Claims (1)
Verfahren zur strukturoptimalen Anpassung zwischen Regelstrecke und Regler für Antriebe mit drehelastischer Mechanik bei losebehafteter drehzahlunabhängiger bzw. losebehafteter drehzahlabhängiger Belastung unter Verwendung eines P- bzw. Pl-Reglers, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bestimmungsgleichungen zur Ermittlung der einzelnen Regleranteile bei Torsionsoptimierung, unabhängig davon, ob dieEigenfrequenzderTorsionsschwingung (fe) innerhalb oder außerhalb der Grenzfrequenz des Drehzahlregelbereiches (fn) liegt, eine losebehaftete gefesselte Zeitkonstante der Torsionsschwingung 07*) in Ansatz gebracht wird, die sich nach der BeziehungMethod for structurally optimal adaptation between controlled system and controller for drives with torsionally elastic mechanics with loosely coupled speed-independent or loose-dependent speed-dependent loading using a P or Pl controller, characterized in that in the determination equations for determining the individual controller components in torsion optimization, regardless of whether the eigenfrequency of the torsional vibration (f e ) is within or outside the cut-off frequency of the speed control range (f n ), a loosely tied time constant of the torsional vibration 07 *) is used, which is determined by the relationship
T* = £«,= mit KT = 1 T * = £ «, = with K T = 1
1 £[£ L £ 1 [£ L
ermittelt, wobeidetermined, where
KL = derVerstärkungsfaktorderLose(KL5ii)K L = the amplification factor lots (K L 5ii)
Tf = die gefesselte Zeitkonstante derTorsionsschwingungTf = the tied time constant of the torsional vibration
Δφ = die LoseΔφ = the lots
φΝ = der Torsionswinkel bei Nennmomentφ Ν = the torsion angle at rated torque
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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Anpassung des Reglers an die Regelstrecke eines Regelkreises mit drehefastischer Mechanik bei drehzahlunabhängiger und drehzahlabhängiger losebehafteter Belastung in drehzahlgeregelten elektrischen Antrieben.The invention relates to a method for optimum adaptation of the controller to the controlled system of a control loop with drehheic mechanism with speed-independent and speed-dependent loose-loaded load in speed-controlled electric drives.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Derartige drehzahlgeregelte elektrische Antriebe werden bekannterweise noch Optimierungsverfahren der Betragsanschmiegung, dem Betrags- oder symmetrischen Optimum (DE-Z.: „Regelungstechnik", 1955, H.2, S.40; DE-Z.: „Regelungstechnik", 1958, H.11,S.395 u. H.12,S.432) oder zur Berücksichtigung stochastischer Signalanteile nach der stochastisch optimalen bzw. erweiterten stochastisch optimalen Einstellung (DD-WP 135943 und DD-WP 147192) eingestellt. In der Praxis sind die von den elektrischen Antrieben angetriebenen mechanischen Systeme nicht drehstarre, sondern drehelastische Systeme. Wird diese Tatsache nicht berücksichtigt, so kann dies nicht nur zu Instabilitäten des Regelkreises führen, sondern durch zusätzliche dynamische Torsionsbeanspruchung auch die Standzeit der mechanischen Systemelemente wie Kupplungen, Getriebe und Wellen stark reduzieren.Such speed-controlled electric drives are known to be still optimization method of Betragsanschmiegung the magnitude or symmetrical optimum (DE-Z .: "control technology", 1955, H.2, p.40; DE-Z .: "control engineering", 1958, H. 11, p.395 and H.12, p.432) or to take account of stochastic signal components according to the stochastically optimal or extended stochastically optimal setting (DD-WP 135943 and DD-WP 147192). In practice, the mechanical systems driven by the electric drives are not torsionally rigid but torsionally elastic systems. If this fact is not considered, this can not only lead to instabilities of the control loop, but also greatly reduce the service life of the mechanical system elements such as clutches, gears and shafts by additional dynamic torsional stress.
Der Einfluß von elastischen Übertragungselementen auf die Dynamik geregelter Antriebe wurde bereits untersucht (DE-Z.: „Technische Mitteilungen AEG-Telefunken", 1973, H.S, S.205). Dabei wurde ausgehend von einem schwingungsfähigen Zweimassensystem für die praktische Berechnung eine multiplikative Ergänzungsfunktion eines Zweimassensystems, bestehend aus zwei Schwingungsgliedern, verwendet. Ein Vorhalteglied 2. Ordnung verkörpert physikalisch die Lastals Einmassenschwinger, der (durch die Drehzahlregelung bedingt) mit der gefesselten Frequenz ff um den festgebremsten Motor schwingt. Ein Verzögerungsglied 2.0rdnung verkörpert physikalisch das mit der Eigenfrequenz fe frei schwingende Zweimassensystem.The influence of elastic transmission elements on the dynamics of regulated drives has already been investigated (DE-Z .: "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken", 1973, HS, p.205) .This was based on a vibratory two-mass system for practical calculation a multiplicative supplementary function A second-order lead member physically embodies the load as a single-frequency oscillator which oscillates around the stalled motor (due to speed control) at the frequency fs tied in. A delay element 2.0rd physically embodies that with the natural frequency f e free swinging dual mass system.
OerEinfluß von losebehafteten Übertragungselementen auf die Dynamikgeregelter Antriebe wurdeebenfalls bereits untersucht (DE-Z.: „Technische Mitteilungen AEG-Telefunken"r 1973, H.6, S.210). Dabei wurde eine vereinfachte Darstellungsweise der Lose als verstärkungsveränderndes Element nachgewiesen.OerEinfluß of loosely-prone transmission elements to the dynamics controlled drives has also been investigated (DE-Z .: "Technical Notes AEG-Telefunken" r 1973, H.6, p.210). This is a simplified representation of a lot has been detected as gain altering element.
Da alle diese Untersuchungen ausschließlich im Hinblick auf eine stabile Drehzahlregelung erfolgten, wurde auch nur die Motordrehzahl betrachtet und jegliche Optimierung auf eine geringe Torsionsbeanspruchung der mechanischen Systemelemente unterlassen.Since all these tests were done exclusively with regard to a stable speed control, only the engine speed was considered and omit any optimization to a low torsional stress of the mechanical system elements.
Zur gleichzeitigen Minimierung bzw. Beseitigung derTorsionswechselbeanspruchung wurden bereits Bestimmungsgleichungen für die einzelnen Regleranteilesowohl bei drehzahlunabhängiger als auch bei drehzahlabhängiger Belastung vorgeschlagen (DD-WP / und DD-WP / ), mittels derer die P- bzw. Pl-Regleranteile in Abhängigkeitvon der Lage der Torsionseigenfrequenz zur Grenzfrequenz des Drehzahlregelkreises ermittelt werden. Diese Bestimmungsgleichungen berücksichtigen bei Antrieben mit drehelastischer Mechanik aber nicht die infolge von Kupplungs-. Getriebelose zusätzlich auftretenden Instabilitäten.For the simultaneous minimization or elimination of the torsional cycling, determination equations have already been proposed for the individual governor components both for rpm-independent and rpm-dependent loading (DD-WP / and DD-WP /), by means of which the P or Pl controller components are dependent on the position of the torsional natural frequency are determined to the cutoff frequency of the speed control loop. However, these equations of equations do not take into account the consequences of couplings with torsionally elastic mechanisms. Gearless additional instabilities occurring.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, für elektrische Antriebsregel kreise mit drehelastischer Mechanik ein Verfahren zur strukturoptimalen Regleranpassung zu finden, das gegenüber den bekannten Optimierungsverfahren nicht nur für eine stabile Regelung sorgt, sondern darüber hinaus auch die Standzeiten der mechanischen Systemteile wesentlich erhöht.The aim of the invention is for electrical drive control circuits with torsionally elastic mechanics to find a method for structurally optimal controller adaptation, which not only provides for the known optimization method for a stable control, but also significantly increases the life of the mechanical system parts.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur strukturoptimalen Regleranpassung zu finden, das bei losebehafteter drehzahlunabhängiger bzw. losebehafteter drehzahlabhängiger Belastung nicht nur für eine stabile Regelung sorgt, sondern darüberhinaus eine minimale dynamische Torsionswechselbeanspruchung der mechanischen Systemteile erzielt. . "" The invention has for its object to find a method for structurally optimal controller adaptation, which not only ensures a stable control in loose-laden speed-independent or loose-loaded speed-dependent load, but also achieved a minimum dynamic Torsionswechselbeanspruchung the mechanical system parts. , ""
Die Aufgabe wird bei einem Regelkreis mit drehelastischer Mechanik und losebehafteter Belastung unter Verwendung eines P- bzw- Pl-Reglers dadurch gelöst, daß in den Bestimmungsgleichungen zur Ermittlung der einzelnen Regleranteile bei Torsionsoptimierung, unabhängig davon, ob die Eigenfrequenz der Torsionsschwingung innerhalb oder außerhalb der Grenzfrequenz des Drehzahlregelbereiches liegt, eine lösebehaftete gefesselte Zeitkonstante der Torsionsschwingung in Ansatz gebracht wird, die nach der BeziehungThe object is achieved in a control loop with torsionally elastic mechanics and loose load using a P or Pl controller in that in the determination equations for determining the individual controller components in torsional optimization, regardless of whether the natural frequency of the torsional vibration within or outside the cutoff frequency of the speed control range, a loosened tethered time constant of the torsional vibration is brought into play, according to the relationship
+- 1 1+ - 1 1
Φ _ — Φ ^ 2| j_ V K = —· Φ _ - Φ ^ 2 | j_ VK = - ·
ΔιΔι
ermittelt wird, worinis determined, in which
KL = derVerstärkungsfaktorderLose(KLsi)K L = the gain factor lot (K L si)
T« = die gefesselte Zeitkonstante derTorsionsschwingungT «= the bound time constant of torsional vibration
Δφ = die LoseΔφ = the lots
Ψν = derTorsionswinkel bei NennmomentΨν = the torsion angle at rated torque
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below in an embodiment.
Die Figur 1 zeigt den vereinfachten Signalflußplan eines drehzahlgeregelten Gleichstromnebenschlußmotors mit dem Regler und der Regelstrecke 2,3,4,5 (bzw. 7,3,4,5 gemäß Fig.2), worin 4 und 5 die drehelastische Mechanik eines mit linearer drehzahlabhängiger und losebehafteter Belastung versehenen Zweimassensystems darstellen, mit der.mathematischen Beschreibung der Übertragungsfunktion des Reglers 1FIG. 1 shows the simplified signal flow diagram of a variable-speed DC bypass motor with the controller and the controlled system 2, 3, 4, 5 (or 7, 3, 4, 5 according to FIG. 2), in which FIGS. 4 and 5 show the torsionally elastic mechanism of a linear speed-dependent one and loosely loaded dual-mass system, with the mathematical description of the transfer function of controller 1
ΰ^Ό) = — . (1) ΰ ^ Ό) = -. (1)
p 3 - p 3 -
und der Übertragungsfunktion der Regelstrecke 2,3,4and the transfer function of the controlled system 2,3,4
51Q Cp) = — - ψ - ; ' C)51Q Cp) = -- ψ -; 'C)
wobei die losebehaftete lineare drehzahlabhängige drehelastische Mechanik durch die Blöcke 4,5 mit der multiplikativen Ergänzungsfunktion für die Ermittlung der Motordrehzahlwherein the loose-laced linear speed-dependent torsionally elastic mechanism by the blocks 4.5 with the multiplicative supplementary function for determining the engine speed
pp
~i~ i
und einer multiplikativen Ergänzungsfunktion für die Ermittlung der Lastdrehzahland a multiplicative supplementary function for determining the load speed
dargestelltwird.is pictured.
Dabei ermitteln sich die losebehafteten Zeitkonstanten und Dämpfungsfaktoren nach folgenden BeziehungenIn this case, the time constant and damping factors with looseness are determined according to the following relationships
V - % 2p, C5) ' d,* = d -i7V - % 2p, C5) 'd, * = d -i7
Tf* = Tf^ C7) df*=d-z7 (8) T f * = T f ^ C7) d f * = d-z7 (8)
J7T 3w|L (9) d* = d^-27 C^C)J 7 T 3w | L (9) d * = d ^ -27 C ^ C)
Es wurde nun gefunden, daß unabhängig von der Lage der Eigenfrequenz, bzw. ob es sich um drehzahlunabhängige oder drehzahlabhängige belastete Zweimassensysteme mit drehelastischer Mechanik handelt, die bereits vorgeschlagenen Bestimmungsgleichungen für den P- bzw. P- und I-Anteil weiterhin gelten, wenn anstatt der gefesselten Zeitkonstante T{ die losebehaftete gefesselte Zeitkonstante Tf* eingesetzt wird, die sich wie folgt berechnen läßt:It has now been found that, regardless of the position of the natural frequency, or whether it is speed-independent or speed-dependent loaded two-mass systems with torsionally elastic mechanics, the already proposed determination equations for the P or P and I share continue to apply, if instead the bound time constant T { the loosely bound time constant fixed T f *, which can be calculated as follows:
T.* = S» -J—- {it JT. * = S »-J-- {it J
1%1%
mit J^ - 1 (12)with J ^ - 1 (12)
Durch diese Erfindung wird eine Minimierung bzw. Beseitigung der Torsionswechselbeanspruchung bei Änderung von Führungs-und Störgrößensignalen erreicht, was zu einerwesentlichen Erhöhung der bisherigen Standzeiten der mechanischen Systemelemente wie Kupplungen, Getriebe und Wellen führt.By this invention, a minimization or elimination of the torsional strain is achieved with change of pilot and Störgrößenensignalen, resulting in a substantial increase in the previous life of the mechanical system elements such as clutches, gears and shafts.
Analog zum gezeigten Ausführungsbeispiel, dem eine fosebehaftete, lineare drehzahlabhängige dreheiastische Mechanik zugrunde liegt, sind entsprechende weitere Ausführungen füreine losebehaftete nichtlineare drehzahlabhängige drehelastische Mechanik, oder für eine losebehaftete drehzahlunabhängige drehelastische Mechanik, für die die Umrechnungsgleichungen (6) und (8) von Bedeutung sind, darstellbar.Analogous to the exemplary embodiment shown, which is based on a fose-laden, linear speed-dependent rotary mechanical mechanism, corresponding further embodiments are for a loosely wound non-linear speed-dependent torsionally elastic mechanism, or for a loosely rotational-independent torsionally elastic mechanism for which the conversion equations (6) and (8) are important, represented.