DD219605A1

DD219605A1 - ARRANGEMENT FOR GENERATING A NONLINEAR CONTROLLER BEHAVIOR

Info

Publication number: DD219605A1
Application number: DD25704183A
Authority: DD
Inventors: Andreas Kuehnel; Karsten Noack; Manfred Rauch
Original assignee: Tech Hochschule
Priority date: 1983-11-24
Filing date: 1983-11-24
Publication date: 1985-03-06

Abstract

Die Anordnung zur Erzeugung eines nichtlinearen Reglerverhaltens ist zur Regelung vorwiegend solcher Systeme, deren Parameter annaehernd konstant sind oder zwischen definierten Bereichen wechseln, anwendbar und dient einer Realisierung eines gezielt nichtlinearen Reglerverhaltens mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass an einer Stelle des Regelkreises eine spezielle Baugruppe, deren Ausgangswert in Abhaengigkeit von der Groessenordnung ihres Eingangswertes von je einem Inhalt eines Speichers bestimmt wird, eingefuegt wird. Der Einfluss variierender Parameterwerte kann hierbei durch Anwendung eines Matrixspeichers oder eines zusaetzlichen, regelbaren Uebertragungsgliedes ausgeglichen werden. Fuer den Fall einer digitalen Erfassung der Soll-Ist-Wert-Differenz ist eine besonders einfache Variante der Erfindung realisierbar, indem der Speicher durch eine Gruppe analoger Spannungsteiler, die direkt an einzelne Stellenausgaenge angekoppelt sind, gebildet wird und eine Auswahlschaltung diejenige Potentiometerspannung, die der hoechstwertigen aktiven Bitstelle entspricht, auswaehlt. Die Erfindung kann auch zum Ausgleich auftretender Nichtlinearitaeten im Regelkreis angewendet werden.The arrangement for generating a nonlinear controller behavior is for controlling predominantly those systems whose parameters are almost constant or change between defined ranges, applicable and serves to realize a targeted non-linear regulator behavior with little effort and high accuracy. According to the invention, this object is achieved by inserting at a position of the control loop a special module whose output value is determined by a respective content of a memory as a function of the size of its input value. The influence of varying parameter values can be compensated by using a matrix memory or an additional, controllable transmission element. For the case of a digital detection of the desired-actual-value difference, a particularly simple variant of the invention can be realized by the memory is formed by a group of analog voltage dividers, which are coupled directly to individual Stellenausgaenge, and a selection circuit that Potentiometerspannung, the highest active bit position, selects. The invention can also be used to compensate occurring non-linearities in the control loop.

Description

Anordnung zur Arrangement for Erzeugung generation eines nichtlinearen Reglerverhaltensa nonlinear controller behavior

Anwendungsgebiet der Erfindung Field of application of the invention

'Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt Regelkreise mit P-D-Struktur und "besieht sich vorwiegend auf solche Regelkreise, bei denen die Parameter des zu regelnden Systems annähernd konstant sind oder zwischen definierten Bereichen wechseln« Besonders geeignet ist die Erfindung "bei Anwendung schaltender oder stark übersteuernder Stellsignalerzeugung. Weiterhin ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten insbesondere auf dem Gebiet der Positionier- oder Transporteinrichtungen aber-auch für andere zu regelnde Systeme, z.B. Temperaturregelungen. . ' · · .The field of application of the invention comprises control loops with PD structure and "looks primarily at those control loops in which the parameters of the system to be controlled are approximately constant or change between defined ranges." Particularly suitable is the invention "when using switching or strong oversteering control signal generation , Furthermore, there are applications in particular in the field of positioning or transport devices but also for other systems to be controlled, e.g. Temperature controls. , '· ·.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Aus der Regelungstechnik sind zahlreiche, vorwiegend auf der Basis von integrierten Operationsverstärkern arbeitende Punktionsgeneratoren und Übertragungsglieder bekannt. Desweiteren ist der Einsatz einfacher nichtlinearer Bauelemente, z.B. Dioden, bekannt.From control engineering, numerous puncture generators and transmission elements operating predominantly on the basis of integrated operational amplifiers are known. Furthermore, the use of simple nonlinear devices, e.g. Diodes, known.

Je"doch können all diese nur in sehr begrenztem Maße wahlweise vorgegebene Hichtlinearitäten nachbilden und sind auf rein analoge Regelkreise beschränkt. · Sine für digitale Regelkreise anwendbare Lösung zeigt DS-22O5935. Hier wird ein völlig wahlweises Reglerverhalten dadurch realisiert, daß verschiedene Signale zur AdressierungDepending on these, however, they can only reproduce given specific linear strains to a very limited extent and are limited to purely analogue control circuits. DS-22O5935 is a solution that can be used for digital control loops.This is where a completely optional controller behavior is realized by using different signals for addressing

π / \\ΓΛΙ π / \\ ΓΛΙ

' ' ' ·. 2 · ' ' ' '' '·. 2 · '' '

eines Matrixspeichers, aus dessen Inhalten direkt die Stellgröße abgeleitet "'wird, herangezogen werden. Der Hachteil dieser Lösung besteht, darin, daß bei, wie im allgemeinen üblich, mindestens zwei Zustandssignalen der Speicher, um alle auf-, tretenden Kombinationen zu erfassen, eine sehr große Kapazität aufweisen muß. Daraus wird ersichtlich, daß bisher, um vorgegebene Nichtlinearitäten nachzubilden, zur Erzielung einer hohen Genauigkeit ein hoher schaltungstechnischer Aufwand getrieben werden mußte.The advantage of this solution consists in that, as is generally customary, at least two state signals of the memories in order to detect all the occurring combinations From this it is apparent that in order to emulate predetermined nonlinearities, high circuit complexity has been required so far to achieve high accuracy.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, ein wahlweise nichtlineares Reglerverhalten hoher Genauigkeit mit möglichst geringem Aufwand zu realisieren,The aim of the invention is to realize an optionally non-linear regulator behavior of high accuracy with as little effort as possible,

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen," mit der ein wahlweise nichtlineares Reglerverhalten, das einfach variierbar sein soll, erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst,^ daß in einem aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Zustandssignals, zu' der eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Zustandssignals parallel angeordnet ist, denen eine Einrichtung zur Erzeugung eines Stellsignals und das zuregelnde System, nachgeordnet ist, bestehenden Regelkreis, zwischen der Einrichtung zur Erzeugung des ersten Zustandssignals und der Einrichtung zur Erzeugung des Stellsignals . eine gezielte Hichtlinearität durch den Einsatz einer einenThe object of the invention is to provide an arrangement "with which an optionally non-linear regulator behavior, which should simply be variable, can be generated." According to the invention, this object is achieved in that in one of a device for generating a first state signal, to which a device for generating a second state signal is arranged in parallel, to which a device for generating an actuating signal and the regulating system, downstream, existing control loop, between the device for generating the first state signal and the device for generating the actuating signal Hichtlinearität by the use of a

j. Speicher beinhaltend^ Baugruppe, deren Ausgangswert in Abhängigkeit von der Größenordnung der Soll-Ist-Wert-Differenz oder ihrer ersten zeitlichen Ableitung aus einem der Inhaltej. Memory containing assembly whose output value depends on the magnitude of the desired-actual-value difference or its first time derivative from one of the contents

30. eines Speichers, der analog-oder digital realisiert sein kann, resultiert und zusammen mit den anderen Zustandssignalen der Einrichtung zur Erzeugung der Stellgröße zugeführt wird, erzielt wird, angeordnet ist.30. a memory, which can be realized analog or digital, results and is supplied together with the other state signals of the means for generating the manipulated variable, is achieved, is arranged.

Bei zwischen'definierten Bereichen wechselnden Parametern (z.B. Lastwechsel bei Transporteinrichtungen) und sich daraus ergebender wechselnder gezielter Fichtlinearität des Regelkreises kann der Speicher als Matrixspeicher ausgeführt sein, dem weitere Signale (z.B. ein diskretisiertes Lastmeßsignal) an weitere Adresseingänge zugeführt werden können. Eine weitere Möglichkeit der -Anwendung auf variierende Para-, meterwerte besteht in einem parameterabhängigen (adaptiven) Übertragungsglied als Bestandteil'der das Stellsignal erzeu-With parameters varying between defined ranges (e.g., load changes in transport means) and resulting variable targeted sprue linearity of the control loop, the memory may be implemented as a matrix memory to which further signals (e.g., a discretized load measurement signal) may be applied to other address inputs. Another possibility of application to varying parameter values is a parameter-dependent (adaptive) transmission element as a component of the control signal.

TO genden Einrichtung.TO give facility.

Bei symmetrischem, d.h.* vorzeichenunabhängigem Verhalten des zu regelnden Systems läßt sich die Anordnung besonders zweckmäßig derart anwenden, daß. die den Speicher beinhaltende Baugruppe nur eine betragsiaäßige Abarbeitung seiner Eingangswerte durchführt, womit eine weitere Reduzierung der notwendigen Speicherplätze auf die Hälfte der sonst notwendigen Anzahl ermöglicht wird. Vorzeicheninformationen können dann direkt der Einrichtung zur Erzeugung des Stellsignals, die dann zusätzlich ein steuerbares übertragungsglied enthält, zugeführt werden. Eine -zweckmäßige Realisierung der den Speicher beinhaltenden Baugruppe besteht darin, daß der Speicher aus einer Anordnung analoger Spannungsteiler besteht, die an digitale Stellenausgänge derart angekoppelt sind, daß über den Spannungsteilern, deren zugehörige Stellenausgänge einen aktiven Pegel aufweisen, Spannungen abfallen und diejenige der an diesen Spannungsteilern abgegriffenen Potentiometerspannungen, deren Spannungsteiler der digitalen Bitstelle größten Stellenwertes nachgeschaltet ist, mittels einer Auswahlschaltung, vorzugsweise aus Dioden bestehend, den Spannungspegel am Speicherausgang bestimmt, wobei einige der Spannungsteiler zusätzlich an ein digitales Netzwerk, das' digitalen Stellenausgängen nachgeschaltet ist, angekoppelt sein können. Soll der Speicher Ausgangswerte liefern,· die mit betragsmäßig größer werdenden Eingangswerten betragsmäßig kleiner werden, so ist eine Umkehrung der Schaltungsanordnung derart möglich, daß die Spannungsteiler an Stellenausgänge ange-In the case of symmetrical, that is to say * sign-independent behavior of the system to be controlled, the arrangement can be used particularly expediently in such a way that. the module containing the memory carries out only an amount-based processing of its input values, whereby a further reduction of the necessary memory locations to half of the otherwise necessary number is made possible. Sign information can then be supplied directly to the device for generating the actuating signal, which then additionally contains a controllable transmission element. A-zweckmäßige realization of the memory-containing assembly is that the memory consists of an array of analog voltage divider, which are coupled to digital digit outputs such that above the voltage dividers, whose associated digit outputs have an active level, voltages drop and those of these Voltage dividers tapped potentiometer voltages, the voltage divider of the digital bit position largest value downstream, by means of a selection circuit, preferably consisting of diodes, determines the voltage level at the memory output, wherein some of the voltage divider in addition to a digital network, the 'digital digit outputs is coupled. If the memory is to deliver output values which become smaller in magnitude with input values which increase in magnitude, a reversal of the circuit arrangement is possible in such a way that the voltage dividers are connected to the digit outputs.

koppelt sind, die die SoIl-Ist-Wert-Differenz betragsmäßig digital komplementär repräsentieren, daß die ODER-Schaltung in den Stellenausgängen nachgeschalteten digitalen Netzwerk durch eine IMD-Schaltung ersetzt wird, die Spannungsteiler und der Ausgang des Speichers gegen die Betriebsspannung anstelle des Massepotentials abgeschlossen werden und alle Dioden umgepolt.werden*amount representing the SoIl Actual Value Difference digitally complementary, that the OR circuit in the digit outputs downstream digital network is replaced by an IMD circuit, the voltage divider and the output of the memory against the operating voltage instead of the ground potential completed and all diodes are reversed

Vorteil'der Erfindung ist, daß ein wahlweise gezielt nichtlineares Heglerverhalten mit hoher Geschwindigkeit und zu- mindest bereichsweiser hoher Genauigkeit mit einfachsten schaltungstechnischen Mitteln erzielt werden kann.Vorteil'der the invention is that an optionally selectively non-linear Heglerverhalten at high speed and at least partially high accuracy can be achieved with the simplest circuitry means.

Ausführungsbeispielembodiment

Pig.1: Slocksehaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung Pig.2: Schaltungstechnische Realisierung des Speichers Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Pig.1: Slockshaltbild the arrangement according to the invention Pig.2: Circuit realization of the memory The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Einer .Einrichtung P zur Ermittlung eines ersten digitalen Zustandesignals χ, das den Betrag der Soll-Ist-Wert-Differenz verkörpert, ist der Speicher Sp gemäß Pig. 2 derart nachgeschaltet, daß zwischen den digitalen Stellenausgängen SA niedrigeren Stellenwertes sowie zwischen dem Ausgang eines als ODER-Schaltung ausgeführten Netzwerkes HW, das die höheren der Stellenausgänge. SA logisch zusammenfaßt, und dem Masse-potential E analoge Spannungsteiler Spt, die einen Analog- , speicher darstellen, geschaltet, ist. Die Potentiometerspannungen der Spannungsteiler opt sind derart über eine Auswahlschaltung AW an den Speicherausgang A, welcher über, einen Widerstand mit dem Massepotential E verbunden ist, angekoppelt, daß die analoge Spannung des Speicherausgangs A aus dem größten sich an einem der Spannungsteiler Spt einstellenden Pegel resultiert. Die Potentiometerspannungen sind so dimensioniert, daß die Spannungsteiler Spt, die höherwertigen Stellenaus- . gangen SA nachgeschaltet sind, jeweils höhere Spannungspegel aufweisen. Da nur diejenigen der Spannungsteiler Spt, die an Stellenausgänge SA, die einen High-Pegel aufweisen, ange-A device P for determining a first digital state signal χ, which embodies the amount of the desired-actual-value difference, is the memory Sp in accordance with Pig. 2 such that between the digital digit outputs SA lower value and between the output of an executed as an OR circuit network HW, the higher of the digit outputs. SA logically summarized, and the ground potential E analog voltage divider Spt, which represent an analog memory, switched. The potentiometer voltages of the voltage divider opt are in such a way via a selection circuit AW to the memory output A, which is connected via a resistor to the ground potential E, coupled that the analog voltage of the memory output A from the largest results at one of the voltage divider Spt adjusting level. The potentiometer voltages are dimensioned such that the voltage divider Spt, the higher order digits. SA are downstream, each having higher voltage levels. Since only those of the voltage divider Spt, which are connected to position outputs SA which have a high level, are switched on.

koppelt sind,, eine vom IJas se potential Ξ verschiedene Potentiometer spannung erzeugen, bestimmt somit der Spannungswert, .der dem höchsten der auf High-Pegel stehenden Stellenausgänge SA entspricht, den Pegel am Speicherausgang A. Die Übertragungsfunktion der den Speicher Sp enthaltenden Baugruppe stellt demnach eine mit größeren Eingangswerten ansteigende Treppenfunktion dar, die im Bereich kleiner Eingangswerte, also "bei betragsxnäßig kleinen Soil-'lst-Wert-Dif f erenzen, eine genauere, bessere Approximationder gewünschten resultierenden gezielten ITichtlinearität ermöglicht.are coupled, one of the IJas se potential Ξ generate different potentiometer voltage, thus determines the voltage value, the highest corresponds to the high-level digit outputs SA, the level at the memory output A. The transfer function of the memory Sp-containing module is accordingly a step function which increases with larger input values and which allows a more accurate, better approximation of the desired, resulting targeted nonlinearity in the range of small input values, that is, in the case of absolute low-value differences in absolute value.

Der Ausgangswert f(x). der den Speicher Sp beinhaltenden Baugruppe wird gemäß Pig. 1 in einer Einrichtung St zur Erzeugung des Stellsignals StS mit einem in einer speziellen Einrichtung D erzeugten zweiten Zustandssignal x, das eine nicht notwendig lineare Funktion des betragsmäßigen Wertes der ersten zeitlichen Ableitung der Soll-Ist-Wert-Differenz ist, sowie mit weiteren Zustandssignalen vzx und vzx, die die Vorzeichen der Soll-Ist-Wert-Differenz und ihrer ersten zeitlichen Ableitung verkörpern, verarbeitet und daraus das Stellsignal StS abgeleitet, das dem' zu regelnden System Pr zugeführt wird. Soll die zu ersielende nichtlineare Übertragungsfunktion der den Speicher Sp beinhaltenden Baugruppe bei betragsmäßig kleiner, werdenden Eingangswerten betragsmäßig größer werdende Ausgangswerte-liefern, ist eine Umkehrung' der Schaltungsanordnung zur Realisierung der den Speicher Sp beinhaltenden Baugruppe möglich, indem die Spannungsteiler Spt an solche Stellenausgänge SA angekoppelt sind, die den Betrag der Soll-Ist-7/ert-Diff erenz digital komplementär repräsentieren, indem anstelle der Oder-Schaltung eine UiTD-Schaltung, eingesetzt wird, indem weiterhin die Spannungsteiler Spt und der Widerstand,, der an den Speicherausgang A angekoppelt ist, an das Betriebspotential der Digitalschaltung gelegt werden und ferner alle Dioden der Auswahlschaltung AW umgepolt .werden.The initial value f (x). of the memory Sp-containing assembly is in accordance with Pig. 1 in a device St for generating the actuating signal StS with a generated in a special device D second state signal x, which is a non-linear function of the magnitude value of the first time derivative of the target-actual-value difference, and with other state signals vzx and vzx, which embody the signs of the target-actual-value difference and their first time derivative, processed and derived therefrom the actuating signal StS, which is the 'system Pr to be controlled. If the non-linear transfer function of the module containing the memory Sp is to provide output values which increase in magnitude, the circuit arrangement for realizing the module containing the memory Sp is possible in that the voltage divider Spt is coupled to such digit outputs SA are that digitally complementarily represent the magnitude of the target-to-actual diff erence by using a UiTD circuit instead of the OR circuit by further coupling the voltage divider S tp and the resistor D j which is coupled to the memory output A. is to be applied to the operating potential of the digital circuit and further reversed all diodes of the selection circuit AW.

Eine Anwendung auf variable Parameter oder Einflüsse ist durch Anwendung eines Llatrixspeichers derart möglich, daß demAn application to variable parameters or influences is possible by using a Llatrixspeichers such that the

digitalen Schaltungsteil mehrere der oben beschriebenen 3chaltungsanordmxngen parallel nachgeschaltet sind' und die einzelnen Speicherausgänge A dieser Schaltungen einer durch ein von einer Einrichtung H erzeugtes, weiteres Zustandssignal.I, das die wechselnden Parameter charakterisiert, gesteuerten Ums ehalteinrichtung zugeführt werden. Eine andere . Anwendung auf variable Parameter .oder Einflüsse ist durch ein dem Ausgang der den Speicher beinhaltenden Baugruppe nachgeschaltenes steuerbares Übertragungsglied Ü möglich. Der wesentliche Vorteil der Anordnung besteht darin, ein auf den Charakter lind die speziellen Parameterwerte des zu regelnden Systems Pr abgestimmtes, gezielt nichtlineares Reglerverhalten mit hoher Genauigkeit und äußerst geringem Aufwand zu ermög·· liehen. . ,digital circuit part of a plurality of the above-described 3chaltungsanordmxngen are connected in parallel 'and the individual memory outputs A of these circuits of a supplied by a device H, another state signal .I, which characterizes the changing parameters, controlled Ums ehalteinrichtung are supplied. Another . Application to variable parameters or influences is possible by a controllable transmission element Ü connected downstream of the output of the module containing the memory. The essential advantage of the arrangement is that a characteristically nonlinear controller response tuned to the character and the specific parameter values of the system Pr to be controlled can be achieved with high accuracy and extremely little effort. , .

Ferner besteht hiermit die Möglichkeit, unbeabsichtigte, nicht-· lineare übertragungsfunktionen von Elementen des Regelkreises auszugleichen. Somit kann zum Beispiel das die erste.zeitliche Ableitung der Soll-Ist-Wert-Differenz repräsentierende Signal χ über ein einfachstes nichtlineares oder sogar rezi-Furthermore, there is the possibility to compensate for unintentional, non-linear transfer functions of elements of the control loop. Thus, for example, the signal χ representing the first time derivation of the desired-actual-value difference can be transmitted via a simplest non-linear or even recurrent

20. prok arbeitendes Meßsystem gewonnen werden, ohne daß das gewünschte Reglerverhalten beeinflußt wird.20. prok working measuring system can be obtained without the desired controller behavior is affected.

Ein weiterer Vorteil der im speziellen Ausführungsbeispiel dargestellten Variante besteht darin, daß die Anordnung in der Lage ist, die gestellten Forderungen in extrem schnellen Vorgängen zu erfüllen.Another advantage of the variant shown in the specific embodiment is that the arrangement is able to meet the demands made in extremely fast operations.

Claims

Claim for invention

Arrangement for realizing a non-linear regulator behavior consisting of an execution (P) for generating a first state signal (s) representing at least the absolute value of the target-actual-value difference, means (D) for generating a second one State signal (x), da3 represents at least the absolute value of the first time derivative of the desired-actual-value difference, whereby by these means, if necessary, the

In addition, character information for these two status signals is generated as further status signals (vz%) and (vzx), and also means (St) for generating an actuating signal (StS) and the regulating system (Pr) are characterized in that they additionally comprising a memory-containing assembly (Sp) arranged between the means (P) for generating the first state signal (x) and the means (St) for generating a control signal (StS) so as to correspond to the order of magnitude of the first (x) or second (x) state signal is output in each case a memory content and is supplied together with the other of the state signals of the device (St) for generating the actuating signal (StS). 2. Arrangement according to item 1, characterized in that it additionally comprises a device (H) for generating a further state signal (I) which carries information about • parameter values and / or external influences downstream of the system (Pr) to be controlled and is connected on the output side to the memory (Sp) and / or to the device (St) for generating an actuating signal (StS).

3. Arrangement according to item 1 or 2, characterized in that the means for generating the status signals are arranged such that the status signals (vzx), (vzx) and / or (I) the memory (Sp), which is then a matrix memory, and / or the device (St) for generating the actuating signal (StS), .which then at least one by said signal (s) the influence of one of the supplied signals controlling transmission element (Ü), are supplied.

4. Arrangement according to item 1,2 or 3, characterized in that the memory (Sp) by an arrangement of analog. ,

Voltage divider (Spt) is realized, the sv / isehen digital digit outputs (SA) and a common voltage level arranged and their Potentiomete.rspannungsklemmen with a selection circuit (A »7), preferably consisting of diodes, are connected.

5V arrangement according to item 1, 2, 3 or 4, characterized in that at least one of the voltage divider (Spt) to ¹ the output of a digital network (ITW), the digital S-cell outlets (SA) is connected downstream.

6. Arrangement according to item 1, 2 or 3 characterized in that die.Einrichtung (St) for generating the actuating signal (StS). contains a microcomputer.

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