der Ein- bzw. Ausschaltwert dieser vorhergehenden Stufe. Hieraus ergibt sich für die Hysteresebreiten der Schaltstufen eines Stufenreglers die Formel

n-1

Δ χ = Δ χ + -Q-\ ' ρ . (1

η 1 L %. y

in welcher n=2,3,4... die Schaltstufennummer, Ax. die Hysteresebreite der ersten Schaltstufe, P^' der von einer Schaltstufe geschaltete Ausgangsgrössen-Teilbetrag und c eine von den

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Parametern der Regelstrecke abhängige Konstante ist.

Bei von Schaltstufe zu Schaltstufe progressiv zunehmenden Ausgangsgrössen-Teilbeträgen nehmen auch die En- und Ausschaltwerte progressiv zu bzw. ab. Statt dessen können in vielen Fällen bei dem Stufenregler auch Hysteresebreiten gewählt werden, die von Schaltstufe zu Schaltstufe um den gleichen Betrag zunehmen, für die also die Formel

Δ X_n = Ax₁ + (n-l) d (n = 2,3,4...) (2

gilt, in welcher d eine Konstante ist. Die Ein- und Ausschaltwerte der Schaltstufen nehmen dann von Stufe zu Stufe um den gleichen Betrag d/2 zu bzw. ab, wobei der Konstantenwert d/2 zumindest etwas grosser sein muss als die bei den Schaltstufen vorkommende grösste (positive oder negative) Ueberschwingweite.

Es ist ersichtlich, dass mit einem Stufenregler vorgegebener Stufenzahl z.B. bei der Temperaturregelung die verschiedensten Stellbereiche und Regelbreiten erfasst werden können, wobei der Regler leicht durch Veränderung der Ausgangsgrössen-Verteilung auf die einzelnen Schaltstufen und/oder Veränderung der Eingangsgrössenwerte für Ein- und Ausschalten der Schaltstufen an die jeweils vorliegenden-Gegebenheiten angepasst werden kann und eine befriedigende Regelung erhalten wird. Vorzugsweise ist daher ein solcher Stufenregler mit einer Ansah! untereinander gleicher Schaltstufen ausgerüstet, deren Ein- und Ausschaltpunkte verstellbar sind, wobei die Schaltstufen an ein gemeinsames Eingangsglied zur Zuleitung der Eingangsgrösse angeschlossen sind. Fig. 5 zeigt in Form eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau dieses Stufenschalters. Jede Schaltstufe A,B,C,... N... enthält eine Schaltvorrichtung 53, die in der Figur durch das Schaltersymbol wiedergegeben ist, und eine Steuereinrichtung 52 zur Betätigung der Schaltvorrichtung, die auf die Eingangsgrösse χ anspricht. Die Eingangsgrösse χ gelangt vom Eingoingsgliea 50 gegebenenfalls über ein Verzögerungsglied 51 zu den Eingängen der Steuereinrichtung 52. Bei jeder Steuer-

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- lö -

einrichtung 52 ist der Einschaltpunkt χ und der Ausschaltpunkt χ einstellbar.

ei

Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel der Temperaturregelung sind beim Einschalten des Stufenreglers gleichzeitig alle sechs Schaltstufen eingeschaltet und damit das Netz mit dem Gesamtwert der Ausgangsgrösse (24kW) belastet worden. Plötzliche hohe Belastungen einer Versorgungsleitung sind meist unerwünscht. Es gibt demnach Fälle, in denen bei einer sprungartigen Aenderung der Eingangsgrösse χ zum Ein- und/oder Ausschalten mehrerer Stufen diese Schaltstufen nicht alle gleichzeitig sondern in Zeitabständen nacheinander betätigt werden sollen. Hierzu dient das im Blockschaltbild der Fig. 5 eingezeichnete Verzögerungsglied 51. Bei einer sprungartigen Aenderung der Eingangsgrösse χ am Eingang des Verzögerungsgliedes erreicht die Eingangsgrösse χ am Ausgang des Verzögerungsgliedes den Endwert erst nach einer bestimmten Zeit, so dass die durch die Eingangsgrössenänderung betroffenen Schaltstufen, wie verlangt, nacheinander betätigt werden. Häufig soll nur das Einschalten der Schaltstufen stufenweise in Zeitabständen, die meist den von ihnen geschalteten Teilbeträgen der Ausgangsgrösse einigermassen entsprechen, erfolgen, während die Schaltstufen gleichzeitig oder in wesentlich kürzeren Zeitabständen ausgeschaltet v/erden dürfen. Fig. 6 zeigt eine Verzögerungsglied-Kennlinie für das beschriebene Temperaturregelbeispiel. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Eingangsgrösse in Volt aufgetragen. Aus dem' Diagramm kann abgelesen werden, wann bei einer plötzlichen Aenderung der Eingangsgrösse auf einen bestimmten Wert jeweils die zugehörigen Stufen schalten.

Bei einer plötzlichen Aenderung der Eingangsgrösse von 0 auf 20 V schaltet die erste Schaltstufe A schon nach ca. 9 Sek. und die letzte Schaltstufe F erst nach ca. 70 Sek. ein. ' -

Nach dem Blockschaltbild der Fig. 5 können Stu-

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fenregler verschiedener Art, wie z.B. elektrische oder pneumatische Stufenregler aufgebaut werden.

Fig. 7 zeigt das Schaltbild eines bevorzugten elektrischen Stufenreglers. Der dargestellte Stufenregler weist ein Eingangsglied 50, ein transistorisiertes Verzögerungsglied 51 und eine Anzahl untereinander gleich aufgebauter Schaltstufen, von denen in Fig. 7 nur die beiden ersten Stufen A,B wiedergegeben sind, auf. Jede Schaltstufe enthält eine elektromagnetische Schaltvorrichtung, ein Schütz oder ein Relais, mit der Wicklung ReI und den Arbeitskontakten 53', die je z.B. eine Heizv/icklung bestimmter Leistung ein- und ausschalten mögen, wobei die Leistung der jeweiligen Heizwicklung den Teilbetrag P. bzw. P„ der Ausgangsgrösse y für die betreffende Stufe darstellt, und eine transistorisierte Steuereinrichtung 52 zur Betätigung der elektromagnetischen Schaltvorrichtung, die auf eine Gleichspannung als Eingangsgrösse χ anspricht. Die Schaltungsanordnung ist für eine Betriebsspannung von z.B. 20 Volt eingerichtet, die von den Klemmen K+ und K- einer Gleichstromquelle abgenommen wird.

Das Eingangsglied 50 hat die Aufgabe, aus den

von einem in der Regelanlage vorhandenen Regelgerät abgegebenen Signalspannungen die von den Steuereinrichtungen der Schaltstufen benötigten Steuerspannungen zu bilden. Ueblich sind meist Regelgeräte, die einen Heissleiter als temperaturempfindliches Element enthalten und auf einen Sollwert der zu regelnden Temperatur einstellbar sind. Häufig arbeiten solche Regelgeräte nach dem Phasenanschnittverfahren, so dass an ihrem Signalausgang eine gepulste Gleichspannung abgegeben wird, deren Höhe den Regelabweichungen proportional ist. Das in Fig. 7 gezeigte Eingangsglied 50 ist für ein solches Regelgerät vorgesehen und enthält demgemäss als Integrationsglied einen RC-Tiefpass C,, R,, R„, der an der K+ Klemme angeschlossen und über je eine Diode D und D mit dem Signalausgang TF des Regelgerätes und mit der Ausgangsgklemme M des Eingangsglie-

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des.wird eine Steuer-Gleichspannung erhalten, die z.B. bei einer Regelabweichung O 10 Volt beträgt und für positive und negative Regelabweichungen diesen proportionalen Spannungswerte zwischen 10 und 0 V bzw. zwischen 10 und 20 V hat.

Das inFig. 7 gezeigte Verzögerungsglied 51 soll bewirken, dass bei einem plötzlichen Anstieg der Eingangsspannung die Spannung am Ausgang entsprechend der in Fig. 6 gezeigten Kennlinie auf den Endwert ansteigt. Im Verzögerungsglied 51 ist einem Miller-Integrator mit dem npri-Transistor T,, den zugehörigen Arbeitswiderständen R₅ j R_ß, R₇₉ der Diode D_u an der Basis und dem Kondensator C₂ am Kollektor des Transistors T,, zur Impedanzanpassung ein Emitter-Folger nachgeschaltet, der die.beiden Transistoren T„ und T₃ und die zugehörigen Arbeitswiderstände R_ß, R_g, R₁₀ enthält, wobei die Basis seines npn-Eingangstransistors*T₂ am Kollektor Integrator-Transistors T, und der Kollektor seines pnp-Ausgangstransistors T„ an der Ausgangsklemme N des Verzogerungsgliedes angeschlossen ist. Die Betriebsspannung wird dieser Schaltungsanordnung durch einen an der K+ Klemme angeschlossenen Versorgungsleiter 5 5 und einen über eine Diode D^ mit der K-Klemme verbundenen Versorgungsleiter 56 zugeführt, an die ein zusätzlicher Glättungskondensator C₃ angeschlossen ist. Die Steuerspannung von der Ausgangsklemme M des Eingangsgliedes 50 wird dem Kollektor des Integrator-Transistors T₁ zugeleitet, der an den Kondensator CL und an die Basis des Transistors T₃ angeschlossen ist. Um, entsprechend Fig. 6, bei einer plötz-lichen Aenderung der Steüerspannung an der Klemme M von 0 auf 20 Volt an der Ausgangsklemme N des Verzogerungsgliedes eine Spannung zu erhalten, die ziemlich schnell auf den die Ausschaltwerte der Schaltstufen umfassenden Spannungswert von Volt ansteigt und dann nur sehr langsam über die Einschaltwerte der Schaltstufen bis zum Endwert 20 Volt zunimmt, enthält das Verzögerungsglied einen an die beiden .Versorgungsleiter 55, 5 6 angeschlossenen Spannungsteiler mit den Wider-

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ständen R₃ und R , die für eine Spannung von rund 10 Volt am Mittelabgriff bemessen sind. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers R~, R₁₁ ist durch eine Diode D₀ mit dem-Kollektor des Integrator-Transistors T. und damit auch mit der Klemme M des Eingangsgliedes 50 verbunden, wobei die Anode der Diode D^ am Kollektor liegt, so dass sich für über 10 Volt liegende Eingangsspannungen ein zusätzlicher Entladeweg ergibt, der über die Diode D₃ und den "Widerstand R₁^ des Spannungsteilers zum Versorgungsleiter 56 (K-) führt und die gewünschte grosse Verzögerung für diese Spannungswerte ergibt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Steuereinrichtung 52 einer Schaltstufe aus einem zweistufigen Transistor-Verstärker. Die Eingangsstufe enthält einen pnp-Transistor T , dessen Basis über einen Eingangswiderstand R₁₁ und einen für alle Schaltstufen A,B... gemeinsamen Signal-Eingangsleiter 54 mit der Ausgangsklemme W des Verzögerungsgliedes 51 verbunden ist. Die Betriebsspannung erhält die Steuereinrichtung über Versorgungsleiter 57, 58, von denen der Leiter 57 an der K+ Klemme angeschlossen und der andere Leiter 58 über eine Diode D₇ mit der K- Klemme verbunden ist. Ein Kondensator C₁^ glättet die Versorgungsspannung. Ein an die Versorgungsleitungen 57, 58 angeschlossener Spannungsteiler R₁₀-R₁₁. enthält ein Potentiometer R₁-,, an dessen Schleifer der Emitter des Transistors T₁^ angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors T₄ ist durch einen Widerstand R₁₅ mit der Basis des npn-Transistors T₅ der Ausgangsstufe und durch einen weiteren Widerstand R, _ß mit dem Versorgungsleiter 58 verbunden. Die Wicklung ReI der elektromagnetischen Schaltvorrichtung ist zusammen mit einem Vorwiderstand R.« mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Ausgangsstufen-Transistors T₁. in Reihe geschaltet, wobei de Kollektor des Transistors T₅ zudem durch die Widerstandsstrecke eines zweiten Potentiometers R,_o

mit dem positive Spannung führenden Versorgungsleiter 57 verbunden ist. Bei leitendem Transistor T₅ ist die Wicklung ReI erregt. L\xv Anzeige dieses aetrieDszustandes kann zwischen den

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2Ü -

Versorgungsleiter 57 und den Kollektor des Transistors T_t
ein Signallämpchen L mit Strombegrenzungswiderstand R_n ge-

g
schaltet sein. Der Schleifer des zweiten Potentiometers R

Io

ist über einen Widerstand R, ₇ mit der Basis des Transistors
T^ der Eingangsstufe verbunden.

Am ersten Potentiometer R₁₃ wird die Emitterspannung des Transistors T₁^ der Eingangsstufe eingestellt und . damit für die Schaltstufe der Einschaltwert χ , d.h. die Höhe
der Eingangssignalspannung festgelegt, bei welcher die Schaltstufe einschalten soll, da der Transistor T. leitend Schaltet, wenn seine Basis negativer als sein Emitter wird. Mit dem Leitendwerden des Transistors T₁, wird auch der Transistor T₁- der
Ausgangsstufe leitend und damit die Wicklung ReI erregt. Bei

leitendem Transistor T_c liegt am zweiten Potentiometer R,_o

ο lö

nahezu die volle Betriebsspannung und dieBasis des Transistors T^ erhält eine von der Einstellung des Potentiometers R,_g abhängige Vorspannung. Am zweiten Potentiometer R₁₈ wird demnach die Breite der Schalthysterese Δ x der Schaltstufe eingestellt. Bei jedem Wert der Eingangssignalspannung, der grosser ist als der durch das erste Potentiometer R₁₃ festgelegte Einschaltwert χ bleibt die Schaltstufe eingeschaltet, und bei jedem
Wert der Eingangssignalspannung, der kleiner ist als der durch die Hysteresebreite der Schaltstufe festgelegte Ausschaltwert

χ bleibt die Sehaltstufe ausgeschaltet. Werden von der Schalta

stufe nur verhältnismässig geringe elektrische Leistungen geschaltet, so dass eine plötzliche Belastung des Netzes mit
der gesamten Leistung statthaft ist, so kann das Verzögerungsglied 51 weggelassen werden und der» Signal-Eingangsleiter Sk
direkt an den Ausgang.eines für die jeweilige Regelanlage passenden Eingangsgliedes 50 angeschlossen werden₀

Der vorstehend beschriebene Stufenregler ist insbesondere für Serienfabrikation geeignet«, wobei die Schaltstufeii, das Eingangsglied und gegebenenfalls das Verzögerungsglied ■in einem Gehäuse zusammengefasst und am Gehäuse Anschlüsse zum

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Anschliessen der ζ,B. Heizwicklungen vorgesehen werden. Für die an die einzelnen Schaltstufen anzuschliessenden Ausgangsgrössen-Teilbeträge, in diesem Falle für die anzuschliessenden Heizwicklungen, sind Richtlinien und Hinweise im allgemeinen ausreichend, da, insbesondere bei den höheren Schaltstufen ziemliche Toleranzen zulässig sind, ohne dass das Regelverhalten des Stufenreglers beeinträchtigt würde. Wie ausführlich erläutert worden ist, wird stets durch Ein- und Ausschalten der ersten Schaltstufe mit der kleinsten Hysteresebreite und dem kleinsten Ausgangsgrössen-Teilbetrag geregelt. Für diese erste Schaltstufe werden an den beiden Potentiometern R₁„ und R₁ „ der Einschaltwert χ und die Hysteresebreite χ_Λ

JLd Xo e i\

vorteilhaft so eingestellt, dass der Eingangsgrössenwert für die Regelabweichung 0, der im vorstehenden Ausführungsbeispiel mit 10 V angegeben ist, in der Mitte zwischen Einschaltwert χ und Ausschaltwert χ der Schaltstufe A liegt. Damit wird

eine einheitliche Proportionalabweichung erhalten, die im gesamten Stellbereich des Stufenreglers konstant ist. Für das Regelverhalten des Stufenreglers ist das Einstellen der Potentiometer auf die richtigen Werte für χ und χ wesentlich kritischer als die Zuordnung der Ausgangsgrössen-Teilbeträge, so dass der Stufenregler zweckmässig im Herstellerwerk geeicht wird.

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Claims

Patentansprüche

(l.JStufenregler für Zweipunktregelung mit Schaltstufen, die für jeden Stufenwert einer Regelgrösse als Eingangsgrösse den entsprechenden' Stufenwert einer physikalischen Ausgangsgrösse als Stell'grösse einschalten und von denen jede Schalthystere.se aufweist, deren Breite durch den Unterschied der Eingangsgrössenwerte für Ein- und Ausschalten der Schaltstufe gegeben ist,- wobei ein kleinster Stufenwert der Ausgangsgrösse vorhanden ist und der Aus gangsgrössenwert einer fo3.genden Stufe jeweils um diesen kleinsten Stufenwert grosser ist als der der vorangehenden Stufen und der Gesamtwert der Ausgangsgrösse auf die Schaltstufen in solchen Teilbeträgen aufgeteilt ist, dass durch Ein- und/oder Ausschalten von Schaltstufen die einzelnen Stufenwerte der Ausgangsgrösse darstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstufen (A,B, C,...) Schalthysteresen mit voneinander unterschiedlicher Hysteresebreite ( Δ χ_Λ, Δχ_ο) Δ x_n...) aufweisen und bei Ein-

A ο v·

schaltwerten (x ., χ , χ _,..,) und Ausschaltwerten (x ., χ _B, χ _c,...) der Eingangsgrösse betätigbar sind, die für die einzelnen Schaltstufen (A,B,C,...) in der Reihenfolge ihrer Hysteresebreiten zu- bzw. abnehmen, und dass die beiden ersten Schaltstufen (A,B) je den kleinsten Ausgangsgrössen-Stufenwert (P_A=P_U=1P) schalten und der Ausgangsgrössen-Teilbetrag (P₀)

A Jo v*·

jeder weiteren Schaltstufe (C...) nicht grosser ist als die Summe der Ausgangsgrössen-Teilbeträge (P +P ...) der jeweils

a α

in der Reihe vorangehenden Schaltstufen.

2. üturenregier nacn Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite und jede weitere'Schaltstufä

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(B,C,...) die Hysteresebreite ( Δ x_D, Δ X_n,...) von Stufe zu Stufe um einen konstanten Betrag zunimmt und auch die Einschaltwerte (x _, χ ^,...) sowie die Ausschaltwerte (x_,x _r,..) dieser Stufen (B,C,...) in der Reihenfolge ihrer Hysteresebreiten van Stufe zu Stufe um einen konstanten Betrag zu- bzw. abnehmen.

3. Stufenregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite und jede weitere Schaltstufe (B,C,...) die Hysteresebreite ( Δ x_D> Δ x_,...) von Stufe zu Stufe um einen dem jeweils von der vorhergehenden Schaltstufe (A,bzw. B, bzw. C...) geschalteten Ausgangsgrössen-Teilbetrag (P.,bzw. P„, bzw. Pp...) proportionalen Betrag zunimmt und auch die Einschaltwerte (x _, χ ,...) sowie

6d 6v

die Ausschaltwerte¹ Cx , χ ,...) dieser Stufen (B,C,...) um einen dem jeweils von der vorhergehenden Schalt geschalteten Ausgangsgrössen-Teilbetrag (P., bzw. P_ß, bzw. P-,,...) proportionalen Betrag zu- bzw. abnehmen.

Ί, Stufenregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Schaltstufen (A,B) je den kleinsten Ausgangsgrössen-Stufenwert (IP) schalten und der Ausgangsgrössen-Teilbetrag (P_p,...) jeder weiteren Schaltstufe (C,...) gleich der Summe der Ausgangsgrössen-Teilbeträge der jeweils in der Reihe vorangehenden Schaltstufen (1P,1Pj,2P,4P, 8P...) ist.

5. Stufenregler nach den Ansprüchen 1 bis H, dadurch gekennzeichnet, dass jede seiner Schaltstufen (A,B,C...) eine Schaltvorrichtung (53) zum Ein- und Ausschalten eines Teilbetrages (P_A> Pg > P_r·.·) der Ausgangsgrösse (y) und eine auf die Eingangsgrösse (x) ansprechende Steuereinrichtung (52) zur Betätigung der Schaltvorrichtung (53) mit einstellbarem Einschaltwert (x ) und einstellbarem Ausschaltwert (x ) für die Stufe enthält, und dass die Steuereinrichtungen (52) an ein Eingangsglied (50) angeschlossen sind, um alle Steuereinrichtungen (52) gemeinsam die Eingangsgrösse (x) zuzulei-

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ten, wobei die E.ingangsgrösse (x) für die Regelabweichung Null, bei der der Istwert der zu regelnden Grosse gleich dem Sollwert ist, einen bestimmten mittleren Wert und für jede positive und negative Regelabweichung, bei der der Istwert grosser bzw. kleiner als der Sollwert ist, einen Wert hat, der entsprechend dem jeweiligen Betrag der Regelabweichung grosser bzw. kleiner oder kleiner bzw. grosser als der Mittelwert der Eingangsgrösse ist.

6. Stufenregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Steuereinrichtungen (52) der Schaltstufen (A, B, C,...) und das Eingangsglied (50) ein Verzögerungsglied (51) geschaltet ist, um bei einem plötzlichen Anstieg und/oder Abfall der Eingangsgrösse am Ausgang des Eingangsgliedes (50) die Eingangsgrösse an den Eingängen der Steuereinrichtungen (52) mit einer zeitlichen Verzögerung zu- bzw. abnehmen zu lassen und die von der Eingangsgrössenande-rung betroffenen Schaltstufen zeitlich nacheinander zu betätigen.

7. Stufenregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (51) für eine plötzliche Eingangsgrössenänderung zum Einschalten von Schaltstufen eine grössere Verzögerung aufweist als für eine plötzliche Eingangsgrössenänderung zum Ausschalten von Schaltstufen.

8. Stufenregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaltstufe (A,B,C...) eine elektromagnetische Schaltvorrichtung (ReI,53') und eine auf elektrische Spannung als Eingangsgrösse (x) ansprechende elektronische Steuereinrichtung (52) aufweist, dass die Steuereinrichtung (52) einen Eingangstransistor (T^),dessen Basis die Eingangsgrössen-Spannung über einen Widerstand (R₁₁) zugeleitet ist, und einen mit diesem in Reihe geschalteten Ausgangstransistor (T₅) enthält, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit der Wicklung (rel) der elektromagnetischen Schaltvorrichtung an die Klemmen (K+, K-) einer Betriebs-Gleichstromquelle

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angeschlossen ist, und dass die Emitterspannung des Eingangstransistors (T ) an einem mit den Klemmen (K+, K-) verbundenen ersten Potentiometer (R,₃) einstellbar ist, um für die Schaltstufe den Einschaltwert (x ) der Eingangsgrössen-Spannung festzulegen, bei dem der Eingangs- und der Ausgangstransistor (T_u, T₁-) leitend schalten und damit die Wicklung (ReI) erregt wird, und die Basisspannung des Eingangstransistors (T^) an einem mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Ausgangstransistors (Tr) in Reihe geschalteten zweiten Potentiometer (Rn₈) einstellbar ist, um über die bei leitendem Ausgangstransistor (T₅) abgegriffene Basisspannung für den Eingangstransistor (T ) die Hysteresebreite ( Δ x) der Schaltstufe festzulegen.

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