DD138448B1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR IMPLYING UNSUCCESSFUL REQUIREMENTS - Google Patents
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Description
Schaltungsanordnung zur Glättung unstetig verlaufender SollwertänderungenCircuit arrangement for smoothing unsteady setpoint changes
Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind numerische Steuerungen beliebiger Zweckbestimmung,The field of application of the invention are numerical controls of any purpose,
Aus der Zeitschrift "Werkstattstechnik" 1975 Heft 11 Seite 689/690 ist bekannt, daß bei Positioniervorgängen an numerisch gesteuerten Maschinen die Art der Vorgabe von Führungsgrößen einen bedeutenden Einfluß auf die erreichbare Positioniergenauigkeit hat. Dieser Zusammenhang gilt umso mehr, je höher die Positioniergeschwindigkeit ist. Auf die sprungförmige Vorgabe eines neuen Ge3chwindigkeitssollwertes vermag das Antriebssystem zwar mit einer zunächst maximal möglichen Beschleunigung und bei Erreichen der neuen Sollposition mit einer maximal möglichen Bremsverzögerung zu reagieren, jedoch ist damit ein überschwingfreies Einfahren in die neue Sollposition nicht zu realisieren.From the magazine "Workshop Technology" 1975 Issue 11 Page 689/690 is known that in positioning operations on numerically controlled machines, the type of specification of reference variables has a significant influence on the achievable positioning accuracy. This relationship applies even more, the higher the positioning speed. Although the drive system can respond to the sudden specification of a new speed setpoint with an initially maximum possible acceleration and when the new setpoint position is reached with a maximum possible braking deceleration, it is not possible to implement an overshoot-free entry into the new setpoint position.
207380207380
Damit der von der Führungsgröße beaufschlagte Lageregelkreis eine hohe Einfahrgenauigkeit bei kurzer Positionierzeit gewährleistet, v/erden die unstetigen Verläufe des Geschwindigkeitssollwertes eingeglättet. Damit wird der Beschleunigungsverlauf des Sollwertes an den vom Antrieb des Lageregelkreises realisierbaren Beschleunigungsverlauf angeglichen. Eine Schaltungsanordnung zur praktischen Realisierung der aufgezeigten Zusammenhänge ist jedoch nicht angegeben.So that the position control loop acted upon by the reference variable ensures a high approaching accuracy with a short positioning time, the unsteady courses of the speed setpoint are smoothed. This adjusts the acceleration profile of the setpoint value to the acceleration profile that can be achieved by the drive of the position control loop. However, a circuit arrangement for the practical realization of the indicated relationships is not specified.
Aus DE-OS 24 20 285 ist eine Positioniervorrichtung bekannt, die einen rampenförmigen Verlauf der Geschwindigkeit beim Hochlaufen und Bremsen realisiert. Der rampenförmige Geschwindigkeitsverlauf glättet zwar bereits eine ßprungförmige Sollwertänderung in gewissem Umfang, jedoch bleiben die am Beginn und am Ende der Rampe vorhandenen Unstetigkeitsstellen in nachteiliger V/eise noch erhalten. Außerdem muß ein gesonderter Aufwand getrieben werden, damit die Positioniervorrichtung die Wegbilanz einzuhalten vermag.From DE-OS 24 20 285 a positioning device is known, which realizes a ramp-shaped course of the speed during startup and braking. Although the ramp-shaped velocity curve already smooths out a step-shaped setpoint change to a certain extent, the points of discontinuity existing at the beginning and at the end of the ramp are still disadvantageously preserved. In addition, a separate effort must be driven so that the positioning device is able to meet the Wegbilanz.
Weiterhin ist aus DE-AS 1 513 190 eine Vorrichtung zur stetigen Vorgabe eines sprunghaft veränderten Sollwertes für einen Regelkreis bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein Potentiometer, an dessen beweglichem Abgriff bei Verschiebung ein rampenförmiger Verlauf des Sollwerts zustande kommt. Die Unstetigkeitsstellen am Beginn und am Ende der Rampe werden abgeflacht, wenn die Potentiometerwicklung als Punktionswicklung mit nichtlinearer funktioneller Zeitabhängigkeit ausgebildet ist.Furthermore, from DE-AS 1 513 190 a device for the continuous specification of a step change in setpoint value for a control loop is known. This device includes a potentiometer, at the movable tap on displacement a ramp-shaped course of the setpoint comes about. The discontinuities at the beginning and at the end of the ramp are flattened when the potentiometer winding is formed as a puncture winding with non-linear functional time dependence.
Diese bekannte Vorrichtung vermeidet Unstetigkeitsstellen im Sollwertverlauf nur bei voller Aussteuerung der Funktionswicklung, das heißt bei einem Soliwertsprung bestimmter Größe,This known device avoids points of discontinuity in the setpoint course only at full modulation of the functional winding, that is to say in the case of a soli value jump of a specific size,
-з- 207380-z- 207380
Sollwert3prünge anderer Größe verlangen andere Verschiebungen des beweglichen Potentiometerabgriffs, Dabei kommt dann die von der Punktionswicklung verursachte Glättung der Unstetigkeitsstellen am Beginn bzw. am Ende der Rampe nicht zur Wirkung,Setpoint jumps of a different size require different shifts of the movable potentiometer tap. In this case, the smoothing of the points of discontinuity at the beginning or at the end of the ramp caused by the puncture winding does not take effect.
Die Anwendungsbreite der Vorrichtung bleibt damit nur auf einen Sollwertsprung bestimmter Größe beschränkt. Das ist für eine Anwendung in numerischen Bahnsteuerungen völlig unzureichend. Außerdem ist ein zusätzlicher Aufwand erforderlich, um die genaue Wegbilanz sicherzustellen, die eine numerische Steuerung gewährleisten muß.The scope of application of the device is thus limited only to a setpoint jump of a certain size. This is completely insufficient for an application in numerical path control. In addition, additional effort is required to ensure the exact route balance that must be guaranteed by numerical control.
Aus der Zeitschrift "Werkstattstechnik'1 1977 Heft 7 Seite 379 ist bekannt, beim zeitoptimalen Positionieren den Einsatz des Bremsvorgangs sowie die Führung der Bremsverzögerung getastet zu berechnen und dazu als Ausgangsgrößen die maximale Beschleunigung, die momentane Geschwindigkeit, den Restverfahrweg und den benötigten Bremsweg zu verwenden und in gegenseitige Beziehung zu setzen. Die erforderliche Rechenzeit läßt nur eine begrenzte Rechengenauigkeit zu. Sollen die Positionierfehler eine bestimmte Größe nicht überschreiten, muß zumindest am Ende des Positioniervorgangs eine geringe Geschwindigkeit beim Durchfahren des Restwegs, der durch den Rechenfehler bestimmt wird, in Kauf genommen werden. Der zeitoptimale Ablauf des Bremsvorgangs ist dadurch gestört.From the periodical "Werkstattstechnik" 1 1977, No. 7, page 379, it is known to calculate the use of the braking process as well as the guidance of the braking deceleration in time-optimized positioning and to use as output variables the maximum acceleration, the instantaneous speed, the residual travel and the required braking distance If the positioning errors do not exceed a certain size, at least at the end of the positioning process, a low speed must be accepted when traversing the residual path, which is determined by the calculation error The time-optimized sequence of the braking process is thereby disturbed.
Als Ziel der Erfindung soll erreicht werden, den Glättungseffekt einer Schaltungsanordnung zur Glättung unstetig verlaufender Sollwertänderungen zu verbessern sowie den Rechenaufwand insgesamt für die zeitoptimale Positionierung zu vermindern.The aim of the invention is to be achieved, the smoothing effect of a circuit arrangement for smoothing unsteady running setpoint changes to improve as well as to reduce the overall computational effort for the time-optimal positioning.
"4~ 207380" 4 ~ 207380
Darle p^xnp: des 7/esens der Erfindung; Loan ppnp: of the invention of the invention ;
Die in der Charakteristik der bekannten technischen Lösungen beschriebenen Mängel haben ihre Ursache in der fehlenden Realisierung der Glättung einer unstetig verlaufenden Sollwertänderung variabler Größe,The deficiencies described in the characteristic of the known technical solutions are due to the lack of realization of the smoothing of a discontinuously running set value change of variable size,
Um diese Ursache zu beseitigen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Glättung unstetig verlaufender Sollwertänderungen, die in einer numerischen Steuerung vom Interpolator erzeugt und dem Lageregelkreis als Führungsgröße vorgegeben werden, unter Verwendung von Bauelementen, die den Übergang vom bisherigen Sollwert zum neuen Sollwert in einer vorgegebenen funktionellen Zeitabhängigkeit gewährleisten, zu schaffen, bei der die Glättung Unstetigkeitsstellen in Sollwertverläufen vermeidet, unabhängig von der Größe der Sollwertänderung ist und die keiner gesonderten Aufwendungen bedarf, um die Verfahrwegbilanz sicherzustellen und Streuungen des Wegfehlers abzubauen,To eliminate this cause, the invention has the object, a circuit arrangement for smoothing unsteady setpoint changes that are generated in a numerical control of the interpolator and the position control loop as a reference variable, using components that transition from the previous setpoint to the new To ensure set point in a given functional time dependence, in which the smoothing avoids points of discontinuity in setpoint curves, regardless of the size of the setpoint change and which requires no separate expenses to ensure the track record and reduce variations in the path error,
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß ein Differenzbildner, der mit seinem Minuendeneingang an den Ausgang des Interpolators angeschlossen ist, ein dem Differenzbildner nachgeschaltetes Integrierglied, ein über seinen ersten Eingang mit dem Ausgang des Integrierglieds verbundener Produktbildner, eine Rückführung vom Ausgang des Produktbildners zum Subtrahendeneingang des Differenzbildners sowie ein Punktionsbildner vorgesehen sind, des« sen erster und dessen zweiter Eingang getrennt jeweils mit einem der beiden Eingänge oder mit dem Ausgang des Differenzbildners und dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Produktbildners verbunden ist*According to the invention this is achieved in that a subtractor, which is connected with its Minuendeneingang to the output of the interpolator, a subtractor downstream integrator, connected via its first input to the output of the integrator product generator, a return from the output of the product forming the Subtrahendeneingang of Differenzbildners and puncture are provided, the sen 's first and its second input separately connected to one of the two inputs or to the output of the subtractor and whose output is connected to the second input of the product image forming *
-5- 207380-5- 207380
In einer vorteilhaften Ausgestaltimg weist der Punktionsbildner für den Pail, daß er über seinen ersten Eingang mit dem Minuendeneingang und über seinen zweiten Eingang mit dem Ausgang des Differenzbildners verbunden ist, eingangsseitig zwei Betragsbildner, ein daran angeschlossenes Summierglied mit nachfolgendem Proportionalglied und ausgangsseitig ein Subtraktionsglied auf, das mit seinem Minuendeneingang an eine Konstantsignalquelle und mit seinem Subtrahendeneingang an den Ausgang des Proportionalglieds angeschlossen ist.In an advantageous embodiment, the puncturing device for the Pail, that it is connected via its first input to the Minuendeneingang and its second input to the output of the subtractor, on the input side two absolute value formers, an adjoining summer with subsequent proportional element and the output side a subtraction on which is connected with its Minuendeneingang to a constant signal source and with its subtrahend input to the output of the proportional element.
Die Schaltungsanordnung glättet schnelle Sollwertänderungen, wie sie an Unstetigkeitsstellen eines beliebigen Sollwertverlaufs auftreten· Langsame Sollwertänderungen werden hingegen keiner nennenswerten Glättung unterzogen.The circuit smoothes fast setpoint changes, as they occur at points of discontinuity of any desired value curve. On the other hand, slow setpoint changes are not subjected to significant smoothing.
Die Erfindung wird an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei aeigenThe invention will be explained in more detail in the following embodiment. Act on it
Pig· 1 die erfindungsgemäße SchaltungsanordnungPig · 1, the circuit arrangement according to the invention
Pig· 2 den Verlauf der Sollwerte und des Verstärkungsfaktors über der Zeit und in Beziehung zueinander.Pig · 2 the course of the setpoints and the gain over time and in relation to each other.
An einen Interpolator 1 einer numerischen Steuerung ist der Minuendeneingang eines Differenzbildners 2 angeschlossen· Ein Integrierglied 3 ist mit dem Ausgang des Differenzbildners 2, der erste Eingang eines Produktbildners 4 mit dem Ausgang des Integriergliedes 3 und der Lageregelkreis 5 der numerischen Steuerung mit dem Ausgang des Produktbildners verbunden, der außerdem zum Subtrahendeneingang des Differenzbildners 2 rückgeführt ist.An integrator 3 is connected to the output of the difference former 2, the first input of a product former 4 to the output of the integrator 3 and the position control loop 5 of the numerical controller to the output of the product former connected, which is also returned to the subtrahend input of the difference former 2.
- б - 207380- б - 207380
Ein Punktionsbildner б enthält einen ersten Betragsbildner 7, einen zweiten Betragsbildner 8, ein Summierglied 9, ein Proportionalglied 10 und ein .Subtraktionsglied 11.A puncturer б contains a first absolute value generator 7, a second absolute value generator 8, a summing element 9, a proportional element 10 and a subtraction element 11.
Der erste Betragsbildner 7 ist eingangsseitig mit dem Minuendeneingang de3 Differenzbildners 2, der zweite Betragsbildner 8 eingangsseitig mit dem Ausgang des Differenzbiluners 2 verbunden·The first absolute value generator 7 is connected on the input side to the minute input de3 difference former 2, the second absolute value generator 8 is connected on the input side to the output of the differential image 2.
Das Summierglied 9 ist mit dem einen Eingang dem ersten Betragsbildner 7 und mit dem anderen Eingang dem zweiten Betragsbildner 0 nachgeschaltet· Das Proportionalglied 10 ist eingangsseitig an den Ausgang des Summierglieds 9 angeschlossen und ausgangsseitig auf den Subtrahenden eingang des Subtraktionsgliedes 11 geführt. Der Minuendeneingang des Subtraktionsglieds 11 ist an eine Konstantsignalquelle 12 angeschlossen. Aucgangsseitig steht das Subtraktionsglied 12 mit dem zweiten Eingang des Produktbildners 4 sowie mit dem Lageregelkreis 5 in Verbindung.The summing element 9 is connected to one input to the first absolute value generator 7 and the other input to the second absolute value generator 0. The proportional element 10 is connected on the input side to the output of the summing element 9 and fed on the output side to the subtrahend input of the subtraction element 11. The minuend input of the subtracter 11 is connected to a constant signal source 12. Aucgangsseitig is the subtraction element 12 with the second input of the product generator 4 and with the position control circuit 5 in combination.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist wie folgt:The operation of the circuit arrangement is as follows:
Der Interpolator 1 gibt einen am Anfang und am Ende einer Positionierung sprungförmig verlaufenden Geschwindigkeitssollwert γ. ,-, . aus, dessen Verlauf in Figur 2a) dargestellt ist.The interpolator 1 outputs a velocity command value γ, which jumps at the beginning and at the end of a positioning. , -,. from, whose course is shown in Figure 2a).
Der Differenzbildner 2 reduziert diesen Geschwindigkeitssollwert Tg -,-, . um den am Ausgang des Produktbildners 4 anstehenden veränderten Geschwindigkeitssollv/ert Vg -,-, /, so daß am Ausgang des Differenzbildners 2 ein Verlauf ν ρ zustande kommt, wie ihn Figur 2b) zeigt. Dieser Wert v~ wird vorn Integrierglied 3 in eine Form ν ^ umgewandelt, wie sie aus Figur 2c) ersichtlich ist.The subtractor 2 reduces this speed setpoint Tg -, -,. around the changed speed set point Vg -, -, /, which is present at the output of the product former 4, so that a curve ν ρ comes about at the output of the subtractor 2, as shown in FIG. 2b). This value v ~ is converted by integrator 3 into a form ν ^, as can be seen in FIG. 2c).
207380207380
Im Produktbildner 4 wird der Wert v~ mit einem Verstärkungsfaktor к multipliziert, der selbst eine variable Größe ist, vom Funktionsbildner 6 erzeugt wird und einen Verlauf nimmt, den Figur 2d) darstellt« Vom Ausgang des Produktbildners 4 wir*d an den Lageregelkreis 5 der bereits genannte Geschwindigkeitssollwert Vo0-,-, * ausgegeben« Figur 2e) zeigt, daß dieser Geschwindigkeitssollwert Vo η η л einen prinzipiell rampenförmigen Verlauf nimmt, wobei jedoch die ünstetigkeitsstellen der Rampe eingeglättet sind.In the product builder 4, the value v ~ is multiplied by an amplification factor к which itself is a variable variable generated by the function generator 6 and takes a course which is represented by the figure 2d) from the output of the product generator 4 to the position control circuit 5 already mentioned velocity setpoint Vo 0 -, -, * output «Figure 2e) shows that this speed setpoint Vo η η л takes a principally ramped course, but the nünstetigkeitsstellen the ramp are smoothed.
Wird der Lageregelkreis 5 mit dem eingeglätteten Geschwindigkeitssollwert vg ,-^ . beaufschlagt, dann verläuft der Positioniervorgang zeitoptimal und ohne Überschwingen«If the position control loop 5 with the smoothed speed setpoint v g , - ^. applied, then the positioning process is time-optimal and without overshoot «
Der Verstärkungsfaktor к ist abhängig von dem von der Konstantsignalquelle 12 erzeugten Verstärkungsfaktor kQ, vom Abschwächungsfaktor k- des Proportionalglieds 10, von dem vom Betragsbildner 7 verarbeiteten Geschwindigkeitssollwert Vg0-,-, 1 und von dem vom Betragsbildner 8 verarbei teten V/ert Vp* Unter Berücksichtigung der seitens des Summierglieds 9 und de3 Subtraktionsglieds 11 erbrachten Verknüpfungsfunktionen ergibt sichThe amplification factor κ is dependent on the amplification factor k Q generated by the constant signal source 12, the attenuation factor k- of the proportional element 10, the velocity setpoint Vg 0 -, -, 1 processed by the absolute value generator 7, and the value Vp processed by the absolute value generator 8 Taking into account the linking functions provided by the summing element 9 and the subtraction element 11, the result is
квко-к1'( |vSoll 1 I + I V2 I }- квк о- к 1 ' (| v set 1 I + I V 2 I } -
Ein ähnlicher Glättungseffekt des Geschwindigkeitssollwertes v3o-i-7 -ι läßt sich auch mit einem Punlctionsbildner 6 verwirklichen, der anders als vorstehend beschrieben aufgebaut ist und demzufolge einen Verstärkungsfaktor erzeugt, dem ein abweichendes Bildungsgesetz zugrunde liegt·A similar smoothing effect of the speed setpoint v 3 o -i-7 -ι can also be realized with a punctuation device 6, which is constructed differently from the one described above and accordingly generates a gain factor which is based on a different education law ·
Die direkte Ausgabe des Verstärkungsfaktors к vom Ausgang des Punktionsbildners 6 schafft die Möglichkeit, die Ausgangsgeschwindigkeit des Lageregelkreises 5 noch weiterThe direct output of the gain factor к from the output of the puncturing device 6 creates the possibility of the output speed of the position control loop 5 even further
207380207380
einzuglätten, sofern dieser v/ie gezeigt mit einem speziellen Steuereingang für diesen Verstärkungsfaktor к versehen ist· Das erweist sich besonders bei großen Sollwertsprüngen vSoll -ι als vorteilhaft«einzuglätten, provided that v / ie shown with a special control input for this gain is provided к · This proves especially with large setpoint changes v If -ι advantageous "
Wird der getrennte Anschluß beider Betragsbildner 7 und 8 nicht am Minuendeneingang und am Ausgang des Differenzbildners 2 vorgenommen, sondern anstelle dieses Minuendeneingangs oder dieses Ausgangs der Subtrahendeneingang des Differenzbildners 2 verwendet, macht sich eine zusätzliche arithmetische Operation notwendig, damit die Beschaltung des Summierglieds 9 mit den erforderlichen Summanden sichergestellt bleibt.If the separate connection of both absolute value formers 7 and 8 is not made at the minuend input and at the output of the difference former 2, but instead uses the subtrahend input of the difference former 2 instead of this minuend input or output, an additional arithmetic operation becomes necessary so that the connection of the summing element 9 with the required addends remains ensured.
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