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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelungsstruktur zur Dämpfung von niederfrequenten Lastschwingungen bei Antrieben mit Motor und Last, wobei ein Motordrehzahlregler und ein Lastdrehzahlregler vorgesehen sind.
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In der Antriebsregelung wird häufig eine Lastmasse L über eine Welle W oder ein Getriebe G von einem geregelten Antrieb bzw. Motor M bewegt. Solche Regelungen sind z. B. aus der
DE 19617866 A1 oder der
DD 239057 A1 bekannt. Dabei ist es unerheblich, ob es sich beim Motor M oder der Last L um eine lineare oder eine rotatorische Bewegung handelt und ob das Getriebe G eine rotierende Bewegung auf eine Linearbewegung bzw. translatorische Bewegung umsetzt oder umgekehrt oder ob rotierende Bewegungen auf rotierende bzw. linear Bewegungen auf linear Bewegungen übertragen werden. Die beiden Darstellungen gemäß
1 und
2 zeigen zwei mögliche Antriebskonfigurationen. Die Darstellung gemäß der
3 zeigt das Blockschaltbild eines Modells der zugehörigen Regelungsstrecke.
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Einem Stromregler 1 wird eingangsseitig ein Sollwert a vorgegeben. Ausgangsseitig wird dann ein Stromistwert b aufgebaut, der einem Drehmoment proportional ist, aus dem durch Integration 2 die Motordrehzahl c und durch erneute Integration 3 die Motorlage d resultiert. Die Elastizität der Welle W oder eines Getriebes G wird durch eine Federkomponente 4 berücksichtigt. Der Ausgangswert e entspricht dem Federmoment, das über die Additionsstelle 2' auf die Motordrehzahl (Integrator 2) zurückwirkt. Das Federmoment e wird mit einem Lastmoment f verknüpft 5'. Daraus wird durch weitere Integration 5 der Lastdrehzahlistwert g und durch weitere Integration 6 der Lastlageistwert h erhalten. Letzterer wird eingangsseitig auf die Federkomponente 4 negativ rückgekoppelt 4'.
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Die folgenden Ausführungen werden zur Veranschaulichung auf rotierende Bewegungen beschränkt, die Überlegungen gelten aber in gleicher Weise auch für lineare oder gemischt lineare/rotierende Bewegungen.
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Bei bestimmten Verhältnissen von Motor- und Lastträgheit und der Elastizität der Welle W bzw. des Getriebes G entstehen niederfrequente Schwingungen zwischen Motor M und Last L. Diese werden im folgenden als Lastschwingungen bezeichnet, die häufig sehr störend und regelungstechnisch schwer beherrschbar sind.
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Häufig setzt man bei schwingungsfähigen Systemen Zustandsregler zur Dämpfung solcher Lastschwingungen ein. Diese Regler sind allerdings häufig so komplex, dass eine Anwendung nur durch akademische Regelungsspezialisten möglich ist. Für eine breite Produktlösung, vor allem mit Hinblick auf eine einfache Inbetriebnahme, scheinen solche Zustandsregler daher ungeeignet.
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Eine andere bekannte Lösung benutzt eine Differenzdrehzahl- und Differenzlagerückführung auf den Drehmomentsollwert des Motors M. Außerdem liefert auch ein überlagerter Motordrehzahlregler einen Drehmomentsollwert, der zu der Differenzdrehzahl- und Differenzlagerückführung addiert wird. Damit erhält man eine ähnlich komplexe Struktur, wie die des klassischen Zustandsreglers, dessen Einstellung schwierig ist. Da der Motordrehzahlregler die Rückführungswerte zum Teil kompensiert, beeinflusst die Einstellung des Motordrehzahlreglers die Wirkung der Aufschaltung im Allgemeinen stark.
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Ein Ausweg könnte sein, direkt die Lastdrehzahl ohne Motordrehzahlregler zu regeln. Aber auch das ist problematisch, denn hierbei weist die Regelungsstrecke drei Pole am Stabilitätsrand auf und verfügt über keine Nullstelle, was eine stabile Regelung nur in einem schmalen Band möglich macht. Nur als Hinweis sei hier angemerkt, dass ein weiterer Pol am Stabilitätsrand durch einen I-Anteil des Reglers hinzukommt. Damit ist eine Inbetriebnahme schwierig.
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Setzt man keine Maßnahmen zur aktiven Bedämpfung von Lastschwingungen ein, so muss man durch die Bewegungsführung eine Anregung der Schwingung vermeiden. Dies hat zur Folge, dass Bewegungsvorgänge vergleichsweise lange dauern und dass man nur eine geringe Regelungssteifigkeit erzielen kann. Störungen können dann Schwingungen anregen, die nicht aktiv bekämpft werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zur Dämpfung von niederfrequenten Lastschwingungen bei Antrieben mit Motor und Last zu finden, die bei guten Regelungsergebnissen auch eine einfache Inbetriebnahme ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Dämpfung von niederfrequenten Lastschwingungen bei Antrieben mit Motor und Last gelöst, wobei ein Motordrehzahlregler und ein Lastdrehzahlregler vorgesehen sind, indem geeignete Aufschaltwerte zur Bildung des Drehzahlsollwerts eines Motordrehzahlreglers erzeugt werden. Der zentrale Lösungsgedanke liegt also darin, dass die Dämpfung erst in einen dem Motordrehzahlregler überlagerten Lastdrehzahlregler erfolgt.
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Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass zur Dämpfung eine Lastbeschleunigung, die vorzugsweise mit einem vorgebbaren Faktor multipliziert ist, an einem ausgangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers zur Bildung eines eingangsseitigen Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler aufgeschaltet wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lastbeschleunigung direkt gemessen. Alternativ kann die Lastbeschleunigung auch durch Differenzieren der jeweiligen Lastdrehzahl oder aus der Differenzlage, also der Differenz Motorlage und Lastlage, ermittelt werden.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Lastdrehzahlregelung eine an einem eingangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlregler gebildete Differenz aus Drehzahlsollwert und Lastdrehzahl, die vorzugsweise mit einem vorgebbaren Faktor multipliziert ist, auf den ausgangsseitigen Summationspunkt zur Bildung des eingangsseitigen Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler aufgeschaltet wird. Auf diese Weise kann eine wesentlich verkürzte Einschwingzeit erreicht werden.
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Wenn die Differenz aus Drehzahlsollwert und Lastdrehzahl vor der Aufschaltung auf den ausgangsseitigen Summationspunkt zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts mit einem vorgebbaren Faktor multipliziert wird, dann kann auf diese Einschwingzeit Einfluss genommen werden.
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Zur Vermeidung eines ,wind-up' der Regelungsstrecke wird der jeweilige Differenzwert zur Lastdrehzahlregelung vorzugsweise vor der Aufschaltung auf den Motordrehzahlsollwert begrenzt.
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Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Vorsteuerung eines Lastdrehzahlsollwertes an der Lastregelung vorbei zum Motordrehzahlregler erfolgen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung verfügt die Lastdrehzahlregelung wenigstens über einen proportionalen und/oder einen differentiellen Regelanteil. Weiter ist es mit dem Verfahren nach der Erfindung möglich, oberhalb der Lastdrehzahlregelung eine Lastlageregelung vorzunehmen.
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Ferner wird die voranstehende Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch durch eine Kaskadenreglerstruktur zur Dämpfung von niederfrequenten Lastschwingungen bei Antrieben mit Motor und Last durch einen unterlagerten Motordrehzahlregler und einen überlagerten Lastdrehzahlregler gelöst.
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Auch hierbei dient zur Dämpfung vorzugsweise eine auf einen ausgangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler aufgeschaltete Lastbeschleunigung. Der Lastdrehzahlregler ist vorzugsweise durch eine Aufschaltung einer an einem eingangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers gebildeten Differenz aus Drehzahlsollwert und Lastdrehzahl auf den ausgangsseitigen Summationspunkt zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler realisiert. Dadurch wird als Vorteil eine verkürzte Einschwingzeit der Regelungsstruktur erzielt.
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Diese Einschwingzeit kann gezielt beeinflusst werden, indem ein Mittel zur Multiplikation der an dem eingangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers gebildeten Differenz aus Drehzahlsollwert und Lastdrehzahl vor der Aufschaltung auf den ausgangsseitigen Summationspunkt zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler vorgesehen ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsstruktur ist ein Mittel zur Begrenzung der an dem eingangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers gebildeten Differenz aus Drehzahlsollwert und Lastdrehzahl vor der Aufschaltung auf den ausgangsseitigen Summationspunkt zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler vorgesehen. Dadurch kann ein ,wind-up' der Regelungsstrecke vermieden werden.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Lastdrehzahlregler wenigstens über einen proportionalen und/oder einen differentiellen Regelanteil verfügt.
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Weiterhin kann ergänzend eine Vorsteuerung eines Lastdrehzahlsollwertes an dem Lastregler vorbei zum Motordrehzahlregler vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Regelungsstruktur kann des weiteren vorteilhaft oberhalb des Lastdrehzahlreglers um einen Lastlageregler erweitert werden, wodurch sich die Regelungseigenschaften weiter verbessern lassen.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform weist eine Filtereinheit zur Filterung der am ausgangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers zur Bildung des eingangsseitigen Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler aufgeschalteten Lastbeschleunigung auf.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren sowie eine korrespondierende Regelungsstruktur vor, die Lastschwingungen aktiv bedämpfen und zusätzlich, im Vergleich zu bisherigen Regelungen, deutlich kürzere Einschwingzeiten für einen Drehzahl- oder Lageregelkreis ermöglichen. Dabei wird lediglich vorausgesetzt, dass die Motordrehzahl und die Lastdrehzahl verfügbar sind. Diese können z. B. mit Hilfe eines Motorlagemesssystems und eines Lastlagemesssystems erhalten werden.
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Der Lastdrehzahlregler benutzt somit vorzugsweise alle oder einen Teil der folgende Komponenten:
- – eine Vorsteuerung. Sie sorgt dafür, dass stationär keine Soll-Ist-Differenz des Lastdrehzahlreglers bleibt, auch wenn der Lastdrehzahlregler keinen integrierenden bzw. I-Anteil hat;
- – einen der Lastbeschleunigung proportionalen Anteil, der bei Bedarf mit einem Filter gefiltert wird. Die Lastbeschleunigung kann beispielsweise direkt gemessen werden, aus der Lastdrehzahl oder der Lastlage durch Differentiation erzeugt werden oder aus der Differenzlage ermittelt werden;
- – einen proportionalen Anteil (Differenz Drehzahlsollwert und Lastdrehzahlistwert multipliziert mit einem einstellbaren Wert). Dieser Anteil kann Einfluss auf die Einschwingzeit nehmen und diese z. B. verkürzen. Außerdem kann er eine bessere Störunterdrückung bewirken. Zur Vermeidung eines ,wind-up' der Regelungsstrecke wird der proportional Anteil zur Lastdrehzahlregelung vorzugsweise vor der Aufschaltung auf den ausgangsseitigen Summationspunkt des Lastdrehzahlreglers zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts für den Motordrehzahlregler begrenzt.
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Ein wesentlicher Schritt der Erfindung liegt in der geeigneten Aufteilung der Reglerkaskaden und der Entscheidung, die Schwingung erst im Lastdrehzahlregler zu bedämpfen. Dabei hat das vorgestellte erfindungsgemäße Lösungsprinzip, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, den Vorteil, dass die Inbetriebnahme der entsprechenden Regler vergleichsweise bei sehr guten Regelungsergebnissen einfach ist.
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Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen jeweils in Prinzipdarstellung:
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1 eine erste mögliche Antriebskonfiguration mit Motor und Last,
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2 eine weitere mögliche Antriebskonfiguration mit Motor und Last,
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3 ein Blockschaltbild eines Modells der zugehörigen Regelungsstrecke und
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4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelungsstruktur zur Dämpfung von Lastschwingungen.
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Die Darstellungen von 1 bis 3 wurden bereits eingangs erläutert. Im folgenden soll nun die Erfindung anhand des in 4 gezeigten Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Kaskadenregelungsstruktur zur Dämpfung von Lastschwingungen näher erläutert werden. Dabei wird im wesentlichen auf den Ausführungen zu 3 aufgesetzt, da 4 die Darstellung von 3 beinhaltet.
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Bei der Erfindung wird als Aufschaltpunkt nicht das Motordrehmoment, sondern ein Motordrehzahlsollwert z eines schnell geregelten Motordrehzahlreglers 9 gewählt, welcher dem aus 3 bekannten Stromregler 1 überlagert ist. Die Ausführung des Motordrehzahlreglers 9 als PI-Regler ist nicht zwingend, es könnten auch andere Regler zum Einsatz kommen.
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Der Motordrehzahlregler 9 kann – sofern es sich um eine niederfrequente Lastschwingung handelt – immer schnell eingestellt werden. Dies liegt daran, dass zusätzlich zu den Schwingungspolen der Lastschwingung ein konjugiert komplexes Nullstellenpaar mit einer niedrigeren Frequenz in der Regelungsstrecke auftritt. Sofern also die übrigen kleinen Zeitkonstanten von Strecke und Regler bei der Schwingungsfrequenz eine vernachlässigbare Phasendrehung verursachen, kann die Schwingung für den Motordrehzahlregler 9 leicht aktiv bedämpft werden. Aus diesem Grund ist der Vorschlag der Erfindung vorzugsweise auf niederfrequente Lastschwingungen anwendbar. Hochfrequente Lastschwingungen sind aber auch nicht so störend.
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Für den Motordrehzahlregler 9 wird vom Motordrehzahlsollwert z der Motordrehzahlistwert c in einem Aufschaltpunkt 9'' subtrahiert und dem Motordrehzahlregler 9 zugeführt. Der Lastdrehzahlregler 10, dessen mögliche Komponenten durch eine gestrichelte Linie zusammengefasst sind, gibt den Motordrehzahlsollwert z vor, der im ausgangsseitigen Summationspunkt 9' des Lastdrehzahlreglers 10 gebildet wird. Hier geht die gefilterte Lastbeschleunigung i (mit einem einstellbaren Faktor in der Dämpfungsaufschaltung 8 multipliziert) ein, sowie der Vorsteuerwert 12 und ein begrenzter proportionaler Anteil 10'' des Lastdrehzahlreglers 10, der aus dem Drehzahlsollwert x abzüglich dem Lastdrehzahlistwert g im eingangsseitigen Summationspunkt 10' des Lastdrehzahlregler 10 gebildet und mit dem Begrenzer 11 begrenzt wird.
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Die Lastbeschleunigung i kann entweder direkt gemessen werden oder durch Differenzieren im Element 7 und evtl. anschließendes Filtern aus der Lastdrehzahl g oder durch die Differenzlage ermittelt werden. Damit kann man die gewünschte Dämpfung mit einer Dämpfungsaufschaltung 8 einstellen. Ergänzend ist es auch vorteilhaft, wenn diese Beschleunigungsrückführung optional gefiltert wird. Ein entsprechendes Filter 13 kann zwischen dem Element 7 und der Dämpfungsaufschaltung 8 in 4 angeordnet werden. Als Filter kann man z. B. eine PT1 oder PT2-Glättung verwenden, aber andere Filter sind ebenfalls denkbar. Das Filter 13 beseitigt eventuelle Probleme, die durch die Rauschverstärkung der Differentiation entstehen oder durch weitere höherfrequentere Schwingungen. Dieser Anteil wirkt somit schwingungsdämpfend.
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Um die Einschwingzeit zu verändern, wird erfindungsgemäß die am eingangsseitigen Summationspunkt 10' des Lastdrehzahlregler 10 gebildete Differenz y zwischen Drehzahlsollwert x und Lastdrehzahl g multipliziert mit einem begrenzt proportionalen Anteil 10'' des Lastreglers 10 und am ausgangsseitigen Summationspunkt 9' zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts z für den Motordrehzahlregler 9 aufgeschaltet.
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Zur Vermeidung eines Regelstrecken-wind-up wird dieser Aufschaltwert in einer auf den Lastdrehzahlregler 10 folgenden Begrenzung 11 noch begrenzt. Weil die Motordrehzahl c und die Lastdrehzahl g stationär gleich sind, ist ergänzend eine Vorsteuerung 12 des Lastdrehzahlsollwertes x, am Lastdrehzahlregler 10 mit Begrenzer 11 vorbei, zum ausgangsseitigen Summationspunkt 9' des Lastdrehzahlreglers 10 zur Bildung des Motordrehzahlsollwerts z für den Motordrehzahlregler 9 vorgesehen.
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Die Einstellung von Dämpfung und Einschwingzeit kann mit diesen beiden Eingriffen nahezu unabhängig voneinander erfolgen, was die Inbetriebnahme im Vergleich zu herkömmlichen Dämpfungsmaßnahmen wesentlich vereinfacht. Falls die Frequenz der Lastschwingung bekannt ist, ergeben sich so einfache Einstellformeln für die Dämpfungsaufschaltung 8 und den begrenzt proportionalen Anteil 10'' des Lastdrehzahlreglers 10. Auch für den notwendigen Begrenzungswert 11 zur Vermeidung des Regelungsstrecken-wind-up lässt sich eine Formel angeben, in die noch zusätzlich das Motorträgheitsmoment einfließt.
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Der Lastdrehzahlregler 10 kann vorzugsweise auch alle Aufschaltungen umfassen (Vorsteuerung, Beschleunigungsaufschaltung und proportionale Aufschaltung). In 4 ist der besseren Übersicht halber nur der begrenzt proportionale Anteil 10'' des Lastdrehzahlreglers 10 bezeichnet.
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In der Darstellung gemäß 4 sind Teile des Lastdrehzahlreglers 10 nur in der Istwertrückführung (Beschleunigung) und Teile sowohl für Soll- als auch für Istwertrückführung (z. B. der P-Anteil) berücksichtigt. Die Funktion des erfindungsgemäßen Reglers ist jedoch unabhängig davon, ob nur der Istwert oder Soll- und Istwert aufgeschaltet werden. Beispielsweise könnte anstelle der in 4 gezeigten Dämpfungsaufschaltung 8 mit den Elementen 7 ein Lastdrehzahlregler 10 alternativ auch als PD-Regler, also mit proportionalem und differenzierendem Anteil, ausgeführt werden.
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Von dieser vorangehend beschriebenen und in 4 dargestellten erfindungsgemäßen Kaskadenregelungsstruktur sind auch weitere Varianten denkbar. Die wesentlichen Elemente sind dabei jedoch eine Kaskadenstruktur mit einem unterlagerten Motordrehzahlregler 9 und einem überlagerten Lastdrehzahlregler 10 mit mindestens einem proportionalen Regelanteil bzw. P-Anteil und/oder einem differentiellen Regleranteil bzw. D-Anteil. Diese Regleranteile können nur in der Rückführung oder auch im Sollwertzweig eingebracht werden. Oberhalb des Lastdrehzahlreglers 10 kann weiterhin ein Lageregler (nicht gezeigt) angeordnet werden, der die Lastlage h regelt.
