<Desc/Clms Page number 1>
Regeleinrichtung mit vermaschten Regelkreisen
Bei Regelstrecken, die mehr als eine grosse Trägheit enthalten, ist es zur Erzielung einer raschen und genauen Regelung üblich, einen IPD-Regler zu verwenden. Ein solcher IPD-Regler bildet aus der Regelaweichung die zugeordnete Stellgrösse, solange die einzelnen Systemgrössen noch nicht ihre zugelassenen Grenzwerte erreicht haben. Bei Überschreiten dieser Grenzwerte werden entsprechende Hilfseinrichtungen betätigt, die die Stellgrösse derart beeinflussen, dass die Überschreitung rückgängig gemacht wird.
Als Beispiel hiefür sei die Drehzahlregelung eines Leonardantriebes genannt. Bei Drehzahlregelungen ist es im allgemeinen erforderlich, für den Ankerstrom einen bestimmten Grenzwert vorzugeben, der auch dann nicht überschritten werden darf, wenn zur Ausregelung eines Sollwert- oder Laststosses ein zu hohes Drehmoment des Motors gefordert wird. Man hat in solchen Fällen die bekannte Ankerstrombegrenzung angewandt, bei der ein Signal aus dem Ankerstromkreis auf den Regler einwirkt.
Sowohl die IPD-Regler als auch die zugeordneten Hilfseinrichtungen müssen im allgemeinen in ihrem Zeitverhalten einstellbar sein, so dass der Aufwand und auch die Abgleicharbeit bei der Inbetriebnahme der Regelstrecke verhältnismässig gross wird.
Es ist bekannt, solche Regeleinrichtungen durch die Anwendung vermaschter Regelkreise zu vereinfachen. Zu diesem Zweck wird die Regelstrecke in Teilstrecken zerlegt, die durch einfache P-Regler in inneren Regelkreisen für sich geregelt werden. Dies sei im folgenden an Hand der Fig. 1 erläutert.
In Fig. 1 ist ein Leonardsatz. bestehend aus dem Generator 1 und dem Motor 2, angedeutet. Aus einer Tachometermaschine 3 wird der Drehzahlistwert n gewonnen und mit dem vorgegebenen Drehzahlsollwert ux verglichen. Aus der Regelabweichung bildet der P-Regler 4 einen Ausgangswert, der als Hilfssollwert Ix für den untergeordneten Stromregelkreis dient. Dieser Stromregelkreis besteht seinerseits aus einem P-Regler 5, dem der erwähnte Hilfssollwert und der aus dem Ankerkreis des Leonardsatzes mittels eines Wandlers 6 od. dgl. entnommene Istwert I zugeführt wi-d. Der Stromregler liefert die Stellgrösse, in
EMI1.1
speisten Motor beeinflusst der Stromregler die Gittersteuerung.
In diesem vermaschten Regelkreis wird also zunächst durch den inneren Regelkreis der Strom auf den vorgegebenen Sollwert konstant gehalten. Dieser Sollwert wird seinerseits vom äusseren Regelkreis derart vorgeschrieben, dass die verlangte Geschwindigkeit des Motors eingehalten wird. Die Begrenzung des Ankerstromes ist auf einfachste Weise dadurch möglich, dass der Ausgangswert des Geschwindigkeitsreglers nach beiden Richtungen derart begrenzt wird, dass der dadurch gegebene Stromsollwert unterhalb des zulässigen Maximalwertes liegt.
Der Stromregelkreis kann für sich eingestellt werden und bildet dann bei der Einstellung des Geschwindigkeitsregelkreises einen Block mit bestimmter Übergangsfunktion. Dadurch wird eine einfache Inbetriebnahme der Regelstrecke und ein übérsichtlicher Aufbau möglich.
Bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit einer solchen Regelung kommt man mit P-Reglern wegen ihrer Statik nicht aus. Es ist daher auch schon angeregt worden, statt der P-Regler IP-Regler ein- zusetzen, bei denen bekanntlich eine dauernde Regelabweichung vermieden wird.
Derartige IP-Regler werden meist so dimensioniert, dass ihre Rt1ckf1. lhrzeitkonstante der Ankerzeit-
<Desc/Clms Page number 2>
konstante des geregelten Motors entspricht. Durch dies & s sogenannte Betragsoptimum erzielt man ein fast überschwingungsfreies Einlaufen der Drehzahl in den Sollwert und eine verhältnismässig rasche Regelung.
Ein entscheidender Nachteil des IP-Reglers ist jedoch, dass sowohl der P- als auch der I-Anteil für sich eingestellt werden muss. Es ist daher erforderlich, bei der Herstellung solcher Regler eine Einstellbarkeit
EMI2.1
stanten vorzusehen. Dazu kommt noch, dass ;,ine genaue Bestimmung der Ankerzeitkonstante im allgemeinen sehr schwierig ist und daher das Betragsoptimum meist nur angenähert erzielt werden kann.
Darüsser hinaus sind auch die mit dem IP-Regler auf dieser Grundlage erreichbaren Ausregelzeiten. insbesondere bei Laststössen, verhältnismässig gross. Es sei dies an Hand der Fig. 2 erläutert. Die Kurve I
EMI2.2
ve II veranschaulicht die Übergangsfunktion bei Anwendung eines betragsoptimierten IP-Reglers. Die Kurve III, die die Übergangsfunktion beim Erfindungsgegenstand zeigt, wird später erläutert.
In Fig. 3 ist mit I die Übergar. gsfunktion des P-Reglers für einen Laststoss angedeutet, mit n die Übergangsfunktion des betragsoptimiten PI-Reglers. Man erkennt, dass der P-Regler eine bleibende Re-
EMI2.3
meiden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass als Einzelregler IP-Regler dienen, deren Rückführzeit mindestens das Doppelte, vorzugsweise das Vierfache, der Summe der sogenannten kleinen Zeitkonstanten im betreffendenEinzelregelkreis beträgt und dass Mittel zur Dämpfung von Sollwertstössen vorgesehen sind.
Unter kleinen Zeitkonstanten werden beispielsweise Ansprechzeiten elektronischer Verstarker, Glättungszeitkonstanten und die im folgenden noch erläuterte statische Laufzeit von Stromrichtern verstanden. Sie sind um einige Grössenordnungen kleiner als die im Regelkreis vorhandenen grossen Zeitkonstanten, wie z. B. Erregerzeitkonstante, Ankerstromzeitkonstante und mechanische Zeitkonstante eines Antriebes.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei zunächst der innere Regelkreis mit Stromregelung am Beispiel der Drehzahlregelung eines stromrichtergespeisten Gleichstrommotors beschrieben. In Fig. 4 sind der Motor mit 2 und die Stromrichter mit ? angedeutet. Es ist nur die Steuerung einer Stromrichtergruppe dargestellt. 10 und 11 sind Glättungsdrosseln für den Ankerstrom des Motors. Zur Aussteuerung jedes Stromrichters dient ein Steuersatz 8 bekannter Art, beispielsweise ein Transistorsteuersatz, der seinerseits von einem IP-Regler 9 beeinflusst wird. Dem IP-Regler wird der Stromsollwert Ix und der Stromistwert I zugeführt, wobei der letztere auf bekannte Art, z. B. durch einen Hallwandler, aus dem Ankerstromkreis entnommen wird.
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild dieses Regelkreises mit den Übergangsfunktionen. Zum Stromrichter gehört eine statistische Laufzeit t, die von der Phasenzahl des Stromrichters abhängig ist. Bekanntlich wird der Stromrichter durch eine Verschiebung der Zündimpulse umgesteuert, so dass er einem Stellsignal erst dann folgen kann, bis die nächste Zündung einer Anode eintritt. Die statistische Laufzeit des Stromrichters ergibt sich als arithmetisches Mittel der minimalen Laufzeit Null und der der Phasenzahl zugeordneten maximalen Laufzeit, z. B. bei Dreiphasenbetrieb mit 50 Hz
EMI2.4
Der Frequenzgang des offenen Regelkreises ist durch die Gleichung
EMI2.5
EMI2.6
bedeuten.
Bei Anwendung des Betragsoptimums wäre T = Ta zu setzen. Gemäss der Erfindung wird nun jedoch für T mindestens der zweifache, vorzugsweise der vierfache Wert der Summe der kleinen Zeitkonstanten gewählt, die im vorliegenden Fall durch die statistische Laufzeit t gebildet wird. Dies bedeutet, dass der IP-Regler nur noch in einer einzigen Grösse, nämlich in seiner P-Verstärkung, einstellbar gemacht werden muss, und dass die zweite Grösse, nämlich die Ruckführzeit T, von vornherein fest vorgeschrieben ist. bei der Inbetriebnahme also nicht mehr für sich eingestellt wird. Es liegt daher trotz der Verwendung eines IP-Reglers nur ein einziger Parameter vor, und man kann den Regler als Einknopfregler bezeichnen.
<Desc/Clms Page number 3>
Die Rückführzeit des IP-Reglers ist nun erheblich kleiner als die Ankerzeitkonstante Ta. Demzufolge muss bei gleicher P-Verstärkung auch die Integrierzeit Ti um den gleichen Faktor kleiner bemessen sein.
EMI3.1
mierter Regler haben kann, im I-Anteil jedoch eine wesentlich höhere Steilheit aufweist. Dies bedeutet, dass auftretende Laststösse in einer vielklrzeren Zeit ausgeregelt werden als beim Betragsoptimum, wie in Fig. 3, Kurve III, angedeutet. Für einen Sollwettstoss tritt jedoch bei einem derart bemessenen IP-Regler ein beträchtliches Überschwingen von etwa 40% auf, vgl. Kurve III in Fig. 2.
Dabei ist das Zeitintegral des Fehlers, also die schraffiert angedeutete Fehlerfläche, gleich Null. Die beiden Anteile ober-und unterhalb der Sollwertlinie sind gleich gross.
Neben der hohen Regelgeschwindigkeit bei Laststössen bringt die erläuterte Bemessung den wesentlichen Vorteil, dass der Geschwindigkeitsfehler des IP-Reglers stark herabgesetzt wird. Bekanntlich kann der Istwert eines IP-Reglers einen ansteigenden Sollwert nicht völlig erreichen, sondern bleibt immer in einem gewissen Abstand davon, der als Geschwindigkeitsfehler bezeichnet wird. Fig. 6 zeigt in Kurve I einen linear ansteigenden, vorgegebenen Sollwert und in KurveII den Anstieg des Istwertes bei einem be-
EMI3.2
ler einen verhältnismässig hohen Wert, da ja r gleich der grossen Zeitkonstanten Ta gewählt wird. Beim Regler nach der Erfindung dagegen ist r wesentlich, z. B. um eine Grössenordnung. kleiner.
Bei gleicher P-Verstärkung ist dann auch Ti kleiner als beim betragsoptimierten Regler, so dass sich ein wesentlich verringerter Geschwindigkeitsfehler ergibt. Dies ist durch die Kurve III in Fig. 6 angedeutet. Der Geschwindigkeitsfehler As kann so klein werden, dass er praktisch nicht mehr messbar ist.
Störend kann beim Erfindungsgegenstand das Überschwingen nach einem Sollwertstoss wirken. Es ist jedoch möglich, dieses Überschwingen zu vermeiden, ohne die bereits erzielten Vorteile aufgeben zu müssen. Es ist nur erforderlich, Mittel vorzusehen, die das Auftreten eines Sollwertstosses verhindern. Ein Sollwertstoss ist im Gegensatz zu den nicht beeinflussbaren Laststössen einer Einflussnahme zugänglich.
Beispielsweise ist eine Glättung anwendbar, deren Zeitkonstante mindestens gleich der Rückfuhrzeit T des IP-Reglers gewählt wird. Durch eine solche Glättung lässt sich das Überschwingen nach einem Sollwertstoss unterdrücken, ohne dass dadurch die rasche Ausregelung der Laststösse beeinträchtigt wird. Man kann daher ohne beschränkung von den wesentlichen Vorteilen des Erfindungsgegenstandes Gebrauch machen. Ein
EMI3.3
änderungen höchstens um eine Grössenordnung grösser ist als die Summe der kleinen Zeitkonstanten im Regelkreis.
Die Glättung ist entbehrlich, wenn Sprünge des Sollwertes schon von vornherein nicht auftreten können. Solche Betriebsbedingungen liegen beispielsweise bei der Regelung von Antrieben vor, bei denen die Beschleunigung auf einem einstellbaren Wert gehalten werden muss und demzufolge auch der Geschwindigkeitssollwert nicht sprunghaft, sondern nur stetig mit einer bestimmten Steilheit geändert wird.
Das Blockschaltbild einer solchen Regelung zeigt Fig. 7. Man erkennt, dass der Stromregelkreis nach der Fig. 4 nun ein innerer Regelkreis geworden und dem Geschwindigkeitsregelkreis untergeordnet ist. Der Geschwindigkeitsregelkreis enthält einen weiteren IP-Regler 12, an dessen Eingang der Sollwert nX für die Geschwindigkeit und der aus einer Tachometermaschine 3 gewonnene Geschwindigkeitsistwert n miteinander verglichen werden. Der Sollwert für die Geschwindigkeitsregelung wird aus einem Hochlaufregler 13 entnommen, der bei plötzlichen Änderungen der Stellung des Steuerhebels 14 einen linearen Anst : eg bzw. Abfall des Geschwindigkeitssollwertes hervorruft. Der Hochlaufregler verhindert also das Auftreten von Sollwertstössen, da schon dem Drehzahlregler nur noch stetig veränderbare Sollwerte zugeordnet sind.
Demzufolge wird sich auch die Ausgangsgrösse des Geschwindigkeitsreglers, die als Sollwert für die Stromregler 9 dient, nur stetig ändern können.
Bei einem solchen Regelkreis werden also Laststösse in der bereits beschriebenen Art wehr rasch ausgeregelt, während wegen des Fehlens von Sollwertstössen das damit verbundene Überschwingen nicht auftreten kann.
Während der Stromregler dazu bestimmt ist, die Ankerzeitkonstante des Motors auszugleichen und den Ankerstrom fast ohne Verzögerung den Änderungen des Stromsollwertes folgen zu lassen, ist der Geschwindigkeitsregler zur Berücksichtigung der mechanischen Zeitkonstante des Motors vorgesehen. Auch bei ihm wird jedoch die Rückführzeit nicht gleich dieser mechanischen Zeitkonstante, sondern gleich dem mindestens Zweifachen, vorzugsweise gleich dem Vierfachen der Summe kleiner Zeitkonstanten gewählt.
<Desc/Clms Page number 4>
Diese Summe der kleinen Zeitkonstanten ist im vorliegenden Beispiel die Ersatzzeitkonstante der Ankerstromregelung. Auch der Geschwindigkeits-IP-Regler muss daher nur hinsichtlich seiner P-Verstärkung einstellbar sein und kann wie der Strom-IP-Regler unabhängig von den grossen Zeitkonstanten gebaut und verwendet werden. Daher ergibt sich eine weitere entscheidende Vereinfachung sowohl des Aufbaus als auch bei der Inbetriebnahme des Regelkreises.
Darüber hinaus verschwindet bei einem solchen Regelkreis der Geschwindigkeitsfehler bei linearer Sollwertänderung, wie sich theoretisch nachweisen lässt. Während die Ankerstromzeitkonstante Ta noch
EMI4.1
dem Istwertanstieg der Geschwindigkeit für t-, eo der Fehler A () = 0. In der Praxis nähert sich A schon nach kurzer Zeit dem Wert 0 so weit an, dass kein Fehler mehr messbar ist. Man kann also erreichen, dass noch während eines Sollwertanstieges bzw. -abfalles der Istwert bereits genau dem Sollwert folgt. Dies gilt für jeden Regelkreis, bei dem ein Glied der Regelstrecke integrales Verhalten aufweist.
Wenn in Sonderfällen statt der IP-Regler IPD-Regler verwendet werden sollen, so kann man auch hier gemäss der Erfindung den Regler mit einer einzigen Einstellung versehen und die dem D-Anteil zugeordnete Zeitkonstante grösser als das Zweifache, vorzugsweise gleich dem Achtfachen der Summe der kleinen Zeitkonstanten bemessen.
Bei vielen Antriebsprogrammen tritt die Forderung auf, den Antrieb für bestimmte Zeitabschnitte an-
EMI4.2
bremst wird. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, vor dem Stillsetzen bzw. Einlegen der Bremse nicht den Geschwindigkeits-, sondern den Stromsollwert Null vorzugeben. Diese Massnahme kann als Nullstromre- gelung bezeichnet werden. Es wird dadurch der Ankerstrom praktisch zum Verschwinden gebracht, so dass Überströme beim Festbremsen ausgeschlossen sind. Zur Anwendung der Nullstromregelung kann man die Verbindung zwischen Stromregler 9 und Geschwindigkeitsregler 12 auftrennen und gegebenenfalls den Eingang des Stromreglers kurzschliessen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Speisespannung des Reglers 12 abzuschaffen.
Die grosse Regelgeschwindigkeit des erfindungsgemässen Regelkreises ermöglicht es grundsätzlich, den zur Stromversorgung dienenden Stromrichter hinsichtlich der jeweils nicht benötigten Gefässe freizugeben. Da der Regler seinen Regelbereich äusserst schnell durchläuft, kann man den Einsatz einer bei einem Laststoss neu einzusteuernden Gefässgruppe genügend rasch und sicher beherrschen. Gemäss der weiteren Erfindung lässt sich jedoch, falls dies erforderlich erscheint, auch in dieser Hinsicht noch eine Verbesserung erziehen, indem nicht benötigte Stromrichtergruppen auf einen Ruhestrom eingeregelt werden. Der Ruhestrom durchfliesst im Stillstand des Umkehrantriebes jede der beiden Stromrichtergruppen. Diese Massnahme sei an Hand der Fig. 7 und 8 näher erläutert.
Hiezu wird der Hilfssollwert für den Stromregler durch Regelkreisglieder beeinflusst, die mit ihrer Kennlinie in Fig. 7 mit 15 und 16 angedeutet sind.
Der Ausgang des Geschwindigkeitsreglers in Fig. 7 wird durch geeignete Schaltungselemente derart begrenzt, dass der zulässige Wert des Ankerstromes in beiden Stromrichtungen nicht überschritten wird. Zu diesemZweck sind am Ausgang des Geschwindigkeitsreglers an sich bekannte vorgespannte Ventile 17, 18 vorgesehen, wie Fig. 8 zeigt. Die Spannung +UG bzw.-Uss gibt die Grenze für den Stromsollwert vor.
Zur Sperrung des Sollwertstromes in der jeweils nicht gewilnschten Richtung kann in die Verbindungs- leitung zwischen dem Geschwindigkeitsregler und dem Stromregler jeweils eine Diode 19,20 geschaltet werden. Ferner wird dem Eingang des Stromreglers ein kleiner Sollwert für den Ruhestromilber einen Wi - derstand 21,22 zugeführt. Auf diese Weise erreicht man eine Zuordnung des wirksamen Stromsollwertes ? zu den Ausgangswerten ix des Geschwindigkeitsreglers gemäss Fig. 9. In der einen Richtung wird der Strom Ix grundsätzlich durch ein Ventil gesperrt, jedoch wird infolge der zusätzlichen Einspeisung über den Widerstand 21 bzw. 22 ein kleiner Sollwert IXK für den Ruhestrom weiterhin vorgegeben.
Das gleiche gilt analogfürdie andere Richtung des Stromsollwertes. Bei der Regelabweichung Null erhalten daher beide Steuersätze ein Signal, das zur Aussteuerung des Stromrichters auf den geringenruhestrom führt. Dieser Ruhestrom wird von der jeweils nicht benötigten Stromrichtergruppe beibehalten, so dass diese besonders schnell zur Verfügung steht, falls sie infolge eines Laststosses an Stelle der andern Gruppe eingesetzt werden muss.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung eignet sich insbesondere für Förderanlagen, Walzwerks- und Papiermaschinenaniriebe mit Speisung über Stromrichter, Leonardgeneratoren, Schalthalbleiter u. dgl. Sie ist jedoch nicht auf diese Gebiete beschränkt und mit Vorteil überall da anwendbar, wo Wert auf eine rasche und genaue Regelung bei einfachem, übersichtlichemAufbau desRegelkreises und auf minimale Ein-
<Desc/Clms Page number 5>
stellbarkeit bei der Inbetriebnahme gelegt wird. Es kann jeder Einzelregelkreis für sich nacheinander abgeglichen werden, wobei jeweils nur ein einziger Parameter zu bestimmen ist, obwohl wesentlich bessere Regelergebnisse als bei blossen P-Reglem erzielt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeleinrichtung mit vermaschten Regelkreisen, denen je ein Einzelregler zugeordnet ist, der einen Hilfssollwert für den nachfolgenden Einzelregler bildet, dadurch gekennzeichnet, dass als Einzelregler (9, 12) IP-Regler dienen, deren Rückführzeit mindestens das Doppelte, vorzugsweise das Vierfache der Summe der sogenannten kleinen Zeitkonstanten im betreffenden Einzelregelkreis beträgt, und dass Mittel zur Dämpfung von Sollwertstössen vorgesehen sind.