DD269240A1

DD269240A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur adaptiven regelung der drehzahl elektrischer antriebe

Info

Publication number: DD269240A1
Application number: DD30400587A
Authority: DD
Inventors: Rolf Schoenfeld; Dieter Zenkel; Kai Glatzer; Alexander Schlag
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1987-06-10
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1989-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein einfaches Verfahren zur Regelung vorzugsweise von elektrischen Stellantrieben mit veraenderlichen Parametern und rasch veraenderlichen Fuehrungs- und Stoergroessen. Die Erfindung nutzt das an sich bekannte Prinzip der Identifikation der Regelstrecke durch Vergleich mit einem Modell und der Variation des Reglers durch Aufschalten eines Korrektursignals. Die Erfindung betrifft spezielle Algorithmen zur Bildung des Korrektursignals. Figur

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Automatisierung vorzugsweise diskontinuierlicher Fertigungsprozesse erfordert in ,iroßer Stückzahl den Einsatz elektris» her Stellantriebe mit hoher dynamischer Güte. Die dynamische Güte dieser Antriebe soll gewährleistet sein

— unabhängig von wirksamen Störgrößen

— unabhängig von Veränderungen der Regelstrecke, insbesondere von Veränderungen des mechanischen Trägheitsmoments der Last

— unabhängig von der Einstellung des Reglers durch den Menschen.

Das wird erreicht durch Regelung des Antriebs mit einem adaptiven Regler. Der Regler kann sowohl nach den Prinzipien der analogen Signalverarbeitung, d. h. mit Operationsverstärkern, Analogmultiplizierern usw. als auch nach den Prinzipien der digitalen Signalverarbeitung, d. h. mit Mikrorechnern aufgebaut sein.

Bekannt sind adaptive Regelungen, bei denen die Identifikation der Regelstrecke durch Vergleich mit einem Regelstreckenmodell erfolgt und bei denen dio Einwirkung auf den Regler durch Aufschalten eines Korrektursignals (adaptiv oder multiplikativ) erfolgt. (Schönfeld, R.; Adaptive digital speed and position control of DC-servo drives; First European Conference on Power Eleconics and Applications, Brussels 16.-18.Oct. 1985 Tagungsbericht Bd.l. S.2.69; Schönfeld, R.Grundlagen der automatischen Steuerung, VEB Verlag Technik und Hüthig-Verlag Heidelberg, 2. Aufl. 1987).

Die Ableitung des Korrektursignals u aus dem Fehlersignal erfolgt mit einem linearen, proportionalen Übertragungsglied mit Begrenzung

u = k_k · ε; im Bereich IuI S/U„,,_x/

Die Wirksamkeit dieser Schaltung bei großen Parameteränderungen, bei Störeinwirkungen und beim Vorzeichenwechsel der Regelabweichung befriedigt nicht.

Bekannt sind ferner adaptive Regelungen, bei denen die Identifikation der Regelstrecke durch Vergleich mit einem Regelstreckenmodell erfolgt und ausgehend von dem Fehlersignal ε iterativ auf der Grundlage eines Gütefunktionais eine Parameterverstellung des Reglers erfolgt. Derartige Systeme benötigen für ihre Wirksamkeit 5... 10 Iterationsschritte.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine hohe dynamische Güte des Antriebs ohne Reglereinstellung durch den Menschen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist ein Algorithmus zur Ableitung eines Korrektursignals u aus dem Fehlersignal ε so, daß optimales Führungs- und Störverhalten des Antriebs ohne Reglereinstellung durch den Mersehen erreicht wird, insbesondere

— bei Änderung des mechanischen Trägheitsmomentes und des Verstärkungsfaktors der Regelstrecke im Verhältnis bis 1 ;50 bezogen auf das Motorträgheitsmoment

— bei Vorzeichenwechsel der Regelabweichung der Drehzahl

— bei Einwirkung von Störgrößen.

Der Algorithmus soll so geartet sein, daß er sowohl mit analogen als auch mit digitalen Reglern einfach realisiert werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das additiv auf den Reglerausgang aufzuschaltende Korrektursignal aus mehreren Anteile gebildet wird:

— Signalanteil, der dem Feh'ersignal ε proportional ist

U₂ = k| · ε

— Signalanteil, der dem Differentialquotienten erster oder höherer Ordnung und/oder dem Integral des Reglersignals proportional ist

»2 · "21 * If ^{+ !t}22 * g- ⁺ -

+ k₂₅ · f e. at

— Signalanteil, der eine Funktion des Fehlersignals ε und der Regelabweichung Δω = (ω«,,, - ω_ί(() ist.

u₃ = Ic₃ · f₃ (ε; Δω)

— Signalanteil der Differentialquotient erster oder höherer Ordnung und/oder Integral der Funktion des Fehlersignals ε und der Regelabweichung Δω ist

df.(<? , L ω ) <l²fi(f. Λ co )

+ *45 ' /^f4 ⁽^' ^{dCO )dt}

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner dadurch gelöst, daß das Korrektursignal einer Amplitudenbegrenzung unterliegt und einen vorgebbaren Maximalwert ± U_m,_x nicht üborschreitet

u = f₆ (u, + U₂ + U₃ + U₄);/U/S U_m„.

Die Regelstrecke umfaßt eine Stellgrößenbegrenzung, eine Proportionalverstärkung, einen Integrator und ein Drehzahlmeßglied. Die Integrationszeitkonstante ist veränderlich. Außerdem greift eine Störgröße an. Das Modell der Regelstrecke entspricht in seiner Struktur der Regelstracke. Die Integrationszeitkonstante des Modells ist so festgelegt, daß sie

dem Kleinstwert der Streckenzeitkonstante entspricht.

Das Modellfehlnrsignal liegt zugleich an einem Differenzierglied, einem Verstärker und einem Multiplikationsglied ah. Die mittels Summierer addierten Ausgangswerte des Differenziergliedes und des Verstärkers liegen zusammen mit dein Ausgangssignal

des Multiplikationsgliedes an einem zweiten Summierer an, dessen Ausgangssignal über einem zweiten Verstärker, einem

Pegelbegrenzer und einen dritten Summierer am Reglerein- oder -ausgang anliegt. Ein aus der Regelgrößenabweichung mittels Reihenschaltung eines zweiten Multiplikationsgliedes, eines dritten Verstärkers und eines zweiten Pegelbegrenzers gebildetes Signal liegt am Multiplikationsglied an. Durch die Schaltungsanordnung werden oben genannte Gleichungen für U₁, U₂ und U₃ realisiert. Ausführungsbeispiel Die Zeichnung zeigt den Signalflußplan einer ade ptiven Drehzahlregelung.

Die Regelstrecke 1 umfaßt eine Stellgrö'^enbegrenzCing 2, eine Proportionalverstärkung 3, einen Integrator (1/pTs) 4 und ein Drehzahlmeßglied 5, daß durch eine Filterfunktion FIL dargestellt ist. Die Integrationszeitkonstante T, ist veränderlich. Außerdem greift eine Störgröße ζ an. Das Modell 6 der Regelstrecke entspricht in seiner Struktur der Regelstrecke. Die Integrationszeitkonstante Tm des Modells ist so festgelegt, daß sie dem Kleinstwert der Streckenzeitkonstante T₁ entspricht. Das Fehlersignal ε wird in bekannter Weise als Differenz der Ausgangsregelgröße der Regelstrecke ω-, und der Ausgangsregelgröße des Modells &-, gebildet

Aus dem Fehlersignal wird ein Steuersignal U, dadurch abgeleitet, daß das Modellfehlersignal ε zugleich an einem Differenzierglied 19, einem Verstärker 16 und einem Multiplikationsglied 10 anliegt. Die mittels Summierer 13 addierten Ausgangswerte des Differenziergliedes 19 und des Verstärkers 16 liegen zusammen mit dem Ausgangssignal des Multiplikationsgliedes 10 an einem zweiten Summierer 12 an, dessen Ausgangssignal über einem zweiten Verstärker 18, einem Pegelbegrenzer 15 und einen dritten Summierer 11 am Reglerein- oder -ausgang anliegt. Ein aus der Regelgrößenabweichung mittels Reihenschaltung eines zweiten Multiplikationsgliedes 9, eines dritten Verstärkers 17 und eines zweiten Pegelbegrenzers 14 gebildetes Signal liegt am Multiplikationsglied 10 an

Durch die Schaltungsanordnung wird folgende Gleichung realisiert:

Das Steuersignal U, ist begrenzt.

der Signalanteil kj · e · Δω¹ ist Intern begrenzt. Das Steuersignal wird additiv auf den Reglerausgang, d. h. den Eingang der Regelstrecke so aufgeschaltet, daß das Streckehmodell davon unbeeinflußt bleibt. Das Regelstreckenmodell kann auch als Störgrößenbeobachter verstanden werden.

Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind eine hohe dynamische Qüte des Antriebs durch optimales Führungs· und Störgrößenverhalten ohne Reglereinstellung durch den Menschen. Die L&sung eignet sich damit insbesondere für Stellantriebe, die z. B. in diskontinuierlichen Fertigungsprozessen eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur adaptiven Regelung der Drehzahl elektrischer Antriebe, deren Regelstrecke mindestens einen veränderlichen Parameter enthält und die der Einwirkung von Störgrößen unterliegt, wobei im Grundregelkreis eine wirksame Begrenzung ist, ein fest eingestelltes Bezugsmodell verwendet wird und das Modellfehlersignal über eine adaptive Regeleinrichtung dem Eingang der Regelstrecke zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das auf den Reglerausgang oder Reglereingang aufzuschüttendes Korrektursignal (U,) unmittelbar und unverzögert unter Nutzung eines speziellen Algorithmus aus dem Modellfehlersignal (ε) abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Korrektursignal aus mehreren Anteilen aufgebaut wird

— einem Signalanteil, der dem Fehlersignal (ε) proportional ist

einem Signalanteil, der einer einfachen oder mehrfachen Differentiation oder Integration des Fehlersignals entspricht

at at

dt

einem Signalanteil, der eine Funktion des Fehlersignals und der Regelabweichung der Drehzahl ist

U₃ = k₃ · f₃ (ε, Δω)

einem Signalanteil, der sowohl Differentialquotient oder Integral des Fehlet signals als auch Funktion der Regelabweichung der Drehzahl ist,

d ι '( £, &CO ) d

² f ( £ ^{α +1} dt ^4Z dt²

^{+ k}45 VVⁱ'^{iw) dt}

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Korrektursignal einer Amplitudenbegrenzung unterliegt und einen vorgebbaren Maximalwert nicht überschreitet.

u = f₅ (U₁ + U₂ + U₃ + U₄); /U/ SU_max

4. Schaltungsanordnung zur adaptiven Regelung der Drehzahl elektrischer Antriebe, deren Regelstrecke mindestens einen veränderlichen Parameter enthält und die der Einwirkung von Störgrößen unterliegt, wobei im Grundregelkreis eine wirksame Begrenzung ist, ein fest eingestelltes Bezugsmodell der Regelstrecke parallelgeschaltet ist und das Modellfehlersignal über eine adaptive Regeleinrichtung am Eingang der Regelstrecke anliegt, gekennzeichnet dadurch, daß das Modellfehlersignal (ε) zugleich an einem Ditferenzierglied (19), einem Verstärker (16) und einem Multiplikationsglied (10) anliegt, die mittels Summierer (13) addierten Ausgangswerte des Differenziergliedes (19) und des Verstärkers (16) zusammen mit dem Ausgangssignal des Multiplikationsgliedes (10) an einem zweiten Summierer (12) anliegen, dessen Ausgangssignal

über einem zweiten Verstärker (18), einem Pegelbegrenjer (15) und einen dritten Summierer (11) am Reglerein- odor -ausgang anliegt und ein aus der Regelgrößenabweichung (Δω) mittels Reihenschaltung eines zweiten Multiplikationsgliedes (9), eines dritten Verstärkers (17) und eines zweiten Pegelbegrenzers (14) gebildetes Signal am Multiplikationsglied (10) anliegt.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Regelung elektrischer Stellantriebe mit hoher dynamischer Güte.