DD153254A1

DD153254A1 - Pi-regler mit ueberschwingfreiem grosssignalverhalten

Info

Publication number: DD153254A1
Application number: DD22398780A
Authority: DD
Inventors: Helmut Breitlow; Siegfried Lasch; Lothar Neumann
Original assignee: Helmut Breitlow; Siegfried Lasch; Lothar Neumann
Priority date: 1980-09-01
Filing date: 1980-09-01
Publication date: 1981-12-30

Abstract

PI-Regler mit ueberschwingfreiem Groszsignalverhalten fuer Anwendungsfaelle, bei denen ein Ueberschwingen der Regelgroesse aus technologischen Gruenden, wie beispielsweise bei drehzahlgeregelten Werkzeugmaschinenantrieben, in jedem Fall zu vermeiden ist, auch wenn der Regler waehrend Uebergangsvorgaengen in seine Ausgangsbegrenzung gesteuert wird. Die Hochlauf- und Bremsvorgaenge sollen dabei mit maximalem Drehmoment durchgefuehrt werden und Instabilitaeten durch die Umschaltvorgaenge sollen vermieden werden. Dazu weisen der Summierverstaerker (3) des mit getrenntem P- und I-Anteil aufgebauten PI-Reglers und der mit einer geregelten Begrenzung versehene Integrator (2) Einrichtungen zur Ausgangsspannungsbegrenzung auf, denen eine gemeinsame positive und negative Begrenzungsspannung (+U&indB!;o-U&indB! zugrunde liegt. Die Erfassung des Ausgangsspannungsbegrenzungswertes am Summierverstaerkerausgang erfolgt polaritaets-getrennt ueber Komparatoren (9;10) welche elektronische Schalter (11,12) ansteuern, wodurch der Integrator (2) ueber seine Begrenzungseinrichtung (4;5) solange geregelt in Richtung Integratorausgangsspannung Null gefuehrt wird, bis die Summe aus P-Anteil und I-Anteil am Summierverstaerkerausgang den Begrenzungswert unterschreitet.

Description

Titel der Erfindung

•PI-Regler mit überschviingfreiem Großsignalverhalten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Eie Erfindung betrifft einen PI-Regler mit Überschwangfreiem Großsignalverhalten, der für Anwendungsfälle besondere Bedeutung hat, bei denen ein Überschwingen der Regelgröße aus technologischen Gründen in Jedem Fall zu vermeiden ist, auch wenn der Regler während des Übergangsvorganges in seine Ausgangsbegrenzung gesteuert wird, wie beispielsweise bei drehzahlgeregelten Werkzeugmaschinenantrieben·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Vermeidung des Oberschwingens drehzahlgeregelter Antriebe bei Hochlauf- und Bremsvorgängen ist es bekannt* daß die Brehzahlsollwertvorgabe über'einen Rampenfunktionsgeber erfolgt, der verhindern soll* daß der mit dem Sollviert beaufschlagte PI-Brehzahlregler bei den Übergangsvorgängen nicht in seine Ausgangsbegrenzung gesteuert wird* Die Integrationszeit ist. bei einfachen Rampenfunktionsgebern durch den Betreiber anlagenspezifisch anzupassen und fest vorzugeben*

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Komplizierter ausgeführte Rampenfunktions.geber, ein solcher iat in der DE-PS 11 26 487 beschrieben, enthalten einen zusätzlichen Korrekturverstärker, äer mit der Drehzahl-Sall-Istwertdifferenz beaufschlagt wird und bei einer auftretenden Soll-Istwertdifferenz, infolge einer zu großen Steilheit des Rampenfunktionsgebers, automatisch eine Erhöhung der Integrationszeit vornimmt, bis die Drehzahl-Soll-Istwertdifferenz auf näherungsweise Hull abgebaut ist und der Arbeitspunkt des Regelverstärkers damit wieder innerhalb der Begrenzungen liegte

Nachteilig ist in beiden Fällen, daß die Hochlauf- und Bremsvorgänge nicht mit maximalem Drehmoment durchgeführt werden, da der Rampenfunktionsgeber zur Vermeidung des überschwingens sicher verhindert, daß der nachgeschaltete PI-Regler in seine Ausgangsbegrenzung gesteuert wird. Weiterhin ist nachteilig, daß für das überschmngfreie Großsignalverhalten des..PI-Brehzahlreglera immer ein Rampenfunktionsgeber. dem PI-Regler vorgeschaltet werden muß·

Aus der US-PS 36 94 720 ist ein Regler bekannt, der nur beim Starten und Stoppen des'Antriebes als P-Verstärker, sonst aber als PI-Verstärker arbeitet. Hierzu, schließt ein Analogschalter den Rückführungskondensator bei Erreichen des Begrenzungsvjertes kurz, so daß aus der nachgebenden Rückführung eine starre Rückführung wird. Dieser Regler, ist für die Anwendung in Stellantrieben zur Verstellung der Magnetbandspeicher in Computern vorgesehen, welche nur bei Hochlauf und Bremsung einen Begrenzungswert erreichen. Würde dieser Antrieb auch stationär in der Mähe der Strombegrenzung arbeiten und-diese kurzzeitig erreichen, würde der Rückführungskondensator kurzgeschlossen," was aufgrund der Tatsache, daß der. Antrieb stationär in der Nähe der Begrenzung arbeitet und die Soll-Istwertdifferenz.-.

infolge des stationären Betriebes näherungsweise Null. "" ist,* bedeutet, daß der Reglerausgang sich sofort in Richtung Null veränderte Bei Öffnen des Schalters würde der Regler wieder hochintegrieren, um seinen alten Arbeitspunkt zu erreichen, d»h., die ganze Einrichtung wird instabil« Ein direkter Kurzschluß des Rückführungs.-kondensators bringt zwar den gewünschten Effekt des überschwingfreien Hochlaufes, "nenn es. sich lediglich um Beschleunigung^- und Bremsvorgänge an der Strombegrenzung, handelt und ansonsten ein wesentlich geringerer Strom fließt, wie es der beschriebene Anwendungsfall mit extrem schneller Beschleunigung und Abbremsung und sehr geringer Last in der übrigen Zeit gewährleistet, ist aber für den stationären Betriebsfall in der Nahe der Strombegrenzung aufgrund der auftretenden Instabilität ungeeignet. Auch ist die in diskreter Technik ausgeführte Anordnung zur Ein-Aus-Schaltung des Integrationsanteils des PI-Reglers sehr aufwendig.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen ausgangsseitig einer festen Begrenzung unterworfenen PI-Regler mit Großsignalverhalten so su gestalten, daß bei Übergangsvorgängen kein Überschwingen der Regelgröße auftritt, was ZeBo bei drelizahlgeregelten Werkzeugmaschinenantrieben aus technologischen Gründen erforderlich ist«

Darlegung des Wesens der Erfindung

- die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird . ' .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen PI-

Regler mit überschwingfreiem Großsignalverhalten zu schaffen, der während der übergangsv'orgänge seine maximale Ausgangsspannung, ζ«Β» für Beschleunigung und Bremsvorgänge mit eingestelltem maximalen Drehmoment, zur Verfügung stellt, und der beim Arbeiten in der Nähe der Strombegrenzung, wobei diese erreicht und auch wieder unterschritten wird, durch die Umsehaltvorgänge im normalen Betrieb keine Instabilität erzeugt«

- Merkmale der Erfindung

Erfindungsgeinäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der bekannterweise mit getrenntem Proportional- und Integralanteil aufgebaute PI-Regler, dessen einzelne Strukturanteile mittels eines Summierverstärkers zusammengefaßt sind und der mit einer geregelten Begrenzung ausgeführte Integrator jeweils Einrichtungen zur-Ausgangsspannungsbegrenzung enthalten, denen eine gemeinsame positive und negative_Begrenzungsspannung vorgegeben ist. Es iat je ein Komparator zur Erfassung des negativen und positiven Ausgangs-spannungsbegrenzungswertes vorgesehen, welchen jeweils .ein elektronischer Schalter nachgeschaltet ist, wobei der Ausgang des jeweiligen !Comparators auf den Betätigungseingang des zugeordneten elektronischen Schalters führt und jeder elektronische Schalter mit seinem ersten Anschluß auf den invertierenden Eingang des entsprechend zugeordneten Begrenzungsverstärkers des Integrators für den negativen bzw. für den positiven Ausgangsspannungsbereich geschaltet ist, an welchem außerdem die jeweilige Begrenzungsspannung anliegt, während der zweite Anschluß der beiden elektronischen Schalter an die. Nullschiene geführt ist* ' .

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Ausführungsbeispiel

^sBie Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben herden.

Der PI-Regler setzt sich aus: dem Proportionalverstärker 1, dem Integrator 2 und dem Summierverstärker 3 zusammen« Der Integrator Z und der Summierverstarker 3 besitzen beide Einrichtungen zur Begrenzung ihrer Ausgangsspannungen, 'denen eine gemeinsame positive und negative Begrenzungsspannung + U^. bzw«, - U« vorgegeben wird« Die Begrenzung der Ausgangsspannung des Integrators 2 ist geregelt ausgeführt und wird durch den Begrenzungsverstärker 4 für äen negativen Ausgangsspann'ungsbereich und den Begrensungsverstärker 5 für den positiven Ausgangsspannungsbereich realisiert. Und swar wird die über den invertierenden Eingang des entsprechenden Begrenzungsverstärkers 4 bzw· 5 eingegebene Sollwertspannung - u_ bzw· + U-g mit der vom Integratorausgang kommenden Istwertspannung verglichen und bei Überschreitung des negativen bzw· positiven Begrenzungswertes der Integratorausgangsspannung solange mittels des Begrenzungsverstärkers 4 bzw. 5. auf den Integrationsverstärkereingang gestellt, bis Gleichheit von BegrenzungsSollwertspannung und Ausgangsspannung des Integrators 2 erreicht ist«

Der Summierverstärker 3 weist eine Begrenzungsschaltung mit vorgespannten Dioden 6, 7 auf· Dazu ist der Summierverstärker 3 aufgetrennt in den eigentlichen Summierverstärker und dem nachgeschalteten Impedanzwandler 8, der der Entkopplung dient, damit die Begrenzung über die vorgespannten Dioden 6, 7 ordnungsgemäß arbeitet. Bei Erreichen des Begrenzungswertes des Summierverstärkers üird die weitere Spannung über die Dioden β., 7 zur Spannungsquelle abgeleitet, womit die Gegenkopplung unwirksam wird, Yiorauf die.Spannung am Summierverstärker unver»

zögert vom Begrenzungswert in die natürliche Begrenzung des Verstärkers steigt und direkt auf die beiden Komparatoren 9, 10.wirkt. Damit kann das Erreichen des Begrenzungswertes mit sehr hoher Empfindlichkeit ausgewertet werden« Bei Aussteuerung des Summierverstärkers in die negative Begrenzung wird der Ausgang des !Comparators 9 positiv (H-Signalspannung) und bei positiver Begrenzungsspannung der Ausgang des Komparators 10 positiv gesteuerte Im ersten Fall wird der elektronische Schalter 11 betätigt und schaltet den Begrenzungssollwert 4· O-Q für den Begrenzungsverstärker· 5 auf die Hullschiene« Im zweiten Fall Yiird der elektronische Schalter 12 betätigt, der den Begrenzungssollwert - TJg für den Begrenzungsverstärker 4 auf die Nullschiene schaltet« Damit wird der Integrator 2 über die Begrenzungsverstärker 4 oder 5 im Vergleich zu seiner Rückführungs~ beschaltung schnell über den Begrenzungsvorwiderstand Η_β und dem Rückführungskondensator C^ solange geregelt in Richtung Intsgratorausgangsspannung Null geführt, bis die Summe aus P-Anteil und I-Anteil am Summierverstärkerausgang den Begrenzungswert unterschreitet. Wird der Begrenzungswert wieder unterschritten und damit der jeweilige Komparator 9 oder 10 wieder auf L-Signal zurückgekippt, wodurch der elektronische Schalter 11 oder 12 wieder öffnet, erhält der Integrator 2 wieder über + U-g oder - Ug den vorgegebenen Begrenzungswert« Da der Integrationsverstärkerausgang auf dem Wert stehen bleibt, der der ladung des Rückführungskondensators Cp beim Öffnen des elektronischen Schalters gerade entspricht, genügt der Integrator 2 wieder dem Sollwerteingang. .

Gegenüber der bekannten Lösung, in der der Rückführungskondensator durch Kur25Schluß unkontrolliert weit entladen wird, und damit der I-Anteil. nicht mehr stimmt, worauf der Regler eine große'Soll-Istwertdifferenz auf—

bauen muß, um den Strom zu treiben,' was einem starken-Drehzahlverlust entsprechen würde, den der Regler erst wieder durch den Aufbau_des !-Anteils nachliefern könnte, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag der !-Anteil des Integrators nur soweit reduziert, daß die Summe aus P- und !-Anteil einen Wert ergibt, der knapp unterhalb des Begrenzungswertes liegt«

In vorteilhafter Realisierung eines solchen überschwingfreien PI-Reglers kann dieser auch durch einen Rechner ausgeführt sein. Wobei dann bei Erreichen d'er Reglerausgangsspannungsbegrenzung die Differenz aus der Reglerausgangsspannung und dem P~Anteil gebildet wird und der I-Anteil auf diesen Differenzwert gesetzt wird« Bei P-Anteilen, die betragsmäßig gleich oder größer als der Begrensungswert sind, wird der I-Anteil auf Null gesetzt.

Claims

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Er£indungsanapruch

PI-Regler mit überschwingfreiem (Jroßsignalverhalten, enthaltend einen Komparator, der von der Reglerausgangs«- epannung beaufschlagt wird.und einen Schalter, welcher eine wahlweise Strukturumschaltung zwischen PI-Verhaiten und !-"Verhalten ermöglicht, gekennzeichnet dadurch, daß der bekannterweise mit getrenntem P-Anteil (1) und !-»Anteil (2) aufgebaute PI-Regler, dessen einzelne Strukturanteile mittels eines Summierveratärkers (3) zusammengefaßt sind, und der mit einer geregelten"Begrenzung ausgeführte Integrator (2) jeweils Einrichtungen zur Ausgangsspannungsbegrenzung enthalten, denen eine gemeinsame positive und auch negative Begrenzungsspannung (h-U_bj -ü-g) vorgegeben ist, und daß je ein Komparator (9j'1O) zur Erfassung des negativen und positiven Ausgangsspaimungsbegrenzungswertes vorgesehen ist, denen jeweils ein elektronischer Schalter (11$ 12) nachgeschaltet ist, wobei der Ausgang des ersten Komparators (9) auf den Betätigungseingang (S) des ersten elektronischen Schalters (11) und der Ausgang des zweiten Komparators (10) auf den Betätigungseingang (S) des zweiten elektronischen Schalters (12) führt und jeder elektronische Schalter (11} 12) mit seinem "einen Anschluß sowohl, an den invertierenden Eingang des ihm zu-geordneten Begrenzungsverstärkers (4j 5) des Integrators (2). für den negativen bzw. für den positiven Ausgangsspannungsbereich als. auch an der jeweiligen

Begrenzungsspannung (.+U-; ~&d) angeschlossen während der zweite Anschluß der beiden elektronischen Schalter (11; 12) an .die Mullschiene geführt ist·

- Hierzu 1 Blatt Zeichnung -